城市轨道交通信号系统升级改造项目方案研究

王喜军，杨立新，武少峰

据初步统计,截至2020年12月31日,中国内地累计有45个城市开通了轨道交通运营线路,总里程约为7 978 km。而2005年以前开通的项目,已逐渐进入升级改造阶段。因此信号系统如何安全、稳妥、经济地进行升级改造,同时减少对既有线路运营安全的影响,已成为各运营公司迫切需要解决的问题。

1 参考标准

当前,虽然对于信号系统改造项目的规范和标准有所缺失,但可以参考相关建设标准和运营管理的规定,根据运营需求制定信号系统改造的技术方案。2019年7月,交通运输部印发的《城市轨道交通设施设备运行维护管理办法》（交运规［2019］8号）规定“信号设备的整体使用寿命一般不超过20年”；《铁路信号站内联锁设计规范》规定“信号设备的大修期一般为15年”；《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标104-2008）要求,信号系统设备折旧年限为15年。

城市轨道交通信号系统的改造分2种情况：一是设备老化,备品备件难以满足运营维护要求；二是客流增大,系统能力不足,迫切需要升级改造［1］。无论是哪种情况,既有信号系统升级改造的安全性都将受到极大的关注。考虑到项目改造流程,信号系统一般需提前4-5年做改造准备,在信号设备使用15年左右开展相关改造工作的策划。

2 总体原则

1）升级改造应在尽可能保证既有信号系统不停运、不降低运输能力和安全等级的条件下进行［2］。在过渡时期,新、旧轨旁设备、车载设备等应能相对独立运行,以确保实现统一行车指挥。

2）应有利于具体项目的行车组织和运营管理,实现行车指挥和列车运行管理的自动化、科学化,以及城市轨道交通服务的现代化。

3）应尽可能适应项目内其他专业及其他联络线预留的接口条件,包括现有的土建结构、线路、限界、车辆、通信、供电、站台门等现场条件。

4）改造后信号系统的能力应满足正线最小运行间隔2 min要求,正线追踪间隔按90 s设计,在折返站的折返能力应留有余量,端站折返能力及车辆段/停车场的出入段能力应与正线行车间隔相适应,并留有一定余量［3］。

5）在满足总体目标的前提下,应尽量节约投资。

3 改造方案

3.1 CBTC替代既有TBTC

新系统采用基于通信的移动闭塞列车自动控制系统（CBTC）,既有系统为基于数字轨道电路的准移动闭塞信号系统（TBTC）,新、旧系统在系统架构上分别独立,在控制对象上需要复用。现场复用的设备主要包括转辙机、信号机、站台门控制接点和站台紧急关闭控制接点。新设系统与既有系统设备切换示意见图1［4］。

图1 新设系统与既有系统设备切换示意

新增CBTC为主用信号系统,增设计轴和有源应答器设备,与计算机联锁系统共同构建成具备ATO/ATP功能的降级系统。车载设备同时具备在CBTC和TBTC系统下的列车控制功能,仅在过渡期间使用TBTC系统功能。待CBTC系统倒接完成后,拆除兼容的TBTC车载接口设备和轨旁的轨道电路设备。如果有足够的新车,车载设备可同时实现既有TBTC系统和CBTC系统功能,满足最优工程条件,从而降低系统的复杂度。

使用室内倒切设备的前提条件为：①若室外共用设备的电路一致,采用倒切柜的方式进行室内设备的倒切,将复用设备电缆由既有组合柜引接至倒切柜相应的控制接点,倒切柜采用旋钮式开关控制既有系统与试验系统的倒切；②若室外共用设备的电路不一致,在室内的防雷分线柜接向室内侧设置倒切柜,与不同系统的室内组合柜和联锁机柜等设备连接,以实现通过旋钮式开关控制既有系统与试验系统的倒切。

该方案在天津地铁1号线、北京地铁1、2号线等改造项目中均有实践,取得了较高的工程应用业绩。

3.2既有TBTC系统叠加CBTC系统

新增CBTC作为主用信号系统,并与既有TBTC系统兼容,保留部分既有TBTC系统设备,升级既有数字轨道电路设备,作为降级系统使用。新设计算机联锁设备和ATS子系统设备,与既有TBTC系统设备相兼容［5］。该方案解决了既有线路由于设备老化导致信号系统设备故障率明显升高的问题；消除了由于既有信号系统供货商的技术支持和服务水平日益降低而影响正常运营的安全隐患；保留了既有信号系统作为降级系统,提高了主/备系统切换的及时性,避免了前期投资的浪费,降级运行时依旧可以保证既有线正常的运行间隔；轨旁改造和列车改造可以同步进行,不会相互制约,倒接风险小,项目可实施性强,灵活性大,对日常运营的影响可降低到最小,更有利于控制整体工期。

目前,上海地铁2号线改造正按照此方案开展工作［6］。

1）制定多元化的评价标准。常见的大学英语评价方式是期末考试成绩结合出勤、作业等平时成绩，或者参考英语等级考试成绩。但是单一的语言能力评价标准不能全面反映学生的综合素养，不能适应以核心素养为培养目标的大学英语教学，因此需要改善评价的标准，根据核心素养培养的要求，将英语的语言能力、学习能力、思维品质和文化意识纳入评价标准中，以此展现高职学生的核心素养和综合能力。

