上海轨道交通既有线CBTC信号系统大修更新改造技术方案

吴 杰

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司,200235,上海∥高级工程师)

2007年底,上海首条采用CBTC(基于通信的列车控制)系统的城市轨道交通线路投入运营,迄今已连续运行近16年。根据交通运输部出台的《城市轨道交通设施设备运行维护管理办法》中“整体使用寿命一般不超过20年”的规定,部分早期采用CBTC系统的线路已陆续进入大修更新改造期。因此,评估分析当前CBTC系统应用现状,研判梳理当前CBTC系统存在的缺陷与不足,结合当前城市轨道交通信号系统发展的新技术、新动向,科学合理地确定CBTC系统大修更新改造的基本方向和需求,制订科学的新旧过渡方案以尽可能减少CBTC系统大修更新改造对日间正常运营的影响,是CBTC系统大修更新改造筹备谋划阶段的首要任务。

1 CBTC系统大修更新改造的必要性

CBTC系统设备包括地面设备和车载设备。CBTC系统根据地面设备接收到的所有受控列车的位置报告,再结合道岔、信号机、计轴区段等轨旁设备状态,向受控列车发送移动授权许可,车载信号设备控制列车在移动授权许可范围内自动运行。因此CBTC系统是一种移动闭塞模式,可实现小间隔、高密度行车,可极大地提升线路的运输能力和效率。

经过十几年的长期运营使用,CBTC系统除因设备部件自然老化而导致的故障频发之外,还暴露出车地无线通信极易受到外界干扰,折返能力与小间隔、高密度行车无法适配,因自动化程度偏低而导致大量环节需依赖人为干预确认等由于前期设计考虑不周而产生的问题,这些问题牵制阻碍了线路运行质量的进一步提升,亟需在CBTC系统大修更新改造中予以研究解决[1]。

2 CBTC系统大修更新改造技术方案

通过CBTC系统大修更新改造的必要性分析可知,CBTC系统大修更新改造技术方案不应仅仅局限于设施设备部件的新旧替换,更应聚焦因早期CBTC系统的技术局限而产生的诸多影响线路运行质量的关键问题。在CBTC系统大修更新改造过程中,应针对此类难点和痛点,吸收引进一定的新设备、新技术,通过系统级的“大换血”突破原有的技术瓶颈,选择与线路运能需求相匹配、服务水平与设备状况相匹配的信号系统新制式,如基于车车通信的列车自主运行系统、基于通信的高性能列车运行控制系统等,进一步提升信号系统的设备性能,进而改善整条线路的运行效率[2]。

2.1 提升车地通信质量

早期所有采用CBTC系统的新建线路全部基于2.4 GHz公共频段的WLAN(无线局域网)技术进行车地无线通信,实现车载设备与地面设备控制信息的传输。随着当前无线终端数量的爆发式增长,2.4 GHz公共频段资源已十分紧张,CBTC系统极易受到干扰。虽然CBTC系统在设计时已采用FHSS(跳频)技术、OFDM(正交频分复用)技术规避同频段其他设备的干扰,但因车地通信数据丢失而造成列车迫停的故障仍居高不下,尤其在高架段、地面段等敞开环境下尤为严重。极端情况下,某些区域存在的特定强干扰源对2.4 GHz全频段进行了全面压制,造成进入相关联区段的所有列车的车地通信都受到干扰,导致通信数据全部丢失,对正常运营造成极大影响。

为改善车地通信质量,结合1.8 GHz专用通信频段的LTE-M(城市轨道交通车地综合通信系统)技术在开通新线中的较好应用效果,大修更新改造时应考虑对无线通信系统进行更新改造,可由LTE-M独立承载列控信息;或同步结合通信系统大修更新改造需求,由LTE-M综合承载列控信息、视频监控信息、专用无线通信信息及乘客信息系统信息等,以克服外界强干扰源对车地无线通信的干扰。在此基础上,同时保留WLAN通信通道并采用较为先进的Wi-Fi6(第六代无线网络技术),利用2.4 GHz与5.0 GHz双频段进行通信,并与LTE-M组成异构冗余的无线通信系统,进一步提升车地无线通信可靠性[3]。

