未來軌道交通信號系統(tǒng)改造工程技術(shù)方案探討

張東峰

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

針對目前改造存在的制約因素，信號系統(tǒng)未來改造只有采用更高效能、更高集成的系統(tǒng)才能克服改造升級的難度，這也必將成為城市軌道交通未來改造的方向。針對軌道交通信號系統(tǒng)項目未來改造需求，可探討采用列車自主運行（TACS）系統(tǒng)+全電子聯(lián)鎖設備。

1 軌道交通目前建成現(xiàn)狀

隨著近十幾年中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化率顯著提高，軌道交通已成為經(jīng)濟發(fā)展較快的大城市公共交通建設的重要內(nèi)容，各大城市軌道交通運營網(wǎng)絡已具規(guī)模，運量和網(wǎng)絡密度已逐漸領先世界主要大城市。截止2020年末，我國內(nèi)地城市軌道交通運營線路累計長度已接近8000公里，可以看出，我國軌道交通正處于快速發(fā)展期，預計發(fā)展仍將持續(xù)伴隨未來5～10年間。但伴隨著新的線路的不斷開通，較早開通的部分線路已進入或即將進入系統(tǒng)更新改造階段，針對已進入或即將進入更新改造階段的全國已開通軌道交通線路情況，未來信號系統(tǒng)更新改造方案如何選擇，將進行以下探討。

2 改造工程方案選擇

2.1 列車自動控制系統(tǒng)方案

目前國內(nèi)已建成及新建的城市軌道交通均采用基于車地無線通信的CBTC系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線通信設備，完成列車信號車載設備與車站或控制中心設備之間的信息交換。車地之間通過建立連續(xù)、雙向、高速的通信傳輸通道，使相關(guān)命令和狀態(tài)可以在列車信號車載設備和軌旁之間進行實時可靠的傳輸。由車載設備確定列車的準確位置并傳輸至軌旁區(qū)域控制器（ZC），軌旁區(qū)域控制器（ZC）根據(jù)列車位置通過計算得出列車的移動授權(quán)并傳遞給列車車載設備，列車車載設備根據(jù)移動授權(quán)生成間隔防護、運行曲線以保證列車的安全運行。但傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)設備在全線均采用分布式部署方式，其系統(tǒng)架構(gòu)的靈活度較高，適用于現(xiàn)場需求。但由于各個子系統(tǒng)之間存在信息交互頻繁，由此導致其通信時延增加較大，此問題已成為目前整個信號系統(tǒng)能力提升、優(yōu)化的主要制約因素[1]。

（1）列車自主運行（TACS）系統(tǒng)。列車自主運行（TACS）系統(tǒng)（即基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)，此處“車車通信”指列車之間的直接信息交互）將傳統(tǒng)信號系統(tǒng)中以軌旁進路方式實現(xiàn)的控制功能升級為以列車為中心的自主管理方式。其與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的不同之處在于其系統(tǒng)架構(gòu)更精簡，通信傳輸徑路更簡單。新的系統(tǒng)直接將控制中心發(fā)出的列車運行計劃信息發(fā)送至列車上，由列車自主實現(xiàn)運行控制，并向軌旁目標控制器發(fā)出操作軌旁設備命令，其信息流采用單一路徑（見圖2）。而對于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，列車進路管理由軌旁聯(lián)鎖負責，軌旁區(qū)域控制器（ZC）根據(jù)各列車反饋的位置信息并結(jié)合列車運行計劃、聯(lián)鎖進路信息等計算出各列車移動授權(quán)并下發(fā)至列車上，其信息傳輸路徑（見圖1）。

在列車自主運行（TACS）系統(tǒng)下，追蹤列車周期性的向前方列車請求其位置信息，前方列車作為響應，周期性地向追蹤列車發(fā)送其實時位置信息，追蹤列車在得到前方列車的位置信息后通過自身來計算移動授權(quán)和生成相關(guān)的防護、運行曲線，這樣可以立即更新其速度控制曲線，有效縮短列車間的通信傳輸時延和追蹤時間從而提高運營效率。

