上海轨道交通2号线改造工程对信号系统的优化设计

施宇豪

上海轨道交通2号线具有线路里程长、换乘站线多、客流量大［1］、行车间隔小［2］、运营效率要求高等特点,是上海轨道交通网络中极为重要的骨干线路,在城市客流运输中扮演着极其重要的角色［3］。由于该线至2020年底已开通运营达21年,期间未曾有过全面设备大修［4］,存在设备老化和损耗严重等隐患,特别是受系统制式和技术水平的限制,其可靠性指标无法与其重要性相匹配,因此,为确保地铁运营安全,创造和谐交通,2019年上海市对“2号线新增CBTC系统工程”工程可行性研究报告进行了批复,正式开展2号线的信号改造工作。本次改造针对既有系统的一些不足之处进行了优化设计,对既有信号部分存在的缺陷进行克服,提高了系统能力和效率,增加了系统的灵活性、可操作性。

1 总体方案

此次改造工程新增CBTC作为主用系统,保留部分既有TBTC系统升级后作为备用系统［5］。正线TBTC系统采用AF-904型数字无绝缘轨道电路,以微处理器为基础,运用了数字编码技术,信息量大,可为列车运行提供多种不同的速度信息,实现列车运行的模式曲线控制,比一般音频无绝缘轨道电路具有更强的抗干扰性能。道岔侧向区段采用50 Hz相敏轨道电路,在CBTC降级至TBTC情况下,列车仍具备接收速度码功能和ATO下的驾驶模式。在主用系统故障时,备用系统仍能实现2 min的运营间隔。

新设的计算机联锁设备和ATS子系统设备与既有TBTC系统设备相兼容,具备在准移动闭塞制式下,通过升级后的数字轨道电路和TWC（车地通信设备）,实现对列车ATO/ATP级的监控。正线设备构成示意见图1。

图1 车站及轨旁设备构成示意图

经过本次改造后,车载信号系统设备具有兼容性,既可在CBTC系统下对列车运行进行控制,又具备TBTC系统下的列车运行控制功能［6］。车载设备构成示意见图2。

图2 车载设备构成示意图

上海轨道交通2号线的北翟路车辆段、龙阳路定修段、川沙停车场3个车辆基地信号系统,按ATC自动化车辆基地的方案改造。改造后列车将具备自动出入库能力,并具备ATP/ATO功能［7］。

2 设计优化

2.1 增加信号系统与站台门联动

既有2号线中间段淞虹路站至龙阳路站共16座车站,除人民广场站采用半高站台门外,其余车站均采用电动栏杆,所有门体均为手动操作,未与信号系统联动,这样造成运营期间人员操作时间延长,16座车站时间累加后,对运营效率影响较大。本次改造将全线车站统一采用半高站台门,接入站台门与信号CBTC系统联动功能,可实现准全自动驾驶模式要求。

2.2 CBTC下实现辅助改方功能

改造后采用CBTC系统的新联锁子系统,实现原有TBTC的紧急交通释放功能,以及保持既有TBTC系统控制线中的方向电路逻辑；考虑到CBTC和TBTC系统码位的一致性要求,由CBTC联锁与TBTC接口,统一控制双套系统,并在保证安全的情况下采取灵活控制方式,提高出段/场处码位控制的灵活性。

2.3 出段/场时方向电路特殊处理

在原有数字轨道电路系统逻辑中,当车辆基地有列车出段/场时,调度需在ATS操作面板上,从出段/场线与正线线路插车点至对向正线相邻联锁区的有岔站这整段区段,手动逐一选中并强制取消正线运营列车前方区段的控制线方向码位,使正线运营列车在该相邻联锁区的有岔站台等待。正线控制线方向的电路解锁需2 min,出段/场列车在等待结束后,才可改变这一段的控制线方向码位,排列出段/场的列车进路。在出段/场列车折返完成进入正线区段后,等待的正线列车需在无码情况下,由司机手动驾驶经过下一联锁区第一站后,才可获得新速度码,从RM模式升级至ATO模式（TBTC下）。如此会造成出段/场列车对正线运营的较大干扰,对正线运营效率、调度员操作频度产生很大影响。

