城市轨道交通信号系统分段式改造方案

李 洁，辛 鑫

（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

截至2022年底，国内（大陆地区）共有55个城市开通城市轨道交通运营线路308条，运营线路总长度10 287.45 km。城市轨道交通已经成为国内大中型城市缓解城市拥堵、满足市民出行需求的重要手段。信号系统是城市轨道交通的“大脑和中枢神经”，基于通信的列车控制（Communication-Based Train Control，CBTC）是信号系统的主流制式。自2008年北京地铁10号线首次采用CBTC技术并成功开通运营，经过十几年的发展，CBTC技术在国内各个城市得到广泛应用。

根据《城市轨道交通设施设备运行维护管理办法》，信号系统的整体使用寿命一般不超过20年。目前，北京、上海等地的部分CBTC系统已逐步接近15年使用期限，为确保其在20年的服役年限截止前完成改造，应尽快开展城市轨道交通信号系统的改造工作。

既有的信号系统改造方案存在时间长、成本高、施工难度大的问题。伴随着信号系统的发展，新的信号制式陆续出现，亟需提出一种能够提升效率新的信号改造方案。

本文对信号系统的既有改造方案和模式进行了系统分析，结合信号系统的发展趋势和技术现状，提出了一种分段式改造方案，能够有效提高信号系统改造的效率，降低成本。

1 信号系统改造方案研究现状

信号系统的升级改造要遵循不影响运营、成本可控、高效可靠的基本原则。目前，国内部分线路已经完成信号系统的改造，主要有以下两种方式。

1）主/备冗余式

以CBTC系统为主用模式，另一制式信号系统为备用模式。当CBTC系统故障时，备用模式启动。主用系统和备用系统采用不同的模式，从而降低共因失效的概率，提升信号系统的可靠性和可用性。上海地铁2号线以既有基于轨道电路的列车控制（Track Circuit-Based Train Control，TBTC）系统为备用模式，以新建CBTC系统为主用模式。正常情况下 CBTC模式为主用模式，当CBTC设备发生故障时切换到TBTC模式运行。

主/备冗余式改造方案对运营秩序的影响较小，既有设备利用率高，且能够分阶段改造。但改造后设备数量大大增加，提高了维护难度和维护成本。

2）一次性整体切换式

在既有信号系统运营期间新建一套完全独立的信号系统，新信号系统在安装、调试过程中均不能影响既有系统的正常工作，待新系统全部调试完成后一次性开通运营，最后拆除既有信号系统。北京地铁1/2号线、八通线以及天津地铁1号线均是在TBTC系统运营期间，新建CBTC系统并在建设完成后整体替代原系统。

一次性整体切换式能够解决既有信号厂家设备老化、支持力度不足、备品备件停产等问题。由于地面设备较多施工复杂，且只能利用夜间3～4 h的天窗点进行施工，时间极其有限，车载和地面设备无法独立使用等原因，该方案实施难度大，总体工期长。同时，一次性整体切换式改造对既有设备的利用率低，难以达到降本增效的目标。

由于CBTC技术成熟、安全高效且性能稳定，目前国内的信号系统改造大多采用“整体改造，一次倒切”的方式新建一套CBTC系统整体替代既有系统。传统CBTC系统轨旁设备多，实施难度大，见效慢，如北京地铁2号线整体改造用了3年时间，极大提升了改造成本。随着各大中城市的城轨信号系统陆续进入改造阶段，加之信号系统技术也进入了新时代，亟需寻求一种施工难度小、见效快、成本低且性能优的信号系统改造方式，以提升社会效益和经济效益。

2 列车自主运行系统

列车自主运行系统（Train Autonomous Control System，TACS）伴随着通信技术、计算机技术、传感技术和控制技术的发展日趋成熟，已成为城市轨道交通信号系统的发展方向。TACS能够通过车-车通信和自主感知实现列车自主安全运行，具有结构扁平化、轨旁设备数量少和运行效率高等特征，与传统的CBTC系统架构和运行原理有较大区别。