3.3 基于车车通信的列车控制系统（TACS）叠加既有CBTC系统

TACS系统是以“车车”通信为基础,将传统的车地2层分布式列车控制系统与车载网络、牵引、制动系统深度融合,以车载控制平台为核心,实现列车自主进路、自主防护、自主调整,从而实现列车自主运行［7］。从系统的架构、对工程资源的要求、轨旁设备的分布上来讲,改造项目具有较大的优势,同时能够突破系统能力的瓶颈。TACS系统架构示意见图2。与传统CBTC相比,TACS系统的信号集中站设备,室内不再配置传统的区域控制器（ZC）与计算机联锁主机系统,而是配置目标控制器（OC）系统,真正实现以列车为主体配置资源,随着前车的移动,通过车车通信,实现资源的释放与重新分配。

图2 TACS系统架构示意

TACS系统数据流向示意图见图3。ATS向列车下达时刻表信息指挥行车,列车之间通过无线通信和车载控制器（OBC）进行车车信息交互,以计算移动授权,从而实现列车的自主防护。岔区的转辙机动作通过目标控制器来实现。

图3 TACS系统数据流向示意图

TACS系统是城市轨道交通中实现列车高效控制的先进系统,具有安全、高效、灵活、经济、易部署等特点。相对于传统CBTC系统,TACS系统设备更加精简,从信号系统升级改造的难点和主要制约因素来看,采用车车通信能够避免部分时间和空间上的矛盾。新增TACS为主用信号系统,车载设备同时具备在CBTC和TACS系统下的列车控制功能,CBTC系统功能在过渡期间使用,待TACS系统倒接完成后,拆除兼容的CBTC车载接口设备和轨旁的相关设备,为轨道交通新建项目以及既有线路的升级改造提供新的选择方案。

当前,TACS系统正处于线路工程实践阶段,尚没有大规模应用,前期的研发及产品未量产,工程造价较当前主流的CBTC系统相差不大。但随着TACS系统的技术发展,逐渐成熟和规模应用量产化后,其工程造价会有较大幅度的下降,更有利于控制信号系统的投资成本。

该方案正在深圳地铁20号线项目中推进。根据前期方案,先进行CBTC建设,后续随着TACS技术的逐渐成熟,升级为TACS系统。

3种方案的适用场景、系统能力、工程投资以及对运营的影响程度情况见表1。

表1 3种方案情况对比

4 难点问题

4.1 车载信号对线路的适应与匹配

以CBTC系统替代TBTC系统的改造方案为例,该方案符合信号技术发展方向,解决了既有信号系统供应商技术服务水平低、备品备件提供困难的问题。但车载信号系统在过渡实施期间,需同时配备TBTC和CBTC 2套信号车载设备,或者兼容TBTC和CBTC的1套信号车载设备,并通过倒接装置实现与车辆接口的切换。该方案中既有列车均需进行改造及调试,时间周期较长,割接风险大。车载倒接装置的长期使用对运营安全存在一定的风险［8］。

4.2 延伸线路与既有线路设备生命周期的差异

一条线路的建设往往会出现分段建设的情况［9］,存在设计和建设标准不相同、运行列车类型不统一等因素,使得信号系统升级改造技术方案的制定具有一定的挑战。新增CBTC系统倒接完成后拆除TBTC车载设备和轨旁的轨道电路设备,将造成投资的浪费；同时,如果延伸段的既有信号系统设备暂未达到设计的设备寿命周期,而采用该方案提前报废,也会造成前期投资的浪费。若在既有TBTC系统叠加CBTC系统,或者基于车车通信的列车控制系统叠加在既有CBTC系统上,对延伸线来讲,只需要新设系统满足功能需求即可,没必要完全保证全线的系统类型都一致。

4.3 时间和空间受限

一条线路从开通运营载客到进入设备系统大修改造期,需经过10-15年的时间［11］。随着客流的不断增加,运营时间不断延长,通常为每日5：00-23：00,因此留给设备系统改造施工作业的时间相当有限,这就要求各方提前做好施工作业准备,以提高效率。

建设期间为了节约地下站投资,设备用房面积一般都不考虑预留,在后期改造时会导致房屋面积紧张。地铁是百年工程,而设备改造有时间性和周期性要求,因此未来新线建设时应对设备用房多加考虑。

5 总结及建议

5.1 加快融合型车载信号系统的研发及推广

由中国城市轨道交通协会技术装备委员会牵头,组织国内各信号系统供货商编制了《中国城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通技术规范》［10］,旨在促进中国城市轨道交通建设,实现并满足城市轨道交通互联互通的需求。加快融合型车载信号系统的研发,可以有效解决信号系统的兼容性问题［11］。对于升级改造工程来说,能够解决新、旧车载信号系统对新、旧轨旁设备的适应性问题,降低切换风险和工程投资,充分降低系统改造的复杂度,提升改造效率,具有重大意义。

5.2 加快信号系统升级改造标准的制定

考虑到当前新建及部分改造线路采用了全自动运行系统［13］,为确保地铁运营安全,相关部门应尽快建立有针对性的技术标准体系,使信号系统改造有据可依,从而降低既有线改造风险。