深圳地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造方案選擇

葛蘭新

（深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

深圳地鐵3號(hào)線一期于2010年12月開通運(yùn)營(yíng)，經(jīng)二、三期延長(zhǎng)后線路全長(zhǎng)43 km；目前已啟動(dòng)四期建設(shè)并將于2025年開通，屆時(shí)達(dá)到52 km。三期設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)線路遠(yuǎn)期最大客流斷面每小時(shí)4.1萬(wàn)人次，高峰小時(shí)列車對(duì)數(shù)達(dá)到33對(duì)/小時(shí)；但據(jù)運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，其高峰斷面客流量達(dá)到每小時(shí)4.5萬(wàn)人次。

1 3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)狀況

深圳地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用的是國(guó)外廠商 的 CITYFLO 650系 統(tǒng)。CITYFLO 650系 統(tǒng)是在20世紀(jì)90年代開發(fā)，于2003年實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營(yíng)的基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control，CBTC），其架構(gòu)可采用集成聯(lián)鎖模塊，也可采用獨(dú)立的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備。

3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商的典型CBTC系統(tǒng)架構(gòu)一樣遵循IEEE1474.1-2004標(biāo)準(zhǔn)，由獨(dú)立的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（Computer Interlocking，CI）、區(qū)域控制器（Zone Controller，ZC）、列車自動(dòng)監(jiān)控（Automatic Train Supervision，ATS）、車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）等子系統(tǒng)/設(shè)備組成。

對(duì)3號(hào)線于2010年開通運(yùn)營(yíng)后信號(hào)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)，從2018年開始故障數(shù)量呈上升趨勢(shì)；并且國(guó)外廠商于2014年對(duì)CityFlo650系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)，原開發(fā)平臺(tái)采用的核心設(shè)備硬件停產(chǎn)且尚無(wú)替代產(chǎn)品，新開發(fā)平臺(tái)產(chǎn)品無(wú)法直接兼容原有硬件，需要國(guó)外廠商進(jìn)行系統(tǒng)整體升級(jí)和配置才可使用；在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，出現(xiàn)的大部分系統(tǒng)問(wèn)題只能由國(guó)外廠商進(jìn)行分析和解決，正常的維修、維護(hù)受到極大限制。

受到在信號(hào)系統(tǒng)終點(diǎn)站折返能力的制約，3號(hào)線目前按照2 min15 s間隔組織行車，無(wú)法滿足客流需求。通過(guò)對(duì)終點(diǎn)站上行接車進(jìn)路、站后折入折出進(jìn)路及下行發(fā)車進(jìn)路等各時(shí)間段的測(cè)試、比較后，發(fā)現(xiàn)折返能力主要受折入折出進(jìn)路間隔較長(zhǎng)的影響。其系統(tǒng)折返進(jìn)路采用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)路，廠商出于安全考慮，上行站臺(tái)排列至折返軌T1的折入進(jìn)路，聯(lián)鎖須檢查道岔P2處于定位，前車從折返線T1向下行站臺(tái)運(yùn)行，須出清道岔區(qū)段T3，道岔P2轉(zhuǎn)動(dòng)至定位，方可排列向折返軌T1進(jìn)路，如圖1所示；而通常其他廠商系統(tǒng)在前車出清道岔區(qū)段T2后，就可排列折入進(jìn)路[1]，只在這點(diǎn)上折返能力就會(huì)比3號(hào)線既有信號(hào)系統(tǒng)有優(yōu)勢(shì)。

為提升線路行車能力，解決運(yùn)營(yíng)維護(hù)難點(diǎn)，故結(jié)合3號(hào)線四期工程建設(shè)對(duì)既有信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。

2 系統(tǒng)改造方案需考慮因素

目前國(guó)內(nèi)新建和舊線改造信號(hào)系統(tǒng)采用CBTC系統(tǒng)，CBTC模式為系統(tǒng)正常運(yùn)行方式，聯(lián)鎖控制級(jí)別為降級(jí)模式；聯(lián)鎖控制級(jí)別應(yīng)用場(chǎng)景主要發(fā)生在運(yùn)營(yíng)載客列車出現(xiàn)故障，采用限制人工駕駛模式或非限制人工駕駛模式退出運(yùn)營(yíng)情況下，列車運(yùn)行安全由聯(lián)鎖設(shè)備、司機(jī)等共同保證。

