上海軌道交通3、4號線信號系統(tǒng)改造方案研究

陳思維

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上?！喂こ處?

0 引言

上海軌道交通3、4號線，是目前全國唯一有共線段運營的線路。其中：3號線全長40.3 km，29座車站，12座換乘站，單日客流量達(dá)61萬人次；4號線全長33.6 km，26座車站，20座換乘站，單日客流量95萬人次。兩線共線段的換乘在上海城市軌道交通全網(wǎng)絡(luò)運營中起著舉足輕重的地位。但隨著客流量的日益增長，換乘壓力日趨增大，其信號系統(tǒng)性能已無法滿足日益增長的近遠(yuǎn)期客流需求。特別是早高峰期間，3號線長江南路站—寶山路站區(qū)間也因此時常進行車站限流。自2004年開通上海軌道交通3、4號線信號系統(tǒng)至今，設(shè)備已投用17年，出現(xiàn)設(shè)備老化嚴(yán)重、故障率較高、部分設(shè)備的元器件與芯片已經(jīng)停產(chǎn)、采購與返廠維修時間長達(dá)14個月以上和維修成本高等問題。上海軌道交通3、4號線使用法國ALSTOM U200準(zhǔn)移動閉塞信號系統(tǒng)，由SACEM(固定式閉塞區(qū)間升級的列車控制系統(tǒng))設(shè)備通過軌道電路加載至鋼軌的載波向列車傳送報文實現(xiàn)單向車地通信；通過邏輯計算控制列車，是固定閉塞向移動閉塞發(fā)展過程中的過渡。全球軌道交通除印度使用準(zhǔn)移動閉塞信號系統(tǒng)較多外，僅中國、韓國少量使用。隨著2014年法國將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給印度，技術(shù)支持度大幅下降。在2017年與2020年同濟大學(xué)第三方安全評估報告中上海軌道交通3、4號線均低于綜合評價合格線，建議盡快大修。因此上海軌道交通3、4號線信號系統(tǒng)的更新改造是當(dāng)下迫切需要研究解決的問題。

上海軌道交通3、4號線的信號改造首先需滿足3、4號線近遠(yuǎn)期客流需求。根據(jù)客流分析，共線段近期需滿足開行33對/h，遠(yuǎn)期需滿足開行36對/h；上海軌道交通3號線北延伸近期需滿足開行22對/h，遠(yuǎn)期滿足開行24對/h。詳見表1。

上海軌道交通4號線(包括與3號線共線段)是構(gòu)通上海中心城區(qū)軌道交通換乘最重要的環(huán)線，其發(fā)生故障或停運都將對上海交通與市民出行產(chǎn)生較大影響。因此，在信號系統(tǒng)改造方案選用上需滿足更高的安全性、可靠性、冗余性和運營組織的靈活性，以降低改造影響，縮短改造工期，實現(xiàn)邊運營、邊改造；同時，還需滿足新維保組織架構(gòu)，建立與之配套的信號系統(tǒng)浸入式在線監(jiān)控的智能運維平臺，以降低維護成本，實現(xiàn)上海申通地鐵集團有限公司從運營到經(jīng)營轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。

表1 上海軌道交通3、4號線開行能力分析表

全國常見的既有線路改造方案有：以上海軌道交通1號線保持既有系統(tǒng)制式的信號系統(tǒng)更新改造項目為典型樣板的沿用既有系統(tǒng)改造方案；以北京地鐵1號線采用CBTC(基于通信的列車控制)為典型的全替代改造方案； 以上海軌道交通2號線為代表的采用既有軌道電路+CBTC系統(tǒng)的雙套兼容冗余改造方案等。結(jié)合上海軌道交通3、4號線在路網(wǎng)中的重要地位、運營需求、維護需求、投資需求和改造難度與風(fēng)險，比選探尋其最適用的信號系統(tǒng)制式的改造方案是一項重要課題。

