上海城市軌道交通基于出庫能力提升的車場列車自動控制改造分析研究

王練鋒

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！喂こ處?

早期正線采用CBTC(基于通信的列車控制)信號系統(tǒng)的城市軌道交通線路，主要通過設(shè)置單一的計算機聯(lián)鎖設(shè)備實現(xiàn)車場的信號控制功能，由車場信號樓值班員根據(jù)行車計劃人工排列出庫進路，列車司機人工確認(rèn)軌旁信號以RMF(限制人工向前)模式手動駕駛列車出庫。由于在傳統(tǒng)的計算機聯(lián)鎖控制下列車的發(fā)車間隔較長，且存在大量行車安全限制條件需依靠人工予以確認(rèn)，導(dǎo)致車場出庫能力(單位時間內(nèi)從車場發(fā)出、投入正線運行的列車數(shù)量)普遍偏低，難以滿足正線高峰時段高密度行車的需求[1]。

為提升車場出庫能力，可采用的方式是將原基于傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖的非ATC(列車自動控制)車場(以下簡稱“傳統(tǒng)車場”)改造為基于CBTC的ATC車場(以下簡稱“ATC車場”)，進而提高列車出庫作業(yè)的自動化程度、擴展CBTC的控制區(qū)域，達(dá)到車場與正線信號系統(tǒng)的融合與統(tǒng)一。ATC車場模式下可實現(xiàn)由ATS(列車自動監(jiān)控)自動排列出庫進路，列車采用受控模式，即以ATO(列車自動運行)模式或ATPM(信號防護下的手動駕駛)模式，依據(jù)移動閉塞原理連續(xù)追蹤出庫，從而壓縮了列車出庫間隔，優(yōu)化了出庫效率[2]。本文從信號及配套專業(yè)2個方面對傳統(tǒng)車場ATC改造的基本方案進行總結(jié)。

1 傳統(tǒng)車場ATC改造的總體思路

對傳統(tǒng)車場進行ATC改造，其核心工作是對原來僅設(shè)有計算機聯(lián)鎖的車場信號系統(tǒng)進行升級或整體更新，使之達(dá)到與正線信號制式統(tǒng)一的CBTC信號系統(tǒng)工作要求，最終滿足ATC車場的功能需求。當(dāng)車場ATC信號設(shè)備發(fā)生故障、列車無法以受控模式運行時，ATC車場將降級為傳統(tǒng)車場，由計算機聯(lián)鎖承擔(dān)車場的信號控制功能，列車憑軌旁信號以RMF模式運行。

此外，在傳統(tǒng)車場的建設(shè)階段，相關(guān)線路、軌道等專業(yè)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)一般均未考慮可能的ATC改造，因此在股道盡頭線長度設(shè)置、軌道電路絕緣節(jié)劃分、司機登乘平臺設(shè)計、軌行區(qū)封閉化管理等環(huán)節(jié)可能不能滿足ATC車場所需的相關(guān)技術(shù)條件，需對這些專業(yè)設(shè)施設(shè)備一并進行改造。

2 傳統(tǒng)車場ATC的信號改造

信號改造是車場ATC改造的主要內(nèi)容，具體可細(xì)分為信號控制設(shè)備改造和其他相關(guān)配套的信號設(shè)備改造2方面。若傳統(tǒng)車場整體信號系統(tǒng)尚未達(dá)到大修年限，為節(jié)省投資、避免不必要的浪費，車場ATC的信號改造原則為：除ATC改造涉及的信號設(shè)備外，其余室內(nèi)外的設(shè)備一般在改造后繼續(xù)使用。

2.1 信號控制設(shè)備改造

信號控制設(shè)備改造主要指將原傳統(tǒng)車場使用的計算機聯(lián)鎖設(shè)備改造為與正線CBTC信號系統(tǒng)統(tǒng)一的ATC車場信號設(shè)備，這是將傳統(tǒng)車場改造為ATC車場的關(guān)鍵。根據(jù)工程建設(shè)實際，信號控制設(shè)備改造可分為升級改造和整體更新改造2種方式。

2.1.1 升級改造方式

信號控制設(shè)備的升級改造方式是指在原有計算機聯(lián)鎖的基礎(chǔ)上疊加與正線信號系統(tǒng)制式統(tǒng)一的ZC(區(qū)域控制器)設(shè)備，以構(gòu)成CBTC信號系統(tǒng)，由新增的ZC向車場內(nèi)運行的列車提供LMA(移動授權(quán)限制)。升級改造方式基本保留了原計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)以及室內(nèi)電源屏、組合柜、分線柜、接口柜及相關(guān)配線，但需增加原計算機聯(lián)鎖與ZC的通信功能，計算機聯(lián)鎖可向ZC提供進路狀態(tài)、軌旁設(shè)備狀態(tài)等控制信息。同時還需增加計算機聯(lián)鎖采集/驅(qū)動點位，用以控制新增的SPKS(人員防護開關(guān))、列車信號機等信號設(shè)備。此外，計算機聯(lián)鎖、ZC等設(shè)備需接入全線DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))骨干網(wǎng)中，實現(xiàn)車場與正線的信號貫通控制。

