城市軌道交通信號系統(tǒng)分段式改造方案

李 潔，辛 鑫

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司，北京 100044）

截至2022年底，國內(nèi)（大陸地區(qū)）共有55個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路308條，運(yùn)營線路總長度10 287.45 km。城市軌道交通已經(jīng)成為國內(nèi)大中型城市緩解城市擁堵、滿足市民出行需求的重要手段。信號系統(tǒng)是城市軌道交通的“大腦和中樞神經(jīng)”，基于通信的列車控制（Communication-Based Train Control，CBTC）是信號系統(tǒng)的主流制式。自2008年北京地鐵10號線首次采用CBTC技術(shù)并成功開通運(yùn)營，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，CBTC技術(shù)在國內(nèi)各個(gè)城市得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理辦法》，信號系統(tǒng)的整體使用壽命一般不超過20年。目前，北京、上海等地的部分CBTC系統(tǒng)已逐步接近15年使用期限，為確保其在20年的服役年限截止前完成改造，應(yīng)盡快開展城市軌道交通信號系統(tǒng)的改造工作。

既有的信號系統(tǒng)改造方案存在時(shí)間長、成本高、施工難度大的問題。伴隨著信號系統(tǒng)的發(fā)展，新的信號制式陸續(xù)出現(xiàn)，亟需提出一種能夠提升效率新的信號改造方案。

本文對信號系統(tǒng)的既有改造方案和模式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)合信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種分段式改造方案，能夠有效提高信號系統(tǒng)改造的效率，降低成本。

1 信號系統(tǒng)改造方案研究現(xiàn)狀

信號系統(tǒng)的升級改造要遵循不影響運(yùn)營、成本可控、高效可靠的基本原則。目前，國內(nèi)部分線路已經(jīng)完成信號系統(tǒng)的改造，主要有以下兩種方式。

1）主/備冗余式

以CBTC系統(tǒng)為主用模式，另一制式信號系統(tǒng)為備用模式。當(dāng)CBTC系統(tǒng)故障時(shí)，備用模式啟動。主用系統(tǒng)和備用系統(tǒng)采用不同的模式，從而降低共因失效的概率，提升信號系統(tǒng)的可靠性和可用性。上海地鐵2號線以既有基于軌道電路的列車控制（Track Circuit-Based Train Control，TBTC）系統(tǒng)為備用模式，以新建CBTC系統(tǒng)為主用模式。正常情況下 CBTC模式為主用模式，當(dāng)CBTC設(shè)備發(fā)生故障時(shí)切換到TBTC模式運(yùn)行。

主/備冗余式改造方案對運(yùn)營秩序的影響較小，既有設(shè)備利用率高，且能夠分階段改造。但改造后設(shè)備數(shù)量大大增加，提高了維護(hù)難度和維護(hù)成本。

2）一次性整體切換式

在既有信號系統(tǒng)運(yùn)營期間新建一套完全獨(dú)立的信號系統(tǒng)，新信號系統(tǒng)在安裝、調(diào)試過程中均不能影響既有系統(tǒng)的正常工作，待新系統(tǒng)全部調(diào)試完成后一次性開通運(yùn)營，最后拆除既有信號系統(tǒng)。北京地鐵1/2號線、八通線以及天津地鐵1號線均是在TBTC系統(tǒng)運(yùn)營期間，新建CBTC系統(tǒng)并在建設(shè)完成后整體替代原系統(tǒng)。

一次性整體切換式能夠解決既有信號廠家設(shè)備老化、支持力度不足、備品備件停產(chǎn)等問題。由于地面設(shè)備較多施工復(fù)雜，且只能利用夜間3～4 h的天窗點(diǎn)進(jìn)行施工，時(shí)間極其有限，車載和地面設(shè)備無法獨(dú)立使用等原因，該方案實(shí)施難度大，總體工期長。同時(shí)，一次性整體切換式改造對既有設(shè)備的利用率低，難以達(dá)到降本增效的目標(biāo)。

