城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)改造倒接方案設(shè)計(jì)

馬永恒

（卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100045）

0 引言

隨著軌道交通的建設(shè)發(fā)展，北京、上海等一些城市的軌道交通已形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，日益增長(zhǎng)的客流給既有線路的運(yùn)營(yíng)組織帶來(lái)了巨大壓力[1]，提高運(yùn)力對(duì)信號(hào)系統(tǒng)提出了新的需求。另一方面，隨著信號(hào)系統(tǒng)投入使用年限的增加，發(fā)生故障隱患的幾率也隨著設(shè)備老化逐漸增大?；谝陨闲枨螅糠值罔F線路開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)改造，以達(dá)到消除隱患，提高運(yùn)營(yíng)能力的目的。在信號(hào)系統(tǒng)改造的全過(guò)程中，倒接方案的設(shè)計(jì)與既有信號(hào)系統(tǒng)關(guān)系最為密切，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)最高。本文主要結(jié)合北京地鐵1號(hào)線的信號(hào)系統(tǒng)改造工程，闡述信號(hào)系統(tǒng)改造過(guò)程中的倒接方案的設(shè)計(jì)。

北京地鐵1號(hào)線于1965年動(dòng)工，西段1974年開(kāi)通，東段1999年通車運(yùn)營(yíng)。線路全長(zhǎng)約34 km，25座車站、2個(gè)車輛段及一個(gè)控制中心。既有1號(hào)線采用固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)，包括國(guó)產(chǎn)繼電聯(lián)鎖設(shè)備，以及引進(jìn)的FS2500無(wú)絕緣軌道電路設(shè)備等。目前線路行車最小間隔為125 s[1]，為了進(jìn)一步提高運(yùn)力，將行車間隔縮短為120 s，同時(shí)達(dá)到消除隱患的目的，對(duì)北京地鐵1號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

本次信號(hào)系統(tǒng)改造采用基于通信的列車運(yùn)行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)，主要包括列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng) （Automatic Train Protection，ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO）、列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng) （Automatic Train Supervision，ATS）、 聯(lián) 鎖 子 系 統(tǒng) （Computer Based Interlocking，CBI）和維護(hù)支持系統(tǒng) （Maintenance Support Subsystem，MSS），如圖1所示。信號(hào)系統(tǒng)改造的全程將在保證既有信號(hào)系統(tǒng)不停運(yùn)、不降低既有運(yùn)輸能力的前提下實(shí)施。在改造過(guò)渡期間，倒接方案的設(shè)計(jì)需保證新、舊軌旁設(shè)備及車載設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)新、舊信號(hào)系統(tǒng)的“無(wú)擾切換”。

1 倒接方案設(shè)計(jì)基本原則

圖1 CBTC信號(hào)系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)安全、高效的信號(hào)系統(tǒng)倒接，根據(jù)改造線路的信號(hào)技術(shù)特點(diǎn)，倒接方案設(shè)計(jì)需滿足以下幾個(gè)原則：

（1）在信號(hào)系統(tǒng)安裝、調(diào)試期間，以及后期對(duì)舊信號(hào)設(shè)備、過(guò)渡設(shè)備的拆除過(guò)程中，系統(tǒng)倒接方案的設(shè)計(jì)要保證不影響正常的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

（2）在信號(hào)系統(tǒng)安裝、調(diào)試期間，以及后期對(duì)舊信號(hào)設(shè)備、過(guò)渡設(shè)備的拆除過(guò)程中，既有系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率、運(yùn)營(yíng)安全不能因系統(tǒng)改造而降低。

（3）在信號(hào)系統(tǒng)安裝、調(diào)試期間，以及后期對(duì)舊信號(hào)設(shè)備、過(guò)渡設(shè)備的拆除過(guò)程中，要保證新、舊信號(hào)設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，以保證過(guò)渡期間的新信號(hào)系統(tǒng)調(diào)試工作。

（4）在保證安全的前提下，要求倒接設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作便捷，便于后期拆除。

2 倒接原理

2.1 信號(hào)系統(tǒng)倒接階段劃分

（1）既有系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)階段。在該階段進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)定測(cè)及安裝以及系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試工作。