升級改造方式新增設(shè)備較少、投資較小、施工安裝難度較低，但對原計算機聯(lián)鎖的外部通信安全性、擴展性、穩(wěn)定性等技術(shù)條件有一定要求。傳統(tǒng)車場經(jīng)過多年使用后，原計算機聯(lián)鎖的剩余使用壽命可能難以滿足車場ATC改造后的使用年限要求，且由于信號硬件設(shè)備的制約條件過多，因而，升級改造方式在車場ATC改造中應(yīng)用較少。

2.1.2 整體更新改造方式

信號控制設(shè)備的整體更新改造方式是指不再使用原計算機聯(lián)鎖以及電源屏、組合柜、分線柜、接口柜及相關(guān)配線，而是重新設(shè)置與正線信號系統(tǒng)制式統(tǒng)一的CBTC信號系統(tǒng)，包括新設(shè)ZC、DCS交換機、計算機聯(lián)鎖及電源屏、組合柜、分線柜、接口柜和相關(guān)配線等設(shè)備，以實現(xiàn)ATC車場功能，并與正線CBTC信號系統(tǒng)相貫通。

整體改造方式的工作量與新建同等規(guī)模車場信號系統(tǒng)的工作量相當(dāng)，新增設(shè)備眾多、投資較大、施工安裝工作量比較大、周期較長。

2.1.3 升級改造和整體更新改造的比較

由于在車場ATC改造期間仍需保證日常行車工作不受影響，因而有效施工時間受到限制，且在ATC功能開通時需采取整體系統(tǒng)倒接的方式，以確保車場能在短時間內(nèi)完成新舊設(shè)備換裝后立即投入運行。與升級改造方式相比，整理更新改造方式的改造難度與風(fēng)險均較大。但是，整體更新改造方式不受老舊設(shè)備原有技術(shù)條件的制約，新設(shè)的CBTC系統(tǒng)能最大限度地以最佳性能改善車場出庫能力，與升級改造方式相比更具優(yōu)越性。該方式在傳統(tǒng)車場ATC改造中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在傳統(tǒng)車場原計算機聯(lián)鎖設(shè)備已運營多年、已接近或達(dá)到大修年限時，更宜采用整體更新改造方式，以便在實現(xiàn)車場ATC改造的同時直接替換老舊信號設(shè)備。

信號系統(tǒng)采用整體更新改造方式的情況下，若車場ATC的新系統(tǒng)具備聯(lián)鎖功能，且能夠滿足車場正常行車需求，則可以考慮在改造中先行啟用聯(lián)鎖功能，以盡早代替原老舊系統(tǒng)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時為后續(xù)實現(xiàn)車場ATC功能創(chuàng)造條件。

2.2 信號配套設(shè)備改造

ATC車場根據(jù)作業(yè)需求劃分為ATC區(qū)域和非ATC區(qū)域。一般將車場的停車列檢庫、運用庫、咽喉區(qū)、轉(zhuǎn)換軌及牽出線等區(qū)域作為ATC區(qū)域，將車場其余區(qū)域作為非ATC區(qū)域。在ATC區(qū)域中，列車可以按CBTC方式以受控模式自動運行；在非ATC區(qū)域中，列車仍需按照傳統(tǒng)車場的要求以RMF模式運行。

在車場ATC改造時,無論是采用升級改造方式還是采用整體更新方式，均應(yīng)考慮在ATC區(qū)域內(nèi)無線信號覆蓋、列車信號機設(shè)置、列車運行定位、股道休眠/喚醒等方面的實際需求，以滿足列車在ATC區(qū)域的運行要求，并參照正線信號系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對傳統(tǒng)車場的配套信號設(shè)備進行改造。

傳統(tǒng)車場一般不進行信號無線覆蓋，或僅覆蓋有限的區(qū)域，以使ATS能顯示庫內(nèi)列車車載信號設(shè)備通信狀態(tài)或報警信息。為確保車場ATC改造后列車在ATC區(qū)域能與ZC建立安全、可靠的雙向通信，需在車場內(nèi)加裝足夠數(shù)量的無線AP(接入點)，對ATC區(qū)域及邊界覆蓋無線信號。正線上根據(jù)線路情況會選用波導(dǎo)管、漏泄電纜、自由無線中的1種或多種方式作為通信媒介，但由于車場線路具有占地面積較大、主要呈塊狀分布的特點，一般僅采用自由無線方式作為通信媒介，以確保ATC區(qū)域能被無線信號全面覆蓋。

