上海軌道交通3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造方案研究

張舟洋

上海市軌道交通3號(hào)線（又稱“明珠線”）是上海首條高架軌道交通線路。該線具有線路里程長、換乘站線多、客流量線網(wǎng)大、行車間隔小、運(yùn)營效率高等特點(diǎn)。作為上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的骨干線路，在上?？土鬟\(yùn)輸中扮演著極其重要的角色。

隨著使用年限的不斷增長，受系統(tǒng)性能、故障率、設(shè)備供應(yīng)等因素影響，該線既有信號(hào)系統(tǒng)已無法滿足客流增長的需要，提升線路的運(yùn)能迫在眉睫。

1 改造方案描述

伴隨著3C技術(shù)（通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)）的不斷發(fā)展，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)已由人工控制、繼電控制進(jìn)入到計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)化控制時(shí)代［1］。基于上海3號(hào)線本身的特點(diǎn)，信號(hào)系統(tǒng)改造可采用的制式主要有：基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)（TBTC）［2］、基于車地通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）［3-4］和基于車車通信的列車自主控制系統(tǒng)（TACS）［5-7］。

1.1 采用TBTC方案

該方案沿用既有信號(hào)系統(tǒng)制式，即基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)，采用VPI2計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，數(shù)字型軌道電路傳輸?shù)剀嚁?shù)據(jù)，信標(biāo)傳輸車地?cái)?shù)據(jù)。軌旁設(shè)備由SDTC數(shù)字軌道電路、部分道岔區(qū)段設(shè)置傳輸環(huán)線、有源信標(biāo)、無源信標(biāo)、信號(hào)機(jī)和電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)等構(gòu)成。

新設(shè)置的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)與既有的設(shè)備架構(gòu)保持一致，僅可解決由于老化引起設(shè)備故障影響運(yùn)營的問題，無法有效解決既有系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)不到位、備品備件難以采購、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。采用既有TBTC方案后，信號(hào)系統(tǒng)的可靠性和可用性僅能恢復(fù)至原設(shè)計(jì)要求，與目前3號(hào)線在上海軌道交通線網(wǎng)中的重要地位不匹配。

1.2 采用CBTC方案

該方案需全線新設(shè)一整套CBTC系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備，新設(shè)置的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)見圖1。

CBTC系統(tǒng)由ATP/ATO子統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)和維護(hù)支持子系統(tǒng)等構(gòu)成，并以計(jì)軸作為列車次級(jí)檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的降級(jí)功能。CBTC系統(tǒng)設(shè)備按地域可劃分為控制中心、車輛基地、車站及軌旁、車載等設(shè)備。其中控制中心設(shè)備主要有ATS中心應(yīng)用服務(wù)器（CATS）、維護(hù)支持服務(wù)器（MSS）等；車輛基地設(shè)備主要有ATS本地應(yīng)用服務(wù)器（LATS）及ATS工作站（ATS-WS）、區(qū)域控制器（ZC）、MSS、聯(lián)鎖設(shè)備（CI）、室外設(shè)備等；車站及軌旁設(shè)備主要有計(jì)軸設(shè)備（AC）、應(yīng)答器（RB）、轉(zhuǎn)轍機(jī)（SW）、緊急關(guān)閉按鈕（ESB）、綜合后備盤（IBP）、發(fā)車表示器（DTI）、ATS服務(wù)器及其工作站、CI、ZC、線路控制器（LC）、車地?zé)o線通信設(shè)備（LTE）等；車載設(shè)備主要有車載控制器（CC）、輸入輸出設(shè)備（I/O）等。

圖1 CBTC系統(tǒng)主要設(shè)備架構(gòu)

CBTC系統(tǒng)是目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用較多的信號(hào)制式，技術(shù)成熟度很高，具有相對豐富的工程實(shí)施案例，可實(shí)施性強(qiáng)，且符合信號(hào)技術(shù)發(fā)展方向，可以解決既有信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)水平低、RAM指標(biāo)低、備品備件提供困難等問題。

但由于CBTC系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備較多，接口也多，而3號(hào)線有91列車需進(jìn)行車載改造，數(shù)量較大，故在過渡期間，軌旁設(shè)備和車載設(shè)備均存在倒接工作量大、靈活性不足、調(diào)試周期長等問題，采用該方案存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 采用TACS方案

采用該方案也需全線新設(shè)一整套TACS系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備，TACS系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)見圖2。

TACS系 統(tǒng) 由ATP/ATO子 系 統(tǒng)、ATS子 系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)和維護(hù)支持子系統(tǒng)等構(gòu)成，由于TACS系統(tǒng)不是依賴進(jìn)路和區(qū)段占用來控制列車運(yùn)行，而是由車載直接申請軌旁資源，實(shí)現(xiàn)資源占用與釋放，因此不需要配置計(jì)軸設(shè)備和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。TACS系統(tǒng)設(shè)備按地域可劃分為控制中心、車輛基地、車站及軌旁設(shè)備、車載設(shè)備等。其中控制中心設(shè)備主要有ATS中心應(yīng)用服務(wù)器（CATS）、維護(hù)支持服務(wù)器（MSS）等；車輛基地設(shè)備主要有ATS本地應(yīng)用服務(wù)器（LATS）、軌旁資源管理器（WSIC）、MSS、電子輸入輸出單元（ECID）、室外設(shè)備等；車站及軌旁設(shè)備主要有信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、緊急關(guān)閉按鈕（ESB）、信標(biāo)、綜合后備盤（IBP）、WSIC、軌旁列車管理器（WSTC）、ECID、車地?zé)o線通信設(shè)備（LTE）等；車載設(shè)備主要有車載控制器（CC）、輸入輸出設(shè)備（I/O）等。

