城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)改造中的兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)方案

韓奕瑋

(上海地鐵維保有限公司通號(hào)分公司，200235，上海 ∥ 助理工程師)

在上海及廣州等城市軌道交通線路開通較早的城市，越來越多的線路正逐步到達(dá)大修年限。這些早年設(shè)計(jì)的線路普遍采用非移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)，其運(yùn)能已出現(xiàn)瓶頸。2015年，北京地鐵1號(hào)線率先將原信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造為移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)，其整體運(yùn)營效率提升了4.2%。故為滿足日益增長的運(yùn)能需求，信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)勢在必行。而車載信號(hào)系統(tǒng)的方案選擇，正是保證承載著巨大客流的線路實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)升級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以上海軌道交通2號(hào)線(以下簡為“2號(hào)線”)正在進(jìn)行的CBTC(基于通信的列車控制)信號(hào)系統(tǒng)改造為例，對(duì)兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用方案進(jìn)行分析。

1 兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的必要性

1. 1 2號(hào)線概況

2號(hào)線西起青浦徐涇東站，東至浦東國際機(jī)場站，途經(jīng)靜安寺、南京西路、人民廣場、世紀(jì)大道等核心商圈，連接上海浦東國際機(jī)場和上海虹橋國際機(jī)場兩大交通樞紐，為骨干線路。全線長64 km，共設(shè)30座車站，其中換乘車站11座。高峰時(shí)其全線最大用車數(shù)為73列。

2號(hào)線客流量龐大。自2015年起，其日均客流量都超過140萬人次，且呈不斷增長的趨勢。最大日客流量超過186萬人次。

2號(hào)線運(yùn)營時(shí)間長。一般工作日及周日的常規(guī)運(yùn)營時(shí)間為05:28—00:02(次日)；周五和周六，以及國家法定節(jié)假日前的最后1個(gè)工作日，運(yùn)營時(shí)間為05:28～01:01(次日)。經(jīng)核算，每天僅有約3 h能進(jìn)行新信號(hào)系統(tǒng)的調(diào)試工作。

由于2號(hào)線運(yùn)營時(shí)間長、客流大、用車數(shù)多，故其調(diào)試時(shí)，不僅要規(guī)避既有車載信號(hào)系統(tǒng)和新車載信號(hào)系統(tǒng)因調(diào)試需要進(jìn)行倒接切換而帶來的風(fēng)險(xiǎn)，還要保證扣車改造過程中的可用列車數(shù)能夠始終滿足運(yùn)能需求。

1.2 兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的思路

面對(duì)嚴(yán)苛的需求，最優(yōu)先考慮的是無感改造方案，通過增購列車來保證可用列車數(shù)量，使既有列車能有時(shí)間進(jìn)行下線改造。

如增購列車沿用既有車載信號(hào)系統(tǒng)，則還需二次改造，造成不必要的投資浪費(fèi)；如增購列車使用CBTC的車載信號(hào)系統(tǒng)，雖其不需改造，卻無法立即上線、維持運(yùn)能。對(duì)此，采用兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的想法逐漸萌芽。

綜合考慮了車載信號(hào)系統(tǒng)的倒接風(fēng)險(xiǎn)和調(diào)試資源，上海軌道交通大膽使用了創(chuàng)新的兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以既有系統(tǒng)供應(yīng)商高度集成化的新產(chǎn)品代替原機(jī)柜，在保持既有車載信號(hào)系統(tǒng)功能不變的同時(shí)，大幅減少了體積，為CBTC車載系統(tǒng)設(shè)備的安裝騰出了空間。兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)取消了所有既有系統(tǒng)和車輛的接口，而將既有車載信號(hào)系統(tǒng)接入CBTC車載系統(tǒng)，由CBTC車載系統(tǒng)統(tǒng)一通過車輛接口來控制列車。在此基礎(chǔ)上兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)能做到同時(shí)適應(yīng)既有信號(hào)制式和改造后的CBTC信號(hào)制式，完全規(guī)避了倒接過程和相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，且節(jié)省了夜間調(diào)試時(shí)的倒接耗時(shí)。