1 信號系統(tǒng)改造的必要條件

共線段寶山路站上行站前合岔是限制運能提升的瓶頸，因此要滿足近遠(yuǎn)期開行對數(shù)需求，就必須對寶山路站進行土建改造。即：將4號線外圈寶山路站接軌點由站前改造成站后接軌，擴建寶山路站站臺，并新增站后折返單渡線以提升4號線與3號線北延伸在共線段應(yīng)急情況下的運營組織靈活性。

若寶山路站土建優(yōu)先改造，勢必在既有ALSTOM U200信號系統(tǒng)上進行改造?；趯扔猩虾＼壍澜煌?、4號線ALSTOM U200系統(tǒng)運行狀態(tài)的評估與印度技術(shù)支持弱等現(xiàn)狀，須盡可能減少對既有ALSTOM U200系統(tǒng)的改動。但為維持寶山路站土建改造時上海軌道交通3、4號線非改造區(qū)域不中斷運營且盡可能縮小停運區(qū)域，信號系統(tǒng)需在土建改造前和改造后割接寶山路站區(qū)域大量信號骨干網(wǎng)與終端光電纜，土建改造前還需對ATS(列車自動監(jiān)控)網(wǎng)絡(luò)、SACEM(列車自動控制)網(wǎng)絡(luò)、VPI(路徑識別)網(wǎng)絡(luò)進行改造以維持運營的臨時環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用于停運調(diào)試的臨時環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并增加4個臨時折返交路，以及配套大量的信號軟件、數(shù)據(jù)修改。還需在停運時間有限的改造過程中，對新插入線路新增軌道電路。這涉及寶山路站及相鄰SACEM設(shè)備區(qū)域大面積既有軌道電路頻率布局以及SACEM設(shè)備的數(shù)據(jù)修改與調(diào)試，其改造難度極大、工程量巨大、改造風(fēng)險高和停運時間較長。因此，必須對信號系統(tǒng)進行優(yōu)先改造，在使用新信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再對寶山路站土建開展改造。

除了沿用既有信號系統(tǒng)的改造方案外，所有替代方案或雙系統(tǒng)冗余方案均需先對列車在既有車載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝新的車載信號系統(tǒng)，復(fù)用車底外掛設(shè)備，并增加切換開關(guān)。雙系統(tǒng)冗余方案則切換開關(guān)保留，替代方案則在軌旁一次性倒接后拆除。

2 信號系統(tǒng)改造方案

2.1 沿用既有ALSTOM U200信號系統(tǒng)改造方案

上海軌道交通3、4號線沿用原ALSTOM U200信號系統(tǒng)改造方案(以下簡稱“方案1”)，即保持既有系統(tǒng)架構(gòu)、接口基本不變的前提下，對信號軌旁設(shè)備進行翻新改造；并對既有上海軌道交通3、4號線3種車型91列列車的兩種車載信號設(shè)備進行改造，降低設(shè)備老化所帶來的高故障率，以提升信號車載子系統(tǒng)冗余度與可靠性。其優(yōu)點在于可以逐列、逐站和逐段地進行分批分段改造，既有備件可延續(xù)使用。但由于制式?jīng)]有發(fā)生根本性的變化，其旅行速度、頂棚速度、運行間隔、折返能力和出庫能力等各項性能指標(biāo)都沒有得到提升。即便寶山路站完成土建改造，其理論開行對數(shù)也最多達(dá)到29對/h，不能滿足運能需求，無法解決技術(shù)支持與服務(wù)弱、元器件停產(chǎn)和備件返修周期長等問題，故改造風(fēng)險大，也不利于后期的寶山路站土建改造；同時，信號制式也不符合主流信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向。在在線監(jiān)控方面，由于系統(tǒng)沒有原生的監(jiān)測感知層接口，無法建立有效的系統(tǒng)在線監(jiān)測和智能運行與維護。

