城市軌道交通線路級信號系統(tǒng)大修改造工程籌劃研究

王 堅

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！喂こ處?

截至2020年底，上海軌道交通1號線、5號線分別完成了信號系統(tǒng)的大修改造工作。根據(jù)交通運輸部頒布的《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運行維護管理辦法》中“信號系統(tǒng)整體使用壽命一般不超過20年”的規(guī)定，上海有多條城市軌道交通線路已經(jīng)或逐步進入信號大修改造周期?？梢灶A計，線路級的信號大修改造將成為未來上海城市軌道交通超大規(guī)模運營網(wǎng)絡運維體系中的一項常態(tài)化工作。在“邊運營、邊生產(chǎn)、邊改造”的復雜背景下，為完成好這項艱巨的任務，亟需研究并制定出一套科學化、標準化的工程籌劃方案，以供后續(xù)工程借鑒和參考。本文在總結(jié)上海已經(jīng)完成或正在實施的線路信號大修改造工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出具有引領(lǐng)示范作用的城市軌道交通線路級信號系統(tǒng)大修改造工程整體籌劃方案[1]。

1 信號大修改造工程的方案籌劃

城市軌道交通線路級的信號系統(tǒng)大修改造工程，其具體方案主要有3種：沿用原制式信號系統(tǒng)方案，更新升級新制式信號系統(tǒng)方案，“新增系統(tǒng)為主用、既有系統(tǒng)為后備”方案。本文對這3種方案進行闡述，并進行優(yōu)缺點對比分析。

1.1 沿用原制式信號系統(tǒng)方案(方案一)

方案一即在保持既有系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)功能和接口等基本不變的情況下，對故障率較高或備品備件供應嚴重不足的子系統(tǒng)進行改造，對故障率較低且備品備件供應充足或已有迭代產(chǎn)品的設(shè)備進行部件級的更新替換，以延長該線路信號系統(tǒng)的使用壽命。

方案一沿用原信號系統(tǒng)制式，在新舊系統(tǒng)過渡期間，車載、軌旁及中央新舊設(shè)備間相互兼容，理論上可以采用逐列、逐站的方式分批次進行大修改造，既降低了車輛改造的難度，又降低了信號改造的難度和風險。但是，由于信號制式?jīng)]有發(fā)生變化，方案一下信號系統(tǒng)的各項指標(如最小運行間隔、列車旅行速度等)的性能提升空間非常有限。需對線路改造完畢后的運能需求和設(shè)備狀態(tài)做好充分的預想與評估，以免發(fā)生改造完成后短時間內(nèi)已實施部件級替換的設(shè)備又達到了使用年限，進而造成需組織“二次改造”的局面。

對于既有系統(tǒng)設(shè)備運行相對穩(wěn)定、可靠，部分子系統(tǒng)設(shè)備仍然具有較長的使用壽命，且原信號系統(tǒng)制式尚能滿足運能需求的線路，或分段開通線路中僅需要改造已達到使用年限的部分線路區(qū)段時，可優(yōu)先考慮選用方案一[2]。

1.2 更新升級新制式信號系統(tǒng)方案(方案二)

方案二即不再考慮延長原信號系統(tǒng)的使用壽命，新系統(tǒng)一般考慮采用當前主流制式CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)，直接替代既有信號系統(tǒng)。

由于使用新制式的信號系統(tǒng)，新舊系統(tǒng)間互不兼容。在新系統(tǒng)調(diào)試期間，為滿足線路日間正常運營和夜間調(diào)試需求，軌旁或中央設(shè)備需新增日夜倒接裝置，采用日夜倒接的方式完成新舊系統(tǒng)的切換。對于車載設(shè)備，若存在增購車輛計劃，可直接在新車上安裝新系統(tǒng)的車載設(shè)備，在割接當日全部替換既有列車(以下簡稱“老車”)下線進行后續(xù)的信號大修改造；當增購列車數(shù)量不足時，需考慮在老車上安裝新舊2套車載設(shè)備，并配備日夜倒接裝置，采用在調(diào)試時期的運營時段使用既有系統(tǒng)車載設(shè)備，在調(diào)試時段及割接之后使用新車載設(shè)備的方式，以保證大修線路的運用車數(shù)滿足正常運營需求。由于信號-車輛接口相對復雜，新舊系統(tǒng)相對于車輛不一定全部適配，還需考慮新系統(tǒng)正式投用后舊設(shè)備的拆除，因而車輛的改造難度極大。如確需采用車輛倒接方案，應提前在車輛專業(yè)的配合下進行充分的評估論證，并將倒接及拆舊需求一并納入車輛改造范圍，以確保車輛倒接過程的安全、可靠。