圖2 TACS系統(tǒng)主要設(shè)備架構(gòu)

TACS系統(tǒng)是以車車通信為基礎(chǔ)，將列車控制與車載網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動(dòng)等系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，優(yōu)化列車控制邏輯、降低列車控制復(fù)雜度，形成以列車為主體、車載控制平臺(tái)為核心的新型列車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車主動(dòng)進(jìn)路、自主防護(hù)、自主調(diào)整為特征的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)，弱化了系統(tǒng)對中心的依賴。

相較于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，TACS系統(tǒng)軌旁設(shè)備更精簡，架構(gòu)更加扁平，核心設(shè)備高度集成，使得在工程實(shí)施過程中室內(nèi)倒接工作量大為減少，倒接風(fēng)險(xiǎn)降低，項(xiàng)目可實(shí)施性更強(qiáng)，靈活性更大，符合改造實(shí)施對日常運(yùn)營的影響最小的原則，對于壓縮整體工期也十分有利。TACS系統(tǒng)不但具有更優(yōu)的區(qū)間通過能力、更佳的列車運(yùn)行控制，還具有易部署、易擴(kuò)展升級(jí)、易維護(hù)的優(yōu)勢，可提供靈活多樣的行車組織模式，有助于應(yīng)對各種故障和突發(fā)情況。

2 可行性分析

2.1 TACS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著有關(guān)TACS技術(shù)的研發(fā)被列入國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整目錄鼓勵(lì)類清單，近幾年各單位對TACS技術(shù)的研發(fā)開始取得不錯(cuò)的效果。

2019年初，卡斯柯信號(hào)有限公司“基于車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS）上海3/4號(hào)線驗(yàn)證項(xiàng)目”正式啟動(dòng)，并于2020年6月28日通過該項(xiàng)目的無人駕駛測試驗(yàn)證專家評(píng)審?，F(xiàn)場實(shí)測了卡斯柯車車通信TACS系統(tǒng)在實(shí)際線路上，多車UTO模式運(yùn)行狀態(tài)下的多個(gè)關(guān)鍵功能和性能指標(biāo)，所有驗(yàn)證指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2020年9月12日，青島地鐵集團(tuán)有限公司組織召開“青島地鐵列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS）示范工程項(xiàng)目工程應(yīng)用前專家評(píng)審會(huì)”。TACS測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，初步達(dá)到示范工程申報(bào)目標(biāo)，標(biāo)志著TACS已拿到工程“通行證”。2020年12月31日，該示范項(xiàng)目已順利通過互聯(lián)互通試驗(yàn)線測試。至此，青島TACS所有地面和試驗(yàn)線試驗(yàn)測試工作全部完成，所有測試結(jié)果全部符合設(shè)計(jì)要求。

深圳地鐵20號(hào)線已采用TACS系統(tǒng)作為信號(hào)系統(tǒng)，正在建設(shè)當(dāng)中，預(yù)計(jì)2021年年底開通運(yùn)營。

截至目前，TACS系統(tǒng)已在國內(nèi)多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)施項(xiàng)目中得到驗(yàn)證。上海3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的改造預(yù)計(jì)工期約5年，TACS系統(tǒng)將得到進(jìn)一步的發(fā)展，技術(shù)也更加成熟，應(yīng)能符合3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造需求。

2.2 上海3號(hào)線改造系統(tǒng)能力分析

根據(jù)客流預(yù)測，上海3號(hào)線全線現(xiàn)階段及初、近、遠(yuǎn)期的開行需求對數(shù)見表1。

針對上海3號(hào)線，分別對采用TBTC系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)和TACS系統(tǒng)3個(gè)改造方案進(jìn)行同參數(shù)系統(tǒng)仿真，3種信號(hào)制式系統(tǒng)能力見表2。

結(jié)合客流預(yù)測和仿真計(jì)算可知，采用TBTC系統(tǒng)進(jìn)行改造已無法滿足3號(hào)線現(xiàn)狀客流需求（寶山路站-虹橋路站下行27對/h）；采用CBTC系統(tǒng)不能滿足遠(yuǎn)期預(yù)測客流需求（寶山路站-虹橋路站下行36對/h）；采用TACS系統(tǒng)能滿足初、近、遠(yuǎn)期預(yù)測客流需求，且保有運(yùn)能儲(chǔ)備量。

表1 上海3號(hào)線全線現(xiàn)階段及設(shè)計(jì)年限的開行需求對數(shù)

表2 3種信號(hào)制式系統(tǒng)能力

上海3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的改造升級(jí)應(yīng)著眼于未來長期的運(yùn)營及維護(hù)需求，保證長期持續(xù)提供高水平的運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。TACS系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中技術(shù)較為先進(jìn)的系統(tǒng)制式，是下一代列控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向，完全符合3號(hào)線的信號(hào)系統(tǒng)改造需求。

3 結(jié)論

綜合分析，TACS系統(tǒng)能夠解決上海3號(hào)線既有信號(hào)系統(tǒng)的缺陷，同時(shí)可提升3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)長期為市民的便利出行提供高水平的運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。因此，上海軌道交通3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)改造建議采用TACS系統(tǒng)方案。與此同時(shí)，持續(xù)關(guān)注TACS系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和國內(nèi)、外運(yùn)行業(yè)績，為3號(hào)線未來功能的拓展、服務(wù)水平的提升，預(yù)留更多的發(fā)展空間。