城市軌道交通列車車載信號(hào)系統(tǒng)改造施工方案研究

趙 麗

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司， 200233， 上海∥工程師)

在城市軌道交通中，車載信號(hào)系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)列車日常運(yùn)行的安全防護(hù)及在線自動(dòng)化運(yùn)行。部分城市軌道交通的既有線路因運(yùn)營年限較長，其信號(hào)系統(tǒng)已無法滿足線路運(yùn)力需求，故對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)的改造被提上了日程。由于既有線路車載信號(hào)系統(tǒng)改造的對(duì)象為日間運(yùn)營的列車，所以其改造方案不能簡單地定義為車載功能落地，還應(yīng)可能減少改造施工對(duì)列車運(yùn)營的影響，并盡量縮短整體施工的周期。本文結(jié)合城市軌道交通既有線車載信號(hào)實(shí)際改造項(xiàng)目的特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)改造給出一套具有通用性的解決方案。

1 車載信號(hào)系統(tǒng)改造施工方案

1.1 改造施工前的準(zhǔn)備

1.1.1 施工準(zhǔn)備內(nèi)容

1) 了解改造前后方案的差異。明確既有車載信號(hào)系統(tǒng)(以下簡稱“既有系統(tǒng)”)和改造后車載信號(hào)系統(tǒng)(以下簡稱“新系統(tǒng)”)的不同點(diǎn)，主要包括功能實(shí)現(xiàn)、列車性能需求及接口變更等。

2) 施工前需準(zhǔn)備的材料。施工前需準(zhǔn)備的材料主要包括既有系統(tǒng)的功能說明文件、電氣圖紙、機(jī)械圖紙及相關(guān)參數(shù)等。

3) 確定整體改造施工周期。

4) 明確施工改造可接受的影響面。

1.1.2 車載信號(hào)系統(tǒng)改造的總體需求

既有系統(tǒng)改造的總體需求主要分為兩類：

1) 車載信號(hào)系統(tǒng)平替：即既有系統(tǒng)的功能、性能、接口等不做修改，僅對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)本身進(jìn)行更換。

2) 車載信號(hào)系統(tǒng)整體迭代：即針對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行整體升級(jí)。對(duì)比既有系統(tǒng)，新系統(tǒng)的整體迭代可實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)營功能及性能上的提升，故其升級(jí)過程對(duì)功能、性能、接口等均會(huì)產(chǎn)生影響。

1.2 改造施工的具體內(nèi)容

既有系統(tǒng)改造施工主要包含機(jī)械接口、電氣接口兩個(gè)部分。由于信號(hào)系統(tǒng)的大修周期較長，在制定改造施工內(nèi)容時(shí)應(yīng)充分考慮改造期間系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。既有系統(tǒng)和新系統(tǒng)(以下簡稱“雙系統(tǒng)”)在改造期間共存，是解決此問題行之有效的措施。

1.2.1 機(jī)械安裝部分

車載信號(hào)系統(tǒng)需要安裝的機(jī)械設(shè)備主要包括信號(hào)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、顯示器設(shè)備、速度檢測(cè)設(shè)備、信標(biāo)天線及倒接繼電器等。

基于雙系統(tǒng)共存的需求，留給新系統(tǒng)的安裝空間很有限，應(yīng)根據(jù)可用空間的差異采用分布式安裝方式或集中式安裝方式。

1.2.1.1 分布式安裝

分布式安裝指將設(shè)備分散安裝在列車上。考慮到車輛主控制電路及相關(guān)繼電器的位置，車內(nèi)設(shè)備應(yīng)遵循“就近安裝”原則，在空間允許時(shí)應(yīng)將信號(hào)主機(jī)設(shè)備安裝在兩端的頭車/尾車內(nèi)，如圖1所示。

在車內(nèi)安裝設(shè)備時(shí)，常遇到信號(hào)屏柜大部分空間被既有系統(tǒng)占用的情況，此時(shí)需對(duì)信號(hào)屏柜的空間布局進(jìn)行整合，或在車內(nèi)尋找其他可滿足信號(hào)設(shè)備安裝需求的屏柜空間。若屏柜空間無法滿足雙系統(tǒng)的安裝要求，還可以考慮在客室座椅下或車下懸掛的車載低壓柜內(nèi)進(jìn)行安裝。但上述安裝空間的調(diào)整必須充分考慮設(shè)備安裝約束及電磁兼容性等方面的要求，同時(shí)需考慮后續(xù)運(yùn)營維護(hù)的需求?；谲噧?nèi)設(shè)備與外掛設(shè)備間的跨接電纜長度限制，分布式安裝的車下設(shè)備需要結(jié)合車內(nèi)設(shè)備的具體位置進(jìn)行布局，此時(shí)也需遵循就近安裝原則。若選定的安裝位置周圍存在既有信號(hào)設(shè)備的外掛設(shè)備，則需要同時(shí)充分考慮雙系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備間的相互干涉問題(本文的“干涉”不僅指體現(xiàn)設(shè)備的安裝空間及需求上，還體現(xiàn)在新舊兩套信號(hào)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)不會(huì)相互干擾)。

