基于TSTCBTC?2.0系統(tǒng)的上海軌道交通5號線信號系統(tǒng)大修改造工程

張 郁

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上海//高級工程師)

目前，上海軌道交通總里程為705 km，總計(jì)列車810列，且1號線、2號線、3號線以及5號線既有線路的運(yùn)營時(shí)間已超15年，處于《鐵路信號維護(hù)規(guī)則》業(yè)務(wù)管理部分所規(guī)定的大修期。到2020年，上海軌道交通總里程將超過800 km，而運(yùn)營超過15年的線路將有5條，接近大修周期線路有3條。近期完成的5號線大修改造涉及既有線路改造和線路南延伸段建設(shè)工程，含既有線路信號系統(tǒng)的改造。此次改造中，率先采用“邊運(yùn)營、邊改造、邊建設(shè)”的模式推進(jìn)，并應(yīng)用具有高可用性的TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)[1]。本文就此次大修改造情況進(jìn)行闡述，重點(diǎn)闡述涉及信號系統(tǒng)的改造升級。

1 TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)

上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司(以下簡稱“TST”)提供的TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)是上海軌道交通5號線此次大修改造所采用的新信號系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠最大程度地保證系統(tǒng)的可用性，避免由于信號系統(tǒng)故障影響運(yùn)營，支持大客流運(yùn)行。

TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)集成與發(fā)展了常規(guī)的CBTC(基于通信的列車控制)信號系統(tǒng)。與常規(guī)CBTC系統(tǒng)相比，TSTCBTC?2.0系統(tǒng)可靠性更高，具有充分冗余與高可用性的軌旁、車載方案，多樣化的數(shù)據(jù)通信方案，以及不依賴于傳統(tǒng)的固定閉塞后備系統(tǒng)，具有完善的技術(shù)體系。

TSTCBTC?2.0系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的雙子系統(tǒng)，雙子系統(tǒng)即獨(dú)立工作，不相互依賴，又相互冗余，無縫切換。同時(shí)，子系統(tǒng)本身為冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)單個(gè)子系統(tǒng)故障時(shí)，另外一個(gè)子系統(tǒng)持續(xù)維持ATP/ATO(列車自動保護(hù)/列車自動運(yùn)行)模式，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，相當(dāng)于以CBTC作為CBTC的后備。因此，因信號原因丟失ATP/ATO模式的概率極低，極大地簡化了后備系統(tǒng)，降低了對于傳統(tǒng)CBTC點(diǎn)式和聯(lián)鎖級后備的需求，減少了軌旁維護(hù)工作量和維護(hù)難度。

在TSTCBTC?2.0系統(tǒng)制式的VOBC(車載控制器，在TSTCBTC?2.0系統(tǒng)中亦稱其為VCU)切換機(jī)制方面，如表1所示，當(dāng)收到ATS(實(shí)現(xiàn)列車自動監(jiān)控功能、負(fù)責(zé)行車調(diào)度的中央控制系統(tǒng)，在TSTCBTC?2.0系統(tǒng)中亦稱其為CCU)的VCU切換指令、車載板卡故障、外設(shè)傳感器故障、電源故障、當(dāng)前模式不可用、列車位置丟失位置及輪徑校驗(yàn)失敗等情況發(fā)生時(shí)，VOBC(VCU)將發(fā)生主備切換。與上海軌道交通既有的常規(guī)CBTC系統(tǒng)比較，在單套系統(tǒng)故障的情況下,TSTCBTC?2.0都可維持正常運(yùn)營。

表1 既有CBTC系統(tǒng)VOBC與TSTCBTC?2.0的VOBC(VCU)的對比

基于車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)LTE(長期演進(jìn))1.8 GHz、FHSS(跳頻擴(kuò)頻)2.4 GHz ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段所構(gòu)建的多樣化的數(shù)據(jù)通信方案確保了車地通信的可用性。FHSS或者LTE無線車地通信系統(tǒng)相互獨(dú)立，且同時(shí)工作，車地間的信息傳輸可經(jīng)由任何網(wǎng)絡(luò)完成，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的故障不影響整個(gè)CBTC系統(tǒng)的工作，并解決了單個(gè)頻段受到的干擾影響。

同時(shí)，為確保網(wǎng)絡(luò)與軌旁設(shè)備連接的安全性，TSTCBTC?2.0系統(tǒng)在控制中心共部署8臺SD(負(fù)責(zé)路由和通信安全的安全通信設(shè)備)，F(xiàn)HSS與LTE各4臺。SD設(shè)備兩兩為一組，分別為列車A端和B端ATS與集中站設(shè)備通信加密解密。只有在SD同時(shí)故障的情況下，網(wǎng)絡(luò)中的車地通信才會徹底中斷。

2 大修改造的背景與工程難點(diǎn)