ATC車場中以受控模式運行的列車需由列車信號機防護。由于防護接發(fā)以受控模式運行列車的信號機必須是列車信號機，對于有接發(fā)以受控模式運行列車需求的停車股道，需將原設(shè)置的調(diào)車信號機改造為列車兼調(diào)車信號機，以滿足ATC車場的行車作業(yè)需求。此外，對于建設(shè)規(guī)模較大的車場，由股道直接觸發(fā)至轉(zhuǎn)換軌的出場列車進路可能存在著占用線路過長、鎖閉道岔過多、進而導(dǎo)致影響其他列車平行出場作業(yè)的情況。因此，需在恰當(dāng)位置新設(shè)列車信號機，或?qū)⒃{(diào)車信號機改為列車兼調(diào)車信號機，將原來1次完整觸發(fā)的長列車進路分割為若干個列車間隔信號機間的短進路，并采用分段觸發(fā)的方式，以增加車場平行出庫能力，實現(xiàn)列車在ATC車場采用隊列方式以受控模式追蹤出場，進一步提升車場的出庫能力。

在CBTC系統(tǒng)下列車的正常運行需要依靠信標(biāo)進行定位，因此需在車場內(nèi)按規(guī)定要求布置一定數(shù)量的無源信標(biāo)，以滿足列車的定位需求。同時，為確保列車車載設(shè)備在特定位置重新上電后能立即具有定位功能，且以受控模式發(fā)車，在停車股道等處需設(shè)置安裝特殊的無源信標(biāo)作為休眠/喚醒信標(biāo)。以采用頭尾雙端(即I位端、II位端)信號車載設(shè)備布置為例，其信標(biāo)設(shè)置如圖1所示。當(dāng)列車在收車或檢修作業(yè)等車輛不移動的情況下，若車載設(shè)備失電，重新上電啟動時車載設(shè)備能夠立即讀取停車點下方的休眠/喚醒信標(biāo)。在比對預(yù)先存儲的信標(biāo)信息、得到信息一致的結(jié)論后，即可安全建立列車定位信息，具備以受控模式動車的條件。此外，在ATC與非ATC交接區(qū)域應(yīng)布置初始化定位信標(biāo)，供列車從非ATC區(qū)域進入ATC區(qū)域時能及時建立列車定位報告，進而在收到移動授權(quán)后列車轉(zhuǎn)為以受控模式運行。

圖1 車場停車股道內(nèi)休眠/喚醒信標(biāo)設(shè)置示意圖

在改造過程中，還需對有接發(fā)受控模式列車需求但未安裝列車位置檢測設(shè)備的股道加裝軌道電路或計軸設(shè)備，對列車車載設(shè)備的硬件或軟件進行升級改造，使其在車場內(nèi)特定位置具備休眠/喚醒等功能。

3 傳統(tǒng)車場ATC的相關(guān)配套專業(yè)改造

相關(guān)配套專業(yè)改造也是車場ATC改造中必不可少的工作。由于傳統(tǒng)車場在建設(shè)時土建、線路、安防等專業(yè)設(shè)計大多未考慮到ATC車場行車組織、維護檢修、人員防護等方面的特殊要求，因此在進行車場ATC改造時需對相關(guān)配套專業(yè)的設(shè)施設(shè)備一并進行改造。

3.1 加裝物理隔斷裝置

由于在ATC區(qū)域內(nèi)列車能夠以ATO模式自動駕駛，依靠司機瞭望難以確保行車安全，因此需將ATC區(qū)域與非ATC區(qū)域分隔，并在ATC區(qū)域加裝物理隔離設(shè)備，使之按照封閉化的要求進行管理。

為確保正常檢修時段內(nèi)ATC區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員安全，保證一定的作業(yè)檢修效率，需將ATC區(qū)域劃分為若干個檢修防護分區(qū)，每個分區(qū)通過物理隔離裝置分隔。各分區(qū)的出入口需設(shè)置門禁系統(tǒng)，以防止無關(guān)人員進入。每個分區(qū)內(nèi)設(shè)置1個SPKS，SPKS可置于正?；驒z修2種狀態(tài)，并由信號系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集SPKS狀態(tài)信息。當(dāng)對某1個分區(qū)內(nèi)的列車或設(shè)備進行檢修時，需將對應(yīng)分區(qū)的SPKS從正常位調(diào)至檢修位，此時由信號系統(tǒng)控制該分區(qū)內(nèi)的所有列車，列車信號不能開放，不允許列車以受控模式動車。需要說明的是，在傳統(tǒng)車場的ATC改造過程中，檢修防護分區(qū)的劃分及加裝物理隔離裝置的方案需綜合考慮場內(nèi)既有的股道間距、車庫主跨立柱位置、乘務(wù)人員走行通道設(shè)計等諸多因素，按同一分區(qū)內(nèi)包含盡可能少的股道數(shù)量為目標(biāo)進行統(tǒng)籌設(shè)計。