國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的部分CBTC系統(tǒng)具有點(diǎn)式后備模式，是當(dāng)時(shí)一方面認(rèn)為無(wú)法一次性全功能開通CBTC系統(tǒng)，點(diǎn)式后備模式在初期運(yùn)營(yíng)過(guò)渡期間應(yīng)用，另一方面認(rèn)為車-地?zé)o線通信技術(shù)不成熟、系統(tǒng)可靠性不高，故要求CBTC系統(tǒng)具備點(diǎn)式后備模式。目前國(guó)內(nèi)廠商的CBTC系統(tǒng)的硬件設(shè)備均采用熱備冗余、三取二、二乘二取二等多重冗余技術(shù)，系統(tǒng)可靠性、可用性等指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)國(guó)內(nèi)大量項(xiàng)目驗(yàn)證，近年國(guó)內(nèi)均能一次性全功能開通 CBTC，不需在初期運(yùn)營(yíng)過(guò)渡期間采用點(diǎn)式降級(jí)模式，且降級(jí)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致安裝、調(diào)式工程量增加，增加項(xiàng)目實(shí)施難度。日常運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，不需要利用點(diǎn)式降級(jí)模式維持載客運(yùn)營(yíng)，點(diǎn)式降級(jí)設(shè)備日常維護(hù)反而耗費(fèi)運(yùn)維人員大量精力。目前點(diǎn)式降級(jí)模式在新建線路上已不再要求。

一般來(lái)講，3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造方案應(yīng)考慮多種因素。

通常改造的設(shè)備房面積有限，作業(yè)只能在停止運(yùn)營(yíng)后進(jìn)行。設(shè)備精簡(jiǎn)對(duì)室內(nèi)外作業(yè)有利，可以降低更新改造對(duì)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少運(yùn)維人員數(shù)量和工作量。

系統(tǒng)應(yīng)能有效提升線路運(yùn)行能力。在3號(hào)線的線路限速、站停時(shí)間等外界條件基本不變的情況下，主要依靠提高系統(tǒng)折返能力。

作為具備高架和地下區(qū)段，且運(yùn)行客流量大的線路，運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜，為提高整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)可用性，應(yīng)保留適用的降級(jí)模式。

結(jié)合深圳新建線路全采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，改造應(yīng)盡可能提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)有人值守下自動(dòng)發(fā)車、自動(dòng)開關(guān)門等部分GoA3功能。

3 系統(tǒng)改造方案的比選

根據(jù)CBTC系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用，目前3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造有幾種方案可供選擇。

3.1 典型CBTC方案

目前國(guó)內(nèi)新線項(xiàng)目采用主流信號(hào)系統(tǒng)屬于典型CBTC系統(tǒng)，配置次級(jí)軌道檢測(cè)設(shè)備（多采用計(jì)軸設(shè)備）。為提高安裝調(diào)試效率，減少設(shè)備房面積，目前CI已多采用全電子聯(lián)鎖，目標(biāo)控制單元（Object Controller，OC）是全電子執(zhí)行單元。

信號(hào)系統(tǒng)核心就是對(duì)資源的管理和分配，并圍繞移動(dòng)授權(quán)展開。在典型CBTC系統(tǒng)中，CI負(fù)責(zé)管理和分配線路資源(如計(jì)軸區(qū)段、信號(hào)機(jī)和道岔等)，并將資源狀態(tài)信息發(fā)送至 ZC； ZC根據(jù)列車位置信息和CI 發(fā)送的線路資源狀態(tài)信息為列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給VOBC；ZC將來(lái)自VOBC的列車位置信息和來(lái)自CI的計(jì)軸區(qū)段占用信息進(jìn)行綜合處理，以確定列車的位置關(guān)系，并反饋給CI[2]，如圖2所示。ZC和CI互相配合完成的功能包括開放/關(guān)閉信號(hào)機(jī)、解鎖保護(hù)區(qū)段及CI采集列車包絡(luò)占用區(qū)段延時(shí)檢測(cè)。