2.2 提升线路折返能力

既有线路运营十多年,长时间的客流培养叠加线路站点周围长时间的人口导入,线路运能与客流量的矛盾已经十分突出。上海轨道交通6、7、8、9、11号线部分区段早高峰最小行车间隔均已迈入120 s大关,若客流量在日后继续提升,将存在进一步压缩线路的行车间隔的客观需求。早期建设的CBTC系统虽具备极限追踪间隔90 s的能力,但由于折返站渡线道岔多采用双动逻辑控制、进路解锁判断依赖于进路内区段的占用-出清状态、需通过司机人工操作列车换端等限制,使得单站折返能力较为低下,这成为运能进一步提升的最大瓶颈。既有采用CBTC系统的线路其客流量已趋于饱和,运能需求极高,为实现正线重点区段120 s及以内的行车间隔,不得不采取大小交路运行或正线插车等方式补偿单站折返能力造成的不足。这在一定程度上刻意拉大了大交路区段或插车运行之外区段的间隔,牺牲掉了一部分运能,并没有从根本上充分发挥CBTC系统小间隔、高密度行车的能力。

土建结构、车辆性能等方面难以变动的情况下,在CBTC系统大修更新改造中,优化列车折返的信号控制逻辑是提升单站折返能力的最佳方案。将道岔全部调整为独立控制,渡线上任一组道岔满足条件后即可单独操动,不再受到另一组道岔锁闭状态制约;弱化进路及区段概念,道岔解锁依靠高精度的实时列车位置报告,列车位置包络出清预先定义的道岔区域时道岔即可操动;车辆换端由信号车载设备自动完成,大大降低司机人工操作产生的耗时。对上述信号控制逻辑进行优化后,在运营线路上开展的高密度折返能力测试结果表明:单站折返能力可压缩至90 s以内,与CBTC系统追踪能力相互匹配。折返能力有效提升后,将充分释放CBTC系统的性能,为全线运能的整体提升奠定基础[4]。

2.3 提升线路自动化程度

早期采用CBTC系统的线路其自动化程度偏低,由于信号专业本身,以及站台门、车辆等与信号系统有接口的配套专业设计不完善,需人工介入和确认的环节较多,列车开关门(部分线路已实现自动开门)、列车发车、列车换端均由司机人工操作完成。列车停站时上下客的额外耗时较长,列车在正线仅能最高以ATO(列车自动运行)模式运行,线路自动化等级仅能达到GoA2(半自动化列车运行)级;由于车场内仅设置计算机联锁系统及相关轨旁设备,未按正线标准同时设置ATC(列车自动控制)设备,这造成列车在进行出入库及场内调车作业时完全由司机人工依照信号机显示驾驶列车运行,出场能力和场内调车效率低下,安全风险突出。

为提升线路自动化程度,应尽可能减少人为干预环节,降低司机等运营人员的工作量。同时,结合既有线路在土建、机电等方面未对远期实施无人驾驶进行预留的现实情况,并参考部分新线采用的全自动信号系统的建设经验,在CBTC系统大修更新改造中,宜将列车运行最高模式升级为DTO(有人值守的全自动运行)模式,提升线路自动化等级达到GoA3(无人驾驶列车运行)级;对站台门、车辆等与信号系统有接口的配套专业实施适配性改造,由信号设备根据行车计划自动控制列车开关门、发车及换端,无需司机人工确认,以减少停站耗时,提升列车旅速,进而提升乘客乘坐体验,加快车辆周转效率[5]。对车场信号设备进行大修更新改造时,应按正线标准配置制式统一的信号设备,实现基于CBTC系统的出入场及场内调车作业。列车出入场作业运行模式与正线保持一致,出入场行车计划宜纳入线路运行图统一管理,以提升车场行车的安全性与可靠性,同时压缩发车间隔,优化出库效率[6]。

2.4 小结

既有线CBTC系统大修更新改造提质增效技术路线如表1所示。

表1 既有线CBTC系统大修更新改造提质增效技术路线

3 CBTC系统大修更新改造新旧过渡方案

在CBTC系统大修更新改造施工期间,为确保日间运营与夜间调试能够同步开展但又互不影响,最终完成旧系统向新系统无感而有效的平滑过渡,需制定科学合理的新旧系统倒接方案,以实现新旧系统安全地相互切换。

