城市軌道交通信號系統(tǒng)改造方案研究

朱 莉

(上海地鐵維護保障有限公司，200233，上海 ∥ 高級工程師)

信號系統(tǒng)是確保城市軌道交通行車安全的重要設(shè)備。近年來，越來越多早期開通線路的設(shè)施設(shè)備正逐步面臨大修改造。這些線路通常都是線網(wǎng)中極其重要的骨干線路，其信號系統(tǒng)升級改造方案，不僅要滿足國內(nèi)城市軌道交通信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢，還應(yīng)為線路提供與其在線網(wǎng)中重要性相匹配的、具有更高可用性的信號系統(tǒng)，以滿足長期的運營服務(wù)水平保障要求。

1 信號系統(tǒng)改造必要性的判斷

通常情況下，對于已經(jīng)達到或部分達到大修年限的信號系統(tǒng)而言，其設(shè)備多已老化，常發(fā)生故障，已對運營造成一定的影響。只有解決既有信號系統(tǒng)存在的老化問題，有效提高信號系統(tǒng)的可靠性和可用性，才能長期維持線路的高水平運營服務(wù)質(zhì)量。要解決信號系統(tǒng)的老化問題，更新改造勢在必行。判斷線路的信號系統(tǒng)是否進入改造周期，需從多角度考慮。

1) 從信號系統(tǒng)的使用壽命考慮。信號設(shè)備的整體使用壽命一般不超過20年[1]，如全信號系統(tǒng)使用年限已達合同約定年限或15年以上的[2]，則該信號系統(tǒng)經(jīng)評估后可確定更新改造方案。

2) 從運營效率考慮。早期開通的線路多處于市中心繁榮地段，其客流量增長明顯，而既有信號系統(tǒng)的設(shè)計能力、可靠性及可用性均無法滿足客流日益增長的需求，迫切需要通過升級改造來提高運營效率，提升服務(wù)質(zhì)量。

3) 從技術(shù)先進性考慮。早期建設(shè)的信號系統(tǒng)技術(shù)老舊，設(shè)備體量較大，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，即使技術(shù)再發(fā)展，也無法直接實現(xiàn)智能化。此外，部分線路信號系統(tǒng)的備品備件已無法滿足正常運營要求。這些線路的設(shè)備在更新改造的同時還要提升智能化水平。

可見，對于國內(nèi)開通較早線路的信號系統(tǒng)，應(yīng)按相關(guān)規(guī)定，對系統(tǒng)能力、設(shè)備物理狀態(tài)、備品備件和風(fēng)險源控制情況開展技術(shù)論證，以確定更新改造方案。

2 信號系統(tǒng)改造方案的評估

2.1 改造方案的評估要素

信號系統(tǒng)對城市軌道交通運行安全來說十分重要，故改造時需要考慮和平衡的條件較多。在評估信號系統(tǒng)改造方案時，評估者需針對可選方案進行多維度分析，以獲得匹配性更高的結(jié)果。

多維度分析的主要評估要素有：

1) 信號系統(tǒng)的工作性能。改造后信號系統(tǒng)的運行間隔設(shè)計、開行對數(shù)及折返能力等均應(yīng)滿足線路通過能力的要求。

2) 改造平穩(wěn)性。在改造過程中，應(yīng)最大可能地保持既有線路不間斷運營，實現(xiàn)平穩(wěn)改造，將線路改造對市民出行的影響降到最低。

3) 可靠性及可用性。改造方案應(yīng)能有效提升信號系統(tǒng)的可靠性和可用性，以匹配日益增長的客運需求以及服務(wù)要求。

4) 經(jīng)濟合理性。改造方案應(yīng)有較高的經(jīng)濟合理性，以避免投資浪費。

2.2 信號系統(tǒng)改造方案比選

2.2.1 單系統(tǒng)逐步替換方案

單系統(tǒng)逐步替換方案存在一定局限性，需著重考慮新系統(tǒng)與老設(shè)備的接口兼容性問題。目前，主流的新系統(tǒng)很難與老設(shè)備實現(xiàn)兼容，通常需附帶進行接口的二次開發(fā)。因此，單系統(tǒng)逐步替換方案更適用于對外只有網(wǎng)絡(luò)接口的系統(tǒng)。