典型CBTC系統(tǒng)對(duì)線路資源的管理是由CI以進(jìn)路的方式進(jìn)行統(tǒng)一分配、鎖定和釋放，邏輯簡(jiǎn)單。正線區(qū)間的“區(qū)段”能夠被多車受ZC共同管理的方式拆分并利用，區(qū)間追蹤間隔可達(dá)到90 s；但在岔區(qū)以聯(lián)鎖方式獨(dú)占岔區(qū)資源，資源利用效率相對(duì)較低；雖然可以按照《城市軌道列車運(yùn)營(yíng)速度限制及匹配技術(shù)規(guī)范》（T/CAMET04015-2019）提高道岔通過(guò)速度及其他特殊措施提高折返能力，折返能力最終能否達(dá)到33對(duì)/小時(shí)還需驗(yàn)證。

如深圳地鐵3號(hào)線采用典型CBTC系統(tǒng)改造，優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)都較為明顯。

優(yōu)勢(shì)：典型CBTC系統(tǒng)為當(dāng)前建設(shè)項(xiàng)目的主流方案，技術(shù)成熟穩(wěn)定，具有成熟的聯(lián)鎖降級(jí)模式，降級(jí)條件下的安全性和可用性有保障，有較多的運(yùn)營(yíng)線改造案例。

劣勢(shì)：室內(nèi)設(shè)備及軌旁設(shè)備較多，調(diào)試工作量大；其系統(tǒng)能力相對(duì)既有系統(tǒng)提升有限。

3.2 軌旁控制一體化的CBTC系統(tǒng)方案

為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，降低硬件復(fù)雜度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，減少設(shè)備接口，提升系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性，部分國(guó)內(nèi)信號(hào)廠商開始研發(fā)軌旁控制一體化架構(gòu)的CBTC系統(tǒng)。軌旁一體化設(shè)備集成了典型CBTC系統(tǒng)中CI、ZC的功能，如圖3所示。采用軌旁控制一體化的CBTC系統(tǒng)有通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司NGTC1.0系統(tǒng)、上海電氣泰雷茲TSTCBTC?2.0 系統(tǒng)等。

CI與ZC一體化后，區(qū)段狀態(tài)、列車位置信息可在一體化設(shè)備中同時(shí)接收處理，減少了典型CBTC系統(tǒng)中CI與ZC互發(fā)信息的通信延時(shí)時(shí)間，雙方向延時(shí)至少縮短 3 s[3]，明顯提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性。一體化CBTC系統(tǒng)可對(duì)道岔區(qū)域進(jìn)行資源精細(xì)化控制，將道岔區(qū)段優(yōu)化細(xì)分為岔前區(qū)域、可動(dòng)區(qū)域、側(cè)防區(qū)域[4]，列車出清道岔可動(dòng)區(qū)域后就可以轉(zhuǎn)動(dòng)道岔，而不需出清整個(gè)道岔計(jì)軸區(qū)段，前車出清側(cè)防區(qū)域后，后車可以占用側(cè)防區(qū)域。通過(guò)道岔按單動(dòng)處理、道岔區(qū)段進(jìn)路的快速解鎖，按照列車位置解鎖進(jìn)路，實(shí)現(xiàn)道岔資源的快速釋放，如圖4所示，折返能力突破了典型CBTC系統(tǒng)中聯(lián)鎖對(duì)系統(tǒng)性能的限制；近期TSTCBTC ? 2.0系統(tǒng)在上海5號(hào)線實(shí)測(cè)的單邊折返追蹤間隔達(dá)到86 s。

TSTCBTC ? 2.0系統(tǒng)基于線路資源預(yù)留的移動(dòng)閉塞原則，采用以列車為中心的進(jìn)路辦理方式，進(jìn)路與列車關(guān)聯(lián)，列車的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算建立在預(yù)留的資源范圍內(nèi)[5]。得益于資源預(yù)留，其系統(tǒng)性能已達(dá)到最優(yōu)值。由于系統(tǒng)的線路資源不附帶方向?qū)傩?，系統(tǒng)可以支持線路中任意位置的列車排列雙方向的進(jìn)路。

采用一體化方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)如下。

優(yōu)勢(shì)：一體化CBTC系統(tǒng)簡(jiǎn)化ZC與CI的接口，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，計(jì)算授權(quán)延時(shí)短，線路運(yùn)行能力可得到大幅度的提高，且能夠保留聯(lián)鎖控制的降級(jí)模式。

劣勢(shì)：CI與ZC的集成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，設(shè)備減少有限。另外，聯(lián)鎖功能測(cè)試、一致性測(cè)試需要在每個(gè)控制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，改造調(diào)試、運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量減少有限。