2.1 大修改造的背景

上海軌道交通5號線既有線路于2003年11月25日開始試運(yùn)營[2-3]，高峰小時(shí)客流量約為1萬人次，客流量較大，是上海市民重要的通勤線路[4]。既有線北起莘莊站，南至閔行開發(fā)區(qū)，共有11座車站，線路全長17.206 km，其中地面線0.455 km，其余均為高架線路。5號線南延伸段北起東川路站，南至南橋新城站，線路全長16.627 km，出入段線路長度約為3.542 km，正線車站共8座，地下站和高架站各4座。5號線既有線路設(shè)有劍川路停車場，車場內(nèi)設(shè)置1條試車線；南延伸段設(shè)平莊公路定修段和莘莊輔助停車場，平莊公路定修段內(nèi)設(shè)置試車線1條。

5號線設(shè)備大修改造范圍主要包括：①5號線全線(莘莊至奉賢新城、東川路至閔行開發(fā)區(qū))除室外道岔的所有信號設(shè)備，采用TST的TSTCBTC?2.0系統(tǒng)；②劍川路停車場室內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備，采用卡斯柯的iLock系統(tǒng)。

2.2 大修改造工程難點(diǎn)

盡管大修改造不存在技術(shù)難題，但既有線路的大修改造過程仍舊面臨以下難點(diǎn)：

1)客流壓力?？紤]到市民出行需求與客流大小，此次大修改造需要在保證既有線路正常運(yùn)營的前提下開展，且新系統(tǒng)TSTCBTC?2.0的調(diào)試施工點(diǎn)繁多，因此如何順利地開展工作又不影響市民出行是此次大修改造面臨的主要要?jiǎng)?wù)。

2)運(yùn)營穩(wěn)定。線路的穩(wěn)定運(yùn)營是此次大修改造的基本要求。新系統(tǒng)未經(jīng)過運(yùn)營壓力驗(yàn)證，老系統(tǒng)中又存在大量線路老化問題，因此，在大修改造過程中，新系統(tǒng)與老系統(tǒng)故障的及時(shí)排查以及新系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營穩(wěn)定性的保證，極大地考驗(yàn)著此次改造工作成效。

3)方案編制。此次工作內(nèi)容十分繁雜，涉及線路、用車、信號供應(yīng)商、技術(shù)人員、應(yīng)急預(yù)案等多方面內(nèi)容。編制保證市民出行需求和穩(wěn)定運(yùn)營的大修改造技術(shù)方案和管理方案需要多方推進(jìn)，迭代完善。

4)組織管理。在前期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，如何把握項(xiàng)目質(zhì)量、管理項(xiàng)目進(jìn)程、保證施工效率，考驗(yàn)著項(xiàng)目開展過程中的組織管理能力。

3 基于TSTCBTC?2.0系統(tǒng)的改造工程方案與經(jīng)驗(yàn)

3.1 基于TSTCBTC?2.0系統(tǒng)的改造工程方案

此次上海軌道交通5號線大修改造工程復(fù)雜，內(nèi)容繁瑣，現(xiàn)結(jié)合TSTCBTC?2.0系統(tǒng)相關(guān)施工內(nèi)容，對其中關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行闡述。

1)合理規(guī)劃夜間施工計(jì)劃，使用倒接箱切換新舊系統(tǒng)。此次信號系統(tǒng)改造是上海軌道交通首次在保持既有線正常運(yùn)營的前提下，對全新信號系統(tǒng)TSTCBTC?2.0開展倒接調(diào)試工作。TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)所涉及的設(shè)備多、工程量大，共安排夜間調(diào)試施工500余次，系統(tǒng)倒接1 000余次。項(xiàng)目實(shí)施中，采取增設(shè)倒接箱的方式，將室外道岔設(shè)備在西門子系統(tǒng)和TST系統(tǒng)之間切換。由于信號調(diào)試施工點(diǎn)較多，每次施工前后都要進(jìn)行倒接，在切換過程中一旦發(fā)生故障，可能會影響后續(xù)運(yùn)營。對此，針對項(xiàng)目執(zhí)行組人員進(jìn)行西門子設(shè)備的排故培訓(xùn)，保證能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理簡單的故障，在維保人員到達(dá)之前完成第一步搶修。并在施工倒接過程中，通過確認(rèn)表的形式，確認(rèn)每一步操作都經(jīng)過審核和檢查，避免失誤。在倒接完成后，還要進(jìn)行室內(nèi)外一致性的確認(rèn)，通過一系列手段保證既有設(shè)備的正常運(yùn)營。

