深圳地鐵3號線信號系統改造方案選擇

葛蘭新

（深圳地鐵建設集團有限公司，廣東深圳 518026）

深圳地鐵3號線一期于2010年12月開通運營，經二、三期延長后線路全長43 km；目前已啟動四期建設并將于2025年開通，屆時達到52 km。三期設計預測線路遠期最大客流斷面每小時4.1萬人次，高峰小時列車對數達到33對/小時；但據運營統計的數據顯示，其高峰斷面客流量達到每小時4.5萬人次。

1 3號線信號系統狀況

深圳地鐵3號線信號系統采用的是國外廠商 的 CITYFLO 650系 統。CITYFLO 650系 統是在20世紀90年代開發，于2003年實現載客運營的基于無線通信的移動閉塞列車控制系統（Communication Based Train Control，CBTC），其架構可采用集成聯鎖模塊，也可采用獨立的計算機聯鎖設備。

3號線信號系統和國內多數廠商的典型CBTC系統架構一樣遵循IEEE1474.1-2004標準，由獨立的計算機聯鎖（Computer Interlocking，CI）、區域控制器（Zone Controller，ZC）、列車自動監控（Automatic Train Supervision，ATS）、車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）等子系統/設備組成。

對3號線于2010年開通運營后信號系統故障統計，從2018年開始故障數量呈上升趨勢；并且國外廠商于2014年對CityFlo650系統開發平臺進行升級，原開發平臺采用的核心設備硬件停產且尚無替代產品，新開發平臺產品無法直接兼容原有硬件，需要國外廠商進行系統整體升級和配置才可使用；在運營過程中，出現的大部分系統問題只能由國外廠商進行分析和解決，正常的維修、維護受到極大限制。

受到在信號系統終點站折返能力的制約，3號線目前按照2 min15 s間隔組織行車，無法滿足客流需求。通過對終點站上行接車進路、站后折入折出進路及下行發車進路等各時間段的測試、比較后，發現折返能力主要受折入折出進路間隔較長的影響。其系統折返進路采用標準進路，廠商出于安全考慮，上行站臺排列至折返軌T1的折入進路，聯鎖須檢查道岔P2處于定位，前車從折返線T1向下行站臺運行，須出清道岔區段T3，道岔P2轉動至定位，方可排列向折返軌T1進路，如圖1所示；而通常其他廠商系統在前車出清道岔區段T2后，就可排列折入進路[1]，只在這點上折返能力就會比3號線既有信號系統有優勢。

為提升線路行車能力，解決運營維護難點，故結合3號線四期工程建設對既有信號系統進行更新改造。

2 系統改造方案需考慮因素

目前國內新建和舊線改造信號系統采用CBTC系統，CBTC模式為系統正常運行方式，聯鎖控制級別為降級模式；聯鎖控制級別應用場景主要發生在運營載客列車出現故障，采用限制人工駕駛模式或非限制人工駕駛模式退出運營情況下，列車運行安全由聯鎖設備、司機等共同保證。

國內早期建設的部分CBTC系統具有點式后備模式，是當時一方面認為無法一次性全功能開通CBTC系統，點式后備模式在初期運營過渡期間應用，另一方面認為車-地無線通信技術不成熟、系統可靠性不高，故要求CBTC系統具備點式后備模式。目前國內廠商的CBTC系統的硬件設備均采用熱備冗余、三取二、二乘二取二等多重冗余技術，系統可靠性、可用性等指標均能滿足標準要求。

根據國內大量項目驗證，近年國內均能一次性全功能開通 CBTC，不需在初期運營過渡期間采用點式降級模式，且降級系統會導致安裝、調式工程量增加，增加項目實施難度。日常運營經驗表明，不需要利用點式降級模式維持載客運營，點式降級設備日常維護反而耗費運維人員大量精力。目前點式降級模式在新建線路上已不再要求。