2018年5月，2號(hào)線的兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)方案通過了專家評(píng)審。

2 兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

2號(hào)線的兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)以CBTC車載系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成了既有信號(hào)系統(tǒng)制式的DTG(車載預(yù)處理單元系統(tǒng))。裝載該兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)后，列車追蹤間隔更短，信號(hào)系統(tǒng)冗余程度更高，列車可選擇DTO(有人跟車的自動(dòng)運(yùn)行模式)及ATB(自動(dòng)折返模式)等更智能的運(yùn)行模式。更為特殊的是，裝載了兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的列車，能夠在2號(hào)線既有的信號(hào)制式下運(yùn)行，待未來軌旁CBTC升級(jí)改造完成后，列車無需增加任何硬件設(shè)備，就能以CBTC制式為主要模式運(yùn)營。

既有信號(hào)制式的DTG設(shè)備故障不會(huì)影響列車在CBTC制式下的正常運(yùn)行。當(dāng)車載CBTC設(shè)備或軌旁CBTC設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，列車能降級(jí)為既有制式繼續(xù)運(yùn)行，使整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)靈活、高效。

兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)由DTG設(shè)備和CBTC車載設(shè)備組成(見圖1)。DTG設(shè)備主要包括DTG主機(jī)、MR(用于屏蔽門聯(lián)動(dòng)信息傳輸?shù)囊苿?dòng)電臺(tái))、速度傳感器、ATP(列車自動(dòng)保護(hù))接收線圈、TWC(車地通信)系統(tǒng)和MR天線等；CBTC車載設(shè)備主要包括CBTC主機(jī)、編碼里程計(jì)、信標(biāo)天線、DMI(車載人機(jī)接口)、DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))設(shè)備、紅藍(lán)網(wǎng)交換機(jī)等。

圖1 兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成

CBTC車載設(shè)備基于安全編碼處理器和二乘二取二技術(shù)。列車兩端的Tc車(帶司機(jī)室的拖車)各設(shè)1套完整的CBTC車載設(shè)備。二者通過以太網(wǎng)線連接，形成冗余設(shè)計(jì)。CBTC車載設(shè)備與DTG設(shè)備相互獨(dú)立，沒有共用設(shè)備。兩端的DTG車載預(yù)處理單元設(shè)備分別通過以太網(wǎng)網(wǎng)線連接到CBTC車載設(shè)備的紅藍(lán)網(wǎng)交換機(jī)。

DTG設(shè)備本身為頭尾冗余設(shè)備。分設(shè)于列車兩端Tc車的DTG設(shè)備通過硬線相連，并與各端的車底ATP接收線圈連接。當(dāng)車頭的DTG設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，車尾的DTG設(shè)備仍能通過車頭的ATP接收線圈來接收和處理機(jī)車信號(hào)，不影響列車的正常運(yùn)行。

2.2 接口的設(shè)置

CBTC車載設(shè)備僅設(shè)置其和車輛之間的接口。在CBTC制式下，所有和車輛接口有關(guān)的功能均通過向CBTC車載設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求來實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)可確保列車在CBTC制式下運(yùn)行時(shí)，DTG設(shè)備不會(huì)對(duì)CBTC車載設(shè)備控車造成任何影響。