2)大規(guī)模全場景演練。全場景演練的目的在于檢驗(yàn)TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)的完善程度與可靠性。由于5號線夜間客流同樣較大，為了方便市民夜間出行，以不減少運(yùn)營時(shí)間為前提，增加全場景演練的次數(shù)來充分完成整個(gè)演練工作。全場景演練方案用車數(shù)從18列、25列到最終的27列，一共進(jìn)行7次大規(guī)模演練。本文就7次演練中23+2列的方案進(jìn)行闡述。全場景演練的目的是在TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)下，驗(yàn)證25列列車按照運(yùn)行圖計(jì)劃進(jìn)行全線套跑的功能，并且采集測試期間ATS相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，以便分析測試結(jié)果。

(1)演練前準(zhǔn)備。當(dāng)日運(yùn)營結(jié)束后，車輛部門提供車況良好的編組列車，同時(shí)準(zhǔn)備足夠的列車司機(jī)，以能實(shí)現(xiàn)站間折返。列車通過RMF模式出庫，至正線建立ATO(列車自動運(yùn)行)模式后開始跑圖。

(2)全場景演練。當(dāng)日正常運(yùn)營結(jié)束后進(jìn)行要點(diǎn)交底，隨后進(jìn)行倒接工作，確認(rèn)系統(tǒng)正常后，列車以RMF模式按計(jì)劃出庫，建立ATPM/ATO模式。之后所有列車根據(jù)運(yùn)行圖進(jìn)行全場景演練，演練結(jié)束后列車按照運(yùn)行圖回庫。

(3)演練結(jié)束后系統(tǒng)倒接。演練結(jié)束列車回庫后，進(jìn)行系統(tǒng)倒接工作，確認(rèn)既有線線路系統(tǒng)正常，并確保停車場設(shè)備正常。倒接完成后進(jìn)行銷點(diǎn)，演練結(jié)束。

通過全場景演練，解決試運(yùn)營中碰到的問題，保障既有線系統(tǒng)改造工作順利進(jìn)行，保障延伸線系統(tǒng)和與既有線系統(tǒng)順利對接，實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營的快速投入。

3)協(xié)調(diào)解決調(diào)試資源沖突。對于南延伸段信號系統(tǒng)的調(diào)試工作，調(diào)整信號系統(tǒng)施工節(jié)奏，開展分段調(diào)試，即緊貼土建、觸網(wǎng)交付節(jié)點(diǎn)開展調(diào)試，保證整體工程進(jìn)度。由于既有線莘莊站至劍川站的車站站臺需要進(jìn)行延長與改造，因此需要協(xié)調(diào)夜間施工資源，并利用東川路新建站臺存放列車，以減少出入庫的流程時(shí)間，整體規(guī)劃動車路徑、合理避讓。

4)高效有序?qū)嵤└罱?。編制了《上海市軌道交?號線南延伸工程信號系統(tǒng)割接(含通信配套)方案》，內(nèi)容涉及割接工作開展的前提、范圍、工作量、組織、安保措施、應(yīng)急預(yù)案、工具、組織架構(gòu)等。既有線割接開通工作同樣不能影響正常運(yùn)營，只能在晚間運(yùn)營全部結(jié)束后進(jìn)行。割接工作分3個(gè)階段開展：首先是設(shè)備割接，耗時(shí)約3 h；其次是90 min的起動車驗(yàn)證，莘莊、平莊、劍川三個(gè)停車場均準(zhǔn)備2列列車進(jìn)行套跑驗(yàn)證；最后是故障排查，預(yù)留時(shí)段為60 min。割接開通工作安排合理，并順利實(shí)施。

5)組織管理。為按期保質(zhì)保量地完成5號線大修改造的一系列工作，項(xiàng)目參與方非常重視大修改造方案的施工管理與落實(shí)。例如，為順利完成在不停運(yùn)的情況下的割接，施工當(dāng)天現(xiàn)場施工人數(shù)將高達(dá)幾百人，施工面涉及廣，需要有效手段來保證工作的安全有序。為此，特制定了“分層管控”的施工方案，由1個(gè)施工總負(fù)責(zé)對應(yīng)6位區(qū)域負(fù)責(zé)人；每位區(qū)域負(fù)責(zé)人對應(yīng)車站、停車場或者列車；每個(gè)車站還有車站級別的負(fù)責(zé)人，車站負(fù)責(zé)人直接指揮現(xiàn)場室內(nèi)外的施工人員。同時(shí)，為每個(gè)負(fù)責(zé)人制作了相應(yīng)的作業(yè)單和確認(rèn)單用于確認(rèn)每一項(xiàng)施工內(nèi)容和下級組員完成情況；每個(gè)負(fù)責(zé)人都分配對講機(jī)，頻道固定，向上匯報(bào)與向下溝通頻道分開；施工時(shí)，各級人員層層匯報(bào)，不得越級。

3.2 工程效果、創(chuàng)新與經(jīng)驗(yàn)

