城市轨道交通车辆与其他系统的接口效果评价模型研究

王 黎 孙 路 袁 果

城市轨道交通车辆与其他系统的接口效果评价模型研究

王 黎 孙 路 袁 果

阐述城市轨道交通车辆与其他系统的技术接口关系及接口管理工作要点，并结合实际提出评价整车接口功能实现效果的评价模型，对城市轨道交通影响车辆功能实现的接口管理工作进行量化研究，为车辆接口管理效果评价提供方法指导。

城市轨道交通；车辆；接口；评价模型

0 引言

现代城市轨道交通建设是一项复杂、庞大的系统工程，各系统之间存在众多接口，能否在设计阶段明确相关接口关系及内容，并在实施阶段通过管理手段得以实现，显得尤为关键[1，2]。特别是作为城市轨道交通重要设备之一的城市轨道交通车辆，与众多系统之间存在紧密的技术接口，如何科学、合理地协调管理这些接口关系，直接影响到车辆最终的运营效果。以下就车辆与各系统之间的技术接口及主要接口管理工作进行探讨，并提出车辆接口管理效果评价模型。

1 车辆与相关系统的技术接口

与城市轨道交通车辆存在接口关系的系统包括：信号系统、通信系统、乘客信息系统、轨道系统、变电所/接触网系统、屏蔽门/安全门系统、地面通风空调系统、车辆段工艺设备（如不落轮镟床、列车自动清洗机、车间电源系统和固定式架车机）等。车辆与以上系统之间存在的技术接口类型包括：机械、电气、功能、电磁兼容等。以下分别就车辆与不同系统接口关系进行论述。

1.1 与信号系统的接口

城市轨道交通车辆与信号系统的接口在车辆诸多接口中至关重要，是影响系统联调进度的关键因素，更是影响列车自动控制功能实现、保证列车安全、可靠、准点、舒适运营的决定性因素。

（1）功能接口。在自动驾驶（ATO）模式或者超速防护（ATP）人工驾驶模式下，列车自动控制系统车载设备控制列车运行或完成折返作业；车门安全开闭功能。

（2）机械接口。信号车载设备安装位置、安装条件的确认。

（3）电气接口。电源及信号设备功耗、控制逻辑输出、电气连接、设备接地、车地信息载频、牵引/制动特性、列车参数、系统响应时间、列车管理系统通信协议的确认。

（4）电磁兼容。电磁干扰指标的确认及验证。

1.2 与通信系统、乘客信息系统的接口

城市轨道交通车载通信和乘客信息系统由列车广播系统、司机对讲与乘客紧急报警系统、乘客信息显示系统、车载视频监视系统、乘客安全标识系统、车载专用无线通信设备、车载火灾报警设备等组成。

（1）功能接口。包含以下7类：①车载广播系统实现对客室乘客的广播功能，通过优先级控制执行广播，并且广播音量可自动调节；②司机对讲与乘客紧急报警系统实现紧急情况下司机对讲与乘客紧急报警功能；③乘客信息显示系统实现车载多媒体播放、列车LED显示功能等；④车载视频监视系统（CCTV）用于实现对车厢实时情况的监视；⑤乘客安全标识系统实现在列车适当位置提供警示标志、紧急出口指示、紧急撤离指引、灭火器指示及使用方法、列车运行线路图、乘客紧急报警按钮及与司机通话话筒的指示、使用方法及注意事项等；⑥车载专用无线通信设备实现列车驾驶员之间及与地面调度之间的无线通信功能；⑦车载火灾报警设备用于对列车任何部位的火灾情况进行报警。

（2）机械接口。设备安装位置、安装条件的确认。

（3）电气接口。电源及信号设备功耗、控制逻辑输出、电气连接、设备接地、系统响应时间、列车管理系统通信协议的确认。

（4）电磁兼容。电磁干扰指标的确认及验证。

1.3 与其他专业的接口

城市轨道交通车辆与其他系统技术接口的实现，关键在于相关重要参数在设计阶段的相互确认。具体接口参数如下。

1.3.1 与轨道专业的接口

轨道专业向车辆专业提供线路条件、钢轨重量及选型、道岔类型及号码、最小平面曲线半径、最小竖曲线半径、缓和曲线长度及顺坡率、最大坡度、轨道润滑方式、车挡方案、曲线的限速情况、曲线轨道加宽量、轨底坡、轨道扭曲度等。

车辆专业向轨道专业提供车辆编组形式、车辆的自重和载客重量、车辆轴重、两转向架中心距、车辆长度、转向架固定轴距、车轮形式、材质和硬度、车轮轮径、车轮内侧距、轮缘润滑方式、车辆最高运行速度等。

1.3.2 与变电所/接触网专业的接口

变电所/接触网专业向车辆专业提供牵引变电所的馈出保护特性、接触网悬挂组成及主要技术参数、接触网的电阻值、正线接触网绝缘分段的长度及位置、刚性接触网、柔性接触网及刚性接触网过渡段的设计安排、对车辆受电弓的要求、车辆段（停车场）咽喉区、停车列检库、联合检修库、试车线、洗车库接触网绝缘分段的长度及位置、接触网接触导线的外形尺寸和机电特性等。

