上海軌道交通既有線CBTC信號系統(tǒng)大修更新改造技術(shù)方案

吳 杰

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司,200235,上?！胃呒壒こ處?

2007年底,上海首條采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的城市軌道交通線路投入運(yùn)營,迄今已連續(xù)運(yùn)行近16年。根據(jù)交通運(yùn)輸部出臺的《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理辦法》中“整體使用壽命一般不超過20年”的規(guī)定,部分早期采用CBTC系統(tǒng)的線路已陸續(xù)進(jìn)入大修更新改造期。因此,評估分析當(dāng)前CBTC系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀,研判梳理當(dāng)前CBTC系統(tǒng)存在的缺陷與不足,結(jié)合當(dāng)前城市軌道交通信號系統(tǒng)發(fā)展的新技術(shù)、新動向,科學(xué)合理地確定CBTC系統(tǒng)大修更新改造的基本方向和需求,制訂科學(xué)的新舊過渡方案以盡可能減少CBTC系統(tǒng)大修更新改造對日間正常運(yùn)營的影響,是CBTC系統(tǒng)大修更新改造籌備謀劃階段的首要任務(wù)。

1 CBTC系統(tǒng)大修更新改造的必要性

CBTC系統(tǒng)設(shè)備包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。CBTC系統(tǒng)根據(jù)地面設(shè)備接收到的所有受控列車的位置報(bào)告,再結(jié)合道岔、信號機(jī)、計(jì)軸區(qū)段等軌旁設(shè)備狀態(tài),向受控列車發(fā)送移動授權(quán)許可,車載信號設(shè)備控制列車在移動授權(quán)許可范圍內(nèi)自動運(yùn)行。因此CBTC系統(tǒng)是一種移動閉塞模式,可實(shí)現(xiàn)小間隔、高密度行車,可極大地提升線路的運(yùn)輸能力和效率。

經(jīng)過十幾年的長期運(yùn)營使用,CBTC系統(tǒng)除因設(shè)備部件自然老化而導(dǎo)致的故障頻發(fā)之外,還暴露出車地?zé)o線通信極易受到外界干擾,折返能力與小間隔、高密度行車無法適配,因自動化程度偏低而導(dǎo)致大量環(huán)節(jié)需依賴人為干預(yù)確認(rèn)等由于前期設(shè)計(jì)考慮不周而產(chǎn)生的問題,這些問題牽制阻礙了線路運(yùn)行質(zhì)量的進(jìn)一步提升,亟需在CBTC系統(tǒng)大修更新改造中予以研究解決[1]。

2 CBTC系統(tǒng)大修更新改造技術(shù)方案

通過CBTC系統(tǒng)大修更新改造的必要性分析可知,CBTC系統(tǒng)大修更新改造技術(shù)方案不應(yīng)僅僅局限于設(shè)施設(shè)備部件的新舊替換,更應(yīng)聚焦因早期CBTC系統(tǒng)的技術(shù)局限而產(chǎn)生的諸多影響線路運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵問題。在CBTC系統(tǒng)大修更新改造過程中,應(yīng)針對此類難點(diǎn)和痛點(diǎn),吸收引進(jìn)一定的新設(shè)備、新技術(shù),通過系統(tǒng)級的“大換血”突破原有的技術(shù)瓶頸,選擇與線路運(yùn)能需求相匹配、服務(wù)水平與設(shè)備狀況相匹配的信號系統(tǒng)新制式,如基于車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)、基于通信的高性能列車運(yùn)行控制系統(tǒng)等,進(jìn)一步提升信號系統(tǒng)的設(shè)備性能,進(jìn)而改善整條線路的運(yùn)行效率[2]。

2.1 提升車地通信質(zhì)量

早期所有采用CBTC系統(tǒng)的新建線路全部基于2.4 GHz公共頻段的WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線通信,實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與地面設(shè)備控制信息的傳輸。隨著當(dāng)前無線終端數(shù)量的爆發(fā)式增長,2.4 GHz公共頻段資源已十分緊張,CBTC系統(tǒng)極易受到干擾。雖然CBTC系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)已采用FHSS(跳頻)技術(shù)、OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)規(guī)避同頻段其他設(shè)備的干擾,但因車地通信數(shù)據(jù)丟失而造成列車迫停的故障仍居高不下,尤其在高架段、地面段等敞開環(huán)境下尤為嚴(yán)重。極端情況下,某些區(qū)域存在的特定強(qiáng)干擾源對2.4 GHz全頻段進(jìn)行了全面壓制,造成進(jìn)入相關(guān)聯(lián)區(qū)段的所有列車的車地通信都受到干擾,導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)全部丟失,對正常運(yùn)營造成極大影響。

