叶敬贤

(厦门轨道交通集团有限公司，福建厦门 361004)

1 概述

目前，国内城市轨道交通信号CBTC系统普遍采用分线控制方式，各线独立控制，互不干扰，列车跨线时须降级运行。尽管互联互通需求随着城市规模扩大及地铁线路增多出现增长的趋势，但基于高效、简捷的优势，单线建设、单线运营依然是绝大部分线路建设及运营模式的首选。

然而，随着地铁线路的不断增多，需要考虑线路间的资源共享问题，或者实现一定程度上的互联互通，以减轻设备投资及运营维护的压力。

本文结合厦门市轨道交通1号线、2号线的线路/设备特点，对不同线路采用同一厂家相同型号信号系统实现列车跨线调用的技术方案进行分析和探讨，实现车辆的互通互换，以减少车辆的配属数量，从而减少可能的车辆重复投资。

2 列车跨线调用的基础条件及运营场景

2.1 基础条件

列车跨线调用离不开相关条件的支撑，这些条件主要包括以下几个方面。

1）线路条件：两条线路的线路最大设计坡度、站台长度、存车线长度、轨道结构形式、线路允许最高运行速度一致。

2）限界条件：两条线路的限界标准统一，具备两线列车互相通行的限界条件。

3）站台门条件：两条线路的站台门布局一致，滑动门的净开度相同。

4）车辆条件：两条线路的列车车门布局一致，但列车结构参数和性能参数存在一定的差异，包括列车长度、列车空载/满载重量、列车旋转质量、列车牵引/制动特性、列车最大开/关门时间等。在信号系统采用包容性设计的情况下，上述差异不影响两条线路之间列车的跨线调用及运营。

5）牵引供电条件：两条线路的牵引供电制式统一，均采用接触网DV1 500 V供电方式。

6）信号系统条件：两条线路信号系统具备以下基本技术条件，主要包括3点。

a.两条线路均采用卡斯柯信号有限公司生产的相同型号的信号系统（CBTC），车地无线通信均采用WLAN方式。

b.两条线路的系统设备选型、系统设计原则、通信协议、列车控制方式、车载无线/信标天线布置位置、轨旁设备布置原则保持一致。

c.两条线路分线控制、独立运营，且不贯通运营。

分析以上技术特点，1、2号线具备列车跨线调用的可行性。

2.2 跨线运营场景

1、2号线之间并无联络线存在，两线之间的转线作业须需由3号线进行。1、2号线转线路径示意如图1所示。

图1 1、2号线转线路径示意图Fig.1 Schematic diagram of crossover path between Line 1 and Line 2

由于1、2号线间的转线作业需经由3号线正线进行，因此1、2号线既无法实现贯通运营，也无法在运营时间内为应对突发客流而采取跨线调用空闲列车以增大运力的办法，故本文仅分析在如下两种运营场景下实现列车跨线调用的技术方案。运营场景一：在非运营时间内列车从一条线转至另一条线车辆段/停车场，更换车载软件方可实现列车的跨线运营；运营场景二：在非运营时间内列车从一条线转至另一条线车辆段/停车场，不更换车载软件即可实现列车的跨线运营。

3 列车跨线调用技术方案分析

3.1 信号系统整体方案

1、2号线信号系统采用CBTC系统，型号相同，均为卡斯柯公司提供的Urbalis888系统。该系统由列车自动监控（ATS）子系统、列车自动防护/运行（ATP/ATO）子系统、联锁（CBI）子系统、数据传输（DCS）子系统、维护监测（MSS）子系统等构成。系统结构如图2所示。

1、2号 线 的 ATS、ATP/ATO、CBI、DCS、MSS各子系统均单独设置，2条线路各子系统的数据库均独立配置，任何一条线路的某子系统数据库改动不影响另一条线路的子系统。

3.2 车载VOBC方案

在运营场景一下，列车跨线后更换车载软件，车载软件按照当前所在线路的数据配置，车载电子地图仅包含当前所在线路的线路数据、轨道区段数据、轨旁设备数据、通信协议数据等。该列车仅可被当前所在线路的轨旁和中央系统设备识别，并不再被跨线前所在的线路信号系统识别。

在运营场景二下，列车需要具备被两条线路识别的能力。为此，列车车载电子地图需将两条线路按照整体配置，即所有轨旁对象（包括线路、轨道区段、信标、信号机、车档、ZC、CI、ATS、维护网络、DCS等）应统一按照单条线路的编号原则进行编号，保证这些对象在电子地图中的唯一性。同时，地面信号系统对上述物理及逻辑对象的编号也应是唯一的，并且与车载电子地图一致。