3.3 列車自主運(yùn)行系統(tǒng)方案

列 車 自 主 運(yùn) 行 系 統(tǒng)（Train Autonomous Circumambulate System，TACS）是目前信號(hào)系統(tǒng)中技術(shù)較為先進(jìn)的系統(tǒng)制式，但還沒(méi)脫離CBTC系統(tǒng)定義的范疇，強(qiáng)調(diào)以“列車自主”為核心理念，縮短控制環(huán)節(jié)，車與車直接信息交互，系統(tǒng)架構(gòu)只保留ATS、OC、應(yīng)答器等設(shè)備，取消CI、ZC等正線室內(nèi)設(shè)備，如圖5所示。

該系統(tǒng)相對(duì)于典型CBTC系統(tǒng)有兩處主要變動(dòng)。

1）改變系統(tǒng)功能分配，升級(jí)VOBC功能；精簡(jiǎn)正線室內(nèi)設(shè)備，原有ZC和聯(lián)鎖邏輯功能由VOBC實(shí)現(xiàn)，軌旁基礎(chǔ)設(shè)備控制由OC完成，OC負(fù)責(zé)為使用的列車進(jìn)行資源登記和解除登記。VOBC接收來(lái)自ATS的運(yùn)行任務(wù)計(jì)劃，自主根據(jù)行車計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)路的選擇，并分解為資源向OC申請(qǐng)。

2）列車通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）與其他列車進(jìn)行直接通信，交互獲取周圍列車的位置和狀態(tài)信息，用于對(duì)前后列車位置進(jìn)行追蹤，自行計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，增強(qiáng)列車間隔防護(hù)的實(shí)時(shí)性。

車載VOBC基于ATS下發(fā)的運(yùn)行計(jì)劃，自主計(jì)算對(duì)線路資源的需求，向OC進(jìn)行資源申請(qǐng)，獲得分配使用后，快速釋放資源，在資源管理的全過(guò)程中控車信息流采用單一路徑。TACS系統(tǒng)對(duì)線路資源（區(qū)段、道岔、站臺(tái)）采用精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)快速釋放，相較典型CBTC系統(tǒng)能夠縮短20%～30%折返間隔[6]。

TACS系統(tǒng)是個(gè)輕量化、高效能系統(tǒng)，不需要配置次級(jí)軌道檢測(cè)設(shè)備，但這將導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)非通信列車在線路中的運(yùn)行位置。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)非通信列車的授權(quán)和安全防護(hù)是系統(tǒng)方案考慮的重點(diǎn)。

部分廠家采用智能感知技術(shù)，為列車增加攝像頭、激光雷達(dá)等實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的確認(rèn)與檢測(cè)；或者采用基于射頻識(shí)別技術(shù)，增加軌旁電子標(biāo)簽讀取器和列車電子標(biāo)簽用以判定列車位置[7]，保障非通信列車在線路的行車安全。

采用TACS系統(tǒng)改造的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)如下。

優(yōu)勢(shì)：采用TACS系統(tǒng)對(duì)線路運(yùn)行能力提升大，折返間隔低于90 s，易實(shí)現(xiàn)3號(hào)線對(duì)33對(duì)/小時(shí)的運(yùn)行能力需求；系統(tǒng)硬件設(shè)備量少，有利于設(shè)備的升級(jí)維護(hù)。室內(nèi)設(shè)備精簡(jiǎn)，核心設(shè)備高度集成；臨時(shí)拆裝與調(diào)試工作量也大幅度下降。

劣勢(shì)：目前尚無(wú)采用TACS系統(tǒng)的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)案例；TACS系統(tǒng)列車控制理論與傳統(tǒng)的信號(hào)控制理論有很大不同，采用智能感知和射頻識(shí)別的降級(jí)方案與既有運(yùn)營(yíng)降級(jí)模式差別較大[8]，運(yùn)營(yíng)單位接受難度較大。

4 結(jié)語(yǔ)

TACS系統(tǒng)和一體化CBTC系統(tǒng)相比，典型CBTC系統(tǒng)在技術(shù)上具有先進(jìn)性，在性能、建設(shè)維護(hù)成本等方面具有優(yōu)勢(shì)，符合城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展方向，具備更廣泛的應(yīng)用前景；對(duì)于深圳3號(hào)線以及其他運(yùn)營(yíng)線路的信號(hào)更新改造，還需多結(jié)合既有運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景及需求，綜合比選才能選擇出適合的信號(hào)系統(tǒng)改造方案。