浅析北京地铁5号线车载信号改造工程

张 迪

(北京地铁工程管理有限公司,北京 100005)

0 引言

地铁信号系统进行一次性改造升级时，需要向国家申请改造立项，待批复后方可实施改造，通常需要4～5年的时间，所用时间较长。北京地铁5号线开通时间为2007年10月份。由于既有信号系统设备未满足大修年限要求，所以无法进行立项申请。北京地铁5号线日均客流量大，信号系统故障频繁发生，已经严重影响了运营。因此，采用传统的改造升级方式，无法在短时间内降低信号系统故障率、缩短运营间隔、提高线路运力。

针对现状，决定采用“初期兼容既有轨道电路系统，降低设备故障；后期升级为基于通信列车自动控制(communication based train control,CBTC)制式，提升系统稳定性及运力的改造方案。该方案既能解决北京地铁5号线现阶段车载故障率高的问题、减少故障对日常运营的影响、满足现阶段的运营需求，又能在日后进行大修改造时，全面升级信号系统至CBTC制式，提升运营间隔和运力。

1 信号系统故障分析及应对措施

首先，北京地铁5号线采用的是基于多信息无绝缘轨道电路的准移动闭塞系统。该系统的基本原理为：采用报文式轨道电路辅之以环线或应答器来判断分区占用并传输信息，可告知后续列车继续前行的距离；后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，从而实现列车速度控制[1]。但是准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点必须在先行列车占用分区的外方，因此它无法完全突破轨道电路的限制，当运营间隔缩短至2 min后，已经达到其能力设计的上限。

其次，北京地铁5号线信号系统主要设备供货厂商较多，系统整体性不强，造成了设备、系统间接口复杂、统筹协调难度较大、故障定位困难、处理问题时效性低下等问题。

另外，由于车载信号设备的列车自动保护/列车自动运行(automatic train protection/automatic train operation,ATP/ATO)系统、绝对/位置参考(absolute position reference,APR)信标阅读器、ATO环路设备的供应商不再提供设备维护和技术支持。而且目前北京地铁5号线故障主要集中在车载ATP/ATO系统，因而在发生车载设备故障或系统故障时，难以开展彻底的故障排查和故障分析，给运营维护带来不利影响。

5号线原信号系统如图1所示。

图1 5号线原信号系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the original signal system of Line 5

据统计，2015年5号线车载日均故障达到3.09件，远高于北京线网平均水平，造成列车运营晚点、运营间隔拉大、运力下降、乘客滞留等问题，因而无法保证2 min的运营间隔。在分析车载故障情况后，发现导致车载设备故障率过高的主要原因有以下三点。

①因车载机柜线缆布置过密、电源线与信号线之间距离不足、线缆连接器设计不合理、屏蔽性能差、缺少良好的电磁兼容性设计和工艺等问题，造成机柜内部故障频发。

②导致模糊区掉码问题的原因是车载设备判断码间隙指标过严或地面轨道信号发生异常变化。

③尾端干扰问题的根源是在折返过程中，车载设备未收到道岔区段的载频信息。

综上所述，采用CBTC系统是解决北京地铁5号线运营间隔问题的有效解决方案。

2 改造后的车载信号系统

北京地铁5号线信号系统目前的信号系统主要包括列车自动监控(automatic train supervision,ATS)、计算机联锁(computer interlocking,CI)、ATP、ATO、地面骨干网络、FS-2500轨道电路及相关配套设备。

改造后的信号系统如图2所示。

图2 改造后的信号系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the signal system after restruction

2.1 改造后的车载ATP子系统

ATP子系统是保证列车运行安全、提高运输效率的控制设备，提供列车运行间隔控制及超速防护，对线路上的列车进行安全控制。

改造后的车载ATP子系统采用“3取2”的安全冗余技术,列车头、尾各一套设备，头尾两端通过通信线缆相连，以实现头尾两端设备之间的通信以及车地无线通信的双路冗余,确保了车载子系统的安全性、可靠性及可用性。ATP子系统的各组成部分通过数据交互，共同完成ATP子系统的各项功能[2]。

5号线车载信号设备整体改造结构如图3所示。

图3 5号线车载信号设备整体改造结构图Fig.3 Overall reconstruction structure of Line 5 vehicle-mountedsignal equipment

ATP子系统间数据流如图4所示。

图4 ATP子系统间数据流示意图Fig.4 Schematic diagram of data flow betweenATP subsystems

改造后的车载子系统如图5所示。

图5 改造后的车载子系统示意图Fig.5 Schematic diagram of the modified on-board subsystem

改造后的车载ATP系统向人机界面(man machine interface,MMI)发送的信息主要有ATP报警信息、ATP故障信息、超速报警信息、非限制人工驾驶模式(emergency unlimited mode,EUM)信息、码有效信息、开门允许信息、零目标速度信息、推荐速度信息、自动折返信息、紧急制动速度信息、列车当前速度信息、限制模式(restricted mode,RM)状态信息、编码模式(code mode,CM)状态信息、自动模式(automatic mode,AM)状态信息、确认信息等[3]。