图2 应答器系统结构原理图Fig.2 Schematic diagram of balise system

VOBC可以根据列车位置，依据车载电子地图定义的通信区域确定通信对象。列车转线后停靠于车辆段/停车场，在停车列检库与地面设备进行通信，实现自检作业，转换轨完成初始化后进入正线。

车载控制器（CC）与地面其他子系统/设备的连接示意如图3所示。

图3 CC与其他子系统/设备的连接示意图Fig.3 Schematic diagram of connection between CC and other subsystems/devices

3.3 ATS子系统方案

列车跨线后，ATS子系统与两种不同型号车辆的CC分别建立通信，CC向ATS系统报告列车状态、列车位置、车辆动作命令、列车识别号、计划到达时间、到达车站时间，ATS向CC报告列车识别号设置、发车时间和下一站到达时间、车站跳停/扣车命令等信息。

在运营场景一下，两条线路的ATS数据库只需包括本线路的列车ID编号（列车ID编号包含列车的信息数据）。

在运营场景二下，两条线路的ATS数据库需要包括两条线路所有的列车ID编号，使两条线路的ATS能够根据列车ID编号识别并管理两条线路的所有车辆。

3.4 地面ATP/ATO子系统方案

列车跨线后，ATP/ATO子系统与两种不同型号的车辆CC分别建立通信，CC向ZC报告列车速度、列车位置等，ZC向CC报告列车的移动授权、前方线路区段变量信息等，CC向LC报告时间同步请求、数据版本信息等，LC向CC报告时间同步状态、数据版本授权信息、临时限速信息等。

在运营场景一下，两条线路的ZC/LC数据库只需包括本线路的列车ID编号。

在运营场景二下，两条线路的ZC/LC数据库需要包括两条线路所有的列车ID编号，使两条线路的ZC/LC能够根据列车ID编号识别并管理两条线路的所有车辆。

3.5 CBI子系统方案

列车跨线后，CBI子系统与两种不同型号的车辆CC分别建立通信， CC向CBI报告站台门开关门命令等，CBI向CC报告站台门状态信息等。

在运营场景一下，两条线路的CBI数据库只需包括本线路的列车ID编号。

在运营场景二下，两条线路的CBI数据库需要包括两条线路所有的列车ID编号，使得两条线路的CBI能够根据列车ID编号与两条线路的所有车辆进行通信。

3.6 DCS子系统方案

车地无线网络通过服务识别号SSID来进行区分，轨旁无线AP产生周期性的识别消息，其包含无线网络的SSID、自身的MAC地址以及最大传输速率等附加信息，车载无线单元寻找符合SSID标示的无线网络，与无线网络相关的接入点进行授权和握手，握手成功后进行数据通信。

DCS车地无线安全防护采用基于动态密钥的用户身份验证和基于高级加密标准算法的无线通信加密技术。轨旁DCS系统定期将密钥下发给车载无线单元。通信时车载无线单元被定义一个无线授权的密码，以被授权与轨旁无线AP点进行连接，该密码可以通过轨旁无线AP识别。车地无线数据交换采用无线帧加密，加密将确保数据不能被未授权用户阅读或修改。

在运营场景一下，本线列车车载无线单元可获得轨旁无线AP的SSID，通过本线轨旁无线AP的身份验证，车地之间可建立通信，并对数据进行加密/解密处理。

在运营场景二下，列车车载无线单元应可被两条线路的轨旁无线AP识别。为此，列车车载无线单元应获得两条线路的轨旁无线AP的SSID及加密密钥。由于两条线路相距较远，且无联络线存在，因此不会出现列车车载无线单元错误关联至另一条线路轨旁无线AP的情况发生。另外网络管理系统需包括跨线列车车载DCS设备的配置数据，以实现对车载DCS设备的状态监测及维护管理功能。

3.7 MSS子系统方案

列车跨线后，MSS子系统与两种不同型号的车辆CC分别建立通信， CC向MSS报告车载设备状态及报警信息。

在运营场景一下，两条线路的MSS数据库只需包括本线路的列车ID编号。

在运营场景二下，两条线路的MSS数据库需要包括两条线路所有的列车ID编号，以收集两条线路的列车车载设备状态及报警信息。

4 信号系统的包容性设计

4.1 包容性设计原则

1、2号线列车长度、列车空载/满载重量、列车旋转质量、列车牵引/制动特性、列车最大开/关门时间等参数存在一定的差异。

硬件无需改动，部分软件要进行修改。根据列车参数的不同，在设计时制作两种不同的车载软件和地面软件。列车车载设备与地面设备建立通信后，地面设备识别列车型号，根据不同的列车参数采用不同的数据模型进行处理。列车根据自身的列车参数应用相应的数据模型进行控制。