由于CBTC技術(shù)成熟、安全高效且性能穩(wěn)定，目前國內(nèi)的信號系統(tǒng)改造大多采用“整體改造，一次倒切”的方式新建一套CBTC系統(tǒng)整體替代既有系統(tǒng)。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)軌旁設(shè)備多，實(shí)施難度大，見效慢，如北京地鐵2號線整體改造用了3年時(shí)間，極大提升了改造成本。隨著各大中城市的城軌信號系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)入改造階段，加之信號系統(tǒng)技術(shù)也進(jìn)入了新時(shí)代，亟需尋求一種施工難度小、見效快、成本低且性能優(yōu)的信號系統(tǒng)改造方式，以提升社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 列車自主運(yùn)行系統(tǒng)

列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（Train Autonomous Control System，TACS）伴隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，已成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展方向。TACS能夠通過車-車通信和自主感知實(shí)現(xiàn)列車自主安全運(yùn)行，具有結(jié)構(gòu)扁平化、軌旁設(shè)備數(shù)量少和運(yùn)行效率高等特征，與傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)行原理有較大區(qū)別。

TACS核心功能從地面轉(zhuǎn)移到車載，地面設(shè)備相對較少。車載設(shè)備自主計(jì)算列車移動授權(quán)，室內(nèi)設(shè)備不再配置區(qū)域控制器（ZC）和聯(lián)鎖設(shè)備，而是配置資源管理器（RC），真正實(shí)現(xiàn)以列車為主體配置資源。如圖1所示，TACS主要由列車車載設(shè)備、RC、中心ATS等設(shè)備組成。中心列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS向車載下發(fā)行車計(jì)劃；車載根據(jù)行車計(jì)劃和前車位置等信息向RC申請線路資源，并自主計(jì)算移動授權(quán)，實(shí)現(xiàn)列車自主運(yùn)行，當(dāng)列車行駛過后向RC釋放線路資源；RC負(fù)責(zé)登記列車信息并管理線路資源。車載設(shè)備包含自主感知設(shè)備和信號設(shè)備，其中，自主感知設(shè)備通過相機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)列車測速定位、識別信號機(jī)狀態(tài)、識別障礙物類型（如車輛、人、紙箱等）及計(jì)算可視距離等功能，為列車兼容不同的地面信號系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

圖1 TACS架構(gòu)示意Fig.1 Typical architecture of TACS

基于自主感知和車-車通信的TACS即Autonomous Perception Based， TACS，簡稱A-TACS。當(dāng)列車降級后，A-TACS車載設(shè)備能夠通過自主感知技術(shù)識別信號機(jī)狀態(tài)，控制列車按照進(jìn)路自主運(yùn)行。與CBTC系統(tǒng)相比，A-TACS改變降級模式的信息獲取方式，使列車在降級模式下與地面信號系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度大大降低。根據(jù)這一特征，A-TACS替代CBTC時(shí)，可改變一次性整體切換模式所面臨的問題，分段式改造則成為可能。

3 信號系統(tǒng)分段式改造方案

本文提出一種A-TACS替換CBTC的分段式改造方案，分為車載設(shè)備改造和地面設(shè)備改造兩個(gè)階段。待改造線路由于服役時(shí)間長、設(shè)備老化導(dǎo)致的故障時(shí)有發(fā)生，尤其車載設(shè)備故障頻發(fā)，采用車載設(shè)備先行改造的方式，完成改造的列車即可使用新設(shè)備上線運(yùn)營。隨著裝載新設(shè)備的列車上線數(shù)量的增加，逐步降低既有車載設(shè)備故障給運(yùn)營帶來的嚴(yán)重影響，提升信號系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，車輛改造相比于整體改造完成時(shí)間明顯縮短，全部車輛改造完成后將徹底解決車載設(shè)備故障問題，成效顯著，大大提升改造效率，進(jìn)一步有利于提升社會效益。相比于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，A-TACS的地面設(shè)備數(shù)量少、功能簡單，可以減少地面設(shè)備用房限制，縮短地面施工調(diào)試時(shí)間，降低施工成本。考慮到地面改造施工主要占用夜間天窗點(diǎn)開展工作，一般僅有3～4 h，在同等條件下，由于A-TACS地面設(shè)備少于CBTC系統(tǒng)，改造工期將縮短1/3?？梢姡捎肁-TACS分段式改造既能提升改造效率，也能降低改造成本。改造方案如下。

