淺析北京地鐵5號線車載信號改造工程

張 迪

(北京地鐵工程管理有限公司,北京 100005)

0 引言

地鐵信號系統進行一次性改造升級時，需要向國家申請改造立項，待批復后方可實施改造，通常需要4～5年的時間，所用時間較長。北京地鐵5號線開通時間為2007年10月份。由于既有信號系統設備未滿足大修年限要求，所以無法進行立項申請。北京地鐵5號線日均客流量大，信號系統故障頻繁發生，已經嚴重影響了運營。因此，采用傳統的改造升級方式，無法在短時間內降低信號系統故障率、縮短運營間隔、提高線路運力。

針對現狀，決定采用“初期兼容既有軌道電路系統，降低設備故障；后期升級為基于通信列車自動控制(communication based train control,CBTC)制式，提升系統穩定性及運力的改造方案。該方案既能解決北京地鐵5號線現階段車載故障率高的問題、減少故障對日常運營的影響、滿足現階段的運營需求，又能在日后進行大修改造時，全面升級信號系統至CBTC制式，提升運營間隔和運力。

1 信號系統故障分析及應對措施

首先，北京地鐵5號線采用的是基于多信息無絕緣軌道電路的準移動閉塞系統。該系統的基本原理為：采用報文式軌道電路輔之以環線或應答器來判斷分區占用并傳輸信息，可告知后續列車繼續前行的距離；后續列車可根據這一距離合理地采取減速或制動，從而實現列車速度控制[1]。但是準移動閉塞中后續列車的最大目標制動點必須在先行列車占用分區的外方，因此它無法完全突破軌道電路的限制，當運營間隔縮短至2 min后，已經達到其能力設計的上限。

其次，北京地鐵5號線信號系統主要設備供貨廠商較多，系統整體性不強，造成了設備、系統間接口復雜、統籌協調難度較大、故障定位困難、處理問題時效性低下等問題。

另外，由于車載信號設備的列車自動保護/列車自動運行(automatic train protection/automatic train operation,ATP/ATO)系統、絕對/位置參考(absolute position reference,APR)信標閱讀器、ATO環路設備的供應商不再提供設備維護和技術支持。而且目前北京地鐵5號線故障主要集中在車載ATP/ATO系統，因而在發生車載設備故障或系統故障時，難以開展徹底的故障排查和故障分析，給運營維護帶來不利影響。

5號線原信號系統如圖1所示。

圖1 5號線原信號系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original signal system of Line 5

據統計，2015年5號線車載日均故障達到3.09件，遠高于北京線網平均水平，造成列車運營晚點、運營間隔拉大、運力下降、乘客滯留等問題，因而無法保證2 min的運營間隔。在分析車載故障情況后，發現導致車載設備故障率過高的主要原因有以下三點。

①因車載機柜線纜布置過密、電源線與信號線之間距離不足、線纜連接器設計不合理、屏蔽性能差、缺少良好的電磁兼容性設計和工藝等問題，造成機柜內部故障頻發。

②導致模糊區掉碼問題的原因是車載設備判斷碼間隙指標過嚴或地面軌道信號發生異常變化。

③尾端干擾問題的根源是在折返過程中，車載設備未收到道岔區段的載頻信息。

綜上所述，采用CBTC系統是解決北京地鐵5號線運營間隔問題的有效解決方案。

2 改造后的車載信號系統

北京地鐵5號線信號系統目前的信號系統主要包括列車自動監控(automatic train supervision,ATS)、計算機聯鎖(computer interlocking,CI)、ATP、ATO、地面骨干網絡、FS-2500軌道電路及相關配套設備。

改造后的信號系統如圖2所示。

圖2 改造后的信號系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the signal system after restruction

2.1 改造后的車載ATP子系統

ATP子系統是保證列車運行安全、提高運輸效率的控制設備，提供列車運行間隔控制及超速防護，對線路上的列車進行安全控制。

改造后的車載ATP子系統采用“3取2”的安全冗余技術,列車頭、尾各一套設備，頭尾兩端通過通信線纜相連，以實現頭尾兩端設備之間的通信以及車地無線通信的雙路冗余,確保了車載子系統的安全性、可靠性及可用性。ATP子系統的各組成部分通過數據交互，共同完成ATP子系統的各項功能[2]。

5號線車載信號設備整體改造結構如圖3所示。

圖3 5號線車載信號設備整體改造結構圖Fig.3 Overall reconstruction structure of Line 5 vehicle-mountedsignal equipment

ATP子系統間數據流如圖4所示。

圖4 ATP子系統間數據流示意圖Fig.4 Schematic diagram of data flow betweenATP subsystems

改造后的車載子系統如圖5所示。

圖5 改造后的車載子系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of the modified on-board subsystem

