兩種城市軌道交通既有線信號系統改造方案對比分析

王二中 李 新

(蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司，215101，蘇州∥第一作者，高級工程師)

根據交通運輸部印發的交運規[2019]8號文《城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法》規定，信號系統整體使用壽命一般不超過20年[1]。因此通常在線路開通運營后的第15年左右就會開始啟動信號系統的更新改造，以確保在其20年的生命年限截止前完成改造，從而保證線路繼續安全運營。本文對比分析城市軌道交通既有線信號系統改造中的CBTC(基于通信的列車自動控制)系統方案和TACS(基于車車通信的列車控制系統)。

1 CBTC系統改造方案分析

1.1 CBTC信號系統特點分析

我國2008年之前開通的城市軌道交通線路主要采用準移動閉塞制式的信號系統，2008年之后開通的基本上采用CBTC系統。與準移動閉塞系統相比較，CBTC系統最主要的特點就是新增了ZC(區域控制器)用于計算移動授權，從而實現了移動閉塞功能。

按照功能劃分，CBTC系統由ATC(列車自動控制)系統、ATS(列車自動監控)系統、CI(計算機聯鎖)系統、DCS(數據通信系統)和MSS(維護監測系統)等5個子系統構成，各系統間相互配合，共同確保列車安全高效運行。

CBTC系統從總體架構而言，軌旁信號設備主要分布在控制中心、車輛段/停車場、設備集中站、非設備集中站、試車線等，車載信號設備主要分布在列車兩端的車頭位置。

1.2 采用CBTC信號系統改造方案難點分析

北京、上海的軌道交通既有線信號系統改造項目，均選用了當時最新的CBTC系統。從已完成的這些既有線信號系統改造項目分析看，采用CBTC系統改造方案主要難點為：

1) 土建方面：既有線信號系統改造，通常是將舊的系統改為目前最新的系統，因此也需要將車輛段/停車場改造成CBTC場段。通常情況下，CBTC車場雙列位存車線之間的安全防護距離需20 m左右，存車線上列車與車檔的安全防護距離需15 m左右。所以需要對既有場段存車線長度進行評估，如果涉及存車線長度增加，將面臨著高昂的土建成本和時間成本，且會影響既有車場的作業，此種情況對運營與施工的總體協調能力要求極高。

2) 時間方面：在信號系統改造期間必須保證既有線的正常運營，因此只能在夜間運營結束后進行新系統調試，一般來說能夠用來進行新系統調試的時間僅為3 h左右[2]。而既有線本身就存在周期性的維護以及故障維修，因此留給新系統調試的點平均每周不會超過4個。因此，相當于在信號系統改造期間，平均每周僅有約12 h的新系統調試時間，為正常新項目時間的五分之一左右。

3) 設備用房方面：在既有線原信號系統建設時，沒有考慮后續改造時新設備的用房問題，根據CBTC系統架構，設備集中站的信號設備室一般總需求在123 m2左右(含設備室85 m2、電源室25 m2、電纜間13 m2)；非設備集中站的信號設備室一般總需求在55 m2左右(含設備室30 m2、電源室15 m2、電纜間10 m2)；停車場/車輛段的信號設備室一般總需求在230 m2左右(含設備室195 m2、電源室35 m2)。因此在現有設備用房條件下協調出新信號系統設備用房也是改造的一大難點與挑戰。

4) 運營影響方面：由于改造期間可用于新系統的調試時間平均每周僅為12 h左右，當新系統調試所需時間或者多個專業同時調試時所需時間協調方面出現紕漏時，存在影響線路運輸能力甚至導致部分區段退出運營的情況。

2 TACS系統改造方案分析

國家發展和改革委員會修訂發布的《產業結構調整指導目錄(2019年本)》中明確將TACS作為城市軌道交通裝備的發展方向之一。目前國內主要信號系統供應商也已推出各自的TACS，預計2021年底將會出現首條開通商業運營的TACS線路。因此TACS也是后續既有線改造時信號系統的一個重要選擇方案。