2.2 CBTC系統(tǒng)替代改造方案

該改造方案為上海軌道交通3、4號線以全新CBTC系統(tǒng)整體替代既有U200系統(tǒng)(以下簡稱“方案2”)，如圖1所示。其優(yōu)點是采用目前主流的信號技術(shù)，技術(shù)成熟，具有系統(tǒng)原生在線監(jiān)測的基礎(chǔ)。

注:OCC——運營控制中心;ATS——列車自動監(jiān)控;MMI——人機接口;ilock——計算機聯(lián)鎖;“×”表示改造后需拆除。

方案2的室內(nèi)外設(shè)備及接口較多，并且ALSTOM U200本身就是CBTC的同源同系列過渡系統(tǒng)。例如，ALSTOM U200有源、無源信標(biāo)與CBTC無源信標(biāo)的布局類同，改造中為滿足白天老系統(tǒng)運營與夜間新系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)試的需要，需對全線信標(biāo)開展兼容雙系統(tǒng)的重新布局設(shè)計與數(shù)據(jù)修改，其工作量巨大、次級檢測設(shè)備布置(日夜倒接期間，夜間調(diào)試使用的CBTC計軸對白天運營的U200的DTC921數(shù)字軌道電路可能產(chǎn)生的影響)等子系統(tǒng)上的耦合度過高，新老系統(tǒng)存在較多的相互影響。日夜調(diào)試倒接以及一次性割接工作量非常大、改造復(fù)雜、工程籌劃難度高。通過仿真計算，即便寶山路站采用此方案改造完成，其共線段理論運營對數(shù)也僅能達(dá)到33對/h，僅能滿足近期運量的需求。

2.3 CBTC+ALSTOM U200的雙套冗余系統(tǒng)改造方案

該改造方案對上海軌道交通3、4號線以既有ALSTOM U200系統(tǒng)+軌道電路次級檢測進行翻新，聯(lián)鎖以ilock代替VPI，在此基礎(chǔ)上加裝一套CBTC系統(tǒng)進行改造(以下簡稱“方案3”)，如圖2所示。其優(yōu)點是改造后ALSTOM U200系統(tǒng)替下的設(shè)備與備件都可作為新ALSTOM U200的備件；后備模式ALSTOM U200也具有準(zhǔn)移動閉塞的ATP(列車自動防護)/ATO(列車自動運營)，軌道電路還具備斷軌檢測功能。

注:“×”表示改造后需拆除。

不同于上海軌道交通2號線的雙系統(tǒng)異構(gòu)，上海軌道交通3、4號線由于方案2中提到的ALSTOM U200與CBTC系統(tǒng)耦合度過高，除導(dǎo)致的改造復(fù)雜籌劃難、倒接工作量和風(fēng)險大等問題外，還將產(chǎn)生主備系統(tǒng)相同設(shè)計架構(gòu)下會有較大概率發(fā)生一個故障源同時影響兩套系統(tǒng)的情況，同時還存在ALSTOM U200系統(tǒng)缺乏技術(shù)支持等問題。因此在上海軌道交通3、4號線使用上海軌道交通2號線方案勢必使后備的可用性大幅度降低，失去雙套系統(tǒng)冗余的最大優(yōu)勢與意義。在技術(shù)層面，雙套冗余系統(tǒng)接口需印度授權(quán)開放接口，并重新研發(fā)，開發(fā)周期冗長，無法滿足改造工期需求。以目前中印緊張的國際關(guān)系以及印度技術(shù)服務(wù)與支持能力，其投資風(fēng)險較高。同時相比較其他幾種方案，方案3是所有方案中投資量最大、維護成本最高的，性能也僅維持在CBTC水準(zhǔn)。因此，該方案不適用于上海軌道交通3、4號線，本文也不再對該方案進行后續(xù)比選。