3.2 延長停車股道長度

在ATC區(qū)域的停車列檢庫及運用庫設(shè)置若干用于停放列車的停車股道。在線路條件和停車位置不變的情況下，在進行車場ATC改造時，必須考慮在最不利情況下列車以ATO模式或司機以ATPM模式越過規(guī)定的停車點后，是否有足夠的緊急制動距離，保證列車不會碰撞到線路盡頭的車擋或另1端停放的列車。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，單列位或盡頭式停車股道的停車點距車擋距離應(yīng)不小于15 m，如圖2 a)所示。雙列位停車股道A股停車點距B股停車點距離應(yīng)不小于遠(yuǎn)期最大車長加20 m；同時根據(jù)不同信號系統(tǒng)的安全需求，A股停車軌道區(qū)段與B股停車軌道區(qū)段間宜增加1段獨立的小軌道區(qū)段，作為A股停車對位時的保護區(qū)段，如圖2 b)所示。

a) 單列位股道

b) 雙列位股道

當(dāng)既有線路設(shè)置不滿足上述標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)進行延長改造以滿足相關(guān)制動距離標(biāo)準(zhǔn)。不滿足延長條件的，可以采取列車入場時以ATO模式自動在庫前停車，由司機轉(zhuǎn)為RMF模式手動控制列車在股道停車點停準(zhǔn)的方案，避免原股道長度無法滿足列車以ATO或ATPM對位時所需的安全距離不足的限制[3]。

3.3 調(diào)整侵限絕緣設(shè)置

在傳統(tǒng)車場中，辦理經(jīng)由侵限絕緣一側(cè)道岔區(qū)段的進路時，需檢查相鄰軌道區(qū)段是否空閑。改造為ATC車場后，為確保列車在CBTC控制下的運行安全，當(dāng)侵限絕緣一側(cè)道岔區(qū)段的相鄰軌道區(qū)段處于占用狀態(tài)時，位于該道岔區(qū)段內(nèi)的道岔將被鎖閉，無法扳動。

與傳統(tǒng)車場的出場進路一次性排列至轉(zhuǎn)換軌的方式不同，為提高出庫效率，ATC車場的出場進路自停車股道至總出發(fā)信號機間采用2個相鄰間隔信號機之間分段排列的方式。由于行車密度較大，易導(dǎo)致列車因間隔條件不滿足而迫停在信號機前。若信號機處所設(shè)置絕緣為侵限、且前方道岔恰處于相反位置，由于道岔被鎖無法動作，致使后續(xù)無法排通列車進路，場內(nèi)正常的行車秩序由此受到影響。

當(dāng)原絕緣節(jié)設(shè)置因影響行車效率需要移動時，在滿足軌道專業(yè)對絕緣設(shè)置基本要求的情況下，可采用配軌或鋸軌的方式，將絕緣節(jié)向遠(yuǎn)離尖軌方向移動，以滿足車場ATC的設(shè)計需求，避免因相鄰區(qū)段占用而導(dǎo)致道岔鎖閉的情況。

4 結(jié)語

上海最早一批采用CBTC信號系統(tǒng)的城市軌道交通線路，迄今均已運營超過10年。為應(yīng)對客流快速增長，這些線路一般會通過增購列車、壓縮行車間隔等方式以緩解運能壓力。隨著列車配屬數(shù)的增加，夜間車輛的檢修耗時隨之增加；而高峰時段運用列車數(shù)的增加又使得早高峰時段列車密集出庫用時進一步延長。在時間資源有限的前提下，這兩者互為影響、互為制約，已成為城市軌道交通線路增加運能的一大瓶頸。

為緩解來自運營組織與維護保障兩方面的巨大壓力，上海已在多條城市軌道交通線路所屬的車場實施了車場出庫能力改造工程。通過對傳統(tǒng)車場進行ATC改造，列車單線出場正向最小行車間隔由原來的3 min壓縮至2 min，減少了整體圖定運用列車出庫耗時，達(dá)到高峰時段短時間內(nèi)快速提升正線運能的目標(biāo)。同時，改造后的車場在保證運能的基礎(chǔ)上適當(dāng)延遲了列車密集出庫的時間，從而增加了列車夜間檢修作業(yè)寶貴的時間資源。此外，在車場ATC改造后，還可降低列車司機、信號樓值班員等車場內(nèi)行車相關(guān)作業(yè)人員的勞動強度，進一步提升了車場行車工作安全性與可靠性。