基于城轨车辆升级扩容的信号系统方案研究.pdf

75城轨交通URBAN RAIL TRANSIT基于城轨车辆升级扩容的信号系统方案研究汪 沛（卡斯柯信号有限公司，北京 100070）摘要：描述典型 CBTC 系统，从车辆扩容的角度分析信号系统的各个子系统的影响和设计方案，对项目初期的信号系统设计提出建议；结合项目实际情况，明确车辆升级扩容后会影响信号系统设计的车辆参数，结合车辆参数进行信号系统方案的研究，同时从信号系统的角度提出对车辆尺寸、设备安装位置、牵引制动特性、接口总线等各个设计的需求，评估信号系统可接受的车辆参数，为车辆方的车辆设计及信号系统的技术方案提供设计参考。关键词：信号系统设计；车辆升级扩容；车辆参数中图分类号：U231+.7 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)10-0075-05Research on Signaling System Scheme Based on Vehicle Upgrading and Capacity Expansion of Urban Rail TransitWang Pei(CASCO Signal Ltd.,Beijing 100070,China)Abstract:Based on a description of the typical CBTC system,this paper analyzes the impacts and design scheme of each subsystem of the signaling system from the perspective of vehicle capacity expansion,and provides suggestions for the signaling system design at the initial stage of the project.Considering the actual situation of the project,it determines the vehicle parameters affecting the signaling system design after vehicle upgrading and capacity expansion.Based the analysis of the vehicle parameters,it studies the signal system scheme.It also proposes the design requirements for vehicle dimensions,equipment location,traction and braking characteristics,and interface bus from the perspective of the signaling system.Assessing the acceptable vehicle parameters for the signaling system,it provides a design reference for the vehicle design of the vehicle supplier and the technical scheme of the signaling system.Keywords:signaling system design;vehicle upgrading and capacity expansion;vehicle parametersDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.10.014收稿日期：2022-08-23；修回日期：2023-08-24作者简介：汪沛（1990），男，工程师，硕士，主要研究方向：铁路信号控制，邮箱：wangpei_。随着同一城市轨道交通线路的规模化建设和网络化运营，地铁客流量大幅度增长，部分地铁线路前期购置车辆的载客能力和运营间隔逐步无法满足客流的增长需求，车辆升级扩容势在必行。由于升级扩容车辆与既有车辆设计参数往往不同，这对信号系统设计提出了新的要求，在满足保障运营安全、提高运营效率、不影响轨旁设备布置的前提下兼容铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年10月，第20卷第10期76U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT既有车辆与升级扩容车辆的参数特征。本文梳理了信号系统对车辆参数变化的系统性设计，供后续增车项目参考，同时也对车辆方的车辆设计提出建议。1项目概况以北京某线车辆升级扩容项目为例，某线已运营超过 年，既有列车 列，升级扩容新车 列，考虑在运营过程中发现的既有列车的不足，车辆方重新设计了升级扩容列车。本文基于通信的列车自动控制系统(Communication Based Train Control System，CBTC)，研究升级扩容列车的参数变化对既有信号系统设计的影响，以便车辆方进行方案的制定选择，同时为信号系统和车辆接口提供帮助。