2號(hào)線兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)與既有軌旁設(shè)備接口如圖2所示?，F(xiàn)階段，軌旁設(shè)備均為既有設(shè)備，其接口都由DTG設(shè)備負(fù)責(zé)。CBTC車載設(shè)備的DCS天線暫不設(shè)置與任何軌旁設(shè)備相關(guān)的接口。DTG的TWC天線通過與TWC環(huán)線的通信，使列車在停站時(shí)接收軌旁TWC設(shè)備的列車運(yùn)行相關(guān)命令，并向軌旁TWC設(shè)備發(fā)送列車狀態(tài)信息及故障報(bào)警等，以供控制中心設(shè)備使用；MR天線通過與軌旁AP(無線接入點(diǎn))和I-MLK(既有系統(tǒng)聯(lián)鎖)的通信，使列車能在精確停站時(shí)，向屏蔽門或安全門發(fā)送開關(guān)門命令并接收屏蔽門或安全門關(guān)閉狀態(tài)；ATP接收線圈通過軌道電路和Berth環(huán)線(站臺(tái)?？凯h(huán)線)來接收既有2號(hào)線的控制線命令。DTG主機(jī)將上述接口獲得的信息進(jìn)行處理后發(fā)送給CBTC主機(jī)。CBTC主機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行校驗(yàn)及計(jì)算處理后，通過車輛接口對(duì)列車進(jìn)行控車操作。

圖2 2號(hào)線兼容性車載系統(tǒng)與既有軌旁設(shè)備接口示意圖

將來，軌旁信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)為CBTC系統(tǒng)后，其與軌旁設(shè)備的接口也發(fā)生了變化：兼容性車載信號(hào)設(shè)備將通過車載DCS天線與軌旁CBTC系統(tǒng)接口。在3個(gè)既有接口中，MR天線接口中的屏蔽門相關(guān)業(yè)務(wù)將合并進(jìn)DCS接口內(nèi)，其他兩個(gè)接口則予以保留。含兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 含兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)可以同時(shí)適應(yīng)2號(hào)線既有信號(hào)制式和CBTC制式，故可預(yù)先購買一批安裝了兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的列車，讓其完成既有制式的調(diào)試后逐步上線替代既有列車，并立刻對(duì)被替換下線的列車進(jìn)行兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的改造。以此循環(huán)，直至全部更新為兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)。裝備了兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的列車于白天在既有制式下運(yùn)營，于夜間直接進(jìn)行CBTC制式下的調(diào)試。當(dāng)軌旁信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)為CBTC系統(tǒng)后，無需對(duì)每列列車進(jìn)行車載信號(hào)系統(tǒng)倒接，僅通過司機(jī)選擇模式，全線所有列車即可在CBTC制式下運(yùn)行，從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)系統(tǒng)安全平穩(wěn)的升級(jí)。

3 方案對(duì)比分析

3.1 直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)方案

對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)而言，直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)是更為常見的方案。該方案中，最終成型的列車上僅保留1套CBTC車載子系統(tǒng)，只能以CBTC制式運(yùn)行。2015年北京地鐵1號(hào)線CBTC改造項(xiàng)目的車載子系統(tǒng)就采用了該方案。在實(shí)施過渡期間，列車上同時(shí)存在新舊2套車載信號(hào)設(shè)備，需增設(shè)倒接開關(guān)以提供新老系統(tǒng)的切換。信號(hào)車載倒接開關(guān)的設(shè)計(jì)，要確保新車載信號(hào)系統(tǒng)不會(huì)以任何形式影響到既有車載信號(hào)系統(tǒng)的功能，且要能適應(yīng)調(diào)試需求，方便操作。

在該方案整體執(zhí)行過程中，每列列車需要扣車2次；首次扣車對(duì)列車進(jìn)行增加設(shè)備的改造，2套車載信號(hào)系統(tǒng)完全獨(dú)立，各自接入車輛端子排，相互之間無任何接口。在調(diào)試階段：列車白天仍以既有車載信號(hào)系統(tǒng)在既有制式下運(yùn)營；夜間進(jìn)行CBTC制式調(diào)試時(shí)，將倒接開關(guān)切換到新車載信號(hào)系統(tǒng)，由新系統(tǒng)來處理車輛的輸入輸出信息，使列車在CBTC制式下運(yùn)行；調(diào)試結(jié)束后，在次日運(yùn)營開始前，倒接開關(guān)切回既有系統(tǒng)。單列列車調(diào)試完成后，倒接開關(guān)和既有設(shè)備不能馬上拆除，需等軌旁設(shè)備及所有列車調(diào)試完成并一起倒接為CBTC制式后，才能逐步進(jìn)行二次扣車，以拆除車載倒接開關(guān)和既有車載設(shè)備。

