期刊论文｜大连地铁1、5号线共线运营信号系统方案研究

近年来，城市轨道交通互联互通技术标准的制定与应用为线网一体化布局、资源一体化配置、运输一体化组织、调度一体化管控提供了重要支撑。为提升线网资源共享水平，解决各线路间客流分布不均及同一线路不同区段客流失衡等问题，大连地铁1、5号线在规划阶段即明确共线运营方案，通过推进信号等系统设备资源共享与互联互通，实现系统配置及运营服务的标准化。针对大连地铁1、5号线共线运营的实际需求，深入分析信号系统互联互通的现实障碍，参考行业内成熟的共线运营信号系统设计方案，采取分阶段实施策略，保障信号系统零扰兼容与共线运营的安全高效落地，最大程度减少资源浪费，确保运营的稳定性和连续性。

2.1 大连地铁1、5号线概况

2.1.1 大连地铁1号线概况

（1）1号线一期工程起于姚家站，止于会展中心站，共设15座车站，于2015年开通运营；二期工程起于星海广场站，止于河口站，共设7座车站，于2017年开通运营。该线路为大连市南北向骨干线，是当前线网中客流量最大的线路。

（2）1号线一、二期工程信号系统采用连续式通信列车控制（CBTC）、点式控制及联锁控制3种级别控制模式。其中，列车自动监控子系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动运行子系统（ATO）及计算机联锁子系统（CI）的核心设备均由安萨尔多（日立）公司提供。车地通信采用无线局域网（WLAN）技术，选用2.4GHz工业开放频段。

2.1.2 大连地铁5号线概况

（1）5号线工程起于虎滩新区站，止于后关站，共设18座车站，于2023年开通运营。全线南北走向，规划与1号线三期在后关站至新机场站区间实行共线运营。

（2）5号线信号系统采用CBTC、点式控制及联锁控制3种控制级别。核心设备由上海富欣智能交通控制有限公司提供。车地通信采用1.8GHz地铁专用频段的LTE-M系统，可综合承载信号车地无线通信、宽带集群通信以及列车运行状态监测等多项业务数据。

2.2 共线运营段概况

1号线三期工程起于姚家站，止于新机场站，共设4座车站，线路走向及站点分布如图1所示。

其中，后关村站至新机场站区间为1、5号线共线运营区段。后关村站为1、5号线同台换乘及跨线运营车站，且已随5号线同步建成并投入运营。车站内设置跨线运营渡线，其配线形式可满足1、5号线列车共同驶入新机场站，以及5号线列车于后关村站折返的双重功能要求。后关村站的跨线渡线与同台换乘设计，对信号系统的跨线路联锁控制、车地通信切换提出更高要求，而1、5号线信号设备的厂家差异与通信制式不同，成为共线运营的核心技术障碍。

3.1 共线运营方案分析

信号系统的差异是实现列车共线运行的主要制约条件。与国内其他城市轨道交通共线运营的实施条件不同，大连地铁1、5号线信号系统核心设备由不同厂商提供，且其中一方核心设备为进口设备。加之1号线建设阶段，城市轨道交通互联互通相关技术标准尚未发布，导致2条线路无法直接实现共线运营。

3.1.1 互联互通前置条件

互联互通是指城市轨道交通线网内装载不同厂商信号系统设备的列车能够实现跨线及共线运行，进而达成线网内列车联通、联运的目标。中国城市轨道交通协会发布的城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通系统系列规范和城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）系列规范，明确了互联互通系统应满足主要功能、系统架构和接口等统一的技术要求。

3.1.2 互联互通分析

1号线一期、二期工程信号系统核心设备由安萨尔多（日立）公司提供，采用WLAN车地通信方式，不支持国内城市轨道交通互联互通标准。5号线信号系统核心设备由上海富欣智能交通控制有限公司提供，采用1.8GHz地铁专用频段LTE-M系统，系统建设全程遵循国内互联互通标准要求。

1号线三期工程信号系统的建设需要满足双重核心需求：

（1）保障1号线全线贯通后的稳定运营；

（2）实现与5号线在后关站至新机场站区间的共线运营。

与此同时，1号线一期、二期信号系统尚未达到大修改造年限，暂不具备全线系统升级改造的条件。

3.1.3 共线运营方案设计原则

基于1号线既有线设备未达大修年限、工程经济性及技术可实施性的核心原则，信号系统共线运营方案设计可采用同步共线、全兼容系统或分阶段共线3种方案。

3.2 共线运营方案比较

3.2.1 方案1：同步共线

采取既有线改造，同步共线的方式。1号线三期工程按互联互通标准开展建设，同步对1号线一期、二期既有线信号系统实施升级改造，即更换核心设备为支持互联互通的自主化信号系统。