2升级扩容车辆对信号系统的影响典型的 CBTC 系统：轨旁部分主要有计算机联锁子系统（CI）、列车自动监控子系统（ATS）、数据通信子系统（DCS）、维护子系统（MSS），列车自动防护子系统和列车自动运营子系统合称为列车自动控制子系统（ATC）。ATC 子系统含轨旁区域控制器（ZC）、轨旁线路控制器（LC）、定位信标和车载信号设备。信号系统设计包括总体设计和子系统设计。总体设计是整个信号系统的设计基础，为后续的子系统设计提供参考输入。子系统设计主要包含ATC、ATS、CI、DCS、MSS 等方面，它们直接影响着项目的硬件设备和软件数据。升级扩容列车设计的变化，均会影响到信号系统的相关设计。）对列车自动控制子系统 ATC 的影响ATC 直接与车辆进行信号车辆接口，包括硬线接口和网络接口，同时 ATC 子系统还会结合总体设计中的定位信标、停车点等相关内容进行车辆的精确停车控制。为满足信号需控制车数增加的需求，轨旁 ATC 设备的 ZC 和 LC 需要进行软件扩容，同时根据升级扩容列车新的车辆参数，重新对轨旁设备布置进行分析，确认轨旁设备是否兼容新的车辆设计。）对 ATS 的影响ATS 子系统主要根据列车运行时刻表对全线列车进行集中监控，对运营实施控制，控制联锁区范围内的进路和信号，车数的增加也会导致 ATS 的软件扩容。）对 CI 的影响CI 主要负责信号机、道岔、计轴、站台门的联锁控制，车数的增加也会导致 CI 的软件扩容。同时新增车辆的开关门时延会影响车门屏蔽门的同步，车载信号系统需与 CI 综合设计，以满足升级扩容车的车门屏蔽门开关门同步的需求。）DCS 和 MSS 根据新增车辆数量对软件进行扩容综上分析：对于新增车辆项目，轨旁的信号系统子系统均需进行软件扩容以满足信号系统控车的需求。在信号系统的初期设计中，建议信号系统提前核算在满足最大运营效率前提下需求的列车数量，在轨旁软件设计中提前进行容量的预留。该建议可以保障在新增车辆与既有车辆参数完全一致的情况下，不影响既有轨旁子系统，直接实施升级扩容项目。3信号系统设计实施列车升级扩容一般采取两种方案：一是与既有车完全保持一致；二是为了满足现代化、实用性、舒适性等需求，对升级扩容的车辆进行重新设计。某线升级扩容项目为方案二，配合新车升级扩容，信号系统设计需要进行相应变动以满足需求。针对重新设计的列车，信号系统需与车辆重新进行接口谈判，根据新的车辆参数和车辆设计重新进行信号系统设计，基于保障运营安全和保障运营效率的需求，对于升级扩容新车项目，信号系统要求升级扩容车辆不影响轨旁信号系统设备布置。3.1车辆参数在升级扩容列车的信号系统设计中需重点考虑铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年10月77城轨交通URBAN RAIL TRANSIT到列车的车长车重等物理特性、列车的紧急制动等性能特性、信号车辆的接口方式等各类参数，具体如表 所示。表1影响信号系统设计的车辆参数Tab.1 Vehicle parameters aff ecting signaling system design参数描述列车尺寸和重量列车车长、列车空载重量、列车满载重量、旋转质量信号设备安装位置信标天线到车端的距离、编码里程计是否安装在制动轴或自由轴牵引制动特性牵引制动特性参数、牵引制动延迟时间紧急制动参数保障紧急制动率、紧急制动时间5车门开关门延时从发出开门（关门）命令到车门完全打开（锁闭）的时间信号车辆接口方式硬线、CAN、MVB、RS-4853.2方案设计3.2.1停车点设计停车点的设计主要考虑车体中心与站台中心对齐，保证每一个车门都能与屏蔽门对齐，不影响乘客乘降。对于增车项目，需不影响既有布置，此处需考虑车长和车载设备中信标天线安装位置这两个因素。对于升级扩容车与既有车车长一致的情况，停车点可按既有配置实行，无需进行停车点的变更，此时只需考虑信标天线的位置。如图 所示，对于列车头尾冗余定位及精确停车，信号会根据列车停车后的信标天线位置布置第二接近信标、第一接近信标以及确保列车精确停车的精确停车信标。精确停车信标距离信标天线的距离为 .m，故新增车为了满足精确停车的功能，需保证停车后信标天线满足该安装范围，此处需车辆方进行车下设备布置时综合考虑。对于升级扩容车与既有车车长不一致的情况，信号系统设计需按两种车型最长车长考虑，将短车在设计层面虚拟成长车，保障列车停车后在软件逻辑层面匹配同一个停车点。车辆方需根据信号系统提供的停车点，核算停车后的信标天线与精确停车信标之间的距离，设计信标天线的安装位置，如图 所示。图信标、停车点、信标天线位置Fig.1 Location of beacon,parking point and beacon antennaDDDDD停车点D m信标天线运行方向D信标天线信标天线间距离3.2.2紧急制动时间影响紧急制动时间参数主要有 Tcut_off、Teb-、Teb-、Teb-，分别对应紧急制动接点打开到牵引切断之间的延迟时间、紧急制动接点打开到开始制动之间的延迟时间、从 Teb-到施加了%的制动之间的延迟时间、从 Teb-到施加了%的制动之间的延迟时间，均需考虑最恶劣的情况，如图 所示。