1）車載設(shè)備改造階段

列車加裝A-TACS車載設(shè)備，新車載設(shè)備和既有車載設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，可通過倒切開關(guān)進(jìn)行切換。新車載設(shè)備能兼容既有地面設(shè)備，通過自主感知技術(shù)識別信號機(jī)狀態(tài)，按照進(jìn)路閉塞的降級模式行駛。車載設(shè)備的改造安裝時(shí)間不需要依賴“天窗”，可在場段分批次進(jìn)行。以全線配置50列車為例，場段每月完成改造4～5列車，經(jīng)調(diào)試后分批次上線運(yùn)營，全部列車改造在1年半內(nèi)時(shí)間即可完成。

2）地面設(shè)備改造階段

A-TACS地面設(shè)備改造與車載設(shè)備改造分段進(jìn)行，亦可同時(shí)進(jìn)行分階段完成。RC和既有聯(lián)鎖設(shè)備加裝倒切設(shè)備，夜間調(diào)試切換到改造設(shè)備，白天運(yùn)營恢復(fù)為既有設(shè)備。本階段是對列車自主運(yùn)行系統(tǒng)的全功能驗(yàn)證，完成后拆除既有信號系統(tǒng)設(shè)備，最終完成改造。

相比于傳統(tǒng)的整體改造方案，A-TACS分階段改造方案能夠分期見效，只需列車車載設(shè)備完成改造即可分批次上線運(yùn)營。改造后的列車能夠兼容既有地面信號設(shè)備，在降級模式下自主運(yùn)行。既有地面設(shè)備識別到改造后列車為非通信車，為其排列后備進(jìn)路，此時(shí)車載設(shè)備依靠自主感知技術(shù)識別信號機(jī)狀態(tài)和前方障礙物，并自主計(jì)算移動授權(quán)，確保列車安全運(yùn)行。當(dāng)只有部分列車完成改造時(shí)，線路上同時(shí)存在裝載新設(shè)備的列車和既有設(shè)備的列車，既有設(shè)備列車依然能夠按照CBTC模式運(yùn)行，新設(shè)備列車則按照降級模式運(yùn)行，新舊兩種車載列車混跑運(yùn)行。

由于分段式改造方案在系統(tǒng)全部改造完成前無法建立車-車、車-地?zé)o線通信，所以改造后的列車使用新設(shè)備上線運(yùn)行時(shí)，只能采用降級模式，按照進(jìn)路閉塞行車，因此會加大行車間隔，損失一部分運(yùn)力。當(dāng)運(yùn)營線路本身的行車密度較低時(shí)，改造期間造成的運(yùn)力損失相對較??；反之，則相對較大。因此，A-TACS分階段改造方案更適合客流量適中或較小的線路。對于本身客流量較高的線路，亦可使改造后的車載設(shè)備作為既有車載設(shè)備的后備系統(tǒng)，當(dāng)既有車載故障后切換到新車載設(shè)備，使列車能夠繼續(xù)運(yùn)行，避免設(shè)備故障導(dǎo)致列車下線給運(yùn)營帶來的不利影響。

4 分段式改造方案驗(yàn)證

北京地鐵15號線首開段2010年底開通，至今已運(yùn)營10多年，接近改造周期。15號線信號系統(tǒng)正在進(jìn)行分段式改造方案的車載改造驗(yàn)證，試驗(yàn)已于2022年4月開始實(shí)施，預(yù)計(jì)2023年底完成驗(yàn)證。