ATS(列車自動監(jiān)控)子系統(tǒng)主要設(shè)備為服務(wù)器及工作站，接口基本為網(wǎng)絡(luò)接口，故其替換過程比其它子系統(tǒng)更方便快捷。計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)需考慮采集/驅(qū)動的接口方式，采用的是單斷邏輯還是雙斷邏輯；如為全電子計算機聯(lián)鎖，則可克服繼電器接口的弊端，使替換優(yōu)勢較大。最復(fù)雜的是車載子系統(tǒng)，由于車-地傳輸方式的革新，目前的主流車載子系統(tǒng)已不支持與數(shù)字軌道電路進行信息交互，因此，需將車載子系統(tǒng)連同車-地?zé)o線系統(tǒng)及軌道電路一并更新。

上海軌道交通1號線(以下簡為“1號線”)的計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)改造采用了單系統(tǒng)逐步替換方案，圖1為1號線信號系統(tǒng)改造示意圖。1號線開通時使用的6502繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)在改造后已經(jīng)全部替換為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，并保留了部分道岔組合。

從實踐效果來看 ，單系統(tǒng)逐步替換方案短期內(nèi)投資較小，不過對信號系統(tǒng)可靠性、可用性及性能的提升卻非常有限。

圖1 1號線信號系統(tǒng)改造示意圖

2.2.2 新老設(shè)備兼容共存方案

新老設(shè)備兼容共存方案是單系統(tǒng)逐步替換方案的延續(xù)，其優(yōu)點是可以最大化的利用舊系統(tǒng)。新老設(shè)備兼容共存方案將原設(shè)備作為備用系統(tǒng)，或在新設(shè)備與原設(shè)備之間作協(xié)議接口轉(zhuǎn)換。這樣，既可對信號系統(tǒng)進行一定的升級改造，以提高運營效率，又可以保留原設(shè)備，不需要大量的工程改造，成本低。但該方案對信號系統(tǒng)工作效率的提升不明顯。新老設(shè)備兼容共存方案的具體實施需要根據(jù)客流量及成本等需求來綜合考慮。

上海軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)信號系統(tǒng)升級改造即采用了新老設(shè)備兼容共存方案。圖2為2號線信號系統(tǒng)改造示意圖。如圖2所示，改造后的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)增加了CC(車載控制器)、ZC(區(qū)域控制器)、LC(線路控制器)、聯(lián)鎖、LTE(長期演進)和區(qū)間信標(biāo)等設(shè)備。其中新的車載子系統(tǒng)和既有車載子系統(tǒng)兼容共存。改造后的信號系統(tǒng)保留了既有的TWC(車地通信)設(shè)備、AF-904軌道電路及軌旁信號基礎(chǔ)設(shè)備。

圖2 2號線信號系統(tǒng)改造示意圖

2號線的新老設(shè)備兼容共存方案具有CBTC和TBTC兩種控制模式。在正常情況下， CBTC模式為主用模式。當(dāng)軌旁CBTC設(shè)備發(fā)生故障或車載CBTC設(shè)備發(fā)生故障時，列車的車載子系統(tǒng)可切換到TBTC模式運行。當(dāng)CBTC設(shè)備恢復(fù)正常時，車載子系統(tǒng)可切換回CBTC模式運行。信號系統(tǒng)控制模式的切換由車載子系統(tǒng)執(zhí)行，軌旁設(shè)備無需其他操作。既有列車在完成車載CBTC子系統(tǒng)改造前，可以TBTC模式在CBTC系統(tǒng)中運行。