3.2 方案的對(duì)比

在信號(hào)系統(tǒng)大修改造中，與直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)方案相比，兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)方案更有優(yōu)勢，特別是在減少對(duì)運(yùn)營的影響和倒接難度方面更具競爭力。

1) 車輛改造難度。兩個(gè)方案都需要進(jìn)行的車輛接口改造難度差距不大。直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)方案因過渡期同時(shí)存在2套車載設(shè)備，需要在列車上尋找位置安裝新系統(tǒng)的機(jī)柜。由于司機(jī)室內(nèi)普遍設(shè)備較滿，故新系統(tǒng)的機(jī)柜很大概率會(huì)設(shè)在車廂內(nèi)。待新系統(tǒng)使用后，需拆除原系統(tǒng)機(jī)柜，且拆后空出來的位置無設(shè)備可放，新機(jī)柜要么非常突兀地保留在車廂里，要么費(fèi)事移入老機(jī)柜位置，流程復(fù)雜。兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)方案中直接將老機(jī)柜拆除，并在同位置放入新機(jī)柜，流程簡單。

2) 對(duì)運(yùn)營的影響。在信號(hào)系統(tǒng)完成升級(jí)后，為縮小追蹤間隔并提高折返能力，增購列車勢在必行。兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)可以直接在增購的列車上安裝，待調(diào)試完成后即可批量替換下線改造的既有列車，故能充分保證可用列車數(shù)，滿足運(yùn)能需求，在計(jì)劃安排合理的情況下，甚至還能邊改造邊增能。在直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)方案里，增購的列車都是新系統(tǒng)，無法替換線上列車，列車改造只能選擇少量扣車進(jìn)行，否則就無法保證運(yùn)能。

3) 倒接的風(fēng)險(xiǎn)。直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)方案中，為滿足調(diào)試需要，在夜間用倒接開關(guān)切換新老系統(tǒng)，如在此期間出現(xiàn)問題則會(huì)影響次日運(yùn)營，且倒接開關(guān)長期接在車載設(shè)備內(nèi)也是一大風(fēng)險(xiǎn)。兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)先天就能適應(yīng)兩種制式，無需設(shè)置倒接開關(guān)，徹底消除了多車壓力測試、數(shù)十輛車一起倒接的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 節(jié)省調(diào)試資源方面。兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)可以在既有軌旁設(shè)備下調(diào)試包括車輛接口等絕大部分功能，而無需軌旁設(shè)備為了配合車載調(diào)試反復(fù)倒接。其CBTC部分的功能除自動(dòng)折返外，基本都可以在試車線上完成，大大降低了調(diào)試難度，更無需為增加夜間調(diào)試時(shí)間提前結(jié)束運(yùn)營。

5) 后備模式方面。直接翻新CBTC車載子系統(tǒng)方案中，信號(hào)系統(tǒng)后備模式普遍是采用計(jì)軸、有源應(yīng)答器設(shè)備與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖共同構(gòu)建的，具備ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)及ATP功能的點(diǎn)式降級(jí)系統(tǒng)。點(diǎn)式降級(jí)系統(tǒng)雖然可以通過增加信號(hào)系統(tǒng)區(qū)間設(shè)備、減小軌道區(qū)段長度來縮短運(yùn)營間隔，但仍較難滿足骨干線路極短的運(yùn)營間隔要求。兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)保留了既有制式作為后備模式，可提供近似于主用系統(tǒng)的運(yùn)營間隔，列車的降級(jí)運(yùn)行基本不影響運(yùn)能。

4 結(jié)語

兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)是不局限于特定供應(yīng)商的系統(tǒng)。對(duì)即將升級(jí)改造的線路，只需新舊供應(yīng)商談妥協(xié)議，兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)。因此，其具有相當(dāng)廣泛的適用性，尤其適合需升級(jí)增加運(yùn)能，又不能因?yàn)楦脑煊绊戇\(yùn)能的骨干線路。