城市軌道交通信號系統(tǒng)升級改造項目方案研究

王喜軍，楊立新，武少峰

據(jù)初步統(tǒng)計,截至2020年12月31日,中國內地累計有45個城市開通了軌道交通運營線路,總里程約為7 978 km。而2005年以前開通的項目,已逐漸進入升級改造階段。因此信號系統(tǒng)如何安全、穩(wěn)妥、經(jīng)濟地進行升級改造,同時減少對既有線路運營安全的影響,已成為各運營公司迫切需要解決的問題。

1 參考標準

當前,雖然對于信號系統(tǒng)改造項目的規(guī)范和標準有所缺失,但可以參考相關建設標準和運營管理的規(guī)定,根據(jù)運營需求制定信號系統(tǒng)改造的技術方案。2019年7月,交通運輸部印發(fā)的《城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法》（交運規(guī)［2019］8號）規(guī)定“信號設備的整體使用壽命一般不超過20年”；《鐵路信號站內聯(lián)鎖設計規(guī)范》規(guī)定“信號設備的大修期一般為15年”；《城市軌道交通工程項目建設標準》（建標104-2008）要求,信號系統(tǒng)設備折舊年限為15年。

城市軌道交通信號系統(tǒng)的改造分2種情況：一是設備老化,備品備件難以滿足運營維護要求；二是客流增大,系統(tǒng)能力不足,迫切需要升級改造［1］。無論是哪種情況,既有信號系統(tǒng)升級改造的安全性都將受到極大的關注?？紤]到項目改造流程,信號系統(tǒng)一般需提前4-5年做改造準備,在信號設備使用15年左右開展相關改造工作的策劃。

2 總體原則

1）升級改造應在盡可能保證既有信號系統(tǒng)不停運、不降低運輸能力和安全等級的條件下進行［2］。在過渡時期,新、舊軌旁設備、車載設備等應能相對獨立運行,以確保實現(xiàn)統(tǒng)一行車指揮。

2）應有利于具體項目的行車組織和運營管理,實現(xiàn)行車指揮和列車運行管理的自動化、科學化,以及城市軌道交通服務的現(xiàn)代化。

3）應盡可能適應項目內其他專業(yè)及其他聯(lián)絡線預留的接口條件,包括現(xiàn)有的土建結構、線路、限界、車輛、通信、供電、站臺門等現(xiàn)場條件。

4）改造后信號系統(tǒng)的能力應滿足正線最小運行間隔2 min要求,正線追蹤間隔按90 s設計,在折返站的折返能力應留有余量,端站折返能力及車輛段/停車場的出入段能力應與正線行車間隔相適應,并留有一定余量［3］。

5）在滿足總體目標的前提下,應盡量節(jié)約投資。

3 改造方案

3.1 CBTC替代既有TBTC

新系統(tǒng)采用基于通信的移動閉塞列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）,既有系統(tǒng)為基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞信號系統(tǒng)（TBTC）,新、舊系統(tǒng)在系統(tǒng)架構上分別獨立,在控制對象上需要復用?，F(xiàn)場復用的設備主要包括轉轍機、信號機、站臺門控制接點和站臺緊急關閉控制接點。新設系統(tǒng)與既有系統(tǒng)設備切換示意見圖1［4］。

圖1 新設系統(tǒng)與既有系統(tǒng)設備切換示意

新增CBTC為主用信號系統(tǒng),增設計軸和有源應答器設備,與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)共同構建成具備ATO/ATP功能的降級系統(tǒng)。車載設備同時具備在CBTC和TBTC系統(tǒng)下的列車控制功能,僅在過渡期間使用TBTC系統(tǒng)功能。待CBTC系統(tǒng)倒接完成后,拆除兼容的TBTC車載接口設備和軌旁的軌道電路設備。如果有足夠的新車,車載設備可同時實現(xiàn)既有TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)功能,滿足最優(yōu)工程條件,從而降低系統(tǒng)的復雜度。

使用室內倒切設備的前提條件為：①若室外共用設備的電路一致,采用倒切柜的方式進行室內設備的倒切,將復用設備電纜由既有組合柜引接至倒切柜相應的控制接點,倒切柜采用旋鈕式開關控制既有系統(tǒng)與試驗系統(tǒng)的倒切；②若室外共用設備的電路不一致,在室內的防雷分線柜接向室內側設置倒切柜,與不同系統(tǒng)的室內組合柜和聯(lián)鎖機柜等設備連接,以實現(xiàn)通過旋鈕式開關控制既有系統(tǒng)與試驗系統(tǒng)的倒切。

