淺析北京地鐵5號線車載信號改造工程

張 迪

(北京地鐵工程管理有限公司,北京 100005)

0 引言

地鐵信號系統(tǒng)進(jìn)行一次性改造升級時，需要向國家申請改造立項，待批復(fù)后方可實施改造，通常需要4～5年的時間，所用時間較長。北京地鐵5號線開通時間為2007年10月份。由于既有信號系統(tǒng)設(shè)備未滿足大修年限要求，所以無法進(jìn)行立項申請。北京地鐵5號線日均客流量大，信號系統(tǒng)故障頻繁發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重影響了運營。因此，采用傳統(tǒng)的改造升級方式，無法在短時間內(nèi)降低信號系統(tǒng)故障率、縮短運營間隔、提高線路運力。

針對現(xiàn)狀，決定采用“初期兼容既有軌道電路系統(tǒng)，降低設(shè)備故障；后期升級為基于通信列車自動控制(communication based train control,CBTC)制式，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性及運力的改造方案。該方案既能解決北京地鐵5號線現(xiàn)階段車載故障率高的問題、減少故障對日常運營的影響、滿足現(xiàn)階段的運營需求，又能在日后進(jìn)行大修改造時，全面升級信號系統(tǒng)至CBTC制式，提升運營間隔和運力。

1 信號系統(tǒng)故障分析及應(yīng)對措施

首先，北京地鐵5號線采用的是基于多信息無絕緣軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本原理為：采用報文式軌道電路輔之以環(huán)線或應(yīng)答器來判斷分區(qū)占用并傳輸信息，可告知后續(xù)列車?yán)^續(xù)前行的距離；后續(xù)列車可根據(jù)這一距離合理地采取減速或制動，從而實現(xiàn)列車速度控制[1]。但是準(zhǔn)移動閉塞中后續(xù)列車的最大目標(biāo)制動點必須在先行列車占用分區(qū)的外方，因此它無法完全突破軌道電路的限制，當(dāng)運營間隔縮短至2 min后，已經(jīng)達(dá)到其能力設(shè)計的上限。

其次，北京地鐵5號線信號系統(tǒng)主要設(shè)備供貨廠商較多，系統(tǒng)整體性不強，造成了設(shè)備、系統(tǒng)間接口復(fù)雜、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)難度較大、故障定位困難、處理問題時效性低下等問題。

另外，由于車載信號設(shè)備的列車自動保護(hù)/列車自動運行(automatic train protection/automatic train operation,ATP/ATO)系統(tǒng)、絕對/位置參考(absolute position reference,APR)信標(biāo)閱讀器、ATO環(huán)路設(shè)備的供應(yīng)商不再提供設(shè)備維護(hù)和技術(shù)支持。而且目前北京地鐵5號線故障主要集中在車載ATP/ATO系統(tǒng)，因而在發(fā)生車載設(shè)備故障或系統(tǒng)故障時，難以開展徹底的故障排查和故障分析，給運營維護(hù)帶來不利影響。

5號線原信號系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 5號線原信號系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original signal system of Line 5

據(jù)統(tǒng)計，2015年5號線車載日均故障達(dá)到3.09件，遠(yuǎn)高于北京線網(wǎng)平均水平，造成列車運營晚點、運營間隔拉大、運力下降、乘客滯留等問題，因而無法保證2 min的運營間隔。在分析車載故障情況后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致車載設(shè)備故障率過高的主要原因有以下三點。

①因車載機(jī)柜線纜布置過密、電源線與信號線之間距離不足、線纜連接器設(shè)計不合理、屏蔽性能差、缺少良好的電磁兼容性設(shè)計和工藝等問題，造成機(jī)柜內(nèi)部故障頻發(fā)。

②導(dǎo)致模糊區(qū)掉碼問題的原因是車載設(shè)備判斷碼間隙指標(biāo)過嚴(yán)或地面軌道信號發(fā)生異常變化。

③尾端干擾問題的根源是在折返過程中，車載設(shè)備未收到道岔區(qū)段的載頻信息。

綜上所述，采用CBTC系統(tǒng)是解決北京地鐵5號線運營間隔問題的有效解決方案。

2 改造后的車載信號系統(tǒng)

