上海軌道交通2號線信號系統(tǒng)的升級方案

羅志兵

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，200235，上海 ∥ 高級工程師)

上海軌道交通2號線(以下簡稱“2號線”)是路網(wǎng)中的骨干線路，全長64 km，共設30座車站(含11座換乘站)。全線分四期建設，其中一期段開通運營至今已達20年。2號線自開通以來，未曾有過全面設備大修，其較早開通的區(qū)段存在設備老化和損耗嚴重等問題，尤其是信號系統(tǒng)，迫切需要升級改造。本文對2號線信號系統(tǒng)的升級方案進行研究。

1 備選升級方案

國內(nèi)外既有信號系統(tǒng)的升級改造通常采用3種方案：①沿用既有信號系統(tǒng)制式，僅對相關設備進行替換，維持信號系統(tǒng)的原設計功能，提高其可靠性；②升級既有信號系統(tǒng)，系統(tǒng)制式不變，更新設備，提升部分功能，提高可靠性；③采用全新信號系統(tǒng)替代既有信號系統(tǒng)，提高技術水平，提升系統(tǒng)功能，提高可靠性。

2號線既有信號系統(tǒng)采用美國USS公司(聯(lián)合道岔與信號國際公司)提供的TBTC(基于數(shù)字軌道電路的列車控制)系統(tǒng)。全線不同時期建設的區(qū)段信號系統(tǒng)設計總體原則保持一致，僅設備選型有差異。

為了提升信號系統(tǒng)的可靠性和可用性，2號線的信號系統(tǒng)改造方案應符合信號系統(tǒng)技術的發(fā)展方向，滿足長期的運營服務水平需要，并與2號線在線網(wǎng)中的重要性相匹配。此外，改造方案對線路正常運營的影響應最小，且實施風險可控。

經(jīng)綜合分析，確定2號線信號系統(tǒng)的升級改造方案有：方案一，沿用既有TBTC系統(tǒng)方案；方案二，以新增的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)作為主用系統(tǒng)，以新增點式通信的準移動閉塞系統(tǒng)作為列車降級運行模式下的信號系統(tǒng)(以下稱為“降級系統(tǒng)”)；方案三，新增CBTC系統(tǒng)，并兼容既有的TBTC系統(tǒng)；方案四，車載子系統(tǒng)采用兼容TBTC的CBTC系統(tǒng)，軌旁子系統(tǒng)采用新增的CBTC系統(tǒng)及點式通信制式的軌旁設備，并以點式通信的準移動閉塞系統(tǒng)作為降級系統(tǒng)。

由于方案一沿用既有TBTC系統(tǒng)方案，不滿足技術先進性要求，故不考慮。本文主要從技術先進性、方案可實施性、經(jīng)濟合理性對方案二、方案三及方案四進行比選。

2 方案比選

2.1 技術先進性分析

2.1.1 降級系統(tǒng)的性能

3個方案均采用CBTC系統(tǒng)作為主用系統(tǒng)，其功能及性能等技術水平均一致。3個方案的降級系統(tǒng)均采用準移動閉塞系統(tǒng)制式，相應的行車控制方式也基本相同，但性能各不相同。

當采用點式通信降級系統(tǒng)時，如列車切換至降級運行模式，則列車需先以人工駕駛方式讀取到下一個有源應答器，才能以ATO(列車自動運行)模式繼續(xù)運行。當采用連續(xù)式通信方式時，如列車切換至降級運行模式，則其信號系統(tǒng)能實時獲取由軌旁設備向車載設備發(fā)送的行車信息，使列車可直接以ATO模式繼續(xù)運行，縮短了降級運行的轉(zhuǎn)換時間，提高了運營服務水平?？梢姡B續(xù)式通信方式更優(yōu)。

點式通信降級系統(tǒng)均按線路建設初期的運營間隔要求設計。增加信號系統(tǒng)區(qū)間設備及減小軌道區(qū)段長度等措施，雖能提高行車效率，但仍較難滿足2 min的運營間隔要求。2號線既有TBTC系統(tǒng)已實現(xiàn)了2 min的正線運營間隔要求。連續(xù)通信的準移動閉塞系統(tǒng)具有更好的運營能力，在降級模式下基本不影響運營能力，可有效提高2號線信號系統(tǒng)整體的可用性?？梢?，將既有的連續(xù)通信式準移動閉塞系統(tǒng)作為降級系統(tǒng)具有先天優(yōu)勢。

本文以淞虹路站—虹橋2號航站樓站區(qū)間(長度約6 km)為例進行分析。如采用連續(xù)通信的降級系統(tǒng)方案(方案三)，則列車在發(fā)生故障后，可直接降級并以TBTC制式的ATO模式繼續(xù)運行。如采用點式通信的降級系統(tǒng)方案(方案二或方案四)，則區(qū)間需增加2架信號機(信號機平均間距約為2 km)。當列車發(fā)生故障后，列車需以人工駕駛模式按不高于20 km/h的速度運行2 km(至少需要約6 min)，才能獲得點式有源信標，進而切換到ATO模式。實際操作時還需要司機操作的時間和列車起動時間等。相比方案三，方案二或方案四對運營的影響至少在6 min以上?？梢?，方案三采用連續(xù)式準移動閉塞方式，能極大程度地保障了運營服務水平，其信號系統(tǒng)的整體可用性較高。

