城市軌道交通信號系統改造方案研究

朱 莉

(上海地鐵維護保障有限公司，200233，上海 ∥ 高級工程師)

信號系統是確保城市軌道交通行車安全的重要設備。近年來，越來越多早期開通線路的設施設備正逐步面臨大修改造。這些線路通常都是線網中極其重要的骨干線路，其信號系統升級改造方案，不僅要滿足國內城市軌道交通信號系統技術發展的趨勢，還應為線路提供與其在線網中重要性相匹配的、具有更高可用性的信號系統，以滿足長期的運營服務水平保障要求。

1 信號系統改造必要性的判斷

通常情況下，對于已經達到或部分達到大修年限的信號系統而言，其設備多已老化，常發生故障，已對運營造成一定的影響。只有解決既有信號系統存在的老化問題，有效提高信號系統的可靠性和可用性，才能長期維持線路的高水平運營服務質量。要解決信號系統的老化問題，更新改造勢在必行。判斷線路的信號系統是否進入改造周期，需從多角度考慮。

1) 從信號系統的使用壽命考慮。信號設備的整體使用壽命一般不超過20年[1]，如全信號系統使用年限已達合同約定年限或15年以上的[2]，則該信號系統經評估后可確定更新改造方案。

2) 從運營效率考慮。早期開通的線路多處于市中心繁榮地段，其客流量增長明顯，而既有信號系統的設計能力、可靠性及可用性均無法滿足客流日益增長的需求，迫切需要通過升級改造來提高運營效率，提升服務質量。

3) 從技術先進性考慮。早期建設的信號系統技術老舊，設備體量較大，在原有設備基礎上，即使技術再發展，也無法直接實現智能化。此外，部分線路信號系統的備品備件已無法滿足正常運營要求。這些線路的設備在更新改造的同時還要提升智能化水平。

可見，對于國內開通較早線路的信號系統，應按相關規定，對系統能力、設備物理狀態、備品備件和風險源控制情況開展技術論證，以確定更新改造方案。

2 信號系統改造方案的評估

2.1 改造方案的評估要素

信號系統對城市軌道交通運行安全來說十分重要，故改造時需要考慮和平衡的條件較多。在評估信號系統改造方案時，評估者需針對可選方案進行多維度分析，以獲得匹配性更高的結果。

多維度分析的主要評估要素有：

1) 信號系統的工作性能。改造后信號系統的運行間隔設計、開行對數及折返能力等均應滿足線路通過能力的要求。

2) 改造平穩性。在改造過程中，應最大可能地保持既有線路不間斷運營，實現平穩改造，將線路改造對市民出行的影響降到最低。

3) 可靠性及可用性。改造方案應能有效提升信號系統的可靠性和可用性，以匹配日益增長的客運需求以及服務要求。

4) 經濟合理性。改造方案應有較高的經濟合理性，以避免投資浪費。

2.2 信號系統改造方案比選

2.2.1 單系統逐步替換方案

單系統逐步替換方案存在一定局限性，需著重考慮新系統與老設備的接口兼容性問題。目前，主流的新系統很難與老設備實現兼容，通常需附帶進行接口的二次開發。因此，單系統逐步替換方案更適用于對外只有網絡接口的系統。

ATS(列車自動監控)子系統主要設備為服務器及工作站，接口基本為網絡接口，故其替換過程比其它子系統更方便快捷。計算機聯鎖子系統需考慮采集/驅動的接口方式，采用的是單斷邏輯還是雙斷邏輯；如為全電子計算機聯鎖，則可克服繼電器接口的弊端，使替換優勢較大。最復雜的是車載子系統，由于車-地傳輸方式的革新，目前的主流車載子系統已不支持與數字軌道電路進行信息交互，因此，需將車載子系統連同車-地無線系統及軌道電路一并更新。

上海軌道交通1號線(以下簡為“1號線”)的計算機聯鎖子系統改造采用了單系統逐步替換方案，圖1為1號線信號系統改造示意圖。1號線開通時使用的6502繼電聯鎖系統在改造后已經全部替換為計算機聯鎖系統，并保留了部分道岔組合。

從實踐效果來看 ，單系統逐步替換方案短期內投資較小，不過對信號系統可靠性、可用性及性能的提升卻非常有限。

圖1 1號線信號系統改造示意圖

2.2.2 新老設備兼容共存方案

新老設備兼容共存方案是單系統逐步替換方案的延續，其優點是可以最大化的利用舊系統。新老設備兼容共存方案將原設備作為備用系統，或在新設備與原設備之間作協議接口轉換。這樣，既可對信號系統進行一定的升級改造，以提高運營效率，又可以保留原設備，不需要大量的工程改造，成本低。但該方案對信號系統工作效率的提升不明顯。新老設備兼容共存方案的具體實施需要根據客流量及成本等需求來綜合考慮。