1.2.1.2 集中式安裝

如圖2所示，集中式安裝的目的是盡可能地將所有改造設(shè)備集中設(shè)置，以便于新系統(tǒng)的設(shè)置及控制電路的集中管理。

采用集中式安裝時(shí)，需將列車中部車廂某個(gè)機(jī)柜清空，然后將所有新增信號(hào)設(shè)備及控制元件集中安裝在該屏柜內(nèi)。選擇新系統(tǒng)設(shè)備的屏柜時(shí)，其位置應(yīng)盡可能靠近控制低壓柜，以便于后續(xù)倒接電路的接入。此外，其位置最好與既有設(shè)備的安裝位置錯(cuò)開，避免與既有設(shè)備間互為影響，并應(yīng)充分考慮與車輛外掛設(shè)備間的干擾。例如，車載信標(biāo)天線通過激勵(lì)軌旁信標(biāo)方式獲取列車的定位信息及信標(biāo)編碼信息，若外部設(shè)備侵入定義的無金屬區(qū)域，則可能導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)幅值被削弱，進(jìn)而導(dǎo)致無法讀取信標(biāo)的情況發(fā)生。因此，在車載設(shè)備安裝時(shí)要充分考慮EMC(電磁兼容性)相關(guān)的防護(hù)措施。

1.2.2 電氣控制電路

改造電氣控制電路的前提是不能對(duì)既有的電氣控制電路產(chǎn)生影響，且能在兼顧倒接需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的功能。中間繼電器過渡方案可以非常便捷、清晰地實(shí)現(xiàn)以上需求，所接入的中間繼電器的控制接點(diǎn)也可以根據(jù)改造需求進(jìn)行擴(kuò)展。此外，該方案還應(yīng)實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)輸出的狀態(tài)采集及對(duì)新系統(tǒng)輸出的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

控制電路的切換主要包括熱切換和冷切換兩種方式。

1.2.2.1 熱切換方式

圖3為倒接的熱切換方式，即在既有系統(tǒng)和新系統(tǒng)的倒接過程中，兩套系統(tǒng)同時(shí)工作，通過倒接開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)對(duì)外部電路控制權(quán)的切換。兩套設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，可以減少電路控制器切換的時(shí)間，也可以對(duì)兩套設(shè)備的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在進(jìn)行熱切換改造方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮這兩套系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)的相互影響，在后續(xù)測(cè)試中也需要對(duì)于設(shè)計(jì)方案的安全性作進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 既有系統(tǒng)和新系統(tǒng)倒接的熱切換方式

1.2.2.2 冷切換方式

圖4為倒接的冷切換方式，即車載信號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)會(huì)選擇一個(gè)主用系統(tǒng)(另一個(gè)系統(tǒng)為備用系統(tǒng))，僅主用系統(tǒng)帶電工作，備用系統(tǒng)不帶電。冷切換方式可以最大程度地降低兩套設(shè)備間的相互影響，簡化改造方案在執(zhí)行及測(cè)試上的難度。但是，采用該方式時(shí)控制電路的切換時(shí)間會(huì)有所增加，且無法對(duì)備用系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)跟蹤。

圖4 既有系統(tǒng)和新系統(tǒng)倒接的冷切換方式

1.3 改造施工的工序設(shè)計(jì)

在車載信號(hào)系統(tǒng)改造過程中，需要對(duì)大修列車進(jìn)行車載設(shè)備及控制電路相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行安裝，此時(shí)列車不能上線運(yùn)營。

1.3.1 車載設(shè)備安裝

在車內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝時(shí)，需先確認(rèn)屏柜內(nèi)環(huán)境，主要包括：① 柜內(nèi)僅包含符合EN 50343：2003《鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛布線規(guī)則》定義的B類和C類電纜；② 所有設(shè)備均應(yīng)滿足EN50 121：2008《鐵路應(yīng)用電磁兼容性》的第3-2部分對(duì)EMC的規(guī)定；③ CC(車載控制器)機(jī)柜只可以單點(diǎn)接地，且列車接地點(diǎn)為機(jī)械地。在滿足車內(nèi)安裝環(huán)境后，應(yīng)根據(jù)圖紙對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝并緊固。安裝過程中需要重點(diǎn)關(guān)注預(yù)留布線及維護(hù)空間的實(shí)際執(zhí)行情況。

在對(duì)車下設(shè)備進(jìn)行安裝時(shí)，同樣需要先確認(rèn)其安裝環(huán)境，即確認(rèn)設(shè)備周圍的無金屬區(qū)域及無障礙區(qū)域滿足需求，然后再進(jìn)行設(shè)備安裝。在安裝車下設(shè)備的同時(shí)，需考慮主機(jī)與外掛設(shè)備間的走線路徑。相關(guān)走線路徑應(yīng)滿足EN 50343：2003中定義的電纜間隔要求，以及后續(xù)敷設(shè)電纜所需的折彎半徑要求。

