童 超

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043）

1 研究背景

随着全国各地轨道交通线网的逐渐完善，新建线路均面临着初期客流不足、高峰客流较大、平峰客流较小的问题，客流量通常在时间上分布不均，每日有明显的客流高峰和平峰。高峰时段需投入更多的列车以提高运营能力，平峰时段需减少运营列车，减少空车运行[1-4]。这就需要一种既能解决客流时间上空间上分布不均匀，又能缩短平峰期运营间隔的方式，即采用不同编组列车进行混合运营。在高峰时段采用8 节或6 节长编组列车，在平峰时段将长编组列车解编为2 列4 节或3 节的短编组列车运营，这样可在保证运营间隔，不过多延长乘客等待时间的情况下提高载客率，减少空车运行。

然而，目前的城市轨道交通列车控制系统，普遍要求运营列车必须是固定编组，基本不支持列车的动态联挂和解编功能。随着城市轨道交通新技术的提升应用，在全自动运行系统上实现列车在线联挂/解编，已经成为轨道交通全自动运行的趋势[5-9]。以厦门市地铁9 号线客流特征和运营需求为模型，进行了创新设计方案研究。

2 全自动运行联挂/解编场景分析

全自动联挂/解编和人工联挂/解编在联挂环节主要区别在于，人工联挂/解编时联挂由司机驾驶车辆进行目视作业，司机人工控车，操控相对容易，自动联挂/解编时联挂在指定区域实施，无需司机干预，支持有人值守的全自动运行(DTO)和无人值守的全自动运行(UTO)场景。相对于有司机驾驶模式，全自动无人驾驶运行场景下的联挂/解编系统要复杂的多[10-12]。

2.1 自动联挂/解编的前提条件

全自动系统的列车在线联挂/解编作业，需要预先定义自动联挂/解编作业的区域，区域内列车运行自动监控系统(ATS)、区域控制器(ZC)、车载终端(VOBC)彼此通信，确定列车处于无人驾驶模式下，区域内无障碍物影响，所有车门关闭并锁闭，列车没有移动授权，列车有完整性。联挂过程中，一列车处于静止状态，系统自动控制另一列车在速度允许范围内移动，向静止的列车靠近并联挂。

2.2 列车自动联挂前准备工作

列车1 以全自动驾驶模式(FAM)驶向被联挂停车点停稳，列车2以FAM模式驶向联挂目标列车1，距离列车1 车尾4 m 时停稳。两列车处于静止状态，ATS 系统设置列车1、列车2，两列车为联挂发起方和目标方，两列车向ATS发送报告，表示可以准备成为联挂的发起方(假设列车1)和目标方(假设列车2)。ATS 操作员可以设置发送自动联挂命令，系统收到命令，自动排列一条从列车2到列车1的进路。进路排出后，ZC 给ATS 报告，列车2 的移动授权延伸到的障碍物是列车1。ATS 系统收到ZC 的报告后，允许操作员发送自动联挂命令给列车1和列车2，启动自动联挂作业。列车2成为联挂发起方，列车1 处于自动联挂区域内，且施加了紧急制动(EB)，成为联挂目标方。全自动场景列车联挂准备过程示意图如图1所示。

图1 全自动场景列车联挂准备过程示意图Fig.1 Train coupling preparation in fully automatic scene

2.3 列车自动联挂过程

当列车2 距离列车1 最小距离4 m 时且系统联挂准备工作就绪，列车2 自动启动慢速前行模式进一步靠近列车1，当列车2 靠近距其限制授权(LMA)一段短距离时，列车2 以更低限速与列车1实现联挂，列车1 将被允许在不超过LMA 外的一段安全距离范围移动，以便列车1 的车钩可以联挂到列车2 车钩。全自动场景列车联挂过程示意图如图2所示。

图2 全自动场景列车联挂过程示意图Fig.2 Train coupling in fully automatic scene

2.4 列车自动联挂后检测

ATS系统收到自动联挂命令后，列车完整性在一段时间内暂时丢失，并且必须在限定的时间内恢复，否则系统认为联挂操作失败，一旦列车完整性重新建立，信号系统将自动计算联挂后全新列车的编组长度，自动重新建立列车网络，重新建立列车图标，重新建立无人驾驶模式，缓解EB。中央ATS调度员收到自动联挂作业命令后，系统全程监督自动联挂作业过程，如果列车1不具备自动联挂条件或对应的移动授权没有到达联挂目标点，ATS 系统命令自动停车并取消自动联挂。全自动场景联挂后检测示意图如图3所示。

图3 全自动场景联挂后检测示意图Fig.3 Detection after coupling in fully automatic scene

2.5 联挂列车自动解编过程

一列长编组列车停在联挂/解编区域，ATS发送解编命令给所有可用的VOBC。当所有可用的VOBC 在经过一段时间内收到解编命令，激活的VOBC 输出解编命令给列车1 和列车2，车辆电气车钩钩头自动缩回，机械车钩钩头自动脱离。当解编命令输出后，列车完整性在一段时间内暂时丢失，车辆完整性检测重新建立后，车载信号系统自动重新计算列车编组长度。列车1、列车2 的图标建立，无人驾驶模式重新建立，缓解EB，系统判定列车自动解编作业成功。列车收到ZC 的移动授权，系统将自动建立全新编组列车的车次号，ATS排出一条进路让列车2 远离列车1。自动解编后的全新编组列车继续按照无人驾驶模式运行。联挂列车自动解编过程示意图如图4所示。

