城市軌道交通信號系統改造倒接方案設計

馬永恒

（卡斯柯信號有限公司，北京 100045）

0 引言

隨著軌道交通的建設發展，北京、上海等一些城市的軌道交通已形成網絡化運營，日益增長的客流給既有線路的運營組織帶來了巨大壓力[1]，提高運力對信號系統提出了新的需求。另一方面，隨著信號系統投入使用年限的增加，發生故障隱患的幾率也隨著設備老化逐漸增大。基于以上需求，部分地鐵線路開始進行信號系統改造，以達到消除隱患，提高運營能力的目的。在信號系統改造的全過程中，倒接方案的設計與既有信號系統關系最為密切，實施風險最高。本文主要結合北京地鐵1號線的信號系統改造工程，闡述信號系統改造過程中的倒接方案的設計。

北京地鐵1號線于1965年動工，西段1974年開通，東段1999年通車運營。線路全長約34 km，25座車站、2個車輛段及一個控制中心。既有1號線采用固定閉塞信號系統，包括國產繼電聯鎖設備，以及引進的FS2500無絕緣軌道電路設備等。目前線路行車最小間隔為125 s[1]，為了進一步提高運力，將行車間隔縮短為120 s，同時達到消除隱患的目的，對北京地鐵1號線信號系統進行升級改造。

本次信號系統改造采用基于通信的列車運行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統，主要包括列車自動防護子系統 （Automatic Train Protection，ATP）、列車自動運行子系統（Automatic Train Operation，ATO）、列車自動監控子系統 （Automatic Train Supervision，ATS）、 聯 鎖 子 系 統 （Computer Based Interlocking，CBI）和維護支持系統 （Maintenance Support Subsystem，MSS），如圖1所示。信號系統改造的全程將在保證既有信號系統不停運、不降低既有運輸能力的前提下實施。在改造過渡期間，倒接方案的設計需保證新、舊軌旁設備及車載設備獨立運行，實現新、舊信號系統的“無擾切換”。

1 倒接方案設計基本原則

圖1 CBTC信號系統組成

為了實現安全、高效的信號系統倒接，根據改造線路的信號技術特點，倒接方案設計需滿足以下幾個原則：

（1）在信號系統安裝、調試期間，以及后期對舊信號設備、過渡設備的拆除過程中，系統倒接方案的設計要保證不影響正常的商業運營。

（2）在信號系統安裝、調試期間，以及后期對舊信號設備、過渡設備的拆除過程中，既有系統運營效率、運營安全不能因系統改造而降低。

（3）在信號系統安裝、調試期間，以及后期對舊信號設備、過渡設備的拆除過程中，要保證新、舊信號設備獨立運行，以保證過渡期間的新信號系統調試工作。

（4）在保證安全的前提下，要求倒接設計簡單，操作便捷，便于后期拆除。

2 倒接原理

2.1 信號系統倒接階段劃分

（1）既有系統運營階段。在該階段進行信號系統的詳細設計、現場定測及安裝以及系統靜態調試工作。

（2）影子模式運營階段。在該階段進行夜間的動車測試，以及白天在既有系統運營期間，對新系統設備上電進行數據采集工作。

（3）新系統試運營及拆舊階段。完成新系統綜合聯調等各項測試，具備載客試運營條件后，進入該階段。該階段開始對舊信號設備進行拆除。

（4）系統正式運營階段。試運營結束，舊設備及過渡設備拆除完畢后進入該階段。各階段劃分如圖2所示。

圖2 倒接階段劃分

2.2 倒接分析

對軌旁信號系統特點進行分析，新信號系統設備可以完全獨立于既有系統設備進行安裝，兩個系統間的接口僅限于對道岔轉轍機的控制。除轉轍機外，新系統的室內設備、區間設備、站臺設備的安裝、調試均不影響既有系統。針對道岔轉轍機的控制，為保證系統過渡期的調試，設計專用的日夜轉換設備以保證轉轍機可由新、舊信號系統交替控制。白天運營期間由舊信號系統控制，夜間調試由新信號系統控制。

對車載信號系統組成進行分析，對于同時裝有新、舊車載信號系統的車輛，設計信號倒接開關，用于切換新、舊車載信號系統對列車的控制。夜間調試切換到新車載信號系統，白天運營切換到舊信號系統控制。在影子運行階段，運營期間將倒接開關切至既有信號系統控制，同時新車載信號系統設備上電，可以對新系統性能進行監測。

3 軌旁設備倒接方案設計

3.1 外部電路設計

基于以上分析，軌旁新信號系統與既有舊信號系統的接口主要實現聯鎖子系統對道岔轉轍機的控制及狀態采集。根據道岔電路原理，設計“日/夜倒接裝置”用于切換既有舊聯鎖與新系統聯鎖對道岔的信息采集及控制。日/夜倒接裝置設置在既有信號系統機械室內的分線盤處，將新信號系統及既有信號系統的道岔控制電路分別引入日/夜倒接裝置的對應端子上，通過日/夜倒接裝置連接至室外轉轍機，從而實現新、舊信號系統對同一道岔轉轍機的分別控制及狀態采集。如圖3所示。

圖3 新、舊系統倒接原理圖

3.2 新舊系統倒接裝置設計

為保證切換安全可靠、操作簡單，新舊系統倒接裝置設計主要由新舊系統倒接開關、轉換確認開關、雙穩態繼電器、指示燈以及外箱5部分組成。日/夜倒接裝置采用SIL4安全等級的雙穩態繼電器作為主要部件，在繼電器完成切換后，切斷繼電器線圈的供電，繼電器的觸點將會鎖閉在當前狀態下。利用該繼電器的特性，由每組相應觸點的中接點連接室外轉轍機的控制、表示線，前觸點及后觸點分別連接新、舊聯鎖設備的控制電路，從而達到新、舊聯鎖系統對轉轍機切換控制的目的。如圖4所示。