為改善車地通信質(zhì)量,結(jié)合1.8 GHz專用通信頻段的LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))技術(shù)在開通新線中的較好應(yīng)用效果,大修更新改造時(shí)應(yīng)考慮對無線通信系統(tǒng)進(jìn)行更新改造,可由LTE-M獨(dú)立承載列控信息;或同步結(jié)合通信系統(tǒng)大修更新改造需求,由LTE-M綜合承載列控信息、視頻監(jiān)控信息、專用無線通信信息及乘客信息系統(tǒng)信息等,以克服外界強(qiáng)干擾源對車地?zé)o線通信的干擾。在此基礎(chǔ)上,同時(shí)保留WLAN通信通道并采用較為先進(jìn)的Wi-Fi6(第六代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)),利用2.4 GHz與5.0 GHz雙頻段進(jìn)行通信,并與LTE-M組成異構(gòu)冗余的無線通信系統(tǒng),進(jìn)一步提升車地?zé)o線通信可靠性[3]。

2.2 提升線路折返能力

既有線路運(yùn)營十多年,長時(shí)間的客流培養(yǎng)疊加線路站點(diǎn)周圍長時(shí)間的人口導(dǎo)入,線路運(yùn)能與客流量的矛盾已經(jīng)十分突出。上海軌道交通6、7、8、9、11號線部分區(qū)段早高峰最小行車間隔均已邁入120 s大關(guān),若客流量在日后繼續(xù)提升,將存在進(jìn)一步壓縮線路的行車間隔的客觀需求。早期建設(shè)的CBTC系統(tǒng)雖具備極限追蹤間隔90 s的能力,但由于折返站渡線道岔多采用雙動邏輯控制、進(jìn)路解鎖判斷依賴于進(jìn)路內(nèi)區(qū)段的占用-出清狀態(tài)、需通過司機(jī)人工操作列車換端等限制,使得單站折返能力較為低下,這成為運(yùn)能進(jìn)一步提升的最大瓶頸。既有采用CBTC系統(tǒng)的線路其客流量已趨于飽和,運(yùn)能需求極高,為實(shí)現(xiàn)正線重點(diǎn)區(qū)段120 s及以內(nèi)的行車間隔,不得不采取大小交路運(yùn)行或正線插車等方式補(bǔ)償單站折返能力造成的不足。這在一定程度上刻意拉大了大交路區(qū)段或插車運(yùn)行之外區(qū)段的間隔,犧牲掉了一部分運(yùn)能,并沒有從根本上充分發(fā)揮CBTC系統(tǒng)小間隔、高密度行車的能力。

土建結(jié)構(gòu)、車輛性能等方面難以變動的情況下,在CBTC系統(tǒng)大修更新改造中,優(yōu)化列車折返的信號控制邏輯是提升單站折返能力的最佳方案。將道岔全部調(diào)整為獨(dú)立控制,渡線上任一組道岔滿足條件后即可單獨(dú)操動,不再受到另一組道岔鎖閉狀態(tài)制約;弱化進(jìn)路及區(qū)段概念,道岔解鎖依靠高精度的實(shí)時(shí)列車位置報(bào)告,列車位置包絡(luò)出清預(yù)先定義的道岔區(qū)域時(shí)道岔即可操動;車輛換端由信號車載設(shè)備自動完成,大大降低司機(jī)人工操作產(chǎn)生的耗時(shí)。對上述信號控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化后,在運(yùn)營線路上開展的高密度折返能力測試結(jié)果表明:單站折返能力可壓縮至90 s以內(nèi),與CBTC系統(tǒng)追蹤能力相互匹配。折返能力有效提升后,將充分釋放CBTC系統(tǒng)的性能,為全線運(yùn)能的整體提升奠定基礎(chǔ)[4]。

2.3 提升線路自動化程度

早期采用CBTC系統(tǒng)的線路其自動化程度偏低,由于信號專業(yè)本身,以及站臺門、車輛等與信號系統(tǒng)有接口的配套專業(yè)設(shè)計(jì)不完善,需人工介入和確認(rèn)的環(huán)節(jié)較多,列車開關(guān)門(部分線路已實(shí)現(xiàn)自動開門)、列車發(fā)車、列車換端均由司機(jī)人工操作完成。列車停站時(shí)上下客的額外耗時(shí)較長,列車在正線僅能最高以ATO(列車自動運(yùn)行)模式運(yùn)行,線路自動化等級僅能達(dá)到GoA2(半自動化列車運(yùn)行)級;由于車場內(nèi)僅設(shè)置計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)及相關(guān)軌旁設(shè)備,未按正線標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)設(shè)置ATC(列車自動控制)設(shè)備,這造成列車在進(jìn)行出入庫及場內(nèi)調(diào)車作業(yè)時(shí)完全由司機(jī)人工依照信號機(jī)顯示駕駛列車運(yùn)行,出場能力和場內(nèi)調(diào)車效率低下,安全風(fēng)險(xiǎn)突出。