選取俸伯到石門的三站兩區(qū)間作為分段式改造試驗(yàn)段，以兩列車作為試驗(yàn)車，加裝A-TACS車載設(shè)備。15號線的最小運(yùn)營間隔為3 min 19 s，客運(yùn)能力與客流需求不匹配是當(dāng)前線路的主要問題。為此，在第一階段的A-TACS降級模式改造中，除車載改造以外，還需要在線路增加區(qū)間信號機(jī)，從而縮短進(jìn)路閉塞間隔，達(dá)到降級模式下2 min 30 s的列車運(yùn)行間隔。線路布置如圖2所示，其中區(qū)間信號機(jī)XQ1、XQ2、SQ1和SQ2為新增信號機(jī)。同時(shí)，加裝室內(nèi)設(shè)備RC對新增信號機(jī)進(jìn)行驅(qū)采控制，并通過倒切裝置實(shí)現(xiàn)對既有軌旁設(shè)備的驅(qū)采控制。

圖2 北京15號線試驗(yàn)段線路Fig.2 Layout of test section of Beijing Subway Line 15

4.1 車載設(shè)備改造

如圖3所示，兩列試驗(yàn)列車上加裝自主感知設(shè)備和車載信號設(shè)備。自主感知設(shè)備包括攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和感知主機(jī)；車載信號設(shè)備包括車載ATP、BTM主機(jī)、MMI顯示屏、應(yīng)答器天線和測速設(shè)備等。

圖3 新增車載設(shè)備結(jié)構(gòu)示意Fig.3 New on-board equipment

新增車載信號設(shè)備、既有車載信號設(shè)備對車輛的控車指令輸出保持獨(dú)立，可通過切除開/關(guān)進(jìn)行切換，如圖4所示。運(yùn)營期間新增車載設(shè)備處于斷電切除狀態(tài)，試驗(yàn)調(diào)試期間既有設(shè)備處于斷電切除狀態(tài)，彼此無干擾。新增車載信號設(shè)備同步持續(xù)采集車輛信息，信息采集不會影響既有車載設(shè)備工作，如圖5所示。

圖4 新舊車載設(shè)備對車輛指令輸出示意Fig.4 Command output to the train by the new and old on-board equipment

圖5 新舊車載設(shè)備采集車輛信息示意Fig.5 Information acquisition from the train by the new and old on-board equipment

4.2 地面設(shè)備改造

如前所述，為提升北京地鐵15號線后備模式下的運(yùn)行能力，在試驗(yàn)段加裝信號機(jī)。在俸伯站信號設(shè)備室安裝RC設(shè)備，并設(shè)置倒切柜實(shí)現(xiàn)RC和既有聯(lián)鎖對軌旁信號機(jī)、道岔的控制切換。另外還安裝了ATS設(shè)備、DCS設(shè)備、電源屏等。室內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖6所示。對于其他室外設(shè)備，RC同步采集既有繼電器的空余接點(diǎn)，減少配線改動以降低對既有設(shè)備的影響。

圖6 室內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.6 Architecture of indoor equipment

4.3 改造試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

目前北京地鐵15號線的改造試驗(yàn)正在按照上述方案開展進(jìn)行。本試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證分段式改造方案的可行性，確保分段式改造中后備運(yùn)行模式的可用性，為A-TACS的分段式改造的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

A-TACS分段式改造方案采用先改車載設(shè)備，確保新車載設(shè)備改造完成后能夠上線運(yùn)營，后改地面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車-車通信全部功能，最終完成新信號系統(tǒng)整體替代的方式。對比傳統(tǒng)的主/備冗余式和一次性整體切換式改造，不僅精簡了新系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量，降低改造難度，還實(shí)現(xiàn)了分期見效，在第一階段改造后能夠全面提升車載設(shè)備的可靠性，縮短改造見效周期，提高改造效率。但由于整體改造完成前新車載設(shè)備只能在降級模式下按照進(jìn)路行車，可能會加大行車間隔，降低行車效率。本文以北京地鐵15號線改造試驗(yàn)為例，介紹第一階段后備運(yùn)行模式的改造方案，為即將進(jìn)入改造周期的城軌線路提供合理可行的參考依據(jù)。