（2）影子模式運(yùn)營(yíng)階段。在該階段進(jìn)行夜間的動(dòng)車測(cè)試，以及白天在既有系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)新系統(tǒng)設(shè)備上電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

（3）新系統(tǒng)試運(yùn)營(yíng)及拆舊階段。完成新系統(tǒng)綜合聯(lián)調(diào)等各項(xiàng)測(cè)試，具備載客試運(yùn)營(yíng)條件后，進(jìn)入該階段。該階段開(kāi)始對(duì)舊信號(hào)設(shè)備進(jìn)行拆除。

（4）系統(tǒng)正式運(yùn)營(yíng)階段。試運(yùn)營(yíng)結(jié)束，舊設(shè)備及過(guò)渡設(shè)備拆除完畢后進(jìn)入該階段。各階段劃分如圖2所示。

圖2 倒接階段劃分

2.2 倒接分析

對(duì)軌旁信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，新信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備可以完全獨(dú)立于既有系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行安裝，兩個(gè)系統(tǒng)間的接口僅限于對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制。除轉(zhuǎn)轍機(jī)外，新系統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)備、區(qū)間設(shè)備、站臺(tái)設(shè)備的安裝、調(diào)試均不影響既有系統(tǒng)。針對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制，為保證系統(tǒng)過(guò)渡期的調(diào)試，設(shè)計(jì)專用的日夜轉(zhuǎn)換設(shè)備以保證轉(zhuǎn)轍機(jī)可由新、舊信號(hào)系統(tǒng)交替控制。白天運(yùn)營(yíng)期間由舊信號(hào)系統(tǒng)控制，夜間調(diào)試由新信號(hào)系統(tǒng)控制。

對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)組成進(jìn)行分析，對(duì)于同時(shí)裝有新、舊車載信號(hào)系統(tǒng)的車輛，設(shè)計(jì)信號(hào)倒接開(kāi)關(guān)，用于切換新、舊車載信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車的控制。夜間調(diào)試切換到新車載信號(hào)系統(tǒng)，白天運(yùn)營(yíng)切換到舊信號(hào)系統(tǒng)控制。在影子運(yùn)行階段，運(yùn)營(yíng)期間將倒接開(kāi)關(guān)切至既有信號(hào)系統(tǒng)控制，同時(shí)新車載信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備上電，可以對(duì)新系統(tǒng)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 軌旁設(shè)備倒接方案設(shè)計(jì)

3.1 外部電路設(shè)計(jì)

基于以上分析，軌旁新信號(hào)系統(tǒng)與既有舊信號(hào)系統(tǒng)的接口主要實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖子系統(tǒng)對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制及狀態(tài)采集。根據(jù)道岔電路原理，設(shè)計(jì)“日/夜倒接裝置”用于切換既有舊聯(lián)鎖與新系統(tǒng)聯(lián)鎖對(duì)道岔的信息采集及控制。日/夜倒接裝置設(shè)置在既有信號(hào)系統(tǒng)機(jī)械室內(nèi)的分線盤處，將新信號(hào)系統(tǒng)及既有信號(hào)系統(tǒng)的道岔控制電路分別引入日/夜倒接裝置的對(duì)應(yīng)端子上，通過(guò)日/夜倒接裝置連接至室外轉(zhuǎn)轍機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)新、舊信號(hào)系統(tǒng)對(duì)同一道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的分別控制及狀態(tài)采集。如圖3所示。

圖3 新、舊系統(tǒng)倒接原理圖

3.2 新舊系統(tǒng)倒接裝置設(shè)計(jì)

為保證切換安全可靠、操作簡(jiǎn)單，新舊系統(tǒng)倒接裝置設(shè)計(jì)主要由新舊系統(tǒng)倒接開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換確認(rèn)開(kāi)關(guān)、雙穩(wěn)態(tài)繼電器、指示燈以及外箱5部分組成。日/夜倒接裝置采用SIL4安全等級(jí)的雙穩(wěn)態(tài)繼電器作為主要部件，在繼電器完成切換后，切斷繼電器線圈的供電，繼電器的觸點(diǎn)將會(huì)鎖閉在當(dāng)前狀態(tài)下。利用該繼電器的特性，由每組相應(yīng)觸點(diǎn)的中接點(diǎn)連接室外轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制、表示線，前觸點(diǎn)及后觸點(diǎn)分別連接新、舊聯(lián)鎖設(shè)備的控制電路，從而達(dá)到新、舊聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)切換控制的目的。如圖4所示。

