面向遠期改造的信號與車輛接口條件預(yù)留方案探討

張楚潘 袁雪源 王偉康

城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)備的生命周期一般為15～20年，對于國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展較早的北京、上海、廣州、香港等地，部分線路已進入改造周期［1］。

車輛與車載信號系統(tǒng)是城市軌道交通工程中最重要、最關(guān)鍵的2個設(shè)備系統(tǒng)，共同擔(dān)負著運輸乘客、指揮列車運行、保證行車安全、提高運輸效率的重要任務(wù)［2］。車載信號系統(tǒng)的更新改造涉及車輛與信號的接口，通常采用以下2種實施方式。

1）列車分批次扣車下線，信號與車輛接口改造完成后，再上線投入運營。要求線路具備足夠數(shù)量的列車保證正常運營。

2）在維持既有信號與車輛接口不變的前提下，新安裝一套車載信號系統(tǒng)，通過系統(tǒng)切換裝置實現(xiàn)新舊系統(tǒng)切換。正常運營時間段使用既有系統(tǒng)，結(jié)束運營后切換至新系統(tǒng)開展調(diào)試，新系統(tǒng)調(diào)試完成后上線運營。

由于既有線路車輛數(shù)量有限，車輛扣車下線對于運營組織影響較大，為保證信號系統(tǒng)改造不影響正常運營，通常采用安裝新信號系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)信號與車輛接口改造。這樣就要求列車具備足夠安裝空間，并且既有車輛電氣接口、數(shù)據(jù)接口與新信號系統(tǒng)具備良好兼容性。

然而，信號系統(tǒng)更新改造時不一定繼續(xù)沿用既有系統(tǒng)，而且各供應(yīng)商提供的信號系統(tǒng)設(shè)備安裝尺寸、接口方式均不相同，如果在設(shè)計階段，統(tǒng)籌考慮各家信號系統(tǒng)車載設(shè)備接口要求，為遠期信號車載設(shè)備改造預(yù)留接口條件，可大大降低系統(tǒng)改造難度。

為此，本文提出在車輛設(shè)計階段，整合主流信號系統(tǒng)供應(yīng)商對信號與車輛接口的需求，預(yù)留機械接口、電氣接口遠期改造條件，提高適配能力，降低改造難度，節(jié)省改造成本。

1 車載信號系統(tǒng)構(gòu)成

車載信號系統(tǒng)主要包括車載信號主機、加速度計、速度傳感器、接近傳感器、信標(biāo)天線、無線通信單元及天線、司機顯示單元、信號系統(tǒng)按鈕、測速雷達、中繼器等［3］。

1）信號主機是車載信號系統(tǒng)核心設(shè)備，接收軌旁設(shè)備發(fā)送的移動授權(quán)，計算列車運行的目標(biāo)速度，從而控制列車運行。

2）司機顯示單元用于向司機提供各類列車運行信息，包括駕駛模式、實際速度、目標(biāo)速度、目的地、車門/屏蔽門狀態(tài)等。

3）信號系統(tǒng)按鈕包括自動折返按鈕、ATO啟動按鈕、駕駛模式按鈕等［4］，由于供應(yīng)商信號系統(tǒng)駕駛模式建立機制不一致，按鈕的設(shè)置差異較大。

4）速度傳感器是用于測速測距的關(guān)鍵設(shè)備，包括轉(zhuǎn)速計、編碼里程計等。通常分別安裝在每列Tc車（拖車）2個獨立的非驅(qū)動軸上［5］。

5）加速度計用于檢測列車運行的加速度/減速度，輔助判定列車運行中的空轉(zhuǎn)/打滑，部分車載系統(tǒng)無此設(shè)備。

6）信標(biāo)天線用于檢測軌旁布置的無源信標(biāo)和有源信標(biāo)，以進行列車定位，屬于列車定位的關(guān)鍵設(shè)備。常用的包括美式信標(biāo)天線、歐式信標(biāo)天線等，其中歐式信標(biāo)天線在我國應(yīng)用較為廣泛。