图4 联挂列车自动解编过程示意图Fig. 4 Automatic uncoupling of train

3 全自动运行场景下联挂/解编方案设计

3.1 联挂/解编区域的选择

列车联挂过程中会产生低速碰撞，需要在清客状态下进行，联挂/解编功能建议选择在正线存车线、终端折返线、车辆段牵出线和车辆段库线。

联挂/解编区域配线长度应至少考虑2列车(含包络)+安全防护距离+2列车一度停车间距，联挂/解编区域坡度≤2‰，联挂/解编区域曲线半径R≥600 m，通常选在起终点站、大小交路折返站、有配线车站。厦门市地铁9号线联挂/解编区域选择示意图如图5所示。

图5 联挂/解编区域选择示意图Fig.5 Selection of coupling/ uncoupling areas

3.2 联挂/解编能力计算

（1）联挂能力。全自动运行场景下，2组(3+3)列车连续联挂作业时间初步理论估算约327 s (约5.5 min)。1 h 最大可满足11 组(3+3)列车的联挂。全自动场景列车联挂用时如图6所示。

图6 全自动场景列车联挂用时Fig.6 Time of train coupling in fully automatic scene

（2）解编能力。2 组(3+3)列车连续解编作业时间初步理论估算约300 s (约5 min)。1 h最大可满足12 组(3+3)列车的解编。全自动场景列车解编用时如图7所示。

图7 全自动场景列车解编用时Fig.7 Time of train uncoupling in fully automatic scene

3.3 车辆及接口设计

6 编组列车长度约118.6 m (含车钩)，3+3编组列车长度约119.8 m (含车钩)，车长增加1.2 m。车辆车钩包含机械挂钩和电气挂钩，联挂车辆需采用全自动车钩，实现低速碰撞后2 列车的硬连接，车钩强度需满足5 km/h 及以下速度反复碰撞联挂的要求[13]。列车联挂后贯通电气及网络，形成统一的控制平台。车辆性能参数满足联挂/解编作业需求，车辆车钩需新增电气接口、机械接口、通信接口等硬线接口。

车辆挂钩需新增电气挂钩联挂状态、机械挂钩联挂状态、解编电气钩命令、解编机械钩命令、对中状态等继电接口。联挂车辆将2 列固定编组列车整合为统一的车辆平台进行控制，车辆牵引、制动、车门状态、紧急手柄、障碍物检测等状态通过新增信息接口传输，车辆通过通信接口为信号系统提供重联列车车组号，重联车端以及联挂命令信息指令联挂。车辆网络采用冗余的物理双网，并为信号系统划分独立的逻辑通道，以实现信号与车辆的网络融合。

3.4 站台门布置设计

根据车辆长度、车门尺寸信息，调整滑动门间距、站台门布置总长(约115.28 m)，适应3+3 编组列车停靠。站台门控制系统的软件需进行调整，增加与信号系统、综合监控系统等接口内容，根据不同编组列车联动不同站台门及对位隔离功能。站台门布置示意图如图8所示。

图8 站台门布置示意图Fig.8 Layout of platform door

3.5 信号系统设计

信号系统设计联挂/解编应用，配置联挂/解编区域，正线、列检库新增3 编组列车尾端停车点及对应信标。需要对信号系统列车控制系统(ATC)、列车自动防护系统(ATP)、列车自动监控系统(ATS)、运营维护系统(MSS)、联锁子系统(CI)等子系统功能进行调整。

ATC 子系统增加车载ATP 软件联挂/解编模式，轨旁ATP增加列车长度和编组信息。ATS子系统对联挂/解编列车进行识别、显示及混合运营的调度管理，MSS子系统站台门采集模块用于3编组列车开关门采集及告警。联锁子系统需要设计新的进路属性，能排列进路使后车进入已有前车占用的联挂解编区域，并在完成联挂/解编过程后，能排列出站进路以ATO/ATP 模式出站；CI-PSD 驱动板卡用于3 编组站台门打开，车载设备增加联挂检测电路、通信设备。

信号系统为车辆提供安全联挂状态、列车编组信息、联挂/解编控制信息、网络连接状态信息等，为广播、乘客信息(PIS)等系统提供不同类型列车的到站、离站信息等，为站台门系统提供不同编组列车的开门命令及对位隔离信息等。特殊地点计轴点布置考虑解编后小编组故障列车的识别，在正线定义区域及车辆段股道增设识别筛选计轴设备，在站台区域、存车线折返线、停车列检库增设精确停车应答器。

3.6 其他系统设计

3 编组或3+3 编组列车在线运营时，通信、PIS、综合监控等系统需要为乘客提供相关广播及视频显示，车站广播在现有通信站台广播接口的基础上，增加对应编组列车相关车站广播信息的发送，车站PIS需要在现有PIS接口基础上增加3编组或3+3 编组列车在线运营时的相关显示及开门信息，综合监控系统需要修改ATS、现地界面，实现3 编组、3+3 编组列车的标识、显示虚拟编组运行图绘制等，根据编组列车的方式，综合监控与站台门接口修改点表、故障报警等信息。其他洗车、站台门接口、车辆段停车等根据全自动运行场景需求做对应的设计。

4 结束语

轨道交通运营中全天采用固定编组列车，不适应客流变化，也造成不同程度的能耗浪费。采用灵活编组的运营方式，高峰期开行大编组列车，平峰期开行小编组列车，可降低配属列车数[14-15]，与客流适应性好，能够应对客流风险，降低运营能耗及运营成本，提高轨道交通服务水平。