车辆专业向变电所/接触网专业提供车辆编组形式、车辆电气主回路连接方式及工作模式、车辆主断路器保护特性、车辆及辅助设备功率、列车（电机）牵引力特性曲线、列车基本阻力特性曲线、列车（电机）供电特性曲线、列车制动特性曲线、列车（电机）再生电流特性曲线、列车输入电流曲线、列车（电机）效率曲线、列车功率因数曲线、列车单位阻力公式、列车载客量（按动拖车分计）、车辆的重量、制动电阻设置及重量、列车在制动状态下的制动能量曲线、列车受电弓的设置位置、静态抬升力参数、弓头质量、滑板材质、工作高度及宽度范围、弓头及整体外形尺寸、机电特性等。

1.3.3 与屏蔽门/安全门专业的接口

车辆专业向屏蔽门/安全门专业提供列车客室车门和司机室车门布置相关数据、列车长度、列车宽度、开关门的行程时间、车门门间距、门的净开度（宽度和高度）、司机室侧门开门形式、客室车门相关乘务员钥匙开关的位置。

1.3.4 与车站暖通空调系统的接口

隧道上部回/排风口位置应与列车空调冷凝器的位置对齐。

1.3.5 与不落轮镟床的接口

车辆专业向不落轮镟床提供列车编组方式和动车、拖车的长度（均指车钩连接面间长度）、车体最大宽度、车体最大高度（距轨面）、车钩中心线距轨面的高度、车轮的外形轮廓和尺寸、新轮尺寸、转向架轴距、两转向架中心距、两联挂车辆的转向架中心距、一系悬挂的外形尺寸及位置、轮对内侧距及公差、最大轴重、动车、拖车转向架重量、动车及拖车自重、轴箱的局部详图和尺寸等。

1.3.6 与列车自动清洗机的接口

车辆专业向自动清洗机提供列车编组方式和动车、拖车各自的长度以及列车受流器的布置相关数据、车体最大宽度、车体最大高度（距轨面）、车钩中心线距轨面的高度、动车与拖车自重、车辆外形轮廓和尺寸（包括端部轮廓与弧度、侧面轮廓与弧度、车辆断面及尺寸等）、车辆地板面至轨面高度、车体表面对洗涤剂的要求、列车受流器之间的距离等。

1.3.7 与车辆段车间电源供电的接口

在车辆段检修库内的静调线专门设置DC1500 V电源，并完成车辆各项静调。

牵引供货商提供该车间电源的插头，该插头与车辆高压箱的车间电源插座相配套。在车辆上实现DC1 500 V接触网供电工况与车间电源DC1 5 00 V供电工况间的安全联锁。

车辆供货商应向车间电源供货商提供车辆辅助供电系统的容量。

1.3.8 与固定式架车机的接口

车辆专业向架车机提供列车编组方式、动车及拖车的长度、车体最大宽度、车体最大高度（距轨面）、车钩中心线距轨面的高度、车轮的外形轮廓和尺寸、转向架轴距、转向架最大宽度、两转向架中心距、两联挂车辆的转向架中心距、轮对内侧距及公差、最大轴重、动车及拖车转向架重量、动车及拖车自重、车体举升点的局部详图和尺寸、车体举升点距轨面的高度、车体举升点的纵向距离（垂直于轨道方向）、车体举升点到转向架中心的距离、车辆半自动车钩和半永久牵引杆所容许的纵向位移量等。

2 车辆与相关系统的接口管理

城市轨道交通车辆与其他系统的接口管理，除了确定上述的技术接口内容外，还存在供货、运输、安装、调试及试验等接口管理工作。技术工作明确接口的关系及内容，为接口功能的实现奠定了坚实的基础，而接口管理工作则为系统最终功能的实现提供强有力的保障。有效的管理措施需明确如下几点。

（1）车辆及其他系统招标阶段。对于业主方，应在各系统用户需求书中明确表述相关接口部分的功能需求。

（2）设计联络阶段。相关各单位应通过接口会议，最终明确接口具体要求，签署接口文件。接口文件内容主要包括：供货范围与划分、安装责任分工、接口技术要求、接口项目管理、接口机构和人员要求、联络与协调方式等内容。

（3）接口调试阶段。应制定有效的接口调试组织管理办法，并根据接口文件定义的责任划分，相关牵头方及配合方做好协调和配合工作。

（4）存在机械接口的相关系统，需保持联络畅通，在接口文件规定的供货计划指导下，根据工程进展的实际情况，安排好设备的供货、运输、安装工作，相关人员在安装过程中做好安装督导等配合工作。