7）接近傳感器用于檢測軌旁站臺區(qū)域布置的接近盤，屬于自動停車對準(zhǔn)設(shè)備，部分車載系統(tǒng)無此設(shè)備。

8）中繼器對線路上的信號具有放大再生功能，在局域網(wǎng)環(huán)境下，用來延長網(wǎng)絡(luò)傳輸距離。若列車布線距離超過100 m，則信號設(shè)備貫穿線纜需配置信號中繼器［6］。

綜合考慮主流信號系統(tǒng)供應(yīng)商系統(tǒng)方案，以及信號系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化趨勢，上述車載信號設(shè)備可能共用的情況見表1。

表1 車載信號設(shè)備共用的可行性

2 車載信號系統(tǒng)設(shè)備比較

以廣州地鐵X號線為例，該線列車編組方式為4動2拖編組B2型車，車載信號系統(tǒng)可選擇的供應(yīng)商有3家，分別為供應(yīng)商1、供應(yīng)商2和供應(yīng)商3。3家供應(yīng)商設(shè)備對比情況見表2。

3 接口條件預(yù)留方案

由于各家供應(yīng)商車載信號設(shè)備存在一定差異，因此在供應(yīng)商確定后，需基于既有接口規(guī)范，在設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段根據(jù)需求對信號與車輛的接口進行深化設(shè)計。為了最大限度降低信號系統(tǒng)改造成本，規(guī)避信號供應(yīng)商招標(biāo)不確定性帶來的風(fēng)險，有必要在增購車項目、新線項目等車輛與信號系統(tǒng)設(shè)計時，對主流信號系統(tǒng)供應(yīng)商車載信號設(shè)備機械接口、電氣接口遠期改造條件進行規(guī)劃并預(yù)留。信號系統(tǒng)供應(yīng)商根據(jù)各自設(shè)備的技術(shù)規(guī)格、安裝工藝、安裝尺寸等，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于車輛預(yù)留接口條件；車輛廠家根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留設(shè)備安裝空間、安裝位置、電纜路徑等機械條件，以及供電、貫穿線纜、信號輸出模式等電氣接口條件［7］。

通過對比研究，針對3家信號系統(tǒng)供應(yīng)商的車載信號設(shè)備特點，制定了遠期信號與車輛接口改造條件預(yù)留方案，包括機械接口和電氣接口。

3.1 機械接口

對于有條件進行規(guī)格統(tǒng)一的信號設(shè)備，可實現(xiàn)設(shè)備共用，遠期改造時沿用既有規(guī)格即可；對于不可共用的設(shè)備，則由車輛廠商預(yù)留安裝位置和安裝空間。

3.1.1 信號主機柜

由于各供應(yīng)商信號系統(tǒng)所采用設(shè)備和技術(shù)均不相同，信號主機尺寸大小、進出線接口、供電需求不同，因此主機柜不可共用，需在既有信號機柜旁，按照最大尺寸預(yù)留新機柜安裝位置及安裝接口。

3.1.2 司機顯示單元

各供應(yīng)商司機顯示單元硬件均為定型產(chǎn)品，差異主要為顯示軟件。由于司機控制臺空間有限，考慮司機顯示單元共用，統(tǒng)一安裝尺寸，并針對不同系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)顯示軟件。在信號系統(tǒng)改造時，新、舊系統(tǒng)可使用同一個司機顯示單元，正常運營時使用既有顯示軟件，調(diào)試時使用新系統(tǒng)顯示軟件。統(tǒng)一后的相關(guān)參數(shù)如下。

1）顯示器：外形尺寸不大于340 mm×250 mm×90 mm。

2）安裝孔尺寸統(tǒng)一為325 mm×180 mm。

3）駕駛室主控臺開孔尺寸大于310 mm×234 mm。

4）顯示器接地線截面積不小于6 mm。

表2 車載信號設(shè)備對比

3.1.3 車頂LTE天線

根據(jù)3家供應(yīng)商安裝技術(shù)規(guī)格，各家LTE天線的無金屬區(qū)范圍以及天線間距均不相同，取最大公約數(shù)建立安裝標(biāo)準(zhǔn)，車輛預(yù)留安裝接口。統(tǒng)一的安裝規(guī)范如下。