“新、舊系統(tǒng)倒接開(kāi)關(guān)”主要用于新舊設(shè)備的倒接操作。當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到新系統(tǒng)或舊系統(tǒng)時(shí)，只須將“新、舊系統(tǒng)倒接開(kāi)關(guān)”扳至對(duì)應(yīng)位置，雙穩(wěn)態(tài)繼電器勵(lì)磁接通相應(yīng)電路，該開(kāi)關(guān)必須與“轉(zhuǎn)換確認(rèn)開(kāi)關(guān)”配合使用才能進(jìn)行新、舊系統(tǒng)切換。

圖4 倒接開(kāi)關(guān)原理圖

“轉(zhuǎn)換確認(rèn)開(kāi)關(guān)”主要用于切斷、接通雙穩(wěn)態(tài)繼電器的勵(lì)磁電源。在轉(zhuǎn)換時(shí)，將“轉(zhuǎn)換確認(rèn)開(kāi)關(guān)”扳至對(duì)應(yīng)位置以接通繼電器勵(lì)磁電源；當(dāng)轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束，開(kāi)關(guān)扳至對(duì)應(yīng)位置切斷繼電器勵(lì)磁電源。從電路設(shè)計(jì)上強(qiáng)制要求兩次操作確認(rèn)，能夠有效防止轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生的人為誤操作。新、舊系統(tǒng)對(duì)道岔信息采集及控制與倒接開(kāi)關(guān)位置關(guān)系，參見(jiàn)表1。

表1 采集控制信息與倒接開(kāi)關(guān)位置關(guān)系

雙穩(wěn)態(tài)繼電器作為新舊系統(tǒng)倒接裝置的主要部件，對(duì)其選擇要充分考慮觸點(diǎn)的瞬間電流沖擊能力。如北京地鐵1號(hào)線采用ZD6型雙機(jī)牽引轉(zhuǎn)轍機(jī)，在直流220 V負(fù)載的情況下，雙穩(wěn)態(tài)繼電器觸點(diǎn)所承受的瞬間電流沖擊須大于8 A。同時(shí)為保證繼電器各觸點(diǎn)狀態(tài)一致，建議選擇有強(qiáng)制導(dǎo)向觸點(diǎn)的雙穩(wěn)態(tài)繼電器。

指示燈電路主要用于多個(gè)繼電器之間的狀態(tài)一致性確認(rèn)。該指示燈串聯(lián)在雙穩(wěn)態(tài)繼電器的節(jié)點(diǎn)回路中，用于提示接通的是既有系統(tǒng)還是新信號(hào)系統(tǒng)。

4 車載倒接設(shè)計(jì)

對(duì)于之前未配備車載信號(hào)系統(tǒng)的車輛，不涉及到新、舊信號(hào)系統(tǒng)的倒接。在進(jìn)行車輛信號(hào)電路設(shè)計(jì)時(shí)，只需在電路中增加車載信號(hào)倒接開(kāi)關(guān)，用于在影子運(yùn)營(yíng)期間切斷新信號(hào)設(shè)備對(duì)車載的控制命令。以下主要針對(duì)之前配備了既有信號(hào)系統(tǒng)的車輛進(jìn)行倒接方案討論。

對(duì)于之前已經(jīng)配備了車載信號(hào)系統(tǒng)的車輛，車載信號(hào)倒接設(shè)備的設(shè)計(jì)，需保證對(duì)既有車載信號(hào)系統(tǒng)與新車載信號(hào)系統(tǒng)的切換。車載信號(hào)倒接設(shè)備電路設(shè)計(jì)要確保新車載信號(hào)系統(tǒng)不會(huì)影響到既有車載信號(hào)系統(tǒng)的功能，易于操作，以保證新車載調(diào)試的要求。因此選擇安全開(kāi)關(guān)作為車載設(shè)備倒接的主要部件，該安全開(kāi)關(guān)包含既有信號(hào)系統(tǒng)和新信號(hào)系統(tǒng)兩個(gè)選擇位。進(jìn)行新、舊系統(tǒng)切換時(shí)，只需將倒接開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)位置即完成對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)的倒接。新信號(hào)系統(tǒng)和既有信號(hào)系統(tǒng)并行采集車輛信息，輸出命令將使用Y形安全開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，當(dāng)開(kāi)關(guān)置于“舊系統(tǒng)”時(shí)，既有信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行控制；當(dāng)?shù)菇娱_(kāi)關(guān)置于“新系統(tǒng)”時(shí)，新車載信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行控制。如圖5所示。

