城市軌道交通信號系統靈活編組關鍵技術研究

李兆齡，嚴業智

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 概述

城市軌道交通線路的客流在不同階段、不同時段、不同空間上存在較大差異。

傳統固定編組的運營模式，通常根據客流分布情況，采用大小交路套跑，以及平峰、早高峰、晚高峰不同間隔的方式組織運營，大交路運行區域及平峰運行時段列車運行間隔大，乘客等候時間較長，等待體驗欠佳。在固定編組的運營模式下，若以減少乘客等待時間為目標，全線采用相同間隔單交路運行，將造成運能的浪費和運營成本的增加，因此，采用固定編組的運營模式無法很好的解決運力、客流、能耗匹配問題。

靈活編組是指根據不同時段、不同空間的客流特征，在保證較高列車運行間隔的條件下，通過列車編組快速變化來實現需求和運力最佳協同的運輸組織技術，基于靈活編組的運輸組織技術是用于解決其時空分布不均衡性的重要運輸組織模式之一。

2 靈活編組技術概述

列車編組的快速變化，即自動實施聯掛/解編及編組狀態自動確認是靈活編組的主要特征。高速鐵路采用人工參與的聯掛/解編方式，聯掛/解編耗時長，不適宜于城市軌道交通公交化的應用需求，隨著城市軌道交通信號及車輛網絡技術的發展，可快速實施的靈活編組技術成為可能。

靈活編組技術根據實現的技術特征，分為物理聯掛/解編技術及虛擬聯掛/解編技術。

采用物理聯掛/解編技術，2列短編組列車可以在車輛段或正線指定位置，聯掛成1列長編組列車，短編組列車之間通過全自動車鉤實現物理和電氣連接。在車輛段或正線指定位置也可以將1列聯掛的長編組列車解編為2列短編組列車。

采用虛擬聯掛/解編技術，2列短編組列車可以在車輛段或正線任意位置，通過緊密追蹤的方式虛擬聯掛成1列長編組列車，短編組列車之間無物理連接。

信號系統是實現靈活編組的關鍵系統，物理聯掛/解編技術目前已進入工程應用階段，本文主要以物理聯掛/解編為前提，介紹信號系統靈活編組的相關方案及關鍵技術。

3 靈活編組的目標及過程

靈活編組要求信號系統具備靈活調整列車編組以及不同編組列車混合運行的能力，信號系統在目前互聯互通全自動運行系統的基礎上，疊加靈活編組的功能要求，總體目標如下。

1）實現兩列裝備不同廠家信號車載設備列車的自動及聯掛/解編，聯掛/解編后保持聯掛前的模式；

2）聯掛列車滿足全自動運行相關場景下的全功能運行要求，并具備與單編組列車的混合運行的能力及互聯互通跨線運營能力。

3.1 聯掛過程

兩列相同編組列車在指定區域可進行人工聯掛或自動聯掛。

自動聯掛是指在VOBC根據聯掛/解編計劃或控制中心調度員遠程發送聯掛相關指令，完成自動聯掛，自動聯掛共分為4個步驟。

步驟1被聯掛列車準備階段：FAM/CBTC模式被聯掛列車停至聯掛解編區域指定位置，信號及車輛完成準備工作，被聯掛列車保持模式但釋放激活端（防止聯掛后出現雙端激活），被聯掛列車車輛自動施加緊急制動。

步驟2去聯掛列車準備階段：FAM/CBTC模式去聯掛列車停至聯掛解編區域，距離被聯掛列車一定距離停車（一度停車），信號及車輛完成準備工作，如圖1所示。

圖1 去聯掛列車準備階段示意Fig.1 Schematic diagram of the preparation phase for the second train to be coupled to the first train

步驟3聯掛階段：車輛根據信號的指令，啟動聯掛作業。去聯掛列車以低于車鉤允許碰撞速度與被聯掛列車低速碰撞（速度不超過5 km/h），先后完成機械車鉤聯掛及確認、電氣車鉤聯掛。聯掛均完成后，車輛及信號完成聯掛后的數據裝載以及測試工作，信號系統地面設備將兩列車標記為一列車，聯掛列車首尾建立通信。如圖2所示。