1）列車單端車頂中心線安裝2個車頂魚鰭天線，呈前后位置部署，2根天線前后間距大于1 200 mm。

2）在以天線為中心的500 mm范圍內(nèi)，不應(yīng)有超過天線2/3安裝高度的金屬物。

3）LTE電纜長不超過10 m。

4）魚鰭天線底部與車頂呈水平方向安裝。

5）魚 鰭 天 線 與 其 他800 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz天線間隔不小于1 000 mm。

安裝位置示意圖見圖1。

3.1.4 車底LTE天線

除供應(yīng)商3外，供應(yīng)商1和供應(yīng)商2信號系統(tǒng)無車底天線，則需以供應(yīng)商3車底LTE天線安裝要求為基準(zhǔn)，預(yù)留車底天線安裝條件。

圖1 車頂天線安裝位置示意圖

天線放置在列車的兩端，車頭、車尾車廂的外底部區(qū)域，每節(jié)車廂安裝2個。車底LTE天線尺寸需不大于300 mm×250 mm×70 mm。車輛在車底預(yù)留安裝C型槽，安裝天線時根據(jù)實際情況設(shè)計安裝支架，車輛預(yù)留安裝接口。安裝示意圖見圖2。

圖2 車底天線安裝位置示意圖

車底LTE天線線纜長度要求不超過10 m，基于線纜長度要求，車底LTE天線需安裝在信號柜附近。

3.1.5 速度傳感器

速度傳感器安裝于車軸軸端，由于各家傳感器的安裝尺寸不一致，在改造階段，新供應(yīng)商的速度傳感器與既有安裝孔存在不匹配問題。需要根據(jù)新舊傳感器安裝尺寸，定制轉(zhuǎn)接適配器，車輛在車軸軸端預(yù)留與適配器的安裝接口。

車輛在制造階段，軸端端蓋暫不預(yù)留與速度傳感器的安裝接口，待速度傳感器確定后，再對軸箱端蓋進行改造或更換，以滿足速度傳感器安裝需求。

此外，由于傳感器電纜支架至信號主機柜間的電纜需要預(yù)先布放，應(yīng)統(tǒng)一供應(yīng)商電纜型號。轉(zhuǎn)向架至車體支架電纜連接器需統(tǒng)一，同時預(yù)留車體支架安裝位置。

3.1.6 中繼器

由于列車為6輛編組，網(wǎng)線長度可能會超過100 m，因此需要在列車中部車廂（第3節(jié)或第4節(jié)）安裝網(wǎng)絡(luò)中繼交換機。

3家供應(yīng)商的中繼器安裝尺寸也各不相同，以最大尺寸為基準(zhǔn)建立安裝標(biāo)準(zhǔn)，車輛預(yù)留安裝空間及接口，在安裝前根據(jù)設(shè)備設(shè)計安裝支架。

3.1.7 信標(biāo)天線

各家天線與電纜均為配套定型產(chǎn)品，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式并不一致，需要統(tǒng)一電纜標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)3家供應(yīng)商安裝技術(shù)規(guī)格，取最大公約數(shù)建立安裝標(biāo)準(zhǔn)，車輛預(yù)留安裝接口，信標(biāo)天線安裝于車輛中心線、B車（帶受電弓的動車）轉(zhuǎn)向架2中部。安裝位置示意圖見圖3。

圖3 信標(biāo)天線安裝位置示意圖

3.1.8 信號按鈕

供應(yīng)商2和供應(yīng)商3信號按鈕的設(shè)置與供應(yīng)商1均不相同。其中有部分可實現(xiàn)共用，另一部分需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行新增。信號按鈕配置情況見表3。

表3 信號按鈕對比情況

由于司機控制臺空間有限，應(yīng)盡可能考慮統(tǒng)一信號按鈕制式，沿用既有系統(tǒng)控制模式（3位駕駛模式旋鈕+ATO模式按鈕），在既有基礎(chǔ)上根據(jù)運營需要進行深化設(shè)計，便于車輛設(shè)計邏輯電路。

3.1.9 測速雷達

除供應(yīng)商3外，供應(yīng)商1和供應(yīng)商2信號系統(tǒng)無測速雷達。按照供應(yīng)商3技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一規(guī)定測速雷達安裝于車頭防爬器下方車體安裝位置，預(yù)留安裝條件。

