上海軌道交通2號線改造工程對信號系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

施宇豪

上海軌道交通2號線具有線路里程長、換乘站線多、客流量大［1］、行車間隔?。?］、運(yùn)營效率要求高等特點(diǎn),是上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中極為重要的骨干線路,在城市客流運(yùn)輸中扮演著極其重要的角色［3］。由于該線至2020年底已開通運(yùn)營達(dá)21年,期間未曾有過全面設(shè)備大修［4］,存在設(shè)備老化和損耗嚴(yán)重等隱患,特別是受系統(tǒng)制式和技術(shù)水平的限制,其可靠性指標(biāo)無法與其重要性相匹配,因此,為確保地鐵運(yùn)營安全,創(chuàng)造和諧交通,2019年上海市對“2號線新增CBTC系統(tǒng)工程”工程可行性研究報(bào)告進(jìn)行了批復(fù),正式開展2號線的信號改造工作。本次改造針對既有系統(tǒng)的一些不足之處進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),對既有信號部分存在的缺陷進(jìn)行克服,提高了系統(tǒng)能力和效率,增加了系統(tǒng)的靈活性、可操作性。

1 總體方案

此次改造工程新增CBTC作為主用系統(tǒng),保留部分既有TBTC系統(tǒng)升級后作為備用系統(tǒng)［5］。正線TBTC系統(tǒng)采用AF-904型數(shù)字無絕緣軌道電路,以微處理器為基礎(chǔ),運(yùn)用了數(shù)字編碼技術(shù),信息量大,可為列車運(yùn)行提供多種不同的速度信息,實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的模式曲線控制,比一般音頻無絕緣軌道電路具有更強(qiáng)的抗干擾性能。道岔側(cè)向區(qū)段采用50 Hz相敏軌道電路,在CBTC降級至TBTC情況下,列車仍具備接收速度碼功能和ATO下的駕駛模式。在主用系統(tǒng)故障時,備用系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)2 min的運(yùn)營間隔。

新設(shè)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和ATS子系統(tǒng)設(shè)備與既有TBTC系統(tǒng)設(shè)備相兼容,具備在準(zhǔn)移動閉塞制式下,通過升級后的數(shù)字軌道電路和TWC（車地通信設(shè)備）,實(shí)現(xiàn)對列車ATO/ATP級的監(jiān)控。正線設(shè)備構(gòu)成示意見圖1。

圖1 車站及軌旁設(shè)備構(gòu)成示意圖

經(jīng)過本次改造后,車載信號系統(tǒng)設(shè)備具有兼容性,既可在CBTC系統(tǒng)下對列車運(yùn)行進(jìn)行控制,又具備TBTC系統(tǒng)下的列車運(yùn)行控制功能［6］。車載設(shè)備構(gòu)成示意見圖2。

圖2 車載設(shè)備構(gòu)成示意圖

上海軌道交通2號線的北翟路車輛段、龍陽路定修段、川沙停車場3個車輛基地信號系統(tǒng),按ATC自動化車輛基地的方案改造。改造后列車將具備自動出入庫能力,并具備ATP/ATO功能［7］。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 增加信號系統(tǒng)與站臺門聯(lián)動

既有2號線中間段淞虹路站至龍陽路站共16座車站,除人民廣場站采用半高站臺門外,其余車站均采用電動欄桿,所有門體均為手動操作,未與信號系統(tǒng)聯(lián)動,這樣造成運(yùn)營期間人員操作時間延長,16座車站時間累加后,對運(yùn)營效率影響較大。本次改造將全線車站統(tǒng)一采用半高站臺門,接入站臺門與信號CBTC系統(tǒng)聯(lián)動功能,可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全自動駕駛模式要求。

2.2 CBTC下實(shí)現(xiàn)輔助改方功能

改造后采用CBTC系統(tǒng)的新聯(lián)鎖子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)原有TBTC的緊急交通釋放功能,以及保持既有TBTC系統(tǒng)控制線中的方向電路邏輯；考慮到CBTC和TBTC系統(tǒng)碼位的一致性要求,由CBTC聯(lián)鎖與TBTC接口,統(tǒng)一控制雙套系統(tǒng),并在保證安全的情況下采取靈活控制方式,提高出段/場處碼位控制的靈活性。

2.3 出段/場時方向電路特殊處理

在原有數(shù)字軌道電路系統(tǒng)邏輯中,當(dāng)車輛基地有列車出段/場時,調(diào)度需在ATS操作面板上,從出段/場線與正線線路插車點(diǎn)至對向正線相鄰聯(lián)鎖區(qū)的有岔站這整段區(qū)段,手動逐一選中并強(qiáng)制取消正線運(yùn)營列車前方區(qū)段的控制線方向碼位,使正線運(yùn)營列車在該相鄰聯(lián)鎖區(qū)的有岔站臺等待。正線控制線方向的電路解鎖需2 min,出段/場列車在等待結(jié)束后,才可改變這一段的控制線方向碼位,排列出段/場的列車進(jìn)路。在出段/場列車折返完成進(jìn)入正線區(qū)段后,等待的正線列車需在無碼情況下,由司機(jī)手動駕駛經(jīng)過下一聯(lián)鎖區(qū)第一站后,才可獲得新速度碼,從RM模式升級至ATO模式（TBTC下）。如此會造成出段/場列車對正線運(yùn)營的較大干擾,對正線運(yùn)營效率、調(diào)度員操作頻度產(chǎn)生很大影響。