紧急制动各参数主要影响信号系统的保护区段长度、EOA 距离、保护区段解锁时间、紧急进路解锁时间、紧急制动距离，时间参数越大，信号系统各相应的设计参数就会越大，最终影响信号系统轨旁设备布置以及运营效率。某线车辆升级扩容项目中，车辆方最初给出的紧急制动时间参数远大于既有车，经信号系统核算后不满足既有轨旁信号设备的布置需求，同时极大地影响运营效率。经信号方和车辆方沟通后，车辆No.10汪沛：基于城轨车辆升级扩容的信号系统方案研究78U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT方重新进行了设计，最终给出满足需求的参数。3.2.3车门和屏蔽门的同步开/关屏蔽门的开、关控制由车载信号设备来实施，它们之间的接口通过联锁子系统实现，联锁子系统作为车载设备与站台屏蔽门中间桥梁，将车载的开、关门命令输出到屏蔽门。车门的开、关控制也由车载信号设备实施，它们之间的接口通过硬线实现。升级扩容车相对于既有车，由于门控器和车门的区别，车门的开/关门延时存在一定的差异，信号层面是可接受的。为满足车门和屏蔽门同步打开和关闭的需求，信号系统需要根据车辆方提供的车门开/关门延时进行软件配置。以车门屏蔽门完全打开到位为例，开/关门时序如图 所示。列车进入站台区域停准停稳后，为满足车门屏蔽门同步打开到位的需求，信号输出屏蔽门开门命令，经时延后输出车门开门命令（一般为 s 的脉冲信号），保证车门屏蔽门最终同步完全打开。关门同理。该时延需根据车门的开/关门延时进行考虑。某线车辆升级扩容项目，车辆门控器逻辑与既有车存在区别，信号系统根据新的车门开/关门时延参数重新设计车载信号软件，最终满足车门屏蔽门同步的需求。图车门屏蔽门同步开/关门时序Fig.3 Time sequence of synchronous opening and closing oftrain doors and platform screen doors车门开门命令屏蔽门开门命令屏蔽门关门命令车门关门命令3.2.4接口总线变化CAN 总线是一种串行通信协议，传输速率根据传输距离的不同而不同，最高可达 Mbit/s，能够满足短编组运营车辆 TCMS 数据的传输需求。MVB 总线同样是一种串行通信协议，属于总线仲裁型网络，传输速率为.Mbit/s。MVB 总线及协议相对 CAN 总线规定要更加严苛，能够满足各种车辆运营工况下 TCMS 的数据传输需求。这也保证了 MVB 在城市轨道交通车辆运用中的稳定性。基于既有车辆 CAN 总线造成的种种困扰，某线车辆升级扩容项目将总线方式更换为 MVB，信号与车辆 TCMS 的网络接口也变更为 MVB。信号与车辆的 TCMS 接口信息中，电制动使能信号、液压制动使能信号、牵引制动级位信号为信号 ATO控车的主要信号，接口方式的变化会导致车辆牵引制动响应的变化。信号方通过测试，最终确认了不同电制动等级之间的响应延时、不同液压制动等级之间的响应延时、电制动转液压制动的响应延时、不同牵引等级之间的响应延时，重新建立新的车辆模型，实现信号 ATO 精确控车，保障 ATO 模式下的舒适度和停车精确度。4结束语某线车辆升级扩容项目，所有设计、软件均通过评审，完成了室内外测试，已进入载客运营阶段。本文对初期的信号设计提出建议，轨旁设备为增加车辆做好容量预留，同时结合项目情况对车辆参数图紧急制动时间参数示意Fig.2 Time parameters of emergency braking 紧急环路状态车辆牵引状态紧急制动级位车速%关闭断开Tcut_offTeb-0Teb-10Teb-90铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年10月79城轨交通URBAN RAIL TRANSIT进行分析，在满足既有信号系统轨旁设备和保障运营的前提下，明确对车辆参数的需求，要求新增车辆进行设计时，需同步考虑信号系统设计，避免影响整个信号系统的安全。同时也从信号系统设计角度评估可接受的车辆设计变化，根据新的车辆参数进行信号软件的优化，有效减少设计、安装、调试的工作量，减少全生命周期成本，降低对运营的影响。参考文献1 郑京生.列车占用检测延时对 CBTC 信号系统安全影响研究 J.铁道通信信号，2018，54（10）：9-11.Zheng Jingsheng.Study on Impacts of Train Occupancy Detection Delay on Safety of CBTC Signaling SystemJ.Railway Signalling&Communication,2018,54(10):9-11.2 阮杰，张成国.不同列车编组运行信号设计方案研究 J.铁道通信信号，2021，57（5）：77-80，84.Ruan Jie,Zhang Chengguo.Design of Signal System Suitable for Different EMU Train FormationJ.Railway Signalling&Communication,2021,57(5):77-80,84.3 孙士博.天津地铁各线路 ATS 系统的结构和功能浅析 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