一般來講，3號線信號系統改造方案應考慮多種因素。

通常改造的設備房面積有限，作業只能在停止運營后進行。設備精簡對室內外作業有利，可以降低更新改造對運營的風險，同時減少運維人員數量和工作量。

系統應能有效提升線路運行能力。在3號線的線路限速、站停時間等外界條件基本不變的情況下，主要依靠提高系統折返能力。

作為具備高架和地下區段，且運行客流量大的線路，運營環境復雜，為提高整個信號系統可用性，應保留適用的降級模式。

結合深圳新建線路全采用全自動運行系統，改造應盡可能提高系統自動化水平，實現有人值守下自動發車、自動開關門等部分GoA3功能。

3 系統改造方案的比選

根據CBTC系統的技術應用，目前3號線信號系統改造有幾種方案可供選擇。

3.1 典型CBTC方案

目前國內新線項目采用主流信號系統屬于典型CBTC系統，配置次級軌道檢測設備（多采用計軸設備）。為提高安裝調試效率，減少設備房面積，目前CI已多采用全電子聯鎖，目標控制單元（Object Controller，OC）是全電子執行單元。

信號系統核心就是對資源的管理和分配，并圍繞移動授權展開。在典型CBTC系統中，CI負責管理和分配線路資源(如計軸區段、信號機和道岔等)，并將資源狀態信息發送至 ZC； ZC根據列車位置信息和CI 發送的線路資源狀態信息為列車計算移動授權，并將計算結果發送給VOBC；ZC將來自VOBC的列車位置信息和來自CI的計軸區段占用信息進行綜合處理，以確定列車的位置關系，并反饋給CI[2]，如圖2所示。ZC和CI互相配合完成的功能包括開放/關閉信號機、解鎖保護區段及CI采集列車包絡占用區段延時檢測。

典型CBTC系統對線路資源的管理是由CI以進路的方式進行統一分配、鎖定和釋放，邏輯簡單。正線區間的“區段”能夠被多車受ZC共同管理的方式拆分并利用，區間追蹤間隔可達到90 s；但在岔區以聯鎖方式獨占岔區資源，資源利用效率相對較低；雖然可以按照《城市軌道列車運營速度限制及匹配技術規范》（T/CAMET04015-2019）提高道岔通過速度及其他特殊措施提高折返能力，折返能力最終能否達到33對/小時還需驗證。

如深圳地鐵3號線采用典型CBTC系統改造，優勢和劣勢都較為明顯。

優勢：典型CBTC系統為當前建設項目的主流方案，技術成熟穩定，具有成熟的聯鎖降級模式，降級條件下的安全性和可用性有保障，有較多的運營線改造案例。

劣勢：室內設備及軌旁設備較多，調試工作量大；其系統能力相對既有系統提升有限。

3.2 軌旁控制一體化的CBTC系統方案

為進一步優化系統性能，降低硬件復雜度，簡化系統架構，減少設備接口，提升系統通信實時性，部分國內信號廠商開始研發軌旁控制一體化架構的CBTC系統。軌旁一體化設備集成了典型CBTC系統中CI、ZC的功能，如圖3所示。采用軌旁控制一體化的CBTC系統有通號城市軌道交通技術有限公司NGTC1.0系統、上海電氣泰雷茲TSTCBTC?2.0 系統等。

CI與ZC一體化后，區段狀態、列車位置信息可在一體化設備中同時接收處理，減少了典型CBTC系統中CI與ZC互發信息的通信延時時間，雙方向延時至少縮短 3 s[3]，明顯提高系統的反應速度，增強系統的可用性。一體化CBTC系統可對道岔區域進行資源精細化控制，將道岔區段優化細分為岔前區域、可動區域、側防區域[4]，列車出清道岔可動區域后就可以轉動道岔，而不需出清整個道岔計軸區段，前車出清側防區域后，后車可以占用側防區域。通過道岔按單動處理、道岔區段進路的快速解鎖，按照列車位置解鎖進路，實現道岔資源的快速釋放，如圖4所示，折返能力突破了典型CBTC系統中聯鎖對系統性能的限制；近期TSTCBTC ? 2.0系統在上海5號線實測的單邊折返追蹤間隔達到86 s。