針對上述情況,本次改造做了系統(tǒng)設(shè)計(jì)升級。通過對CBTC軟件的特殊處理,實(shí)現(xiàn)在無需改變正線區(qū)段控制線方向碼位下,也可辦理出段/場列車進(jìn)路,省去系統(tǒng)強(qiáng)制改方向的2 min等待時間。此時出段/場列車可駛?cè)胝€車站,并轉(zhuǎn)換列車駕駛室,正線等待的列車也只需停于防護(hù)區(qū)段以外。根據(jù)2號線車輛制動、信號反應(yīng)時間、保護(hù)距離等參數(shù)實(shí)際計(jì)算后,相隔距離可縮短至1.1 km。待出段/場列車駕駛室轉(zhuǎn)換完成后,正線后方等待的運(yùn)營列車前方防護(hù)區(qū)段可隨即縮短,最小可縮短至與前車一個棒線區(qū)段的距離。改造前、后,后車等待位置見圖3。

圖3 后車等待位置

如此可在保持TBTC底層軟硬件邏輯不變的前提下,對CBTC下列車出段/場“將TBTC方向碼位變?yōu)榕c出段/場線方向一致”的條件進(jìn)行更新,最大程度地優(yōu)化了出段/場的可操作性和靈活度。建議在實(shí)際運(yùn)營時,考慮到避免乘客等待于區(qū)間內(nèi),可設(shè)置等待于出段/場插車點(diǎn)的就近車站。

2.4 縮短岔區(qū)進(jìn)站列車占用長度

受2號線既有TBTC系統(tǒng)功能邏輯的局限,在其線路東端浦東國際機(jī)場站折返時,由于交叉渡線中既有棒線為超限,前一列車進(jìn)入折返線折返作業(yè)時,會使占用區(qū)域擴(kuò)大至站臺,導(dǎo)致后車進(jìn)站時,無法停準(zhǔn)至站臺出站信號機(jī)前方,造成運(yùn)營效率降低,影響全線行車能力。

為了在CBTC模式下,列車既可停至出站信號機(jī)接近點(diǎn),又可保證一旦越過紅燈就會觸發(fā)緊急制動。本次改造在末端站進(jìn)站終點(diǎn)信號機(jī)設(shè)置延續(xù)保護(hù)進(jìn)路,使保護(hù)進(jìn)路不侵入3005#道岔所屬警沖標(biāo)范圍,將后車進(jìn)站停車與前車折返作業(yè)獨(dú)立隔開,實(shí)現(xiàn)改造后信號系統(tǒng)的運(yùn)能優(yōu)化,提高折返效率。改造后停站列車和折返列車獨(dú)立作業(yè)示意見圖4。

圖4 改造后停站列車和折返列車獨(dú)立作業(yè)

2.5 車輛基地內(nèi)出/入庫能力優(yōu)化

2號線所屬3個車場既有設(shè)備采用卡斯柯VPI信號聯(lián)鎖,目前列車出、入段/場采用司機(jī)目視人工駕駛方式,效率較低。為增加信號系統(tǒng)的出/入庫能力,本次將3個車輛基地改造為自動化車輛基地。車輛段/停車場設(shè)置ATP防護(hù)區(qū),分為自動化區(qū)和非自動化區(qū),列車出、入段/場將采用DTO駕駛方式,由系統(tǒng)保證安全,提高出、入段/場效率。

但由于上海2號線3個車輛基地現(xiàn)存土建條件限制,此次改造進(jìn)行如下優(yōu)化。

1）車輛基地運(yùn)用庫內(nèi)不設(shè)置物理隔離,只在庫外安裝物理隔離。

2）信號系統(tǒng)在庫外ATC區(qū)域設(shè)置作業(yè)人員封鎖按鈕,保證自動化區(qū)人員安全。

3）列車出庫時,以ATP手動模式駕駛至庫前平交道停車,再轉(zhuǎn)DTO/ATO模式運(yùn)行出庫。

4）列車回庫時,在入場信號機(jī)前,以ATP手動模式駕駛至庫前平交道停車；然后轉(zhuǎn)RM模式運(yùn)行至停車點(diǎn)精確停車。

5）預(yù)留列車以ATO模式運(yùn)行至平交道前,再轉(zhuǎn)ATP手動模式運(yùn)行至停車點(diǎn)精確停車回庫的功能。

6）根據(jù)后備聯(lián)鎖下出、入段/場能力計(jì)算,在車輛基地大小咽喉區(qū)域的中部,增加出、入段列車信號機(jī),保證在車輛基地主用系統(tǒng)故障,聯(lián)鎖后備下出/入庫效率可滿足上海地鐵標(biāo)準(zhǔn)的要求。

車輛基地信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化后,將在現(xiàn)有段/場土建條件下,最大程度實(shí)現(xiàn)自動化車場的功能需求,并保證安全和效率,為未來實(shí)現(xiàn)完整的自動化車輛基地預(yù)留條件。

3 總結(jié)

上海市軌道交通2號線全長64 km,是橫穿上海市中心、連接二大機(jī)場,承擔(dān)進(jìn)博會客流運(yùn)輸任務(wù)的重要線路。通過采用CBTC和TBTC兼容性方案,大幅提升了該線信號系統(tǒng)的可靠性。從增加信號系統(tǒng)與站臺門聯(lián)動、增加CBTC輔助改方、出段/場方向電路特殊處理、縮短岔區(qū)進(jìn)站列車占用、提高車輛基地出/入庫能力等方面,對信號系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。與改造前既有信號系統(tǒng)相比,信號系統(tǒng)的系統(tǒng)能力、系統(tǒng)效率,以及運(yùn)營調(diào)度的靈活性、可操作性都有顯著提升。期待未來上海2號線為承擔(dān)上海更繁重的客流組織和運(yùn)輸發(fā)揮更大的功效。