改造后的車載ATP系統向人機界面(man machine interface,MMI)發送的信息主要有ATP報警信息、ATP故障信息、超速報警信息、非限制人工駕駛模式(emergency unlimited mode,EUM)信息、碼有效信息、開門允許信息、零目標速度信息、推薦速度信息、自動折返信息、緊急制動速度信息、列車當前速度信息、限制模式(restricted mode,RM)狀態信息、編碼模式(code mode,CM)狀態信息、自動模式(automatic mode,AM)狀態信息、確認信息等[3]。

改造后的車載ATP利用兩個測速電機的兩個相位輸入來計算速度、行走距離和移動方向(向后滾動和向前滾動)以及檢測零速度情況。ATP從測速電機接收的指示主要有四條，分別是測速電機1相同信號、測速電機1求積信號、測速電機2相同信號和測速電機2求積信號。

改造后的車載ATP使用多普勒雷達(與測速電機信息一起)來計算速度、行走距離和移動方向(向前運行和向后運行)，并監控零速度情況。ATP從多普勒雷達接收的信息主要有行走方向、有效方向顯示、多普勒狀態、速度、通電后行走距離和序號等。

改造后的車載ATP與車輛的接口主要分布于四類接口電路，分別是ATP安全輸出接口電路、ATP非安全輸出接口電路、ATP安全輸入接口電路和ATP非安全輸入接口電路。在改造過程中，主要通過增設新電路、保留原電路和信號機柜內部接線、取消原電路和信號機柜內部接線的方式，確保改造后車載ATP的功能或指令可以順利實現。例如：牽引切除、CM輸出、自動折返輸出、緊急制動檢測、列車完整性、客室門關門狀態檢測、自動折返(automatic reversal,AR)按鈕、ATO啟動按鈕等[4]。

2.2 改造后的車載ATO子系統

ATO子系統由軌旁ATO設備和車載ATO設備組成。本工程中以ATP/ATO為核心的、既兼容軌道電路又支持后期升級CBTC系統的車載系統解決方案中，由于采用一體化設計思路，原有的地面美標應答器將逐步被歐標應答器替換，并在完成全部替換后用于為ATP/ATO系統定位及精確停車[5]。另外，站內設置精確停車應答器以滿足ATO更高的列車定位與精確停車要求。地面ATP設備(除APR)仍使用原5號線地面設備。車載ATO子系統如圖6所示。

圖6 車載ATO子系統示意圖Fig.6 Diagram of the on-board ATO subsystem

相關設備信息交互如圖7所示。

圖7 相關設備信息交互示意圖Fig.7 Schematic diagram of related equipmentinformation interaction

軌旁ATO子系統中：軌道電路發碼器通過發送軌道電路的碼位信息，傳輸相關的控制命令以及運行限制的碼位信息給車載ATP子系統；車載ATO子系統根據收到的ATP命令以及運行限制信息，控制列車自動駕駛，并使用歐標應答器進行定位及精確停車。

車載ATO子系統在車頭、尾各設置一套。單套ATO子系統為雙機熱備的冗余架構，通過與車載ATP子系統共用頭尾通信以及車輛接口設備實現ATO的相關功能，確保系統的可靠性與可用性[6]。

冗余ATO子系統是由兩套主機、電源、輸入輸出系統構成且分別獨立工作。兩套系統的電源分別給各系統的輸入、輸出、主機系統供電，且均具有單獨與ATP通信的能力。單個系統ATO主機能夠獨立工作并且能夠獲知另一系統ATO主機的工作狀態，若出現故障，能夠實現可靠切換，而且每個系統ATO都具備完善的故障檢測手段。主、備兩個系統會同時進行輸入開關量采集，但是只有主系統才會進行模擬量、開關量的操作和開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸出的自檢。

此外，車載ATO與車載ATP會共用一些設備，例如：雷達傳感器、速度傳感器、APR板卡、APR接收天線、應答器傳輸模塊(balise transmission module,BTM)主機單元、應答器接收天線、MMI單元、頭尾貫通線、各類相關按鈕及開關等。其中，主備設備可以自動進行轉換,轉換時不會影響列車正常運行和司機正常駕駛。

ATO子系統和ATP子系統通過RS-422接口，基于安全通信協議進行通信。ATO子系統的所有列車控制功能都必須在ATP的防護下實現。在車載ATP和車載ATO間存在一個雙向接口，用于在運行期間實現ATO與ATP的連續數據交換，保證ATO功能的實現。由于ATO所有的數據傳輸都是經過 ATP子系統轉發的，所以整個系統中ATO子系統通信數據的輸入均來自ATP子系統[7-8]。

3 結論

北京地鐵5號線車載信號系統改造工程于2019年4月開始正式啟動。由于前期作了充分的調研、論證和準備工作，該工程僅僅歷時一年，5號線所轄61組列車車載信號設備全部完成了改造升級。于2020年4月竣工，5月完成全部驗收工作。車載ATP/ATO子系統硬件設備在整個升級改造過程中，僅需在開始階段進行1次，后續采用升級軟件程序實現對基于軌道電路的準移動閉塞制式和CBTC制式的兼容，避免了車載設備的重復投資，極大地節約了人力、設備和管理成本，成功實現了兼容和升級的平穩過渡。