2.4 基于車車通信的列車自主控制系統(tǒng)的替代改造方案

使用基于車車通信的列車自主控制系統(tǒng)(TACS)替代改造方案(以下簡稱“方案4”)如圖3所示。改造時遵循“不停運改造”原則，即在改造期間，既有設(shè)備和新增設(shè)備并存，利用倒接開關(guān)進行倒接，以確保改造對日常運營不產(chǎn)生影響。

圖3 基于車車通信的TACS替代改造方案示意圖

TACS是新一代的列車運行控制系統(tǒng)，其以系統(tǒng)資源管理為核心，細(xì)化資源粒度，優(yōu)化資源管理，列車根據(jù)任務(wù)實現(xiàn)自主資源管理，具有安全、高效、靈活和經(jīng)濟等特點。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：OC為目標(biāo)控制器；PM為道岔；PSD為站臺屏蔽門；ESP為緊急關(guān)閉按鈕；CC為車載控制器；AP為軌旁無線單元；MSS為維護支持系統(tǒng)；WSIC為軌旁資源管理器；WSTC為軌旁列車管理器。

得益于移動授權(quán)理念的改變，TACS僅通過DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))將行車間的位置報文以及對軌旁設(shè)備的控制命令進行交互(見圖5)，大幅度縮減了交互路徑距離與時間，實現(xiàn)了軌旁資源控制權(quán)的先到先得與通過快速釋放，取消了計劃型資源分配的進路概念，從而提高了行車效率的各項指標(biāo)。通過試驗線，對TACS實際行車效率實測值與其他方案的信號制式進行了對比(見表2)。表2中,僅有TACS系統(tǒng)具備穿梭和任意點折返功能。通過仿真計算顯示，TACS可滿足上海軌道交通3、4號線開行對數(shù)36對/h的需求。

注：T_ATC為車載自動列車控制系統(tǒng)；CI為聯(lián)鎖；TC為軌道電路；ZC為區(qū)域控制器。

TACS采用新的資源管理和安全確認(rèn)的安全設(shè)計理念。與傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)相比，TACS將安全風(fēng)險管理由多車降維到單車，方便實現(xiàn)多車匯合、分叉和區(qū)間任意點折返。TACS適合上海軌道交通3、4號線這種多線多車復(fù)雜線路的運營需求。系統(tǒng)改造涉及倒切車載和軌旁設(shè)備，車載設(shè)備倒接方案與前述方案類似。得益于TACS的軌旁設(shè)備簡化，減少了大量軌旁設(shè)備。在后續(xù)寶山路站土建改造時，除骨干光纜與少量室外終端光電纜需要按臨時管道敷設(shè)并在改造后割接外，電纜割接數(shù)量大幅度降低。室外設(shè)備臨時拆裝與調(diào)試工作量也大幅度下降。寶山路站土建改造時需維持運營的臨時交路僅需納入新系統(tǒng)設(shè)計，不需要像ALSTOM U200、CBTC等傳統(tǒng)信號系統(tǒng)在區(qū)間新增折返區(qū)域因考慮敵對進路而增設(shè)軌旁信號機等。

表2 信號系統(tǒng)各種制式下的性能對比表

此方案改造實施過程中的難點在于既要確保白天運營安全，又要便于夜間調(diào)試，并需具有迅速恢復(fù)的能力。因此TCAS替代方案中的軌旁倒切裝置設(shè)計尤為重要。改造期間，TACS與ALSTOM U200需共用部分為：道岔動作電路、信號機點燈電路、緊急停車和站臺門。倒接裝置需確保既有系統(tǒng)與新系統(tǒng)輸出的可靠隔離，實現(xiàn)對軌旁設(shè)備控制的唯一性，并集中控制，同時需避免倒接繼電器失電對白天既有系統(tǒng)運營產(chǎn)生的影響。

