未來軌道交通信號(hào)系統(tǒng)改造工程技術(shù)方案探討

張東峰

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

針對(duì)目前改造存在的制約因素，信號(hào)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(jí)的難度，這也必將成為城市軌道交通未來改造的方向。針對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目未來改造需求，可探討采用列車自主運(yùn)行（TACS）系統(tǒng)+全電子聯(lián)鎖設(shè)備。

1 軌道交通目前建成現(xiàn)狀

隨著近十幾年中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化率顯著提高，軌道交通已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的大城市公共交通建設(shè)的重要內(nèi)容，各大城市軌道交通運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)已具規(guī)模，運(yùn)量和網(wǎng)絡(luò)密度已逐漸領(lǐng)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(yùn)營線路累計(jì)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(yù)計(jì)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(jìn)入或即將進(jìn)入系統(tǒng)更新改造階段，針對(duì)已進(jìn)入或即將進(jìn)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(hào)系統(tǒng)更新改造方案如何選擇，將進(jìn)行以下探討。

2 改造工程方案選擇

2.1 列車自動(dòng)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?zé)o線通信的CBTC系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線通信設(shè)備，完成列車信號(hào)車載設(shè)備與車站或控制中心設(shè)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(hào)車載設(shè)備和軌旁之間進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的傳輸。由車載設(shè)備確定列車的準(zhǔn)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(jì)算得出列車的移動(dòng)授權(quán)并傳遞給列車車載設(shè)備，列車車載設(shè)備根據(jù)移動(dòng)授權(quán)生成間隔防護(hù)、運(yùn)行曲線以保證列車的安全運(yùn)行。但傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)設(shè)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(gè)子系統(tǒng)之間存在信息交互頻繁，由此導(dǎo)致其通信時(shí)延增加較大，此問題已成為目前整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)能力提升、優(yōu)化的主要制約因素[1]。

（1）列車自主運(yùn)行（TACS）系統(tǒng)。列車自主運(yùn)行（TACS）系統(tǒng)（即基于車車通信的列車自主運(yùn)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(hào)系統(tǒng)中以軌旁進(jìn)路方式實(shí)現(xiàn)的控制功能升級(jí)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(yùn)行計(jì)劃信息發(fā)送至列車上，由列車自主實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制，并向軌旁目標(biāo)控制器發(fā)出操作軌旁設(shè)備命令，其信息流采用單一路徑（見圖2）。而對(duì)于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，列車進(jìn)路管理由軌旁聯(lián)鎖負(fù)責(zé)，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(yùn)行計(jì)劃、聯(lián)鎖進(jìn)路信息等計(jì)算出各列車移動(dòng)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(yùn)行（TACS）系統(tǒng)下，追蹤列車周期性的向前方列車請(qǐng)求其位置信息，前方列車作為響應(yīng)，周期性地向追蹤列車發(fā)送其實(shí)時(shí)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(jì)算移動(dòng)授權(quán)和生成相關(guān)的防護(hù)、運(yùn)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(shí)延和追蹤時(shí)間從而提高運(yùn)營效率。

列車自主運(yùn)行（TACS）系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：1采用精簡系統(tǒng)架構(gòu)提升了系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度，系統(tǒng)接口少，響應(yīng)時(shí)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(shè)備種類和數(shù)量進(jìn)而減少運(yùn)營維護(hù)工作量，從而降低全壽命周期的運(yùn)維成本。

（2）列車自主運(yùn)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(yùn)行系統(tǒng)（TACS）示范工程項(xiàng)目的測試。于2020年6 月 28 日，卡斯柯在上海地鐵 3/4 號(hào)線以寶山路為中心的區(qū)域，實(shí)測了TACS系統(tǒng)在多車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)，包括分岔性能、匯合性能、折返間隔、任意站穿梭、任意點(diǎn)折返等[2]。實(shí)測驗(yàn)證的結(jié)果表明，TACS系統(tǒng)與既有系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相比，關(guān)鍵性能指標(biāo)提升27.03% 以上，與 CBTC 仿真結(jié)果比較，性能指標(biāo)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(yīng)用于法國Lille1號(hào)線輕軌改造工程中。

2.2 聯(lián)鎖設(shè)備（目標(biāo)控制器）方案

目前軌道交通信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)備均采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和裝設(shè)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(shè)備房面積，不利于更新改造時(shí)信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)、改造；在工程建設(shè)過程中，繼電電路的設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)/施工單位反復(fù)校核確保配線正確，增加了設(shè)計(jì)/施工周期；在運(yùn)營維護(hù)中，繼電電路發(fā)生故障的概率較高，排查及搶修較復(fù)雜且時(shí)間較長，給行車效率帶來影響。