TSTCBTC ? 2.0系統基于線路資源預留的移動閉塞原則，采用以列車為中心的進路辦理方式，進路與列車關聯，列車的移動授權計算建立在預留的資源范圍內[5]。得益于資源預留，其系統性能已達到最優值。由于系統的線路資源不附帶方向屬性，系統可以支持線路中任意位置的列車排列雙方向的進路。

采用一體化方案的優勢和劣勢如下。

優勢：一體化CBTC系統簡化ZC與CI的接口，降低系統復雜性，計算授權延時短，線路運行能力可得到大幅度的提高，且能夠保留聯鎖控制的降級模式。

劣勢：CI與ZC的集成對整個系統而言，設備減少有限。另外，聯鎖功能測試、一致性測試需要在每個控制區域內進行，改造調試、運營維護工作量減少有限。

3.3 列車自主運行系統方案

列 車 自 主 運 行 系 統（Train Autonomous Circumambulate System，TACS）是目前信號系統中技術較為先進的系統制式，但還沒脫離CBTC系統定義的范疇，強調以“列車自主”為核心理念，縮短控制環節，車與車直接信息交互，系統架構只保留ATS、OC、應答器等設備，取消CI、ZC等正線室內設備，如圖5所示。

該系統相對于典型CBTC系統有兩處主要變動。

1）改變系統功能分配，升級VOBC功能；精簡正線室內設備，原有ZC和聯鎖邏輯功能由VOBC實現，軌旁基礎設備控制由OC完成，OC負責為使用的列車進行資源登記和解除登記。VOBC接收來自ATS的運行任務計劃，自主根據行車計劃進行進路的選擇，并分解為資源向OC申請。

2）列車通過數據通信系統（DCS）與其他列車進行直接通信，交互獲取周圍列車的位置和狀態信息，用于對前后列車位置進行追蹤，自行計算移動授權，增強列車間隔防護的實時性。

車載VOBC基于ATS下發的運行計劃，自主計算對線路資源的需求，向OC進行資源申請，獲得分配使用后，快速釋放資源，在資源管理的全過程中控車信息流采用單一路徑。TACS系統對線路資源（區段、道岔、站臺）采用精細化管理，實現快速釋放，相較典型CBTC系統能夠縮短20%～30%折返間隔[6]。

TACS系統是個輕量化、高效能系統，不需要配置次級軌道檢測設備，但這將導致信號系統無法檢測非通信列車在線路中的運行位置。如何實現對非通信列車的授權和安全防護是系統方案考慮的重點。

部分廠家采用智能感知技術，為列車增加攝像頭、激光雷達等實現對前方障礙物的確認與檢測；或者采用基于射頻識別技術，增加軌旁電子標簽讀取器和列車電子標簽用以判定列車位置[7]，保障非通信列車在線路的行車安全。

采用TACS系統改造的優勢和劣勢如下。

優勢：采用TACS系統對線路運行能力提升大，折返間隔低于90 s，易實現3號線對33對/小時的運行能力需求；系統硬件設備量少，有利于設備的升級維護。室內設備精簡，核心設備高度集成；臨時拆裝與調試工作量也大幅度下降。

劣勢：目前尚無采用TACS系統的工程建設經驗和運營案例；TACS系統列車控制理論與傳統的信號控制理論有很大不同，采用智能感知和射頻識別的降級方案與既有運營降級模式差別較大[8]，運營單位接受難度較大。

4 結語

TACS系統和一體化CBTC系統相比，典型CBTC系統在技術上具有先進性，在性能、建設維護成本等方面具有優勢，符合城市軌道交通信號系統的發展方向，具備更廣泛的應用前景；對于深圳3號線以及其他運營線路的信號更新改造，還需多結合既有運營場景及需求，綜合比選才能選擇出適合的信號系統改造方案。