方案二直接新建1套信號系統(tǒng)，新系統(tǒng)不受既有系統(tǒng)的制約與影響，可以顯著提升信號設(shè)備的各項性能指標。但在調(diào)試期間，需新增倒接設(shè)備，并頻繁進行新舊系統(tǒng)間的倒接。同時，由于新舊系統(tǒng)間的不兼容性，須一次性整體割接至新系統(tǒng)，因而與方案一相比，方案二的改造難度和風險大為增加。

對于既有系統(tǒng)全線全部設(shè)備都已接近設(shè)計使用年限，并且運能瓶頸突出、亟需提升信號設(shè)備性能的線路，可優(yōu)先考慮選用方案二[3]。

1.3 “新增系統(tǒng)為主用、既有系統(tǒng)為后備”方案(方案三)

方案三即在新增CBTC信號系統(tǒng)的同時，保留既有制式信號系統(tǒng)作為后備系統(tǒng)，并對新系統(tǒng)和既有系統(tǒng)進行整合，將既有系統(tǒng)納入到新系統(tǒng)的整體構(gòu)架內(nèi)，最終完成既有系統(tǒng)向新系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。對于分段開通的線路，在進行信號大修改造時宜預留改造接口，使后備系統(tǒng)達到使用年限時順利退出運營，同時通過后續(xù)的新技術(shù)、新設(shè)備進行更新迭代，保證后備系統(tǒng)的可用性。

方案三中，在新舊系統(tǒng)過渡期間，對于改造完成的區(qū)段和改造完成的列車，可以采用CBTC運行，尚未改造的列車仍以既有模式運行；對于尚未改造的區(qū)段，所有列車均以既有模式運行。當所有區(qū)段完成改造且改造完成的列車數(shù)量滿足運營要求時，即可實現(xiàn)全線運營時段的CBTC運行。CBTC全功能開通后，原信號系統(tǒng)作為后備系統(tǒng)，除進行CBTC系統(tǒng)的適應性改造外，還可考慮開展既有系統(tǒng)的整治補強工作。

由于新系統(tǒng)兼容了既有系統(tǒng)的特性，改造完成1個區(qū)段即可投用1段，改造完成1列車即可投用1列，改造的靈活度大大增加，車輛改造難度適中，可根據(jù)實際情況安排集中站所轄區(qū)域和車輛的改造順序。改造完成后即可顯著提升線路的運輸效率，同時有既有系統(tǒng)作為新系統(tǒng)故障情況下的后備系統(tǒng)降級手段，整個系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性。但在設(shè)計聯(lián)絡與現(xiàn)場實施階段，需完成新系統(tǒng)對既有系統(tǒng)的融合，新舊系統(tǒng)的接口設(shè)計和界面劃分是非常大的挑戰(zhàn)。尤其是在既有系統(tǒng)已投用10余年且新舊系統(tǒng)分屬不同信號供應商的情況下，需要同時對接新系統(tǒng)和既有系統(tǒng)的供應商，協(xié)同做好既有系統(tǒng)的技術(shù)支持和備件儲備，以保證既有系統(tǒng)作為后備系統(tǒng)時的正常運行。

對于既有系統(tǒng)設(shè)備運行相對穩(wěn)定，經(jīng)評估仍然具有繼續(xù)使用的價值，但已經(jīng)無法滿足線路運輸能力需求，宜引入更為先進制式的信號系統(tǒng)以突破原運輸能力極限，希望同時具備冗余度和可靠性的線路，可優(yōu)先考慮選用方案三[4]。

1.4 3種改造方案比選

3種改造方案的特點、優(yōu)缺點、適用性及實際應用等方面的對比分析如表1所示[5]。

表1 3種城市軌道交通線路信號大修改造方案比選分析Tab.1 Comparison and analysis of three signal overhaul and reconstruction schemes of urban rail transit lines