如圖6所示，以道岔組合倒接為例，切斷上述電路既有組合的原有連接A-A′，將既有交流道岔主組合側(cè)面端子接入新增設(shè)的倒接機柜(DNS)的倒接繼電器，選用失電不動作的雙穩(wěn)態(tài)安全繼電器(偏極繼電器)作為倒接繼電器前級，后級分別接入既有副組合側(cè)面端子和受新系統(tǒng)控制的新設(shè)倒接機柜(DNS)內(nèi)道岔DCJ(定位操縱繼電器)、FCJ(反位操縱繼電器)等新增繼電器。利用提供正負(fù)極相反的日夜倒接總開關(guān)控制雙穩(wěn)態(tài)安全繼電器的兩個線圈，實現(xiàn)白天運營與夜間調(diào)試兩個狀態(tài)切換，并保持了兩套系統(tǒng)輸出控制的隔離，以確保輸出唯一性。即便失電也將保持失電前的新老系統(tǒng)選擇狀態(tài)。同時切斷的既有組合的原有連接，分割為C1和C0兩段，接入安裝在繼電器組合空位的程序插頭底座上。當(dāng)未插入程序插頭時，保持倒接繼電器控制；當(dāng)發(fā)生倒接繼電器故障無法選擇白天既有系統(tǒng)控制狀態(tài)時，插入程序接頭，直接構(gòu)通既有ALSTOM U200控制鏈路，實現(xiàn)快速甩開倒接開關(guān)，恢復(fù)既有系統(tǒng)運營狀態(tài)。

圖6 道岔倒接流程示意圖

無論從安裝、割接、軟件修改和調(diào)試的工作量以及隨之次生的難度與風(fēng)險等各方面比較，車車通信均有得天獨厚的優(yōu)勢。在線監(jiān)測方面，由于TACS將更多的邏輯集中至列車，相比CBTC系統(tǒng)的車載、軌旁設(shè)備分別監(jiān)測，控制命令鏈路更為簡單，有利于實現(xiàn)車載、軌旁設(shè)備融合的全系統(tǒng)級浸入式監(jiān)測，更容易實現(xiàn)高精準(zhǔn)度故障源診斷的專家系統(tǒng)與智能運維平臺。采用TACS的改造方案符合改造的需求和目標(biāo)。

2.5 信號系統(tǒng)制式及改造方案的比選

寶山路站土建改造后，各制式信號系統(tǒng)開行列車數(shù)見表3。其中:方案1共線段勉強滿足開行29對/h，3號線北延伸段開行20對/h，4號線外圈開行10對/h，形成20∶10的不對稱交路，僅能滿足初期運量需求；方案2共線段開行33對/h，3號線延伸北段開行22對/h，4號線外圈開行11對/h，形成22∶11的不對稱交路，也只能滿足初、近期運量需求；方案4共線段開行36對/h，3號線北延伸段開行24對/h，4號線外圈開行12對/h，形成24∶12的不對稱交路，可滿足所有運量需求，詳見表3。

表3 各制式信號系統(tǒng)開行列車數(shù)表

如表4所示，對三種改造方案的技術(shù)、經(jīng)濟、實施和運能進行了比選。

表4 3種改造方案比選表

由技術(shù)、經(jīng)濟、實施和運能等各方面經(jīng)綜合比選可見，TACS的技術(shù)先進，在性能、改造風(fēng)險、改造周期、建設(shè)和運維成本等方面優(yōu)勢明顯。只有TACS的通過能力既可滿足上海軌道交通3、4號線遠(yuǎn)期交路運能需求，同時又能滿足運營、維護和工程的需求。因此推薦TACS替代改造方案作為上海軌道交通3、4號線信號系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。

3 結(jié)語

信號系統(tǒng)的改造項目難度遠(yuǎn)高于新線建設(shè)難度，不僅涉及的接口專業(yè)多，而且不能影響正常運營。信號系統(tǒng)改造項目的前期工作需要結(jié)合線路特點，對國內(nèi)已采用的各類方案的優(yōu)劣勢及適用性進行綜合分析研究，避免照搬硬套；應(yīng)探索更合理、適用度更高的老線信號系統(tǒng)改造方案。