3.1.10 加速度計

除供應(yīng)商1外，供應(yīng)商2和供應(yīng)商3信號系統(tǒng)均無此設(shè)備。既有供應(yīng)商1信號系統(tǒng)加速度計安裝在設(shè)備機柜中靠近車輛中心線的位置。由于供應(yīng)商1信號系統(tǒng)進行了升級，加速度計數(shù)量需增加1個，因此考慮由車輛預(yù)留1～2個加速度計安裝位置及接口，滿足供應(yīng)商1系統(tǒng)安裝需求。

3.2 電氣接口

車輛除了要為信號系統(tǒng)改造預(yù)留車載設(shè)備機械接口外，還需預(yù)留電氣接口，包括繼電器、接線端子等，同時信號系統(tǒng)供應(yīng)商需統(tǒng)一信號輸入/輸出模式、信號電纜型號。重點研究非安全輸入信號、非安全輸出信號、安全輸出信號、安全輸入信號、系統(tǒng)切換開關(guān)等。

3.2.1 安全輸入/輸出信號

安全輸入/輸出信號見表4。

表4 安全輸入/輸出信號

輸出信號方面，供應(yīng)商1和供應(yīng)商2均要求除門使能信號外，輸出有源110 V電平信號（并聯(lián)）；供應(yīng)商3要求采用2組干接點（串聯(lián)）輸出無源信號。

輸入信號方面，供應(yīng)商1和供應(yīng)商2均要求車輛輸入有源電平信號（并聯(lián)）；供應(yīng)商3要求車輛提供2組干接點信號（串聯(lián)），提供DC24V電源。

統(tǒng)一后的方案為，對于3家供應(yīng)商均具備的輸入/輸出信號，車輛廠家根據(jù)信號系統(tǒng)功能設(shè)計2套接口電路；對于非共有的輸入/輸出信號，車輛廠家根據(jù)具體項目進行接口電路設(shè)計。

3.2.2 非安全輸入/輸出信號

由于各供應(yīng)商獨有的非安全輸入/輸出信號數(shù)量種類較多，若車輛完全兼容，適配多種模式的信號，將導(dǎo)致車輛控制邏輯電路極其繁瑣，故障點顯著增多，不利于現(xiàn)場維護。建議非安全輸入/輸出信號采用列車控制與管理系統(tǒng)TCMS與ATC間網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，某些特殊信號（如按鈕信號、自動折返按鈕和開關(guān)門模式等），根據(jù)具體項目情況進行設(shè)計。

3.2.3 系統(tǒng)切換開關(guān)

由于車輛已預(yù)留了遠期信號系統(tǒng)改造的車載設(shè)備機械接口、電氣接口，在車載信號系統(tǒng)改造時，可同時存在2套信號系統(tǒng)，既有系統(tǒng)用于正常運營，新系統(tǒng)用于系統(tǒng)調(diào)試。

新舊系統(tǒng)的倒切涉及大量線纜拔插、核對等工作，為提高新舊系統(tǒng)倒切效率，應(yīng)設(shè)置一個系統(tǒng)切換開關(guān)，進行車輛邏輯控制電路以及TCMS軟件的切換。原則上切換電路只對信號系統(tǒng)主機電源進行切換，系統(tǒng)切換實現(xiàn)方案有待進一步研究細化。根據(jù)既有線信號系統(tǒng)改造實施經(jīng)驗，通過切換裝置可顯著減少新舊系統(tǒng)倒接時間。

4 總結(jié)

本文對3個不同供應(yīng)商車載信號系統(tǒng)設(shè)備與車輛的機械接口、電氣接口現(xiàn)狀進行了分析總結(jié)，對面向遠期改造的接口條件預(yù)留方案進行了初步研究，將在后續(xù)信號系統(tǒng)改造項目、增購車項目中進行落地實踐，以在車輛設(shè)計階段實現(xiàn)兼容多種車載信號設(shè)備的接口，實現(xiàn)車輛與車載信號系統(tǒng)接口的統(tǒng)一化。