2.1 TACS信號系統特點分析

與CBTC系統相比較，TACS取消了計軸/軌道電路設備，信號機也可根據運營需求選擇取消或者保留，同時取消了CI系統，將其對軌旁設備動作執行功能優化至OC(目標控制器)系統完成。按照功能劃分，TACS由5 ATC、ATS、OC、DCS和MSS等5個子系統構成，各系統間相互配合，共同確保列車安全高效的運行。

1) ATC功能：具備CBTC系統中ATC的所有功能，由ATP(列車自動保護)系統和ATO(列車自動運行)系統組成。在TACS中，ATC軌旁設備的最大變化是將CBTC系統的ZC升級為了WRC(軌旁資源管理器)，負責所管轄范圍內軌旁資源的管理，處理軌旁資源的請求、分配和釋放等；與CBTC系統相比較，TACS車載控制器增加了列車之間互相通信及定位信息互傳、軌旁資源的申請/釋放、自主計算移動授權、自主計算牽引/制動曲線等功能。

2) ATS功能：與CBTC系統相比較，TACS中沒有CI系統，因此TACS的ATS無與進路相關的功能，其余功能與CBTC系統的ATS功能相同。車站的LATS(車站ATS)設備可根據運營需求選擇保留或者取消。

3) OC功能：OC相當于CBTC系統中CI系統的執行與采集單元，與軌旁ESB(緊急關閉按鈕)、IBP(綜合后備盤)、PSD(站臺門)、SPKS(人員防護開關)和清客按鈕等接口。OC執行軌旁資源管理器的控制命令，直接控制軌旁信號設備動作，并將軌旁信號設備狀態反饋給軌旁資源管理器與ATS。

4) DCS功能：具備CBTC系統中DCS的所有功能，并支持LTE(長期演進)或者Wi-Fi制式的無線傳輸。

5) MSS功能：具備CBTC系統中MSS的所有功能，并新增了與智能運維相關的功能。

TACS總體架構如圖1所示。ATCS以車載控制器為核心，盡可能地優化縮減了軌旁設備，使系統架構更加精簡。

圖1 TACS總體架構示意圖Fig.1 Diagram of TACS overall architecture

2.2 采用TACS信號系統改造方案優點分析

1) 土建方面：TACS對軌旁資源顆粒度的精細化管理，使其比CBTC系統的安全防護距離需求更短，從而在場段改造時對土建條件的需求更少，甚至相對既有線不變。

2) 時間方面：雖然每個點約3 h的新系統調試時間沒變，由于TACS架構的優化，減少了軌旁設備，可以減少系統軟件與數據制作的時間以及系統調試的時間，從而能夠減少整體的改造工期。

3) 設備用房方面：由于TACS架構的優化，減少了軌旁設備，因此可有效減少新設備用房需求。

4) 運營影響方面：由于TACS方案可以減少設備數量與總改造工期，從而降低了設備倒接期間與節約的工期時間內可能出現的影響運營的事故的概率。

5) 運營效率方面：TACS實現了列車與列車間直接交互定位等功能，車載控制器可以自主計算自己的移動授權與控車曲線，加之TACS對軌旁資源顆粒度的精細化管理，使TACS的列車運行間隔最小可以達到90 s，比CBTC系統的提升了25%以上[3]。

3 兩種既有線信號系統改造方案對比分析

TACS代表著目前城市軌道交通信號系統的發展趨勢，與CBTC系統相比，優化精簡了基礎架構層面，同時可對軌旁資源進行精細化管理，因此在既有線改造時，采用TACS的信號系統改造方案具有較大優勢。不同既有線信號系統改造方案對比分析如表1所示。

表1 不同既有線信號系統改造方案對比分析表

4 結語

TACS代表了城市軌道交通信號系統未來發展趨勢。TACS用于既有線改造時，在土建、用房、調試、用電和維護等方面的減少可有效降低投資額度從而直接創造經濟效益；同時，采用TACS信號系統改造方案可大幅提升線路運營能力并可有效降低改造的總工期，從而能創造巨大的社會效益。因此從技術發展的趨勢、經濟效益和社會效益等方面綜合分析，建議在既有線信號系統改造中優先選用TACS。