上海軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)信號系統升級改造即采用了新老設備兼容共存方案。圖2為2號線信號系統改造示意圖。如圖2所示，改造后的CBTC(基于通信的列車控制)系統增加了CC(車載控制器)、ZC(區域控制器)、LC(線路控制器)、聯鎖、LTE(長期演進)和區間信標等設備。其中新的車載子系統和既有車載子系統兼容共存。改造后的信號系統保留了既有的TWC(車地通信)設備、AF-904軌道電路及軌旁信號基礎設備。

圖2 2號線信號系統改造示意圖

2號線的新老設備兼容共存方案具有CBTC和TBTC兩種控制模式。在正常情況下， CBTC模式為主用模式。當軌旁CBTC設備發生故障或車載CBTC設備發生故障時，列車的車載子系統可切換到TBTC模式運行。當CBTC設備恢復正常時，車載子系統可切換回CBTC模式運行。信號系統控制模式的切換由車載子系統執行，軌旁設備無需其他操作。既有列車在完成車載CBTC子系統改造前，可以TBTC模式在CBTC系統中運行。

這種方案支持分段改造，割接風險小，解決了無法停運改造、改造周期長及不等生命周期建設等問題。CBTC系統與TBTC系統的兼容共存也使得信號系統的可靠性大幅提升。2號線改造后的信號系統性能與新建的CBTC系統性能水平相近。

2.2.3 全部設備更新換代方案

對于全部設備都使用2種移動閉塞制式的信號系統而言，將全部設備更新換代是最徹底的改造方案。該方案對運營效率的提升是顯而易見的，不過該方案的實施最復雜，難度最大。從長遠考慮，該方案是未來城市軌道交通改造的重要方向。此外，要求2種移動閉塞制式均支持全自動運行功能。

上海軌道交通5號線的信號系統改造采用了全部設備更新換代方案。該項目使用新建的CBTC系統來完全替代原有的點式ATP(列車自動保護)信號系統。升級改造后的信號系統工作性能及RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)指標得到大幅提升。

由于全部設備更新換代方案需對軌旁聯鎖設備、次級檢測設備、ATS設備及軌旁ATC(列車自動控制)設備等都進行升級替換改造，不僅更換設備多，而且接口復雜，故在改造工程中投入的過渡成本也較高。

2.3 改造方案與改造需求的匹配性研究

2.3.1 匹配度估值的計算

由于各改造工程的時機、改造建設的投入、線路的不等生命周期、線路的客流量、線路的運營時長等改造背景和環境各不相同，因此，在進行改造方案的設計和評估時，需要考慮的主要評價要素所占的權重和優先級亦各不相同。在評估改造方案時，采用不同改造方案后，其對于各評價要素的評級也各有不同，如表1所示。

表1 不同改造方案的評價要素評級

評估者可結合具體項目的改造背景，提出第i項評價要素所占權重，作為該評價要素的系數βi，通過權重分析計算公式獲得每個改造方案的匹配度估值F：

F=β1x1+β2x2+β3x3+…+βnxj

式中：

xi——第i項評價要素的指標值，xi=3表示方案對該評價要素的評級為“高”，xi=2表示方案對該評價要素的評級為“中”，xi=1表示方案對該評價要素的評級為“低”。

2.3.2 項目實例的匹配度應用

以2號線為例，選取β1=1.5,β2=1.5,β3= 1.2,β4=1.8。經計算，單系統替換方案的匹配度估值F單=11.4，新老設備兼容方案的匹配度估值F兼=15.3，全部設備更新方案的匹配度估值F全=14.1。

以5號線為例，選取β1=2.0,β2=1.0,β3= 0.8,β4=1.8。經計算，F單=9.2，F兼=14.0，F全=15.0。

根據匹配度估值，對于2號線，新老設備兼容共存方案的匹配度估值最高；對于5號線，全部設備更新換代方案的匹配度估值最高。這與2號線和5號線最終選擇的改造方案基本一致。

3 結語

舊線改造是城市軌道交通建設的難點和重點，而新技術的發展給舊線改造提供了更多的選擇。本文首先分析了舊線信號系統改造的必要性，提出了信號系統改造的主要評價要素，并針對不同的線路改造需求，分析了各改造方案與不同的改造需求之間的匹配關系，以獲得最匹配不同改造需求的改造方案。