1.3.2 電氣安裝

電氣安裝主要包括車內(nèi)繼電器及控制電纜的安裝。因車載信號(hào)改造項(xiàng)目中定義了倒接開關(guān)，在不影響既有電路的基礎(chǔ)上，應(yīng)先完成主機(jī)至倒接開關(guān)處控制電路的敷設(shè)，且同步完成相關(guān)倒接繼電器的安裝及各設(shè)備的電源電纜線的敷設(shè)。在確認(rèn)倒接開關(guān)至設(shè)備主機(jī)控制電纜線序安裝無誤后，還需確認(rèn)與既有電路電纜線序安裝的正確性。

1.3.3 測(cè)試驗(yàn)證

如表1所示，測(cè)試驗(yàn)證主要包括靜態(tài)驗(yàn)證、安裝檢查、動(dòng)態(tài)驗(yàn)證及集成驗(yàn)證等方面。

1) 靜態(tài)驗(yàn)證及安裝檢查：這兩部分的驗(yàn)證及檢查在列車靜態(tài)下完成，主要核對(duì)設(shè)備的機(jī)械接口是否滿足安裝約束，靜態(tài)測(cè)試還需校驗(yàn)車載電路是否滿足功能需求。對(duì)于車載信號(hào)系統(tǒng)的改造項(xiàng)目而言，其靜態(tài)測(cè)試還應(yīng)驗(yàn)證倒接前后電路功能的執(zhí)行情況，以確認(rèn)二者間是否互相影響。

2) 動(dòng)態(tài)測(cè)試：主要驗(yàn)證列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功能?？紤]到車載信號(hào)改造項(xiàng)目需確保列車在營業(yè)時(shí)間上線運(yùn)行，故動(dòng)態(tài)測(cè)試首先需要確保既有系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功能驗(yàn)證。在確認(rèn)既有系統(tǒng)功能正常的情況下，再驗(yàn)證新系統(tǒng)在列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)車載控制器和車載電路的聯(lián)動(dòng)控制功能。

3) 集成驗(yàn)證：驗(yàn)證改造后的新系統(tǒng)各類指標(biāo)是否滿足改造預(yù)期，同時(shí)驗(yàn)證是否已實(shí)現(xiàn)對(duì)新系統(tǒng)接口、性能的全覆蓋。

表1 車載信號(hào)系統(tǒng)改造施工的工序流程

2 車載信號(hào)系統(tǒng)改造施工方案驗(yàn)證實(shí)例

對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)的改造施工方案進(jìn)行驗(yàn)證，其主要目的是驗(yàn)證改造前后系統(tǒng)的差異性，以及新系統(tǒng)是否滿足改造預(yù)期目標(biāo)。因既有列車在營業(yè)時(shí)間需要承擔(dān)運(yùn)營任務(wù)，故需要對(duì)驗(yàn)證活動(dòng)進(jìn)行拆分，穿插進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證和集成驗(yàn)證(即在動(dòng)態(tài)驗(yàn)證新系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上穿插進(jìn)行新系統(tǒng)的集成測(cè)試)。這樣既提升了驗(yàn)證效率，還擴(kuò)大了驗(yàn)證的范圍，除了驗(yàn)證車載信號(hào)系統(tǒng)的改造功能外，還同步驗(yàn)證了軌旁的功能。

上文所述的改造方案，在上海軌道交通既有線路的車載信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目中得到了應(yīng)用：

1) 車載信號(hào)系統(tǒng)的平替方案：其在上海軌道交通1號(hào)線的信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目中被采用；改造方案不得影響既有的車輛接口及機(jī)械接口，因此，在該改造項(xiàng)目的施工過程中，主要聚焦車載信號(hào)系統(tǒng)的工程進(jìn)度，確?？刂齐娐返男薷谋M可能與既有機(jī)械接口適配。通過利用列車周期性檢修時(shí)機(jī)(以不影響列車運(yùn)行為前提)，實(shí)現(xiàn)了該線車載信號(hào)系統(tǒng)的功能平替。

2) 整體迭代兼容性改造方案：其在上海軌道交通2號(hào)線的信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目中被采用；該線的信號(hào)改造采用了TBTC(基于軌道電路的列車控制)+CBTC(基于通信的列車控制)兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)。在獲得獨(dú)立第三方安全證書后，該線首列車的車載信號(hào)系統(tǒng)改造已于2019年完成；截至2022年7月，該線已順利完成49列新購列車的安裝調(diào)試并投入正線運(yùn)營，51列既有信號(hào)制式列車的改造任務(wù)正在按計(jì)劃逐步實(shí)施。

3 結(jié)語

本文對(duì)既有列車車載信號(hào)系統(tǒng)施工改造的技術(shù)要求、施工內(nèi)容、施工工序及最終驗(yàn)證整個(gè)流程進(jìn)行闡述。為了不影響既有線路的正常運(yùn)營，車載信號(hào)系統(tǒng)的改造必須平穩(wěn)過渡，為此，本文給出了適用于既有線路車載信號(hào)系統(tǒng)施工改造的通用性實(shí)施方案，對(duì)改造過程中的信號(hào)設(shè)備安裝、電氣安裝及倒接方式等提出建議，以期為后續(xù)車載信號(hào)系統(tǒng)的改造項(xiàng)目提供參考與借鑒。