圖2 聯掛階段示意Fig.2 Schematic diagram of the coupling phase

步驟4發車階段：ATS融合兩列車車次號，形成新的車次號，并根據運行計劃為聯掛列車排列相應進路，聯掛列車根據運行計劃發車，投入運營。

對于EUM及RM列車，可根據運營規定，司機人工駕駛列車低速碰撞實現聯掛作業，作業完成后，需重啟車載設備，系統根據聯掛狀態自動識別列車編組信息，列車定位后，可升級模式。

3.2 解編過程

聯掛列車在指定區域可進行人工解編及自動解編。

自動解編是指VOBC根據聯掛/解編計劃或控制中心調度員遠程發送解編相關指令，完成自動解編，自動解編共分為3個步驟，如圖3所示。

圖3 自動解編過程示意Fig.3 Schematic diagram of the process of automatic decoupling

步驟1聯掛列車準備階段：FAM/CBTC模式聯掛列車停至聯掛解編區域指定位置，信號及車輛完成準備工作。

步驟2解編階段：車輛根據信號系統指令先后斷開兩列車電氣車鉤及機械車鉤，聯掛列車分離為兩列車，并分別裝載單列車的數據。

步驟3發車階段：ATS為兩列車分別賦予新的車次號，并根據運行計劃排列相應進路，列車根據運行計劃依次發車，投入運營。

對于EUM及RM列車，根據運營規定，司機通過操作駕駛臺上的解編按鈕，可實現列車解編作業，解編作業完成后，需重啟兩列單編組列車的車載VOBC，列車重新定位后，可升級為ATP防護模式。

4 靈活編組關鍵技術

在聯掛和解編過程中，涉及到一系列的關鍵技術問題需要解決，包括如何確保聯掛列車低速碰撞速度，確保碰撞速度既能可靠聯掛，也不會對車載造成傷害；2列車聯掛后如何實現4套車載VOBC之間的接口及協同控制；聯掛后，2列車分別向軌旁ATP發送位置報告還是發送一個整合后的位置報告；聯掛列車如何實現2列車之間的換端等。

4.1 聯掛速度控制

列車車鉤的允許最高碰撞速度為5 km/h，為精確控制聯掛速度，2列車需要在較近距離一度停車，完成聯掛的準備工作后，啟動列車低于5 km/h進行聯掛。

為實現列車在ATP防護下的近距離停車，對安全制動模型進行了優化，采用可碰撞MA和特殊的安全制動模型，通過提前切除牽引并轉換列車防護曲線方式，控制去聯掛列車停至距離被聯掛列車車鉤4 m處。在具備聯掛條件后，信號向車輛輸出聯掛命令，列車進入聯掛狀態后，由車輛控制去聯掛列車以3～5 km/h速度接近前方被聯掛列車進行碰撞聯掛，VOBC對列車運行速度進行防護。

4.2 聯掛列車接口

對于每列車首尾各安裝1套冗余的車載設備，考慮到列車聯掛需求，短編組VOBC在既有電氣接口基礎上，需新增部分接口，包括機械聯掛狀態、電氣聯掛狀態、解編命令，機械聯掛狀態、電氣聯掛狀態用于判斷列車在哪端實施了聯掛以及的正確性，分別代表本端機械車鉤、電氣車鉤處于聯掛狀態，列車聯掛時為低電平，列車非聯掛為高電平。

聯掛后的兩列短編組列需交互相關狀態及控制信息，如緊急制動狀態、站停時間、折返模式、鑰匙狀態、列車位置、駕駛模式等，考慮到電氣車鉤可提供的電氣連接線纜數量有限，短編組列車之間的信息通過網絡方式傳輸，可采用的通信方式包括：