4.2 列车长度差异及处理措施

差异：1号线列车车长118.9 m，2号线列车车长119.8 m，相差0.9 m。两种列车的差异如图4所示。

图4 列车车长、车门位置、信标天线位置示意图Fig.4 Train length, door location and beacon antenna location

处理措施：列车长度将影响列车停车点、列车安全包络线。由于两种列车长度差异不大，影响较大的是列车在站台精确停车的停车点SSP。列车长度不同，存在两种不同的SSP。地面信号系统根据运行列车的型号记录精确停车时的SSP，车载VOBC根据列车参数应用相应的数据模型，实现列车在站台区域的精确停车、车门与站台门联动、启动自动折返功能。

4.3 列车重量差异及处理措施

差异：1号线列车空载208 060 kg，2号线列车空载204 000 kg；1号线列车满载335 492 kg，2号线列车满载327 720 kg。1号线列车旋转质量17000 kg，2号线列车旋转质量17100kg。

处理措施：列车重量、旋转质量作为列车速度监督曲线的输入数据，参与构建列车速度监督曲线模型。根据列车重量、旋转质量为车载VOBC配置相应数据模型。旋转质量主要影响列车制动距离，列车旋转质量不同，列车制动曲线不同。列车重量、旋转质量还会影响信号VOBC与车辆的接口数据，与列车何时牵引、惰行、制动有关。两条线路的地面信号系统将采用两种列车的列车重量、旋转质量相对较差的参数进行系统设计，预留必要的保护距离。

4.4 牵引/制动差异及处理措施

差异：1号线和2号线列车的牵引/制动特性有一定差异。

处理措施：列车牵引/制动特性是编制信号车载控制软件的基础数据，根据牵引/制动特性为车载VOBC配置相应的数据模型。两条线路的地面信号系统将采用两种列车的牵引/制动特性相对较差的参数进行系统设计，预留必要的保护距离。

4.5 列车最大开/关门时间差异及处理措施

差异：1号线车门最大开关门持续时间为4.55 s，2号线车门最大开关门持续时间为6 s，两者相差1.45 s。

处理措施：为实现车门与站台门联动，车门与站台门的开/关门时机应匹配。车门开/关门由车载ATO向车辆发送开/关门命令或车辆检测到开/关门按钮被按下时启动动作，站台门开/关门由车载ATO发送站台门开/关门命令或检测到开/门按钮被按下并经由地面信号系统与站台门系统的接口启动动作。站台门开/关门动作时间一般比车门开/关门动作时间晚，因此车载ATO向车辆发送的开/关门命令延时参数、车辆检测到开/关门按钮被按下时的动作延时参数应设置合理，并经现场调试验证，以实现在自动开/关门、半自动开/关门、手动开/关门三种模式下车门与站台门的联动功能。

5 列车跨线调用实施分析

工程实施的流程包括接口设计、系统设计、设计验证、数据制作、室内测试、现场调试等阶段。

由于1号线已经通车试运营，要实现2号线列车在1号线运行，可利用2号线列车开展车载软件的设计，先期在1号线试车线进行部分功能调试。1号线地面信号系统相关软件重新设计，并在非运营时段更换软件，开展2号线列车在1号线线路上的调试作业。在1号线运营时间开始前重新更换回原运营软件。调试和管理的工作量大。

2号线还未开通运营，正处于系统设计阶段。实现1号线列车在2号线运行将增加一部分系统设计和软件修改的工作量。1、2号线列车在2号线试车线、正线上开展调试工作。2号线同时调试两种类型的列车，将增加调试时间和工作量。

6 结束语

在不同线路采用同一厂家相同制式信号系统情况下，只要线路、限界等相关专业满足要求的情况下，信号系统设计均能实现列车的跨线调用。最好在线路设计之初，就预留相关条件，各线路信号系统按实现列车跨线调用的目标设计。若在部分线路信号系统未预留条件且已经开通运营的情况下，要实现列车跨线调用，就涉及到对既有开通线路的车载及地面信号系统的改造工作，设计、调试及管理的工作量较大。若管理不当，则具有一定的运营风险，信号系统的包容性设计可能会降低乘客舒适度。