北京地鐵5號線信號系統(tǒng)目前的信號系統(tǒng)主要包括列車自動監(jiān)控(automatic train supervision,ATS)、計算機(jī)聯(lián)鎖(computer interlocking,CI)、ATP、ATO、地面骨干網(wǎng)絡(luò)、FS-2500軌道電路及相關(guān)配套設(shè)備。

改造后的信號系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改造后的信號系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the signal system after restruction

2.1 改造后的車載ATP子系統(tǒng)

ATP子系統(tǒng)是保證列車運行安全、提高運輸效率的控制設(shè)備，提供列車運行間隔控制及超速防護(hù)，對線路上的列車進(jìn)行安全控制。

改造后的車載ATP子系統(tǒng)采用“3取2”的安全冗余技術(shù),列車頭、尾各一套設(shè)備，頭尾兩端通過通信線纜相連，以實現(xiàn)頭尾兩端設(shè)備之間的通信以及車地?zé)o線通信的雙路冗余,確保了車載子系統(tǒng)的安全性、可靠性及可用性。ATP子系統(tǒng)的各組成部分通過數(shù)據(jù)交互，共同完成ATP子系統(tǒng)的各項功能[2]。

5號線車載信號設(shè)備整體改造結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 5號線車載信號設(shè)備整體改造結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall reconstruction structure of Line 5 vehicle-mountedsignal equipment

ATP子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 ATP子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流示意圖Fig.4 Schematic diagram of data flow betweenATP subsystems

改造后的車載子系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 改造后的車載子系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the modified on-board subsystem

改造后的車載ATP系統(tǒng)向人機(jī)界面(man machine interface,MMI)發(fā)送的信息主要有ATP報警信息、ATP故障信息、超速報警信息、非限制人工駕駛模式(emergency unlimited mode,EUM)信息、碼有效信息、開門允許信息、零目標(biāo)速度信息、推薦速度信息、自動折返信息、緊急制動速度信息、列車當(dāng)前速度信息、限制模式(restricted mode,RM)狀態(tài)信息、編碼模式(code mode,CM)狀態(tài)信息、自動模式(automatic mode,AM)狀態(tài)信息、確認(rèn)信息等[3]。

改造后的車載ATP利用兩個測速電機(jī)的兩個相位輸入來計算速度、行走距離和移動方向(向后滾動和向前滾動)以及檢測零速度情況。ATP從測速電機(jī)接收的指示主要有四條，分別是測速電機(jī)1相同信號、測速電機(jī)1求積信號、測速電機(jī)2相同信號和測速電機(jī)2求積信號。

改造后的車載ATP使用多普勒雷達(dá)(與測速電機(jī)信息一起)來計算速度、行走距離和移動方向(向前運行和向后運行)，并監(jiān)控零速度情況。ATP從多普勒雷達(dá)接收的信息主要有行走方向、有效方向顯示、多普勒狀態(tài)、速度、通電后行走距離和序號等。

改造后的車載ATP與車輛的接口主要分布于四類接口電路，分別是ATP安全輸出接口電路、ATP非安全輸出接口電路、ATP安全輸入接口電路和ATP非安全輸入接口電路。在改造過程中，主要通過增設(shè)新電路、保留原電路和信號機(jī)柜內(nèi)部接線、取消原電路和信號機(jī)柜內(nèi)部接線的方式，確保改造后車載ATP的功能或指令可以順利實現(xiàn)。例如：牽引切除、CM輸出、自動折返輸出、緊急制動檢測、列車完整性、客室門關(guān)門狀態(tài)檢測、自動折返(automatic reversal,AR)按鈕、ATO啟動按鈕等[4]。

2.2 改造后的車載ATO子系統(tǒng)

ATO子系統(tǒng)由軌旁ATO設(shè)備和車載ATO設(shè)備組成。本工程中以ATP/ATO為核心的、既兼容軌道電路又支持后期升級CBTC系統(tǒng)的車載系統(tǒng)解決方案中，由于采用一體化設(shè)計思路，原有的地面美標(biāo)應(yīng)答器將逐步被歐標(biāo)應(yīng)答器替換，并在完成全部替換后用于為ATP/ATO系統(tǒng)定位及精確停車[5]。另外，站內(nèi)設(shè)置精確停車應(yīng)答器以滿足ATO更高的列車定位與精確停車要求。地面ATP設(shè)備(除APR)仍使用原5號線地面設(shè)備。車載ATO子系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 車載ATO子系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of the on-board ATO subsystem