（1）优点。可一次性完成1号线既有线升级改造，并与三期工程贯通运营，有效规避多次设备改造造成的重复投资与浪费问题，整体工程成本较低，且三期开通后，1号线全线具备互联互通条件，可提早实现与5号线的共线运营；改造工作对5号线既有设备的影响范围较小；一次性改造模式不受既有设备类型的制约，可引入多厂家公平竞争，业主方具备更大议价空间。

（2）缺点。结合当前工程规划进展，1号线三期工程建成时，1号线一期、二期既有线信号系统设备使用年限不足15年，尚未达到大修改造周期，提前实施改造易造成设备资源浪费；同时，该方案需一次性投入较高改造成本，且整体改造工程量较大。

3.2.2 方案2：全兼容系统

采取全兼容系统方式。1号线三期工程采用兼具双重兼容性的信号系统，该系统既能够与1号线一期、二期既有信号系统兼容适配，又可满足互联互通技术标准要求。

（1）优点。可从技术层面彻底解决共线区段的信号兼容问题；实施进程不受1号线既有线信号系统改造时机的限制。

（2）缺点。方案的可行性完全依赖于设备厂家的技术研发与攻关能力，整体工程成本难以准确估计。

3.2.3 方案3：分阶段共线

采取分阶段共线方式。1号线三期工程优先采用与1号线一期、二期既有信号系统兼容的信号系统，先期保障1号线三期与既有线的贯通运营需求，同时在系统设计与建设中大限度预留互联互通升级接口。待1号线一期、二期信号系统进入大修改造周期时，同步对既有线三期工程实施互联互通CBTC系统升级改造，改造完成后，1号线全线将具备CBTC互联互通功能。

（1）优点。兼顾既有线改造时机，可实施性强，在一期、二期大修时对1号线全线改造，即实现与5号线的共线需求；充分契合既有线信号系统的大修改造周期，方案具备较强的可实施性，可借助1号线一期、二期的大修契机完成全线系统升级，进而实现与5号线的共线运营目标。

（2）缺点。1号线三期建成后无法立即实现与5号线的共线运营；三期工程设备投用仅8年，仍需随一期、二期同步开展升级改造，此时三期工程大部分设备尚未达到使用年限，造成工程资源的浪费。

3.3 共线运营方案设计

从技术可实施性角度考虑，3种方案均满足功能需求，但是方案1由于涉及既有线信号系统改造，整体工期相对最长；方案2由于需解决自主设备与既有安萨尔多设备兼容问题，工期不可估计，因此整体工期无法准确评估；方案3相比整体改造工期较短。

从工程经济性角度考虑，方案1的一次性投入相对最高，但从全生命周期角度比较总投入相对最低；方案2的一次性投入相对较小，但后续业主方议价空间小；方案3的前期投入相对较小。

综合考量行政审批要求及既有线改造时机等因素，信号系统共线运营选择采用分阶段共线实施方案。

3.3.1  总体方案

整体改造工作分2个阶段推进，具体实施内容如下。

（1）第一阶段。1号线三期建设阶段，采用与1号线一期、二期既有信号兼容的设备配置方案。其中，除区域控制器（ZC）外，其他设备均满足国内互联互通标准要求。同时对1号线一期、二期的ATS等设备实施升级改造（部分服务器等设备予以利旧复用），并将既有车载设备车地无线通信改造为LTE-M系统，采用LTE-M与WLAN混合组网的车地通信方案，以此规避既有线WLAN系统整体改造带来的资金浪费。1号线三期工程开通初期，5号线列车暂不进入共线运营区段，仍在后关站完成折返作业，折返站平面布置如图2所示。

 

（2）第二阶段。待1号线一期、二期信号系统达到大修改造年限后，启动全系统升级改造工作。首先将1号线一期、二期信号系统整体升级为符合国内互联互通标准的自主化设备，将既有线的WLAN车地通信系统改造为LTE-M系统，同步完成1号线三期ZC设备的升级改造，最后实施车载WLAN等相关设备的改造。改造完成后，在1号线三期工程范围内开展1、5号线信号系统互联互通功能测试、接口兼容测试及共线与跨线运营能力验证测试，实现2条线路的共线运营目标。