該方案在天津地鐵1號線、北京地鐵1、2號線等改造項目中均有實踐,取得了較高的工程應用業(yè)績。

3.2既有TBTC系統(tǒng)疊加CBTC系統(tǒng)

新增CBTC作為主用信號系統(tǒng),并與既有TBTC系統(tǒng)兼容,保留部分既有TBTC系統(tǒng)設備,升級既有數(shù)字軌道電路設備,作為降級系統(tǒng)使用。新設計算機聯(lián)鎖設備和ATS子系統(tǒng)設備,與既有TBTC系統(tǒng)設備相兼容［5］。該方案解決了既有線路由于設備老化導致信號系統(tǒng)設備故障率明顯升高的問題；消除了由于既有信號系統(tǒng)供貨商的技術支持和服務水平日益降低而影響正常運營的安全隱患；保留了既有信號系統(tǒng)作為降級系統(tǒng),提高了主/備系統(tǒng)切換的及時性,避免了前期投資的浪費,降級運行時依舊可以保證既有線正常的運行間隔；軌旁改造和列車改造可以同步進行,不會相互制約,倒接風險小,項目可實施性強,靈活性大,對日常運營的影響可降低到最小,更有利于控制整體工期。

目前,上海地鐵2號線改造正按照此方案開展工作［6］。

1）制定多元化的評價標準。常見的大學英語評價方式是期末考試成績結合出勤、作業(yè)等平時成績，或者參考英語等級考試成績。但是單一的語言能力評價標準不能全面反映學生的綜合素養(yǎng)，不能適應以核心素養(yǎng)為培養(yǎng)目標的大學英語教學，因此需要改善評價的標準，根據(jù)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求，將英語的語言能力、學習能力、思維品質和文化意識納入評價標準中，以此展現(xiàn)高職學生的核心素養(yǎng)和綜合能力。

3.3 基于車車通信的列車控制系統(tǒng)（TACS）疊加既有CBTC系統(tǒng)

TACS系統(tǒng)是以“車車”通信為基礎,將傳統(tǒng)的車地2層分布式列車控制系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡、牽引、制動系統(tǒng)深度融合,以車載控制平臺為核心,實現(xiàn)列車自主進路、自主防護、自主調整,從而實現(xiàn)列車自主運行［7］。從系統(tǒng)的架構、對工程資源的要求、軌旁設備的分布上來講,改造項目具有較大的優(yōu)勢,同時能夠突破系統(tǒng)能力的瓶頸。TACS系統(tǒng)架構示意見圖2。與傳統(tǒng)CBTC相比,TACS系統(tǒng)的信號集中站設備,室內不再配置傳統(tǒng)的區(qū)域控制器（ZC）與計算機聯(lián)鎖主機系統(tǒng),而是配置目標控制器（OC）系統(tǒng),真正實現(xiàn)以列車為主體配置資源,隨著前車的移動,通過車車通信,實現(xiàn)資源的釋放與重新分配。

圖2 TACS系統(tǒng)架構示意

TACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖見圖3。ATS向列車下達時刻表信息指揮行車,列車之間通過無線通信和車載控制器（OBC）進行車車信息交互,以計算移動授權,從而實現(xiàn)列車的自主防護。岔區(qū)的轉轍機動作通過目標控制器來實現(xiàn)。

圖3 TACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

TACS系統(tǒng)是城市軌道交通中實現(xiàn)列車高效控制的先進系統(tǒng),具有安全、高效、靈活、經(jīng)濟、易部署等特點。相對于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng),TACS系統(tǒng)設備更加精簡,從信號系統(tǒng)升級改造的難點和主要制約因素來看,采用車車通信能夠避免部分時間和空間上的矛盾。新增TACS為主用信號系統(tǒng),車載設備同時具備在CBTC和TACS系統(tǒng)下的列車控制功能,CBTC系統(tǒng)功能在過渡期間使用,待TACS系統(tǒng)倒接完成后,拆除兼容的CBTC車載接口設備和軌旁的相關設備,為軌道交通新建項目以及既有線路的升級改造提供新的選擇方案。