相關(guān)設(shè)備信息交互如圖7所示。

圖7 相關(guān)設(shè)備信息交互示意圖Fig.7 Schematic diagram of related equipmentinformation interaction

軌旁ATO子系統(tǒng)中：軌道電路發(fā)碼器通過發(fā)送軌道電路的碼位信息，傳輸相關(guān)的控制命令以及運行限制的碼位信息給車載ATP子系統(tǒng)；車載ATO子系統(tǒng)根據(jù)收到的ATP命令以及運行限制信息，控制列車自動駕駛，并使用歐標(biāo)應(yīng)答器進(jìn)行定位及精確停車。

車載ATO子系統(tǒng)在車頭、尾各設(shè)置一套。單套ATO子系統(tǒng)為雙機(jī)熱備的冗余架構(gòu)，通過與車載ATP子系統(tǒng)共用頭尾通信以及車輛接口設(shè)備實現(xiàn)ATO的相關(guān)功能，確保系統(tǒng)的可靠性與可用性[6]。

冗余ATO子系統(tǒng)是由兩套主機(jī)、電源、輸入輸出系統(tǒng)構(gòu)成且分別獨立工作。兩套系統(tǒng)的電源分別給各系統(tǒng)的輸入、輸出、主機(jī)系統(tǒng)供電，且均具有單獨與ATP通信的能力。單個系統(tǒng)ATO主機(jī)能夠獨立工作并且能夠獲知另一系統(tǒng)ATO主機(jī)的工作狀態(tài)，若出現(xiàn)故障，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠切換，而且每個系統(tǒng)ATO都具備完善的故障檢測手段。主、備兩個系統(tǒng)會同時進(jìn)行輸入開關(guān)量采集，但是只有主系統(tǒng)才會進(jìn)行模擬量、開關(guān)量的操作和開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸出的自檢。

此外，車載ATO與車載ATP會共用一些設(shè)備，例如：雷達(dá)傳感器、速度傳感器、APR板卡、APR接收天線、應(yīng)答器傳輸模塊(balise transmission module,BTM)主機(jī)單元、應(yīng)答器接收天線、MMI單元、頭尾貫通線、各類相關(guān)按鈕及開關(guān)等。其中，主備設(shè)備可以自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時不會影響列車正常運行和司機(jī)正常駕駛。

ATO子系統(tǒng)和ATP子系統(tǒng)通過RS-422接口，基于安全通信協(xié)議進(jìn)行通信。ATO子系統(tǒng)的所有列車控制功能都必須在ATP的防護(hù)下實現(xiàn)。在車載ATP和車載ATO間存在一個雙向接口，用于在運行期間實現(xiàn)ATO與ATP的連續(xù)數(shù)據(jù)交換，保證ATO功能的實現(xiàn)。由于ATO所有的數(shù)據(jù)傳輸都是經(jīng)過 ATP子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的，所以整個系統(tǒng)中ATO子系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的輸入均來自ATP子系統(tǒng)[7-8]。

3 結(jié)論

北京地鐵5號線車載信號系統(tǒng)改造工程于2019年4月開始正式啟動。由于前期作了充分的調(diào)研、論證和準(zhǔn)備工作，該工程僅僅歷時一年，5號線所轄61組列車車載信號設(shè)備全部完成了改造升級。于2020年4月竣工，5月完成全部驗收工作。車載ATP/ATO子系統(tǒng)硬件設(shè)備在整個升級改造過程中，僅需在開始階段進(jìn)行1次，后續(xù)采用升級軟件程序?qū)崿F(xiàn)對基于軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞制式和CBTC制式的兼容，避免了車載設(shè)備的重復(fù)投資，極大地節(jié)約了人力、設(shè)備和管理成本，成功實現(xiàn)了兼容和升級的平穩(wěn)過渡。