为实现上述分阶段共线目标，需针对性开展通信网络优化与核心设备适配改造，具体方案如下。

3.3.2  1号线三期DCS系统方案

1号线三期建设阶段，对既有线范围内的有线网络进行改造。1号线一期、二期有线网络采用A/B双网架构[9]，共设置3个骨干节点，通过配置骨干交换机构建弹性分组环（RPR）网。改造后，各车站通过配置工业交换机构成环形网络。

新建数据通信子系统（DCS）的有线网络调试完成后，开始对全线的有线网络进行改造，具体步骤如下。

（1）将新建安全网接入既有线网络。

（2）将联锁、ZC、数据库服务器业务割接至新建安全网交换机上。

（3）业务割接完成后，开展兼容系统测试工作。通过部署网络倒接方案为兼容系统测试提供符合要求的测试环境。

（4）兼容系统改造完成并通过测试后，正式上线运营，后续既有线网络仅承载WLAN业务。

上述有线网络改造通过双网架构冗余设计，确保1号线既有线WLAN业务与三期LTE-M业务的并行承载，为共线段列车跨制式通信切换提供稳定的网络底层支撑。待1号线既有线改造阶段，完成全线骨干网络的割接贯通工作。

为保障1号线三期建设期间既有列车的全线正常运营，对既有列车车载设备进行WLAN和LTE-M兼容性改造和全线贯通调试。其中，既有线车地无线仍采用WLAN制式，新建线路采用LTE-M系统。鉴于规划新增列车数量较少，车载系统按兼容模式进行设计。为实现列车在共线区段完成WLAN与LTE-M的平滑切换，需同步完成车载设备兼容性改造与轨旁信号覆盖优化，具体设计如下。

（1）LTE-M和WLAN网络指标独立管控，LTE-M系统完成独立调试，确保2项网络指标均满足信号系统的运行需求。车载中央控制单元（CC）通过移动终端（MR）与车载通信单元（TAU）建立连接，TAU分别通过WLAN和LTE-M链路与轨旁路由器建立2条通用路由封装（GRE）通道。

（2）在轨旁通信切换区域设置WLAN和LTE-M信号重叠覆盖区，当列车到达切换区域时，TAU根据小区标识等判断条件，确定车地通信的GRE传输通道，并将切换指令告知轨旁路由器；轨旁路由器同步完成地到车的数据传输通道切换。

（3）LTE-M系统分别在控制中心和车辆段接入A网、B网安全环网。

（4）开展LTE-M系统与WLAN系统并行运行验证测试。

并行运行测试完成后实现共线段WLAN与LTE-M的切换，随后在1号线既有线设备改造阶段，完成全线网络及车载设备的LTE-M系统改造工作，并拆除列车原有WLAN设备。

3.3.3  1号线三期核心设备方案

1号线三期建设期间，对既有线范围ATS系统进行国产化升级改造，同步更新地面及车载ATP设备，并将既有线安萨尔多维护支持系统（CMS）升级改造为自主化智能运维管理系统，该系统针对共线运营场景优化了跨线路设备故障关联分析功能，可实时监测1号线既有线与三期共线段信号设备的协同运行状态，保障分阶段共线模式下的系统稳定。同时，系统预留并实现与线网级智能运维平台的对接接口，达成数据互通与协同运维。

针对大连地铁1、5号线共线运营面临的信号系统厂家差异、通信制式不兼容、既有线未达改造年限等问题，通过方案比选确定分阶段共线运营方案，并设计配套的核心设备与混合组网技术方案，最终实现以最小成本投入清除互联互通障碍、保障运营连续性的目标。

方案采用两阶段改造模式：第一阶段在1号线三期部署兼容既有系统的信号设备，完成ATS系统、车载设备适应性改造，创新应用LTE-M和WLAN混合组网的DCS车地通信方案，构建双GRE传输通道与信号重叠切换机制，实现1号线三期与既有线贯通运营并预留升级条件；第二阶段待1号线既有设备进入大修周期后，完成全线互联互通标准化改造，最终达成与5号线共线运营目标。同时，通过将既有维护系统升级为自主化智能运维平台，提升了系统运行稳定性。

提出的分阶段方案与混合组网技术破解了跨厂商、跨制式城市轨道交通共线运营的技术瓶颈，兼顾建设经济性与运营连续性，可为国内同类工程提供技术参考。后续可结合运营数据，持续优化通信切换算法与运维诊断模型，进一步提升共线运营效能。