這種方案支持分段改造，割接風(fēng)險小，解決了無法停運改造、改造周期長及不等生命周期建設(shè)等問題。CBTC系統(tǒng)與TBTC系統(tǒng)的兼容共存也使得信號系統(tǒng)的可靠性大幅提升。2號線改造后的信號系統(tǒng)性能與新建的CBTC系統(tǒng)性能水平相近。

2.2.3 全部設(shè)備更新?lián)Q代方案

對于全部設(shè)備都使用2種移動閉塞制式的信號系統(tǒng)而言，將全部設(shè)備更新?lián)Q代是最徹底的改造方案。該方案對運營效率的提升是顯而易見的，不過該方案的實施最復(fù)雜，難度最大。從長遠考慮，該方案是未來城市軌道交通改造的重要方向。此外，要求2種移動閉塞制式均支持全自動運行功能。

上海軌道交通5號線的信號系統(tǒng)改造采用了全部設(shè)備更新?lián)Q代方案。該項目使用新建的CBTC系統(tǒng)來完全替代原有的點式ATP(列車自動保護)信號系統(tǒng)。升級改造后的信號系統(tǒng)工作性能及RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)指標(biāo)得到大幅提升。

由于全部設(shè)備更新?lián)Q代方案需對軌旁聯(lián)鎖設(shè)備、次級檢測設(shè)備、ATS設(shè)備及軌旁ATC(列車自動控制)設(shè)備等都進行升級替換改造，不僅更換設(shè)備多，而且接口復(fù)雜，故在改造工程中投入的過渡成本也較高。

2.3 改造方案與改造需求的匹配性研究

2.3.1 匹配度估值的計算

由于各改造工程的時機、改造建設(shè)的投入、線路的不等生命周期、線路的客流量、線路的運營時長等改造背景和環(huán)境各不相同，因此，在進行改造方案的設(shè)計和評估時，需要考慮的主要評價要素所占的權(quán)重和優(yōu)先級亦各不相同。在評估改造方案時，采用不同改造方案后，其對于各評價要素的評級也各有不同，如表1所示。

表1 不同改造方案的評價要素評級

評估者可結(jié)合具體項目的改造背景，提出第i項評價要素所占權(quán)重，作為該評價要素的系數(shù)βi，通過權(quán)重分析計算公式獲得每個改造方案的匹配度估值F：

F=β1x1+β2x2+β3x3+…+βnxj

式中：

xi——第i項評價要素的指標(biāo)值，xi=3表示方案對該評價要素的評級為“高”，xi=2表示方案對該評價要素的評級為“中”，xi=1表示方案對該評價要素的評級為“低”。

2.3.2 項目實例的匹配度應(yīng)用

以2號線為例，選取β1=1.5,β2=1.5,β3= 1.2,β4=1.8。經(jīng)計算，單系統(tǒng)替換方案的匹配度估值F單=11.4，新老設(shè)備兼容方案的匹配度估值F兼=15.3，全部設(shè)備更新方案的匹配度估值F全=14.1。

以5號線為例，選取β1=2.0,β2=1.0,β3= 0.8,β4=1.8。經(jīng)計算，F(xiàn)單=9.2，F(xiàn)兼=14.0，F(xiàn)全=15.0。

根據(jù)匹配度估值，對于2號線，新老設(shè)備兼容共存方案的匹配度估值最高；對于5號線，全部設(shè)備更新?lián)Q代方案的匹配度估值最高。這與2號線和5號線最終選擇的改造方案基本一致。

3 結(jié)語

舊線改造是城市軌道交通建設(shè)的難點和重點，而新技術(shù)的發(fā)展給舊線改造提供了更多的選擇。本文首先分析了舊線信號系統(tǒng)改造的必要性，提出了信號系統(tǒng)改造的主要評價要素，并針對不同的線路改造需求，分析了各改造方案與不同的改造需求之間的匹配關(guān)系，以獲得最匹配不同改造需求的改造方案。