2 信號大修改造工程的資源配置籌劃

2.1 施工資源

相比而言，正線線路雖然運營長度較長，但可供施工利用的時段僅在非運營的夜間，對于各專業(yè)大修改造項目可能同步實施的既有線路來說，施工資源相對緊張。

車場(含試車線)線路除去運行圖規(guī)定的出入庫時段及日常用于生產(chǎn)、檢修時段外，均可用于大修改造，可用時間較多。此外，可以針對運用庫股道、檢修庫股道、咽喉區(qū)、試車線等不同區(qū)域采用交錯實施的方式，或采取調(diào)整出入庫列車數(shù)量、靈活安排車輛檢修計劃等措施，確保施工資源滿足車場改造需求。

對于有新建延伸段的線路，在土建、通信、供電、車站機電等其他專業(yè)條件滿足需求的情況下，可在未投入運營的延伸段上先行進行信號的調(diào)試驗證。這樣，調(diào)試不受到既有線路的各方面條件的制約，可達到施工資源利用最大化的目的。

2.2 車輛資源

大修改造線路由于需維持日常的運營，因此，需要對有限的車輛資源進行科學的規(guī)劃，平衡好運營用車輛、改造用車輛及可能的增購車輛間的關(guān)系。

不同的信號大修方案，其車輛資源調(diào)配方案也不一樣。方案三下新舊系統(tǒng)兼容的車載設(shè)備，可采用列車逐列下線改造的方式，有新車增購計劃的還可采用新車調(diào)試完畢替換老車改造的方式，以保證運行圖中標定需要的列車數(shù)量，將信號大修改造對運營的影響降到最低；方案二下新舊信號系統(tǒng)無法兼容，列車在改造完畢后必須等新系統(tǒng)割接后方可投用，對于扣除了圖定運用車數(shù)后的余量用車(運營余量用車還應考慮新系統(tǒng)開通后因旅行速度提升、列車周轉(zhuǎn)率提高導致運用車數(shù)下降、余量用車增加的情況)，可以將余量用車下線直接拆除既有系統(tǒng)車載設(shè)備，并裝設(shè)新系統(tǒng)車載設(shè)備。對于有新車增購計劃的線路，可在新車上直接完成新系統(tǒng)車載設(shè)備的安裝調(diào)試。裝有新系統(tǒng)車載設(shè)備的改造車或新車在新舊系統(tǒng)割接當日投入運營，替換使用既有系統(tǒng)車載設(shè)備的運營用車，運營用車下線進行改造后再重新上線運營。若在新舊系統(tǒng)過渡期間或新系統(tǒng)割接完成后運用車數(shù)無法滿足需求，應考慮在改造車上同時安裝新舊2套車載系統(tǒng)，并安裝倒接裝置，采用新舊系統(tǒng)倒接方式來滿足運營與調(diào)試2方面的用車需求。

2.3 人力資源

信號系統(tǒng)大修改造工程除信號專業(yè)之外，還需要同時進行車輛、供電、房建、車站機電等非信號專業(yè)的配套系統(tǒng)的改造。因此，項目管理執(zhí)行團隊的人力資源配備應遵循以信號人員為主體、其他相關(guān)專業(yè)人員積極參與、各專業(yè)人員相互配合的主要原則，打破不同專業(yè)條線之間的壁壘和限制，建立協(xié)同管理、運轉(zhuǎn)高效的項目管理執(zhí)行團隊。

3 信號大修改造工程的實施過程籌劃

3.1 前期工作準備

城市軌道交通線路的信號系統(tǒng)大修改造工程是交通運輸行業(yè)的重點工程項目，影響面廣、工程量大、投資額大。應按照相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，進行充分的工程項目前期準備工作，履行相關(guān)報批或備案手續(xù)。由于前期工作流程較為繁雜，準備周期較長，在預排各線路信號系統(tǒng)大修改造計劃時，一定要進行充分預留前期準備工作的時間，做到提前準備、積極推進，以免發(fā)生在大修改造尚未完成并投入運營時既有系統(tǒng)已超出了預計使用壽命的情況，避免給日常運營帶來風險、隱患[6]。