“新、舊系統倒接開關”主要用于新舊設備的倒接操作。當需要轉換到新系統或舊系統時，只須將“新、舊系統倒接開關”扳至對應位置，雙穩態繼電器勵磁接通相應電路，該開關必須與“轉換確認開關”配合使用才能進行新、舊系統切換。

圖4 倒接開關原理圖

“轉換確認開關”主要用于切斷、接通雙穩態繼電器的勵磁電源。在轉換時，將“轉換確認開關”扳至對應位置以接通繼電器勵磁電源；當轉換過程結束，開關扳至對應位置切斷繼電器勵磁電源。從電路設計上強制要求兩次操作確認，能夠有效防止轉換過程中發生的人為誤操作。新、舊系統對道岔信息采集及控制與倒接開關位置關系，參見表1。

表1 采集控制信息與倒接開關位置關系

雙穩態繼電器作為新舊系統倒接裝置的主要部件，對其選擇要充分考慮觸點的瞬間電流沖擊能力。如北京地鐵1號線采用ZD6型雙機牽引轉轍機，在直流220 V負載的情況下，雙穩態繼電器觸點所承受的瞬間電流沖擊須大于8 A。同時為保證繼電器各觸點狀態一致，建議選擇有強制導向觸點的雙穩態繼電器。

指示燈電路主要用于多個繼電器之間的狀態一致性確認。該指示燈串聯在雙穩態繼電器的節點回路中，用于提示接通的是既有系統還是新信號系統。

4 車載倒接設計

對于之前未配備車載信號系統的車輛，不涉及到新、舊信號系統的倒接。在進行車輛信號電路設計時，只需在電路中增加車載信號倒接開關，用于在影子運營期間切斷新信號設備對車載的控制命令。以下主要針對之前配備了既有信號系統的車輛進行倒接方案討論。

對于之前已經配備了車載信號系統的車輛，車載信號倒接設備的設計，需保證對既有車載信號系統與新車載信號系統的切換。車載信號倒接設備電路設計要確保新車載信號系統不會影響到既有車載信號系統的功能，易于操作，以保證新車載調試的要求。因此選擇安全開關作為車載設備倒接的主要部件，該安全開關包含既有信號系統和新信號系統兩個選擇位。進行新、舊系統切換時，只需將倒接開關轉換到相應位置即完成對車載信號系統的倒接。新信號系統和既有信號系統并行采集車輛信息，輸出命令將使用Y形安全開關進行選擇，當開關置于“舊系統”時，既有信號系統對車輛進行控制；當倒接開關置于“新系統”時，新車載信號系統對車輛進行控制。如圖5所示。

圖5 車載倒接原理圖

北京地鐵1號線車輛改造有兩種車型，分別是DKZ4車型及 SFM04車型，采用 6輛編組，3動 3拖[2]，車輛的信號接口電路設計如圖6所示。信號與車輛接口電路中接入車載倒接開關（SC12），該倒接安全開關有 12級共48個觸點，通過該安全開關實現新、舊車載信號系統的切換。

圖6 車輛信號接口電路原理圖

進行新、舊車載信號倒接時，需要破鉛封后，由兩人共同完成倒接開關位置的確認。倒接完成后對倒接開關進行鉛封并鎖閉倒接開關機柜。

5 舊設備及過渡設備拆除

舊信號設備及過渡設備拆除是在新設備倒接完成后，新信號系統試運營階段進行。設備拆除包括軌旁舊信號設備及過渡設備拆除，以及車載舊設備及過渡設備拆除。

5.1 軌旁舊設備拆除

軌旁舊信號設備包括信號機、軌道電路、電源設備、聯鎖設備及電纜等，這些設備與新信號系統沒有接口，在新系統投入試運營后可以分段初步進行拆除。

日/夜轉換開關及既有室外道岔電路作為過渡設備，拆除前需將預先敷設好的轉轍機室外配線接至新信號系統的分線盤，并完成道岔的室內外一致性測試后，才可將日/夜轉換開關及舊組合配線拆除。

5.2 車載舊設備拆除

車載過渡設備主要為倒接開關，在舊的車載信號停用后進行拆除。基于車載倒接開關的電路設計，只需逐車將倒接開關及配線從端子排上拆除即可。

在新信號系統啟用后按施工圖逐車將舊信號設備拆除，之后需對新信號設備重新進行靜態、動態測試，通過后才允許該車再次投入載客運營。

6 結論

本文結合北京地鐵1號線信號改造CBTC工程，淺談改造過程中倒接方案的設計。結合地鐵改造線路的特點，討論如何在不間斷商業運行的情況下，進行CBTC信號系統的工程實施。詳細分析了軌旁設備的倒接以及車載信號設備倒接過程，以實現保證安全、便于操作、對商業運營影響最小的倒接方案設計，為后續軌道交通信號系統改造提供參考。

[1]潘曉軍.北京地鐵1號線運輸能力挖掘研究[J].交通運輸系統工程與信息，2013，13（4）：200-204.

[2]錢麗芳，譚喜堂，申朝旭.北京地鐵1號線運能現狀及提高措施[J].城市軌道交通研究，2012，15（2）：69-73.