针对上述情况,本次改造做了系统设计升级。通过对CBTC软件的特殊处理,实现在无需改变正线区段控制线方向码位下,也可办理出段/场列车进路,省去系统强制改方向的2 min等待时间。此时出段/场列车可驶入正线车站,并转换列车驾驶室,正线等待的列车也只需停于防护区段以外。根据2号线车辆制动、信号反应时间、保护距离等参数实际计算后,相隔距离可缩短至1.1 km。待出段/场列车驾驶室转换完成后,正线后方等待的运营列车前方防护区段可随即缩短,最小可缩短至与前车一个棒线区段的距离。改造前、后,后车等待位置见图3。

图3 后车等待位置

如此可在保持TBTC底层软硬件逻辑不变的前提下,对CBTC下列车出段/场“将TBTC方向码位变为与出段/场线方向一致”的条件进行更新,最大程度地优化了出段/场的可操作性和灵活度。建议在实际运营时,考虑到避免乘客等待于区间内,可设置等待于出段/场插车点的就近车站。

2.4 缩短岔区进站列车占用长度

受2号线既有TBTC系统功能逻辑的局限,在其线路东端浦东国际机场站折返时,由于交叉渡线中既有棒线为超限,前一列车进入折返线折返作业时,会使占用区域扩大至站台,导致后车进站时,无法停准至站台出站信号机前方,造成运营效率降低,影响全线行车能力。

为了在CBTC模式下,列车既可停至出站信号机接近点,又可保证一旦越过红灯就会触发紧急制动。本次改造在末端站进站终点信号机设置延续保护进路,使保护进路不侵入3005#道岔所属警冲标范围,将后车进站停车与前车折返作业独立隔开,实现改造后信号系统的运能优化,提高折返效率。改造后停站列车和折返列车独立作业示意见图4。

图4 改造后停站列车和折返列车独立作业

2.5 车辆基地内出/入库能力优化

2号线所属3个车场既有设备采用卡斯柯VPI信号联锁,目前列车出、入段/场采用司机目视人工驾驶方式,效率较低。为增加信号系统的出/入库能力,本次将3个车辆基地改造为自动化车辆基地。车辆段/停车场设置ATP防护区,分为自动化区和非自动化区,列车出、入段/场将采用DTO驾驶方式,由系统保证安全,提高出、入段/场效率。

但由于上海2号线3个车辆基地现存土建条件限制,此次改造进行如下优化。

1）车辆基地运用库内不设置物理隔离,只在库外安装物理隔离。

2）信号系统在库外ATC区域设置作业人员封锁按钮,保证自动化区人员安全。

3）列车出库时,以ATP手动模式驾驶至库前平交道停车,再转DTO/ATO模式运行出库。

4）列车回库时,在入场信号机前,以ATP手动模式驾驶至库前平交道停车；然后转RM模式运行至停车点精确停车。

5）预留列车以ATO模式运行至平交道前,再转ATP手动模式运行至停车点精确停车回库的功能。

6）根据后备联锁下出、入段/场能力计算,在车辆基地大小咽喉区域的中部,增加出、入段列车信号机,保证在车辆基地主用系统故障,联锁后备下出/入库效率可满足上海地铁标准的要求。

车辆基地信号系统设计经过优化后,将在现有段/场土建条件下,最大程度实现自动化车场的功能需求,并保证安全和效率,为未来实现完整的自动化车辆基地预留条件。

3 总结

上海市轨道交通2号线全长64 km,是横穿上海市中心、连接二大机场,承担进博会客流运输任务的重要线路。通过采用CBTC和TBTC兼容性方案,大幅提升了该线信号系统的可靠性。从增加信号系统与站台门联动、增加CBTC辅助改方、出段/场方向电路特殊处理、缩短岔区进站列车占用、提高车辆基地出/入库能力等方面,对信号系统进行设计优化。与改造前既有信号系统相比,信号系统的系统能力、系统效率,以及运营调度的灵活性、可操作性都有显著提升。期待未来上海2号线为承担上海更繁重的客流组织和运输发挥更大的功效。