3.2 相關(guān)專業(yè)配套

相關(guān)專業(yè)配套改造工程包括車輛、供電、房建、通信、車站機電等非信號專業(yè)的配套項目。對于確需改造的相關(guān)專業(yè)，宜在信號改造方案確定前即與相關(guān)專業(yè)一起進行梳理，確定其當前功能是否滿足信號系統(tǒng)大修改造后的設(shè)計要求，若無法滿足，應考慮一并納入此次大修改造范圍。具體包括：① 可能因信號車載設(shè)備的更新改造將重新定義車輛-信號接口而產(chǎn)生的車輛專業(yè)相關(guān)配套改造；② 因信號專業(yè)的大修改造完成后為滿足線路運能的提升而產(chǎn)生的線路供電能力同步升級；③ 因滿足新系統(tǒng)中央設(shè)備或軌旁設(shè)備的放置安裝需要，需房建專業(yè)通過置換或新建的方式提供較為合適的空置用房作為OCC(運營控制中心)/集中站/車場的新信號機房引起的改造；④因新增或接入LTE(長期演進)系統(tǒng)作為車地通信媒介，需要通信專業(yè)進行核心網(wǎng)、基站、漏纜等設(shè)備的安裝調(diào)試；⑤因信號中央設(shè)備或軌旁設(shè)備的改造產(chǎn)生與PSD(站臺屏蔽門)系統(tǒng)、BAS(環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng))、FAS(火災報警系統(tǒng))、SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)、PIS(乘客信息系統(tǒng))等車站機電系統(tǒng)接口的變化，進行重新的定義和調(diào)試而產(chǎn)生的改造等。

3.3 新舊系統(tǒng)過渡

根據(jù)選定的信號大修改造方案，結(jié)合改造線路的實際情況，可采用一次性整體新舊過渡(即整體割接)或逐個或幾個集中站控制區(qū)域分段新舊過渡(即分段割接)的方式。

采用方案二時，一般只能采用全線整體割接的方式。割接完成后，新系統(tǒng)直接代替既有系統(tǒng)，承擔全線的運營任務。為了降低對日常運營產(chǎn)生的影響，全線整體割接一般需在1個夜間全部完成，全線所有集中站控制區(qū)域均需滿足割接條件，并在割接當日若干小時內(nèi)完成全線的既有系統(tǒng)關(guān)閉停用、新系統(tǒng)接入投用、運營前校核驗證等工作，前期安裝施工調(diào)試、割接前準備工作量極大，風險系數(shù)也較高。

采用方案一或方案三時，新舊系統(tǒng)可互為兼容條件，根據(jù)線路實際情況，既可以采取整體割接的方式，也可以采取分段割接的方式。與整體割接相比，分段割接的優(yōu)勢在于調(diào)試完成1個區(qū)段即可開通投用，割接時工作量相對較低、影響面較小，風險相對也更加可控，同時能夠盡早發(fā)揮新系統(tǒng)的產(chǎn)出效益。對于運能極為緊張，增能需求強烈，且改造方案經(jīng)評估后具備實施條件的線路，可先改造承擔折返、出入庫等功能的重點集中站控制區(qū)域，這樣可相對提前解決折返能力、出庫能力、插車能力等影響全線運輸效率的瓶頸問題，可改善信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少在關(guān)鍵集中站控制區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障引起的風險，為線路整體的運能提升創(chuàng)造條件。與整體割接相比，分段割接的劣勢在于需要額外考慮列車在通過已改造集中站控制區(qū)域和未改造集中站控制區(qū)域的邊界時，要避免出現(xiàn)因為軌旁設(shè)備信號制式的變化造成列車運行失常，甚至造成意外的列車迫停，給日常的行車組織帶來影響的情況。

以采用整體割接方式的信號大修改造項目為例，其項目里程碑事件如圖1所示。

注：先行段指的是改造實施時首先集中對某一控制區(qū)域進行全功能改造，以提供現(xiàn)場測試環(huán)境，為改造系統(tǒng)開展全面的驗證評估工作提供依據(jù)。

4 結(jié)語

隨著上海城市軌道交通多個線路級的信號系統(tǒng)大修改造工程的實施，有針對性地為每條線路量身定制信號大修改造方案，實現(xiàn)“一線一方案”的目標，對不同線路的施工、車輛、人力等基礎(chǔ)資源進行集約化配置，進而制定出最安全、最高效的實施策略，使之貫穿于項目執(zhí)行的整個過程中，是上海城市軌道交通進行線路級的信號系統(tǒng)大修改造工程籌劃的努力方向和奮斗目標。