3.1 地面设备新旧过渡方案

利用停运时间进行新系统的勘察定测、电缆敷设、设备安装等工作并不会对日常运营和在用系统造成实质影响。当前期准备工作完成进入系统调试阶段后,即需实施新旧系统的相互倒接。对于新旧系统不共用的室内设备以及室外按新旧系统独立设置的信号机、计轴区段、无线接入点等轨旁设备,可直接通过在新旧系统中控制断送电方式实现新旧设备倒接。对新旧系统需共用且难以独立控制的设备如转辙机、屏蔽门等,需在夜间调试前利用临时配线将新旧系统共用部分接入日夜倒接开关,通过控制日夜倒接开关保证其在日间运营时仅由旧系统控制,而在夜间调试时仅由新系统控制。待线路全部割接至新系统后,拆除临时配线和日夜倒接开关,最终使其完全接入新系统[7]。日间运营时段的地面设备状态如图1所示,夜间调试时段的地面设备状态如图2所示。

图1 日间运营时段的地面设备状态示意图

图2 夜间调试时段的地面设备状态示意图

3.2 车载设备新旧过渡方案

相对地面设备,对车载设备进行大修更新改造时需在一段时间内占用整列的车辆资源,车辆无法在此期间上线运营。由于既有线路有限的列车资源需优先满足日常运营需求,再加上日常检修、故障处理、车辆架修大修等生产需求,造成可供实施大修更新改造的闲置列车资源十分有限。因此,进行列车车载信号设备大修更新改造(还包含配套的车辆专业改造)时应采取逐列下线改造,改造完毕后重新上线运营的方式。但由于改造完毕的配备了新车载设备的列车在新旧过渡期间需在旧系统下维持运营,就会出现旧系统与新车的适配问题,对此可采用“硬切换”(即物理开关切换)或“软切换”(即软件版本切换)的方式予以解决[8]。

所谓“硬切换”方式,即在车辆改造时保留旧的车载设备,同时安装新的车载设备,并对车辆专业外部接口进行改造使其与新旧系统同时适配,并加装日夜倒接装置。在日间运营时,倒接开关控制车辆接口仅与旧车载设备相连;在夜间调试或新系统割接完毕后,倒接开关控制车辆接口仅与新车载设备相连;当地面设备完成割接后,即可择机拆除旧车载设备和倒接开关,列车完全由新车载设备接管。采用“硬切换”方式的日间运营时段的车载设备状态如图3所示,夜间调试时段的车载设备状态如图4所示,最终大修更新改造完成后的车载设备状态如图5所示。

图3 采用“硬切换”方式的日间运营时段的车载设备状态示意图

图4 采用“硬切换”方式的夜间调试时段的车载设备状态示意图

图5 采用“硬切换”方式的大修更新改造完成后的车载设备状态示意图

当新车载设备软硬件与旧系统可以相互兼容时,还可以采用“软切换”的方式,即在车辆改造时直接拆除旧车载设备并安装新车载设备,但其软件配置为适配于旧系统下运行的版本。当列车需要在新系统下进行调试或运行时,通过软件配置将其适配为新系统下运行的版本。通过更改软件配置的方式完成新车载设备对新旧系统的适配。采用“软切换”方式的日间运营时段的车载设备状态如图6所示,夜间调试时段及系统割接后的车载设备状态如图7所示。

图6 采用“软切换”方式的日间运营时段的车载设备状态示意图

图7 采用“软切换”方式的夜间调试时段及系统割接后的车载设备状态示意图

相比较而言,采用“硬切换”方式,在新旧系统倒接时较为便捷,扳动开关即可,但车辆接口需同时适配新旧两套系统,对其兼容性要求较高;采用“软切换”方式,在新旧系统倒接时需要花费一定时间对系统软件进行配置和恢复,但对车辆接口的兼容性要求较低,在改造时同步完成拆旧,不存在拆旧时重新调试的工作量,但对新车载设备软硬件与旧系统的相互兼容性提出了一定要求。在CBTC系统大修更新改造时,可结合新旧系统特性、车辆接口条件、调试验证需求等因素经综合评估确定最终方案。

4 结语

目前,上海轨道交通部分采用CBTC系统的既有线路的信号系统大修改造工程已纳入近期实施计划,当前正处于项目立项前期的研究论证环节,工程可行性研究报告编制也在同步展开。随着全国其他城市采用CBTC系统的既有线路陆续进入大修更新改造实施周期,本文研究成果对各地的信号系统大修更新改造工作有一定参考价值。