TACS核心功能从地面转移到车载，地面设备相对较少。车载设备自主计算列车移动授权，室内设备不再配置区域控制器（ZC）和联锁设备，而是配置资源管理器（RC），真正实现以列车为主体配置资源。如图1所示，TACS主要由列车车载设备、RC、中心ATS等设备组成。中心列车自动监控系统ATS向车载下发行车计划；车载根据行车计划和前车位置等信息向RC申请线路资源，并自主计算移动授权，实现列车自主运行，当列车行驶过后向RC释放线路资源；RC负责登记列车信息并管理线路资源。车载设备包含自主感知设备和信号设备，其中，自主感知设备通过相机、激光雷达、毫米波雷达等技术融合，实现列车测速定位、识别信号机状态、识别障碍物类型（如车辆、人、纸箱等）及计算可视距离等功能，为列车兼容不同的地面信号系统提供技术支持。

图1 TACS架构示意Fig.1 Typical architecture of TACS

基于自主感知和车-车通信的TACS即Autonomous Perception Based， TACS，简称A-TACS。当列车降级后，A-TACS车载设备能够通过自主感知技术识别信号机状态，控制列车按照进路自主运行。与CBTC系统相比，A-TACS改变降级模式的信息获取方式，使列车在降级模式下与地面信号系统的关联度大大降低。根据这一特征，A-TACS替代CBTC时，可改变一次性整体切换模式所面临的问题，分段式改造则成为可能。

3 信号系统分段式改造方案

本文提出一种A-TACS替换CBTC的分段式改造方案，分为车载设备改造和地面设备改造两个阶段。待改造线路由于服役时间长、设备老化导致的故障时有发生，尤其车载设备故障频发，采用车载设备先行改造的方式，完成改造的列车即可使用新设备上线运营。随着装载新设备的列车上线数量的增加，逐步降低既有车载设备故障给运营带来的严重影响，提升信号系统的可靠性。同时，车辆改造相比于整体改造完成时间明显缩短，全部车辆改造完成后将彻底解决车载设备故障问题，成效显著，大大提升改造效率，进一步有利于提升社会效益。相比于传统CBTC系统，A-TACS的地面设备数量少、功能简单，可以减少地面设备用房限制，缩短地面施工调试时间，降低施工成本。考虑到地面改造施工主要占用夜间天窗点开展工作，一般仅有3～4 h，在同等条件下，由于A-TACS地面设备少于CBTC系统，改造工期将缩短1/3。可见，采用A-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）车载设备改造阶段

列车加装A-TACS车载设备，新车载设备和既有车载设备独立运行，可通过倒切开关进行切换。新车载设备能兼容既有地面设备，通过自主感知技术识别信号机状态，按照进路闭塞的降级模式行驶。车载设备的改造安装时间不需要依赖“天窗”，可在场段分批次进行。以全线配置50列车为例，场段每月完成改造4～5列车，经调试后分批次上线运营，全部列车改造在1年半内时间即可完成。

2）地面设备改造阶段

A-TACS地面设备改造与车载设备改造分段进行，亦可同时进行分阶段完成。RC和既有联锁设备加装倒切设备，夜间调试切换到改造设备，白天运营恢复为既有设备。本阶段是对列车自主运行系统的全功能验证，完成后拆除既有信号系统设备，最终完成改造。

相比于传统的整体改造方案，A-TACS分阶段改造方案能够分期见效，只需列车车载设备完成改造即可分批次上线运营。改造后的列车能够兼容既有地面信号设备，在降级模式下自主运行。既有地面设备识别到改造后列车为非通信车，为其排列后备进路，此时车载设备依靠自主感知技术识别信号机状态和前方障碍物，并自主计算移动授权，确保列车安全运行。当只有部分列车完成改造时，线路上同时存在装载新设备的列车和既有设备的列车，既有设备列车依然能够按照CBTC模式运行，新设备列车则按照降级模式运行，新旧两种车载列车混跑运行。