2.1.2 ATC(列車自動控制)系統(tǒng)的可靠性指標

方案二和方案四的ATC子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)和點式降級系統(tǒng)下的ATC子系統(tǒng)，其MTBF(平均無故障時間)指標為目前主流CBTC信號系統(tǒng)關鍵ATC系統(tǒng)的MTBF值，約為2×105h的數(shù)量級。

方案三的ATC子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)和TBTC系統(tǒng)兼容下的ATC子系統(tǒng)。經(jīng)過測算，其MTBF指標可以達到1.8×106h 的數(shù)量級，關鍵ATC系統(tǒng)的可靠性得到明顯提高，兼容性方案具有明顯優(yōu)勢。

2.2 方案可實施性分析

2.2.1 列車改造

方案二、三、四為實現(xiàn)CBTC系統(tǒng)功能均需進行列車改造。由于3個方案的CBTC主用系統(tǒng)功能一致，故其列車改造工程量和實施難度基本相當。

方案二需要在列車上單獨安裝1套CBTC車載子系統(tǒng)和車載倒接開關，為確保倒接后的信號系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，除了在夜間系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時需進行壓力測試外，還需在信號系統(tǒng)最終倒接前增加一段時間的“影子模式”運營。在“影子模式”下，列車仍以既有信號系統(tǒng)正常運行，新增的CBTC系統(tǒng)以“影子”狀態(tài)進行正常工作，但CBTC系統(tǒng)不作最終輸出，一旦其發(fā)生任何問題都不會影響列車運行，而只會存在系統(tǒng)日志中。每天運營結束后，對這些系統(tǒng)日志進行分析，可以將CBTC系統(tǒng)存在的問題都在此階段暴露出來，以便不斷修正和改進。經(jīng)評估，當CBTC系統(tǒng)在“影子模式”下的穩(wěn)定性和可靠性已滿足正常運營條件時，方可進行信號系統(tǒng)的最終倒接。該方案需要很長時間進行倒接調(diào)試，其車載倒接開關將長期使用，增加了調(diào)試期間的風險。

方案三及方案四的列車安裝兼容性車載設備以后，能在CBTC和TBTC兩種制式下運行，其車載子系統(tǒng)無需進行倒接，故不存在倒接風險且無需增加“影子模式”這一階段，實施風險可控。此外，在不影響運營的情況下，方案三和方案四還可實現(xiàn)逐列離線改造的方式。只要單列列車的車輛和信號車載設備完成改造及調(diào)試，就可在既有的TBTC系統(tǒng)制式下立即投入正線運營。

方案三將部分既有TBTC設備與AF-904數(shù)字軌道電路升級改造后作為降級系統(tǒng)，可顯著減少區(qū)間軌旁設備的施工作業(yè)量，縮短實施工期。此外，室內(nèi)設備的改造可分部實施，進而縮短整體工期。

同方案二與方案四相比，方案三的整體工期可縮短近一年左右，此外，方案三還具有分段實施的靈活性，可降低由于信號系統(tǒng)升級改造對線路運營造成的影響。

2.3 經(jīng)濟合理性分析

方案二、方案三及方案四CBTC主用系統(tǒng)的區(qū)間軌旁設備布置及數(shù)量基本一致。但由于降級系統(tǒng)設備、車載信號系統(tǒng)設備及既有設備拆除存在差異，3個方案的信號系統(tǒng)建設成本也存在較大差異。

2.3.1 降級系統(tǒng)設備的差異

方案二及方案四需在正線新設置有源應答器和計軸設備,這部分建設投資費用較大。

方案三將既有TBTC系統(tǒng)設備升級后作為降級系統(tǒng)使用,除對既有AF-904數(shù)字軌道電路進行升級及更換設備的接口板卡外，基本無需再增加建設投資費用，其建設工程實施費用也節(jié)省很多。

2.3.2 車載信號系統(tǒng)設備的差異

汪老師陪聊了半個多小時，最后她告訴我一個小秘密，說她在上學時，第一次住上鋪也跟我一樣害怕，爬上床后坐在上面動都不敢動，我比她勇敢多了，上去之后還敢在床的兩頭來回放東西，這時我才發(fā)現(xiàn)，在她的指導下，居然把她給我鋪好的床，又按自己的習慣鋪了一遍。大概是有了汪老師和藹可親的鼓勵，讓我心里有了依靠，抑或是我因為擁有了汪老師的小秘密，心里有點小歡喜，等汪老師離開時，我已經(jīng)不再恐懼上鋪。

方案三及方案四的車載信號設備兼具CBTC制式和TBTC制式的列車控制功能，不需重復建設。方案二需增加軌道電路車載天線、車載TWC(車-地通信)天線和軌道電路處理單元等設備，其車載信號設備單價較高。