圖5 車載倒接原理圖

北京地鐵1號(hào)線車輛改造有兩種車型，分別是DKZ4車型及 SFM04車型，采用 6輛編組，3動(dòng) 3拖[2]，車輛的信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)如圖6所示。信號(hào)與車輛接口電路中接入車載倒接開(kāi)關(guān)（SC12），該倒接安全開(kāi)關(guān)有 12級(jí)共48個(gè)觸點(diǎn)，通過(guò)該安全開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)新、舊車載信號(hào)系統(tǒng)的切換。

圖6 車輛信號(hào)接口電路原理圖

進(jìn)行新、舊車載信號(hào)倒接時(shí)，需要破鉛封后，由兩人共同完成倒接開(kāi)關(guān)位置的確認(rèn)。倒接完成后對(duì)倒接開(kāi)關(guān)進(jìn)行鉛封并鎖閉倒接開(kāi)關(guān)機(jī)柜。

5 舊設(shè)備及過(guò)渡設(shè)備拆除

舊信號(hào)設(shè)備及過(guò)渡設(shè)備拆除是在新設(shè)備倒接完成后，新信號(hào)系統(tǒng)試運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行。設(shè)備拆除包括軌旁舊信號(hào)設(shè)備及過(guò)渡設(shè)備拆除，以及車載舊設(shè)備及過(guò)渡設(shè)備拆除。

5.1 軌旁舊設(shè)備拆除

軌旁舊信號(hào)設(shè)備包括信號(hào)機(jī)、軌道電路、電源設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備及電纜等，這些設(shè)備與新信號(hào)系統(tǒng)沒(méi)有接口，在新系統(tǒng)投入試運(yùn)營(yíng)后可以分段初步進(jìn)行拆除。

日/夜轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及既有室外道岔電路作為過(guò)渡設(shè)備，拆除前需將預(yù)先敷設(shè)好的轉(zhuǎn)轍機(jī)室外配線接至新信號(hào)系統(tǒng)的分線盤，并完成道岔的室內(nèi)外一致性測(cè)試后，才可將日/夜轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及舊組合配線拆除。

5.2 車載舊設(shè)備拆除

車載過(guò)渡設(shè)備主要為倒接開(kāi)關(guān)，在舊的車載信號(hào)停用后進(jìn)行拆除?；谲囕d倒接開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)，只需逐車將倒接開(kāi)關(guān)及配線從端子排上拆除即可。

在新信號(hào)系統(tǒng)啟用后按施工圖逐車將舊信號(hào)設(shè)備拆除，之后需對(duì)新信號(hào)設(shè)備重新進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，通過(guò)后才允許該車再次投入載客運(yùn)營(yíng)。

6 結(jié)論

本文結(jié)合北京地鐵1號(hào)線信號(hào)改造CBTC工程，淺談改造過(guò)程中倒接方案的設(shè)計(jì)。結(jié)合地鐵改造線路的特點(diǎn)，討論如何在不間斷商業(yè)運(yùn)行的情況下，進(jìn)行CBTC信號(hào)系統(tǒng)的工程實(shí)施。詳細(xì)分析了軌旁設(shè)備的倒接以及車載信號(hào)設(shè)備倒接過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)保證安全、便于操作、對(duì)商業(yè)運(yùn)營(yíng)影響最小的倒接方案設(shè)計(jì)，為后續(xù)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)改造提供參考。

[1]潘曉軍.北京地鐵1號(hào)線運(yùn)輸能力挖掘研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2013，13（4）：200-204.

[2]錢麗芳，譚喜堂，申朝旭.北京地鐵1號(hào)線運(yùn)能現(xiàn)狀及提高措施[J].城市軌道交通研究，2012，15（2）：69-73.