3 接口管理效果评价模型

城市轨道交通车辆接口管理工作效果不仅由具体接口专业的实体接口质量决定，还受制于接口实现过程中的一些管理工作对其影响。设 y 表示车辆系统接口管理工作的效果评价值，则有：

式（1）中，xi为影响接口管理工作的相关独立性因素；z为影响接口管理工作的相关关联性因素；在理想情况下，y值为1；一般评价情况下，y＜1。

根据已有的项目执行经验，将城市轨道交通车辆接口管理工作的影响因素进行如下分类。

（4）设各专业接口的关联性为z，因为与车辆接口的各专业在车辆上基本无相关接口关联，故忽略此项影响。

（5）考虑各影响因素对接口管理工作最终影响的程度不同，设置以上各影响因素的权重分别为λ、α、β、ε，且 λ+α+β+=1。代入公式（1），得到：

4 应用及计算

4.1 接口功能和性能影响因素

选取与车辆系统行车过程中最紧密的重要接口专业，并假设x11为信号专业；x12为供电专业；x13为通信专业；x14为轨道专业；x15为安全门。

上述各因子相加，得到：

4.2 组织协调、信息管理影响因素

组织协调及信息管理主要涉及到4方面因素，假设x21为组织机构及管理办法；x22为接口方案的编制及确认情况；x23为计划制定及执行情况；x24为信息及文档管理情况。上述各因子相加，得到：

4.3 相互干扰影响因素

在接口管理工作中选取的主要干扰因子有2个：假设x31为人为因素；x32为环境因素。得到：

4.4 模型构建

将式（3）、（4）、（5）代入式（2），可得在理想情况下车辆接口管理工作评价模型为：

4.5 参数计算

4.5.1 影响因素的计算

以x1i为例，首先根据以往项目经验总结及相关专家意见确定各专业的重要程度（权重值）取x11=0.25、x12=0.225、x13=0.225、x14=0.15、x15=0.15。

假设信号系统按照接口文件要求有20项接口功能和性能指标要求，在调试完成后实际实现了18项，则x11实际值为：

同理，可计算出x12～x15、x21～x24、x31～x32。

4.5.2 模型参数的设置

λ、α、β的取值根据以往多个项目的执行情况进行全面分析后得出，再由相关专家提出专业意见进行调整。为简化计算，取λ=α=β=1/3=0.3333。

5 评价效果

根据以往某城市地铁工程建设经验，收集了其车辆接口管理过程中相关的数据，经过分析计算，得出调试开始时、调试完成时和开通运营时3个时间点的x1、x2、x3值，不同阶段相关影响因素计算值如表1所示。

表1 不同阶段相关影响因素计算值

将计算值代入公式（6），可得：调试开始时地铁线路车辆接口管理评价效果参考值为0.67 627；调试完成时地铁线路车辆接口管理评价效果参考值为0.84 792；开通运营时地铁线路车辆接口管理评价效果参考值为0.85 025。

当接口管理工作评价参考值大于0.8时，说明接口管理工作效果好，实现了既定的接口管理工作目标。当接口管理工作评价参考值小于0.8时，说明接口管理工作效果较差，需要选取相关影响因素计算值较低的因素进行分析并改进。

6 结束语

城市轨道交通车辆与其他系统接口关系既复杂又十分关键，贯穿了项目实施的各个阶段（招投标、合同订立、设计联络、安装调试、运营维护等），熟悉和了解车辆与其他系统的接口关系，对上述各个阶段工作的顺利开展和最终实现都有巨大帮助。另外，根据本文构建的城市轨道交通评价模型，可对城市轨道交通接口实现效果进行计算和分析，为城市轨道交通接口工作效果评价提供理论依据。

[1] 王曰凡. 现代城市轨道交通车辆及其技术接口[J]. 城市轨道交通研究，2003(6)：4.

[2] 董向阳. 地铁建设中的技术接口管理[J]. 城市轨道交通研究，2003(3)：16.

[3] 周华任，姚泽清，杨满喜. 系统工程[M]. 北京：清华大学出版社，2011.

[4] 胡运权. 运筹学教程[M]. 北京：清华大学出版社，2007.

[5] 肖彦君，田茂. 城市轨道交通联调联试效果评价方法[J]. 中国铁道科学，2014(4).

[6] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 北京：科学出版社，2013.

[7] 蔡自兴，徐光祐. 人工智能及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

责任编辑 凌晨

Study on Effect Evaluation Model for Interfaces between Urban Rail Transit Vehicles and Other Systems

Wang Li, Sun Lu, Yuan Guo

The paper introduces the technical interface relationship and management of interface between urban rail transit vehicles and other system, provides the evaluation model of vehicle interface function realization based on practice, and carries out a study on the effect of urban rail transit vehicles and vehicle interface function management. The paper also provides the evaluation guidance to the urban rail transit vehicles interface management.

urban rail transit, vehicles, interface, evaluation model

U266.2

2015-07-15

王黎：铁科院（北京）工程咨询有限公司，工程师，北京 100081