為提升線路自動化程度,應(yīng)盡可能減少人為干預(yù)環(huán)節(jié),降低司機(jī)等運(yùn)營人員的工作量。同時(shí),結(jié)合既有線路在土建、機(jī)電等方面未對遠(yuǎn)期實(shí)施無人駕駛進(jìn)行預(yù)留的現(xiàn)實(shí)情況,并參考部分新線采用的全自動信號系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),在CBTC系統(tǒng)大修更新改造中,宜將列車運(yùn)行最高模式升級為DTO(有人值守的全自動運(yùn)行)模式,提升線路自動化等級達(dá)到GoA3(無人駕駛列車運(yùn)行)級;對站臺門、車輛等與信號系統(tǒng)有接口的配套專業(yè)實(shí)施適配性改造,由信號設(shè)備根據(jù)行車計(jì)劃自動控制列車開關(guān)門、發(fā)車及換端,無需司機(jī)人工確認(rèn),以減少停站耗時(shí),提升列車旅速,進(jìn)而提升乘客乘坐體驗(yàn),加快車輛周轉(zhuǎn)效率[5]。對車場信號設(shè)備進(jìn)行大修更新改造時(shí),應(yīng)按正線標(biāo)準(zhǔn)配置制式統(tǒng)一的信號設(shè)備,實(shí)現(xiàn)基于CBTC系統(tǒng)的出入場及場內(nèi)調(diào)車作業(yè)。列車出入場作業(yè)運(yùn)行模式與正線保持一致,出入場行車計(jì)劃宜納入線路運(yùn)行圖統(tǒng)一管理,以提升車場行車的安全性與可靠性,同時(shí)壓縮發(fā)車間隔,優(yōu)化出庫效率[6]。

2.4 小結(jié)

既有線CBTC系統(tǒng)大修更新改造提質(zhì)增效技術(shù)路線如表1所示。

表1 既有線CBTC系統(tǒng)大修更新改造提質(zhì)增效技術(shù)路線

3 CBTC系統(tǒng)大修更新改造新舊過渡方案

在CBTC系統(tǒng)大修更新改造施工期間,為確保日間運(yùn)營與夜間調(diào)試能夠同步開展但又互不影響,最終完成舊系統(tǒng)向新系統(tǒng)無感而有效的平滑過渡,需制定科學(xué)合理的新舊系統(tǒng)倒接方案,以實(shí)現(xiàn)新舊系統(tǒng)安全地相互切換。

3.1 地面設(shè)備新舊過渡方案

利用停運(yùn)時(shí)間進(jìn)行新系統(tǒng)的勘察定測、電纜敷設(shè)、設(shè)備安裝等工作并不會對日常運(yùn)營和在用系統(tǒng)造成實(shí)質(zhì)影響。當(dāng)前期準(zhǔn)備工作完成進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段后,即需實(shí)施新舊系統(tǒng)的相互倒接。對于新舊系統(tǒng)不共用的室內(nèi)設(shè)備以及室外按新舊系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置的信號機(jī)、計(jì)軸區(qū)段、無線接入點(diǎn)等軌旁設(shè)備,可直接通過在新舊系統(tǒng)中控制斷送電方式實(shí)現(xiàn)新舊設(shè)備倒接。對新舊系統(tǒng)需共用且難以獨(dú)立控制的設(shè)備如轉(zhuǎn)轍機(jī)、屏蔽門等,需在夜間調(diào)試前利用臨時(shí)配線將新舊系統(tǒng)共用部分接入日夜倒接開關(guān),通過控制日夜倒接開關(guān)保證其在日間運(yùn)營時(shí)僅由舊系統(tǒng)控制,而在夜間調(diào)試時(shí)僅由新系統(tǒng)控制。待線路全部割接至新系統(tǒng)后,拆除臨時(shí)配線和日夜倒接開關(guān),最終使其完全接入新系統(tǒng)[7]。日間運(yùn)營時(shí)段的地面設(shè)備狀態(tài)如圖1所示,夜間調(diào)試時(shí)段的地面設(shè)備狀態(tài)如圖2所示。