上海軌道交通5號線大修改造工程，于2018年8月20日完成信號系統(tǒng)調(diào)試，于2018年12月30日全線正式開通。項(xiàng)目實(shí)施過程井然有序，各專業(yè)配合得當(dāng)，培訓(xùn)效果顯著，信號割接完成圓滿，并順利地將TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)投入運(yùn)營服務(wù)。開通至2019年5月中旬，載客里程已達(dá)150萬列·km，運(yùn)營穩(wěn)定可靠，未發(fā)生5 min晚點(diǎn)與清客事件。

項(xiàng)目實(shí)施與運(yùn)營效果離不開創(chuàng)新技術(shù)、方法與管理的支持，總結(jié)如下：

1)TSTCBTC?2.0的高可用性。作為安全苛求系統(tǒng)，TSTCBTC?2.0具有高冗余、高可用性。該系統(tǒng)由2個(gè)互為冗余的子系統(tǒng)構(gòu)成，相當(dāng)于以CBTC為CBTC的后備。實(shí)際運(yùn)營效果也進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

2)新舊系統(tǒng)倒接箱切換方案。在不影響正常運(yùn)營的前提下開展信號升級改造工作，需要兼顧老系統(tǒng)和新系統(tǒng)的切換。此次大修改造，采用倒接箱切換方案，在設(shè)備安裝調(diào)試、演練與實(shí)施割接過程中，用TST的TSTCBTC?2.0新系統(tǒng)取代西門子老系統(tǒng)的功能，實(shí)施期間未對線路正常運(yùn)營造成干擾。

3)大規(guī)模全場景演練。為驗(yàn)證TSTCBTC?2.0的功能，在非運(yùn)營時(shí)段，多次組織全場景演練，模擬實(shí)際客流需求，有效地排查問題，跟進(jìn)實(shí)施進(jìn)程，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4)高效的組織與管理。改造實(shí)施過程中，為降低安全風(fēng)險(xiǎn)、保證效率、提升業(yè)務(wù)能力，組織了多場技術(shù)交底培訓(xùn)，并有效地組織了設(shè)備調(diào)試、大規(guī)模全場景演練以及割接開通工作，采用“分層管控”現(xiàn)場管理模式、落實(shí)應(yīng)急預(yù)案等一系列舉措，創(chuàng)造性地完成了“邊運(yùn)營、邊改造、邊建設(shè)”任務(wù)。

在此次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面，大修改造工程的圓滿完成主要在于對時(shí)間、安全、效率以及技術(shù)這4個(gè)要點(diǎn)的把控：

1)時(shí)間把控。工程周期合理規(guī)劃，注重關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的把握。為了把握時(shí)間節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，結(jié)合實(shí)際組織技術(shù)交底，并合理安排外方團(tuán)隊(duì)安全驗(yàn)證與中方團(tuán)隊(duì)現(xiàn)場施工。

2)安全把控。邀請專家評審實(shí)施方案，執(zhí)行方案期間科學(xué)施工。嚴(yán)格對標(biāo)上海申通地鐵集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)，制定緊急預(yù)案，控制施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，重視通信系統(tǒng)的調(diào)試與測試，無論是新舊系統(tǒng)倒接箱切換還是大規(guī)模全場景演練均制定有作業(yè)單和確認(rèn)單，以杜絕運(yùn)營安全隱患。

3)效率把控。項(xiàng)目實(shí)施施工過程中，合理投入與分配施工資源，重視技術(shù)人員業(yè)務(wù)水平，不同專業(yè)錯(cuò)峰施工，進(jìn)行分層化管理，并優(yōu)化調(diào)試流程，采取正線留車，等等一系列措施，提高了時(shí)間利用率。

4)技術(shù)把控。采用新老系統(tǒng)倒接箱切換方法，保證既有線正常運(yùn)營；對信號系統(tǒng)及倒接方案多次進(jìn)行全場景演練，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)了TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)的可用性。

4 結(jié)語

上海軌道交通5號線大修改造工程是實(shí)施“邊運(yùn)營、邊改造、邊建設(shè)”模式的成功案例，大修改造方案在前期準(zhǔn)備階段精確嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)劃，施工階段嚴(yán)格按照方案執(zhí)行，把控時(shí)間、效率、安全和技術(shù)要點(diǎn)，同時(shí)制定有完善的應(yīng)急預(yù)案，創(chuàng)新性地圓滿完成了信號割接，線路運(yùn)營穩(wěn)定可靠。雖然項(xiàng)目實(shí)施過程中出現(xiàn)了許多難點(diǎn)，但通過科學(xué)施工、維護(hù)人員提前介入、制定切合實(shí)際的緊急預(yù)案等措施，讓這些難點(diǎn)在線路通車時(shí)都成為了領(lǐng)先的技術(shù)和創(chuàng)新的管理方案，為上海和全國的軌道交通改造項(xiàng)目積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。