當前,TACS系統(tǒng)正處于線路工程實踐階段,尚沒有大規(guī)模應用,前期的研發(fā)及產(chǎn)品未量產(chǎn),工程造價較當前主流的CBTC系統(tǒng)相差不大。但隨著TACS系統(tǒng)的技術發(fā)展,逐漸成熟和規(guī)模應用量產(chǎn)化后,其工程造價會有較大幅度的下降,更有利于控制信號系統(tǒng)的投資成本。

該方案正在深圳地鐵20號線項目中推進。根據(jù)前期方案,先進行CBTC建設,后續(xù)隨著TACS技術的逐漸成熟,升級為TACS系統(tǒng)。

3種方案的適用場景、系統(tǒng)能力、工程投資以及對運營的影響程度情況見表1。

表1 3種方案情況對比

4 難點問題

4.1 車載信號對線路的適應與匹配

以CBTC系統(tǒng)替代TBTC系統(tǒng)的改造方案為例,該方案符合信號技術發(fā)展方向,解決了既有信號系統(tǒng)供應商技術服務水平低、備品備件提供困難的問題。但車載信號系統(tǒng)在過渡實施期間,需同時配備TBTC和CBTC 2套信號車載設備,或者兼容TBTC和CBTC的1套信號車載設備,并通過倒接裝置實現(xiàn)與車輛接口的切換。該方案中既有列車均需進行改造及調試,時間周期較長,割接風險大。車載倒接裝置的長期使用對運營安全存在一定的風險［8］。

4.2 延伸線路與既有線路設備生命周期的差異

一條線路的建設往往會出現(xiàn)分段建設的情況［9］,存在設計和建設標準不相同、運行列車類型不統(tǒng)一等因素,使得信號系統(tǒng)升級改造技術方案的制定具有一定的挑戰(zhàn)。新增CBTC系統(tǒng)倒接完成后拆除TBTC車載設備和軌旁的軌道電路設備,將造成投資的浪費；同時,如果延伸段的既有信號系統(tǒng)設備暫未達到設計的設備壽命周期,而采用該方案提前報廢,也會造成前期投資的浪費。若在既有TBTC系統(tǒng)疊加CBTC系統(tǒng),或者基于車車通信的列車控制系統(tǒng)疊加在既有CBTC系統(tǒng)上,對延伸線來講,只需要新設系統(tǒng)滿足功能需求即可,沒必要完全保證全線的系統(tǒng)類型都一致。

4.3 時間和空間受限

一條線路從開通運營載客到進入設備系統(tǒng)大修改造期,需經(jīng)過10-15年的時間［11］。隨著客流的不斷增加,運營時間不斷延長,通常為每日5：00-23：00,因此留給設備系統(tǒng)改造施工作業(yè)的時間相當有限,這就要求各方提前做好施工作業(yè)準備,以提高效率。

建設期間為了節(jié)約地下站投資,設備用房面積一般都不考慮預留,在后期改造時會導致房屋面積緊張。地鐵是百年工程,而設備改造有時間性和周期性要求,因此未來新線建設時應對設備用房多加考慮。

5 總結及建議

5.1 加快融合型車載信號系統(tǒng)的研發(fā)及推廣

由中國城市軌道交通協(xié)會技術裝備委員會牽頭,組織國內各信號系統(tǒng)供貨商編制了《中國城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通技術規(guī)范》［10］,旨在促進中國城市軌道交通建設,實現(xiàn)并滿足城市軌道交通互聯(lián)互通的需求。加快融合型車載信號系統(tǒng)的研發(fā),可以有效解決信號系統(tǒng)的兼容性問題［11］。對于升級改造工程來說,能夠解決新、舊車載信號系統(tǒng)對新、舊軌旁設備的適應性問題,降低切換風險和工程投資,充分降低系統(tǒng)改造的復雜度,提升改造效率,具有重大意義。

5.2 加快信號系統(tǒng)升級改造標準的制定

考慮到當前新建及部分改造線路采用了全自動運行系統(tǒng)［13］,為確保地鐵運營安全,相關部門應盡快建立有針對性的技術標準體系,使信號系統(tǒng)改造有據(jù)可依,從而降低既有線改造風險。