改造后的车载ATP利用两个测速电机的两个相位输入来计算速度、行走距离和移动方向(向后滚动和向前滚动)以及检测零速度情况。ATP从测速电机接收的指示主要有四条，分别是测速电机1相同信号、测速电机1求积信号、测速电机2相同信号和测速电机2求积信号。

改造后的车载ATP使用多普勒雷达(与测速电机信息一起)来计算速度、行走距离和移动方向(向前运行和向后运行)，并监控零速度情况。ATP从多普勒雷达接收的信息主要有行走方向、有效方向显示、多普勒状态、速度、通电后行走距离和序号等。

改造后的车载ATP与车辆的接口主要分布于四类接口电路，分别是ATP安全输出接口电路、ATP非安全输出接口电路、ATP安全输入接口电路和ATP非安全输入接口电路。在改造过程中，主要通过增设新电路、保留原电路和信号机柜内部接线、取消原电路和信号机柜内部接线的方式，确保改造后车载ATP的功能或指令可以顺利实现。例如：牵引切除、CM输出、自动折返输出、紧急制动检测、列车完整性、客室门关门状态检测、自动折返(automatic reversal,AR)按钮、ATO启动按钮等[4]。

2.2 改造后的车载ATO子系统

ATO子系统由轨旁ATO设备和车载ATO设备组成。本工程中以ATP/ATO为核心的、既兼容轨道电路又支持后期升级CBTC系统的车载系统解决方案中，由于采用一体化设计思路，原有的地面美标应答器将逐步被欧标应答器替换，并在完成全部替换后用于为ATP/ATO系统定位及精确停车[5]。另外，站内设置精确停车应答器以满足ATO更高的列车定位与精确停车要求。地面ATP设备(除APR)仍使用原5号线地面设备。车载ATO子系统如图6所示。

图6 车载ATO子系统示意图Fig.6 Diagram of the on-board ATO subsystem

相关设备信息交互如图7所示。

图7 相关设备信息交互示意图Fig.7 Schematic diagram of related equipmentinformation interaction

轨旁ATO子系统中：轨道电路发码器通过发送轨道电路的码位信息，传输相关的控制命令以及运行限制的码位信息给车载ATP子系统；车载ATO子系统根据收到的ATP命令以及运行限制信息，控制列车自动驾驶，并使用欧标应答器进行定位及精确停车。

车载ATO子系统在车头、尾各设置一套。单套ATO子系统为双机热备的冗余架构，通过与车载ATP子系统共用头尾通信以及车辆接口设备实现ATO的相关功能，确保系统的可靠性与可用性[6]。

冗余ATO子系统是由两套主机、电源、输入输出系统构成且分别独立工作。两套系统的电源分别给各系统的输入、输出、主机系统供电，且均具有单独与ATP通信的能力。单个系统ATO主机能够独立工作并且能够获知另一系统ATO主机的工作状态，若出现故障，能够实现可靠切换，而且每个系统ATO都具备完善的故障检测手段。主、备两个系统会同时进行输入开关量采集，但是只有主系统才会进行模拟量、开关量的操作和开关量输入、开关量输出、模拟量输出的自检。

此外，车载ATO与车载ATP会共用一些设备，例如：雷达传感器、速度传感器、APR板卡、APR接收天线、应答器传输模块(balise transmission module,BTM)主机单元、应答器接收天线、MMI单元、头尾贯通线、各类相关按钮及开关等。其中，主备设备可以自动进行转换,转换时不会影响列车正常运行和司机正常驾驶。

ATO子系统和ATP子系统通过RS-422接口，基于安全通信协议进行通信。ATO子系统的所有列车控制功能都必须在ATP的防护下实现。在车载ATP和车载ATO间存在一个双向接口，用于在运行期间实现ATO与ATP的连续数据交换，保证ATO功能的实现。由于ATO所有的数据传输都是经过 ATP子系统转发的，所以整个系统中ATO子系统通信数据的输入均来自ATP子系统[7-8]。

3 结论

北京地铁5号线车载信号系统改造工程于2019年4月开始正式启动。由于前期作了充分的调研、论证和准备工作，该工程仅仅历时一年，5号线所辖61组列车车载信号设备全部完成了改造升级。于2020年4月竣工，5月完成全部验收工作。车载ATP/ATO子系统硬件设备在整个升级改造过程中，仅需在开始阶段进行1次，后续采用升级软件程序实现对基于轨道电路的准移动闭塞制式和CBTC制式的兼容，避免了车载设备的重复投资，极大地节约了人力、设备和管理成本，成功实现了兼容和升级的平稳过渡。