2.3.3 既有設備拆除的差異

方案二及方案四需拆除既有TBTC系統(tǒng)的所有室內(nèi)設備、軌旁設備和車載設備。方案三僅需拆除既有TBTC系統(tǒng)的車載設備，并升級部分室內(nèi)設備及室外設備。

2.3.4 建設成本的差異

以方案二為基準，方案三及方案四的建設成本差異如表1所示。

表1 方案三及方案四建設成本差異比較表

由表1可見，與方案二相比，方案三建設成本高約5 250萬元，方案四建設成本高約10 350萬元。

為降低實施過渡期間對運營的影響、提高工程的可實施性，方案三及方案四采用了兼容性信號車載設備，增加了建設成本。方案三僅需升級既有TBTC系統(tǒng)設備，與增設新降級系統(tǒng)的方案四相比，可節(jié)省一定的投資費用。此外，方案四新增的車載兼容TBTC系統(tǒng)設備僅用于實施過渡期間，待軌旁CBTC子系統(tǒng)啟用后即廢棄，較為浪費。

2.4 綜合比選

考慮到2號線運營時間長，存在大量夜間維護檢修的作業(yè)需求，可用的夜間施工點少，因此2號線信號系統(tǒng)的改造升級方案在兼顧經(jīng)濟性及可實施性的前提下，應充分考慮實施的工期因素，并盡量降低對既有運營安全的影響。

方案二具有相對豐富的工程實施案例，技術經(jīng)濟性較強。但方案二中列車使用降級系統(tǒng)時的最小運行間隔難以滿足運營需求，其信號系統(tǒng)整體可用性不如方案三，而且方案二的實施難度大，工期長，實施風險較高。

方案三具有較好的可實施性，實施難度相對較低，可縮短工程整體工期且具備分段實施的靈活性，其有效工期較方案二及方案四的工期短一年。但方案三的建設成本略高于方案二。方案三中，當列車使用降級系統(tǒng)時，列車運行仍能滿足最小運行間隔為2 min的要求，其信號系統(tǒng)整體的可用性高，有利于風險管控，可有效減小實施期間對運營造成的影響。

方案四具有可實施性，可降低實施過渡期間對運營的影響，但建設成本較高，存在一定的建設成本浪費，且當列車使用降級系統(tǒng)時，最小運行間隔難以滿足運營需求。與方案三相比，方案四的信號系統(tǒng)整體可用性較差，實施難度較大，工期較長。

各方案的優(yōu)缺點如表2所示。

表2 2號線信號系統(tǒng)改造方案比選表

由表2可見：方案三具有較優(yōu)的技術水平和較好的可實施性，易于實現(xiàn)工程的風險管控，工程投資適中；方案三的信號系統(tǒng)整體可用性最好，工程實施對運營的影響最低；方案三的列車采用降級系統(tǒng)時仍能滿足最小運行間隔為2 min的要求，符合2號線高可用性、高可靠性，效率高、間隔短的實際運營需求，也與2號線在上海軌道交通網(wǎng)絡中的重要性相匹配。總之，方案三具有明顯的優(yōu)越性。

3 最終方案

2號線信號系統(tǒng)升級改造的最終方案選用方案三。2019年1月，2號線信號新增CBTC系統(tǒng)工程通過了審批。2號線采用新增CBTC系統(tǒng)作為主用信號系統(tǒng)，其與既有TBTC系統(tǒng)兼容，保留部分既有的TBTC系統(tǒng)設備，并將既有的AF-904數(shù)字軌道電路設備升級，用于列車降級模式運行。2號線升級后新信號系統(tǒng)的車站及軌旁設備構成如圖1所示。

圖1 2號線新信號系統(tǒng)車站及軌旁設備構成示意圖

新增的CI(計算機聯(lián)鎖)設備和ATS(列車自動監(jiān)控)子系統(tǒng)設備應同既有的TBTC系統(tǒng)設備兼容，具備在準移動閉塞制式下，通過升級后的數(shù)字軌道電路和TWC實現(xiàn)能滿足列車ATO及ATP(列車自動保護)需求的監(jiān)控。新增的車載設備在CBTC系統(tǒng)和TBTC系統(tǒng)下都能有效實現(xiàn)對列車的控制功能，可替換既有信號系統(tǒng)的車載設備。2號線新信號系統(tǒng)的車載設備構成如圖2所示。

圖2 2號線新信號系統(tǒng)的車載設備構成示意圖

4 結語

2號線信號系統(tǒng)采用的兼容性改造方案解決了由于設備老化信號系統(tǒng)設備故障率明顯升高的問題，消減了既有信號系統(tǒng)技術支持和服務水平日益降低對正常運營的安全隱患；提升了全線信號系統(tǒng)的性能，有利于提升運行效率；將部分既有信號系統(tǒng)設備保留改造為降級系統(tǒng)，提高了主用系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換的及時性，避免了前期投資的浪費；列車在降級運行時仍可保證2 min的運行間隔；軌旁設備改造和列車改造可同步進行，不會相互制約，倒接風險??；項目可實施性強，靈活性大，符合本工程實施對日常運營的影響降低到最小的原則，也有利于整體工期控制。