由于分段式改造方案在系统全部改造完成前无法建立车-车、车-地无线通信，所以改造后的列车使用新设备上线运行时，只能采用降级模式，按照进路闭塞行车，因此会加大行车间隔，损失一部分运力。当运营线路本身的行车密度较低时，改造期间造成的运力损失相对较小；反之，则相对较大。因此，A-TACS分阶段改造方案更适合客流量适中或较小的线路。对于本身客流量较高的线路，亦可使改造后的车载设备作为既有车载设备的后备系统，当既有车载故障后切换到新车载设备，使列车能够继续运行，避免设备故障导致列车下线给运营带来的不利影响。

4 分段式改造方案验证

北京地铁15号线首开段2010年底开通，至今已运营10多年，接近改造周期。15号线信号系统正在进行分段式改造方案的车载改造验证，试验已于2022年4月开始实施，预计2023年底完成验证。

选取俸伯到石门的三站两区间作为分段式改造试验段，以两列车作为试验车，加装A-TACS车载设备。15号线的最小运营间隔为3 min 19 s，客运能力与客流需求不匹配是当前线路的主要问题。为此，在第一阶段的A-TACS降级模式改造中，除车载改造以外，还需要在线路增加区间信号机，从而缩短进路闭塞间隔，达到降级模式下2 min 30 s的列车运行间隔。线路布置如图2所示，其中区间信号机XQ1、XQ2、SQ1和SQ2为新增信号机。同时，加装室内设备RC对新增信号机进行驱采控制，并通过倒切装置实现对既有轨旁设备的驱采控制。

图2 北京15号线试验段线路Fig.2 Layout of test section of Beijing Subway Line 15

4.1 车载设备改造

如图3所示，两列试验列车上加装自主感知设备和车载信号设备。自主感知设备包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达和感知主机；车载信号设备包括车载ATP、BTM主机、MMI显示屏、应答器天线和测速设备等。

图3 新增车载设备结构示意Fig.3 New on-board equipment

新增车载信号设备、既有车载信号设备对车辆的控车指令输出保持独立，可通过切除开/关进行切换，如图4所示。运营期间新增车载设备处于断电切除状态，试验调试期间既有设备处于断电切除状态，彼此无干扰。新增车载信号设备同步持续采集车辆信息，信息采集不会影响既有车载设备工作，如图5所示。

图4 新旧车载设备对车辆指令输出示意Fig.4 Command output to the train by the new and old on-board equipment

图5 新旧车载设备采集车辆信息示意Fig.5 Information acquisition from the train by the new and old on-board equipment

4.2 地面设备改造

如前所述，为提升北京地铁15号线后备模式下的运行能力，在试验段加装信号机。在俸伯站信号设备室安装RC设备，并设置倒切柜实现RC和既有联锁对轨旁信号机、道岔的控制切换。另外还安装了ATS设备、DCS设备、电源屏等。室内设备结构如图6所示。对于其他室外设备，RC同步采集既有继电器的空余接点，减少配线改动以降低对既有设备的影响。

图6 室内设备结构Fig.6 Architecture of indoor equipment

4.3 改造试验目标

目前北京地铁15号线的改造试验正在按照上述方案开展进行。本试验目的在于验证分段式改造方案的可行性，确保分段式改造中后备运行模式的可用性，为A-TACS的分段式改造的实际应用奠定基础。

5 结论

A-TACS分段式改造方案采用先改车载设备，确保新车载设备改造完成后能够上线运营，后改地面设备，实现车-车通信全部功能，最终完成新信号系统整体替代的方式。对比传统的主/备冗余式和一次性整体切换式改造，不仅精简了新系统的设备数量，降低改造难度，还实现了分期见效，在第一阶段改造后能够全面提升车载设备的可靠性，缩短改造见效周期，提高改造效率。但由于整体改造完成前新车载设备只能在降级模式下按照进路行车，可能会加大行车间隔，降低行车效率。本文以北京地铁15号线改造试验为例，介绍第一阶段后备运行模式的改造方案，为即将进入改造周期的城轨线路提供合理可行的参考依据。