圖1 日間運(yùn)營時(shí)段的地面設(shè)備狀態(tài)示意圖

圖2 夜間調(diào)試時(shí)段的地面設(shè)備狀態(tài)示意圖

3.2 車載設(shè)備新舊過渡方案

相對地面設(shè)備,對車載設(shè)備進(jìn)行大修更新改造時(shí)需在一段時(shí)間內(nèi)占用整列的車輛資源,車輛無法在此期間上線運(yùn)營。由于既有線路有限的列車資源需優(yōu)先滿足日常運(yùn)營需求,再加上日常檢修、故障處理、車輛架修大修等生產(chǎn)需求,造成可供實(shí)施大修更新改造的閑置列車資源十分有限。因此,進(jìn)行列車車載信號設(shè)備大修更新改造(還包含配套的車輛專業(yè)改造)時(shí)應(yīng)采取逐列下線改造,改造完畢后重新上線運(yùn)營的方式。但由于改造完畢的配備了新車載設(shè)備的列車在新舊過渡期間需在舊系統(tǒng)下維持運(yùn)營,就會出現(xiàn)舊系統(tǒng)與新車的適配問題,對此可采用“硬切換”(即物理開關(guān)切換)或“軟切換”(即軟件版本切換)的方式予以解決[8]。

所謂“硬切換”方式,即在車輛改造時(shí)保留舊的車載設(shè)備,同時(shí)安裝新的車載設(shè)備,并對車輛專業(yè)外部接口進(jìn)行改造使其與新舊系統(tǒng)同時(shí)適配,并加裝日夜倒接裝置。在日間運(yùn)營時(shí),倒接開關(guān)控制車輛接口僅與舊車載設(shè)備相連;在夜間調(diào)試或新系統(tǒng)割接完畢后,倒接開關(guān)控制車輛接口僅與新車載設(shè)備相連;當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備完成割接后,即可擇機(jī)拆除舊車載設(shè)備和倒接開關(guān),列車完全由新車載設(shè)備接管。采用“硬切換”方式的日間運(yùn)營時(shí)段的車載設(shè)備狀態(tài)如圖3所示,夜間調(diào)試時(shí)段的車載設(shè)備狀態(tài)如圖4所示,最終大修更新改造完成后的車載設(shè)備狀態(tài)如圖5所示。

圖3 采用“硬切換”方式的日間運(yùn)營時(shí)段的車載設(shè)備狀態(tài)示意圖

圖4 采用“硬切換”方式的夜間調(diào)試時(shí)段的車載設(shè)備狀態(tài)示意圖

圖5 采用“硬切換”方式的大修更新改造完成后的車載設(shè)備狀態(tài)示意圖

當(dāng)新車載設(shè)備軟硬件與舊系統(tǒng)可以相互兼容時(shí),還可以采用“軟切換”的方式,即在車輛改造時(shí)直接拆除舊車載設(shè)備并安裝新車載設(shè)備,但其軟件配置為適配于舊系統(tǒng)下運(yùn)行的版本。當(dāng)列車需要在新系統(tǒng)下進(jìn)行調(diào)試或運(yùn)行時(shí),通過軟件配置將其適配為新系統(tǒng)下運(yùn)行的版本。通過更改軟件配置的方式完成新車載設(shè)備對新舊系統(tǒng)的適配。采用“軟切換”方式的日間運(yùn)營時(shí)段的車載設(shè)備狀態(tài)如圖6所示,夜間調(diào)試時(shí)段及系統(tǒng)割接后的車載設(shè)備狀態(tài)如圖7所示。

圖6 采用“軟切換”方式的日間運(yùn)營時(shí)段的車載設(shè)備狀態(tài)示意圖

圖7 采用“軟切換”方式的夜間調(diào)試時(shí)段及系統(tǒng)割接后的車載設(shè)備狀態(tài)示意圖

相比較而言,采用“硬切換”方式,在新舊系統(tǒng)倒接時(shí)較為便捷,扳動開關(guān)即可,但車輛接口需同時(shí)適配新舊兩套系統(tǒng),對其兼容性要求較高;采用“軟切換”方式,在新舊系統(tǒng)倒接時(shí)需要花費(fèi)一定時(shí)間對系統(tǒng)軟件進(jìn)行配置和恢復(fù),但對車輛接口的兼容性要求較低,在改造時(shí)同步完成拆舊,不存在拆舊時(shí)重新調(diào)試的工作量,但對新車載設(shè)備軟硬件與舊系統(tǒng)的相互兼容性提出了一定要求。在CBTC系統(tǒng)大修更新改造時(shí),可結(jié)合新舊系統(tǒng)特性、車輛接口條件、調(diào)試驗(yàn)證需求等因素經(jīng)綜合評估確定最終方案。

4 結(jié)語

目前,上海軌道交通部分采用CBTC系統(tǒng)的既有線路的信號系統(tǒng)大修改造工程已納入近期實(shí)施計(jì)劃,當(dāng)前正處于項(xiàng)目立項(xiàng)前期的研究論證環(huán)節(jié),工程可行性研究報(bào)告編制也在同步展開。隨著全國其他城市采用CBTC系統(tǒng)的既有線路陸續(xù)進(jìn)入大修更新改造實(shí)施周期,本文研究成果對各地的信號系統(tǒng)大修更新改造工作有一定參考價(jià)值。