列車自主運行（TACS）系統(tǒng)的優(yōu)點為：1采用精簡系統(tǒng)架構(gòu)提升了系統(tǒng)的反應靈敏度，系統(tǒng)接口少，響應時間短，從而較大的提高了系統(tǒng)的性能2該系統(tǒng)架構(gòu)的精簡還可減少設備種類和數(shù)量進而減少運營維護工作量，從而降低全壽命周期的運維成本。

（2）列車自主運行（TACS）系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展情況。目前國內(nèi)在上海和青島地鐵正在開展列車自主運行系統(tǒng)（TACS）示范工程項目的測試。于2020年6 月 28 日，卡斯柯在上海地鐵 3/4 號線以寶山路為中心的區(qū)域，實測了TACS系統(tǒng)在多車UTO模式運行狀態(tài)下的多個關(guān)鍵功能和性能指標，包括分岔性能、匯合性能、折返間隔、任意站穿梭、任意點折返等[2]。實測驗證的結(jié)果表明，TACS系統(tǒng)與既有系統(tǒng)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相比，關(guān)鍵性能指標提升27.03% 以上，與 CBTC 仿真結(jié)果比較，性能指標提升19.75%以上（以上數(shù)據(jù)采用卡斯柯測試后公布的數(shù)據(jù)）。

國內(nèi)其余系統(tǒng)集成商包括交控、富欣等廠家也在研發(fā)、測試階段。國外廠商阿爾斯通公司研發(fā)的TACS系統(tǒng)已應用于法國Lille1號線輕軌改造工程中。

2.2 聯(lián)鎖設備（目標控制器）方案

目前軌道交通信號系統(tǒng)聯(lián)鎖設備均采用計算機聯(lián)鎖設備和裝設繼電器的組合柜組成。由于目前室內(nèi)組合柜占用了大量設備房面積，不利于更新改造時信號系統(tǒng)的升級、改造；在工程建設過程中，繼電電路的設計，需要設計/施工單位反復校核確保配線正確，增加了設計/施工周期；在運營維護中，繼電電路發(fā)生故障的概率較高，排查及搶修較復雜且時間較長，給行車效率帶來影響。

故針對目前存在的現(xiàn)狀可探討推薦采用全電子聯(lián)鎖設備。全電子聯(lián)鎖設備相對于傳統(tǒng)繼電聯(lián)鎖，將設備室內(nèi)繼電組合電路采用模塊化設計集成到機柜中（稱為“模塊柜”）。模塊柜中可包含交流信號機機籠、直流信號機機籠、交流道岔機籠、直流道岔機籠、通用輸入輸出機籠等（具體可根據(jù)現(xiàn)場設備情況選擇配置）。各機籠內(nèi)對應安裝成對信號模塊，每一對模塊互為I系和II系，工作時區(qū)分為主備系。

交流信號機機籠內(nèi)安裝交流信號機模塊，實現(xiàn)對交流信號燈的直接控制。根據(jù)廠家調(diào)研可知：信號機機籠內(nèi)最大可以安裝4對交/直流信號機模塊，每一對模塊可以驅(qū)動8路色燈，每個機籠滿配可驅(qū)動32路色燈。交流道岔機籠內(nèi)安裝交流道岔模塊，可實現(xiàn)對交流5線制轉(zhuǎn)轍機（如：ZDJ9型）直接控制。機籠內(nèi)最大可以安裝4對交流道岔模塊，每一對模塊可以控制2組交流轉(zhuǎn)轍機，每個機籠滿配可驅(qū)動8組交流轉(zhuǎn)轍機。直流道岔機籠內(nèi)安裝直流道岔模塊，實現(xiàn)對直流轉(zhuǎn)轍機直接控制。機籠內(nèi)最大可以安裝4對直流道岔模塊，每一對模塊可以控制2組四線制直流轉(zhuǎn)轍機，每個機籠滿配可驅(qū)動8組直流轉(zhuǎn)轍機。通用輸入輸出機籠內(nèi)安裝通用輸入輸出模塊，實現(xiàn)安全繼電器直接控制和狀態(tài)采集等（包括軌道電路、各零散電路等）。