1）與車輛以太網融合，通過車輛以太網建立兩列車VOBC間通信；

2）通過LTE建立兩列車間的通信。

考慮到通信的實時性，采用信號與車輛以太網融合方式，通過車輛以太網建立兩列車VOBC間通信。

聯掛后，信號系統將根據運行方向，自動激活相應端的車載VOBC，由激活端車載VOBC控制列車運行，激活端車載VOBC向車輛發送控制命令。將聯掛列車按照一列車進行控制，尾車車載VOBC正常運行時不參與控制，車輛將兩列單編組列車整合為統一的車輛平臺進行控制，車輛向VOBC提供長編組列車的緊急制動反饋、列車完整性、車門關閉及鎖閉狀態、牽引切除、保持制動已施加、制動重故障、障礙物及脫軌等全局性狀態；VOBC向車輛提供長編組列車的緊急制動、開門使能、牽引/制動、牽引切除、保持制動、跳躍、開關門指令等全局性指令，如圖4所示。

圖4 聯掛后的列車網絡示意Fig.4 Schematic diagram of train network after coupling

4.3 聯掛列車位置報告的發送

對于信號系統而言，靈活編組與傳統固定編組的信號系統的控制技術存在較大差異，傳統CBTC系統為固定編組，VOBC通過測速測距設備和應答器建立定位，并根據列車固定的長度向ZC發送位置報告。靈活編組運營后，列車的長度將動態的改變，需考慮列車位置報告的發送方式，有以下2個方案。

1）單包絡方案：兩列固定編組列車聯掛后，兩列車VOBC間建立通信，并將兩列車的包絡進行融合，VOBC向ZC發送聯掛后整列車的位置報告，ZC將聯掛列車按照一列車進行控制及防護。

2）雙包絡方案：兩列固定編組列車聯掛后，兩列車維持各自的包絡，兩列車VOBC同時與ZC保持通信，分別向ZC發送原固定編組列車的位置報告，ZC將聯掛列車按照兩列車進行控制及防護。同時考慮雙包絡方案在折返、喚醒等場景下，兩車VOBC需交互信息，以保證和原CBTC系統基本一致的功能分配和功能要求，雙包絡方案兩列車VOBC間可通過有線或無線建立通信。

雙包絡方案列車VOBC間邏輯耦合性較低，為虛擬聯掛/解編提供了技術保障，順應后續技術發展的方向，因此采用雙包絡方案。如圖5所示，列 車1的TC2端VOBC作 為 激 活 端，與ZC、CI、TIAS/ATS通信，交互位置報告及移動授權、站臺門聯動信息、列車運行信息；列車2的TC2端VOBC作 為跟隨 端，與ZC、TIAS/ATS通信，交互位置報告、列車運行信息；列車1及列車2的TC1端處于待機狀態。

圖5 聯掛后的車地通信示意Fig.5 Schematic diagram of vehicle-ground communication after coupling

非聯掛列車VOBC僅需對本列車進行控制，聯掛列車由兩列固定編組列車組成，在列車喚醒、折返等運營場景下，需要兩列車VOBC相互協同，完成相關功能。

4.4 聯掛列車換端

非聯掛列車折返換端時，列車頭端VOBC向尾端VOBC發送定位、駕駛模式等信息，實現列車的折返。聯掛列車換端時，TIAS/ATS向列車1的TC2端VOBC（激活端）及列車2的TC2端VOBC發送反方向運行的指令，短編組列車的頭車及尾車分別進行折返換端，頭車和尾車均換端完成后整列車換端完成，如圖6所示。

圖6 聯掛列車換端示意Fig.6 Schematic diagram of the switchover of the leading end of a coupled train

5 結束語

靈活編組為軌道交通綠色發展及服務質量提升起到了重要的促進作用，物理聯掛方案已進入工程實施階段，在實施物理聯掛的同時，ZC及VOBC的設計方案為后續虛擬聯掛提供了技術基礎，待具備低延時特性的無線網絡在城市軌道交通領域具備成熟應用條件時，逐步嘗試虛擬聯掛的工程化應用。

靈活編組的實現是一項系統性工程，除信號系統外，還需要車輛等專業的支撐。通過車鉤撞擊實現物理聯掛的方法，要求信號與車輛配合實現精確的列車控制，在頻繁撞擊場景下也對車鉤的耐用性提出了更高要求，載客聯掛也難以被運營接受。隨著可伸縮車鉤技術的成熟和應用，物理聯掛的實施難度和應用范圍將進一步降低。