故針對(duì)目前存在的現(xiàn)狀可探討推薦采用全電子聯(lián)鎖設(shè)備。全電子聯(lián)鎖設(shè)備相對(duì)于傳統(tǒng)繼電聯(lián)鎖，將設(shè)備室內(nèi)繼電組合電路采用模塊化設(shè)計(jì)集成到機(jī)柜中（稱為“模塊柜”）。模塊柜中可包含交流信號(hào)機(jī)機(jī)籠、直流信號(hào)機(jī)機(jī)籠、交流道岔機(jī)籠、直流道岔機(jī)籠、通用輸入輸出機(jī)籠等（具體可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況選擇配置）。各機(jī)籠內(nèi)對(duì)應(yīng)安裝成對(duì)信號(hào)模塊，每一對(duì)模塊互為I系和II系，工作時(shí)區(qū)分為主備系。

交流信號(hào)機(jī)機(jī)籠內(nèi)安裝交流信號(hào)機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)燈的直接控制。根據(jù)廠家調(diào)研可知：信號(hào)機(jī)機(jī)籠內(nèi)最大可以安裝4對(duì)交/直流信號(hào)機(jī)模塊，每一對(duì)模塊可以驅(qū)動(dòng)8路色燈，每個(gè)機(jī)籠滿配可驅(qū)動(dòng)32路色燈。交流道岔機(jī)籠內(nèi)安裝交流道岔模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流5線制轉(zhuǎn)轍機(jī)（如：ZDJ9型）直接控制。機(jī)籠內(nèi)最大可以安裝4對(duì)交流道岔模塊，每一對(duì)模塊可以控制2組交流轉(zhuǎn)轍機(jī)，每個(gè)機(jī)籠滿配可驅(qū)動(dòng)8組交流轉(zhuǎn)轍機(jī)。直流道岔機(jī)籠內(nèi)安裝直流道岔模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)直接控制。機(jī)籠內(nèi)最大可以安裝4對(duì)直流道岔模塊，每一對(duì)模塊可以控制2組四線制直流轉(zhuǎn)轍機(jī)，每個(gè)機(jī)籠滿配可驅(qū)動(dòng)8組直流轉(zhuǎn)轍機(jī)。通用輸入輸出機(jī)籠內(nèi)安裝通用輸入輸出模塊，實(shí)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(shí)施方案

信號(hào)系統(tǒng)更新改造難點(diǎn)在于車載和車站室內(nèi)設(shè)備改造。

3.1 車載設(shè)備改造措施

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

司機(jī)顯示單元、按鈕：新系統(tǒng)司機(jī)顯示單位及按鈕安裝于臨時(shí)位置，司機(jī)顯示單元設(shè)計(jì)臨時(shí)支架固定，新增的按鈕設(shè)計(jì)箱宜臨時(shí)固定在司機(jī)臺(tái)附近。

外圍設(shè)備：外圍設(shè)備包括速度傳感器、雷達(dá)傳感器、應(yīng)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(dá)傳感器、應(yīng)答器天線、車載天線安裝在新增車輛支架上。對(duì)于與車輛的采集/輸出信號(hào)接口部分，可在列車上安裝倒接開關(guān)進(jìn)行切換，在運(yùn)營和調(diào)試時(shí)段分別倒接至相應(yīng)系統(tǒng)工作。

新系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)收完成后，拆除舊系統(tǒng)設(shè)備，新系統(tǒng)設(shè)備二次移動(dòng)安裝到設(shè)計(jì)位置。

3.2 車站室內(nèi)設(shè)備改造措施

車站室內(nèi)設(shè)備新舊系統(tǒng)在電路上保持相對(duì)獨(dú)立，室內(nèi)設(shè)備改造主要是設(shè)備安裝問題。

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

表1 機(jī)柜數(shù)量對(duì)比表

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

3.3 設(shè)備調(diào)試、測試、倒接

利用運(yùn)營階段進(jìn)行設(shè)備靜態(tài)調(diào)試，利用夜間停運(yùn)階段進(jìn)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(xiàng)測試均通過后，具備載客試運(yùn)營條件后，進(jìn)行系統(tǒng)倒接，倒接成功后逐步對(duì)舊系統(tǒng)進(jìn)行拆除。

4 結(jié)語

根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，信號(hào)系統(tǒng)更新改造是一個(gè)十分復(fù)雜的工程。改造工程需要在保證不影響既有信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行，不降低運(yùn)輸服務(wù)能力和確保運(yùn)營安全的前提下進(jìn)行。期間面臨工期緊、作業(yè)時(shí)間短、安全壓力大，且還受制于安裝空間（包括車載信號(hào)設(shè)備過渡、軌旁信號(hào)設(shè)備過渡、車站室內(nèi)設(shè)備過渡）等諸多因素制約。故針對(duì)改造存在的以上制約因素，信號(hào)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(jí)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(duì)未來軌道交通信號(hào)系統(tǒng)改造需求，可選擇采用列車自主運(yùn)行（TACS）系統(tǒng)+全電子聯(lián)鎖設(shè)備。