3 改造工程實施方案

信號系統(tǒng)更新改造難點在于車載和車站室內(nèi)設備改造。

3.1 車載設備改造措施

車載機柜安裝：新系統(tǒng)車載設備主機機柜可在緊鄰司機室車廂內(nèi)隔出一定空間來滿足新車載設備臨時安裝要求。

司機顯示單元、按鈕：新系統(tǒng)司機顯示單位及按鈕安裝于臨時位置，司機顯示單元設計臨時支架固定，新增的按鈕設計箱宜臨時固定在司機臺附近。

外圍設備：外圍設備包括速度傳感器、雷達傳感器、應答器天線、車載天線等，速度傳感器可安裝在未使用的車輛車軸上，雷達傳感器、應答器天線、車載天線安裝在新增車輛支架上。對于與車輛的采集/輸出信號接口部分，可在列車上安裝倒接開關(guān)進行切換，在運營和調(diào)試時段分別倒接至相應系統(tǒng)工作。

新系統(tǒng)調(diào)試驗收完成后，拆除舊系統(tǒng)設備，新系統(tǒng)設備二次移動安裝到設計位置。

3.2 車站室內(nèi)設備改造措施

車站室內(nèi)設備新舊系統(tǒng)在電路上保持相對獨立，室內(nèi)設備改造主要是設備安裝問題。

以西安地鐵9號線紡織城站設備集中站（管轄范圍內(nèi)道岔組數(shù)14組，信號機13架）目前室內(nèi)設備布置情況為例，假定全系統(tǒng)（未計算電源及配套設備機柜數(shù)）改造，其改造前后機柜總數(shù)量對比參考如下表：

表1 機柜數(shù)量對比表

由上表可看出，室內(nèi)機柜數(shù)量減少將近一半。其室內(nèi)設備改造可按照如下原則進行：在保證既有設備必要的維護空間的前提下，盡可能利用室內(nèi)已有空間；可采用移動既有可方便移動的信號設備，以滿足新系統(tǒng)設備的安裝空間；可利用設備室附近的信號工區(qū)、值班室用房改造為新的信號設備用房；新設備安裝無法一次就位時，臨時布置的設備要充分考慮二次就位后的最終安裝位置[3]。

3.3 設備調(diào)試、測試、倒接

利用運營階段進行設備靜態(tài)調(diào)試，利用夜間停運階段進行單車功能測試、多車追蹤測試及系統(tǒng)性能測試、綜合聯(lián)調(diào)等。待新系統(tǒng)各項測試均通過后，具備載客試運營條件后，進行系統(tǒng)倒接，倒接成功后逐步對舊系統(tǒng)進行拆除。

4 結(jié)語

根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，信號系統(tǒng)更新改造是一個十分復雜的工程。改造工程需要在保證不影響既有信號系統(tǒng)運行，不降低運輸服務能力和確保運營安全的前提下進行。期間面臨工期緊、作業(yè)時間短、安全壓力大，且還受制于安裝空間（包括車載信號設備過渡、軌旁信號設備過渡、車站室內(nèi)設備過渡）等諸多因素制約。故針對改造存在的以上制約因素，信號系統(tǒng)未來改造只有采用更高效能、更高集成的系統(tǒng)才能克服改造升級的難度，但這也必將成為城市軌道交通未來改造的方向。針對未來軌道交通信號系統(tǒng)改造需求，可選擇采用列車自主運行（TACS）系統(tǒng)+全電子聯(lián)鎖設備。