基于貫通運(yùn)營(yíng)的地鐵延伸段信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改造

陳 光

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢//助理工程師)

在城市軌道交通建設(shè)過(guò)程中，分段開(kāi)通的線路在最終實(shí)現(xiàn)貫通運(yùn)營(yíng)時(shí)，常受到信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備制式不統(tǒng)一的約束[1]。因此，延伸段信號(hào)系統(tǒng)與既有段信號(hào)系統(tǒng)的銜接是線路貫通運(yùn)營(yíng)需解決的難題。本文主要探討一種適用于多數(shù)地鐵延伸段的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 延伸段信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在延伸段信號(hào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段，要先明確既有線設(shè)備配置情況，再據(jù)此確定貫通運(yùn)營(yíng)時(shí)的既有設(shè)備、改造設(shè)備和新增設(shè)備。一般線路的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備配置情況如圖1所示。

圖1 一般線路貫通運(yùn)營(yíng)時(shí)的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備配置情況

1.1 正線及軌旁設(shè)備配置

CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)的國(guó)際及國(guó)內(nèi)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較少，各主要供應(yīng)商對(duì)CBTC系統(tǒng)的研制和改進(jìn)往往各自為營(yíng)[2]，不同廠商的CBTC系統(tǒng)硬件和軟件均無(wú)法通用。因此，建議延伸段的廠商及信號(hào)系統(tǒng)配置應(yīng)與既有段保持一致，以便于貫通運(yùn)營(yíng)并節(jié)約成本。

(1) 集中站劃分。影響聯(lián)鎖區(qū)的劃分和設(shè)備集中站的設(shè)置主要因素是聯(lián)鎖設(shè)備對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸設(shè)備和信號(hào)機(jī)的控制距離。既有段聯(lián)鎖區(qū)劃分已經(jīng)定型，且已投入運(yùn)營(yíng)。從設(shè)計(jì)角度和運(yùn)營(yíng)角度考慮，延伸段作為獨(dú)立工程，需盡量減少與既有段的聯(lián)鎖接口。

(2) 區(qū)域控制器(ZC)配置。軌旁的ZC可接收其控制范圍內(nèi)列車(chē)發(fā)出的所有位置信息，并分配行車(chē)許可給其控制列車(chē)。ZC的配置需根據(jù)廠家設(shè)備性能來(lái)確定。例如，泰雷茲的ZC設(shè)備是在每1個(gè)集中站配置1套(包含MAU(移動(dòng)授權(quán)單元)和PMI(微機(jī)聯(lián)鎖))；而卡斯柯的ZC設(shè)備則在1條線路上選擇幾個(gè)集中站設(shè)置，且配置位置主要根據(jù)線路長(zhǎng)度及其管理的列車(chē)數(shù)量來(lái)確定。

(3) ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)工作站配置。ATS工作站與DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))冗余連接，在ATS系統(tǒng)正常工作時(shí)，工作站顯示線路全貌。在得到授權(quán)的情況下，集中站ATS工作站可控制所在區(qū)域的列車(chē)運(yùn)營(yíng)及進(jìn)路排列等，并與中央ATS系統(tǒng)有相同的功能。在中央ATS系統(tǒng)故障時(shí)，集中站ATS工作站可用作本地控制，直接控制對(duì)應(yīng)區(qū)域的列車(chē)運(yùn)營(yíng)及進(jìn)路排列等。

1.2 后備信號(hào)系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)的降級(jí)及后備系統(tǒng)一般可采用聯(lián)鎖級(jí)后備系統(tǒng)或點(diǎn)式ATP(列車(chē)自動(dòng)保護(hù))級(jí)后備系統(tǒng)兩種方式。

聯(lián)鎖級(jí)降級(jí)信號(hào)系統(tǒng)是以聯(lián)鎖功能為基礎(chǔ)。當(dāng)車(chē)載設(shè)備故障或未裝備車(chē)載設(shè)備的工程車(chē)在線運(yùn)行時(shí)，聯(lián)鎖設(shè)備以站間閉塞方式控制車(chē)站的出發(fā)信號(hào)機(jī)。司機(jī)依據(jù)信號(hào)顯示以限制人工駕駛模式或非限制人工駕駛模式駕駛列車(chē)自該站運(yùn)行至下一站。

點(diǎn)式ATP級(jí)降級(jí)及后備信號(hào)系統(tǒng)是在聯(lián)鎖級(jí)的基礎(chǔ)上增加點(diǎn)式地面ATP設(shè)備和車(chē)載ATP設(shè)備。可實(shí)現(xiàn)列車(chē)超速防護(hù)、闖紅燈防護(hù)及精確停車(chē)等。部分品牌的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)ATO(列車(chē)自動(dòng)駕駛)。

建議延伸段的后備信號(hào)系統(tǒng)方案與既有段保持一致，并應(yīng)滿足當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)需求及降級(jí)運(yùn)營(yíng)條件。在后備模式下，可適當(dāng)引入新技術(shù),并確保這不影響既有線正常運(yùn)行。例如，泰雷茲的后備PSD(站臺(tái)屏蔽門(mén))無(wú)線控制子系統(tǒng)就是如此。

1.3 場(chǎng)段信號(hào)設(shè)備配置

(1) 獨(dú)立計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制方案。停車(chē)場(chǎng)或車(chē)輛段簡(jiǎn)稱(chēng)“場(chǎng)段”，其配置的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與正線信號(hào)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，能單獨(dú)控制場(chǎng)段內(nèi)的列車(chē)作業(yè)和調(diào)車(chē)作業(yè)，在與正線相銜接部分采用安全繼電接口設(shè)計(jì)，可完成列車(chē)的進(jìn)出場(chǎng)控制。該方案在場(chǎng)段內(nèi)設(shè)置ATS工作站，并將場(chǎng)段納入正線ATS監(jiān)督。

(2) 正線ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)一體化方案。將場(chǎng)段納入ATC監(jiān)控，并將場(chǎng)段的列車(chē)作業(yè)監(jiān)控與正線ATS一體化設(shè)計(jì)。場(chǎng)段除設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備外，還設(shè)置一定的ATP設(shè)備。場(chǎng)段列調(diào)車(chē)作業(yè)具備ATP功能。

方案的選擇需根據(jù)既有段建設(shè)情況及城市地鐵建設(shè)需求進(jìn)行綜合考慮。如線路為FAO(全自動(dòng)無(wú)人駕駛)線路，則場(chǎng)段建設(shè)需采取ATC一體化設(shè)計(jì)方案，滿足全線全自動(dòng)駕駛功能，如既有段已建立1座車(chē)輛段，則延伸段停車(chē)場(chǎng)建設(shè)需與該車(chē)輛段保持一致。延伸段列車(chē)空閑檢測(cè)設(shè)備選擇計(jì)軸設(shè)備還是軌道電路，需與既有段保持一致，便于維護(hù)和資源共享。

1.4 綜合維護(hù)及培訓(xùn)系統(tǒng)

1條線路在先期的建設(shè)過(guò)程中，通常會(huì)建設(shè)維護(hù)系統(tǒng)及培訓(xùn)系統(tǒng)。

在其延伸段的建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)盡量利用既有設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)延伸段功能，從而減少投資、節(jié)省資源。延伸段可利用既有段的試車(chē)線來(lái)完成試車(chē)任務(wù)；可對(duì)培訓(xùn)系統(tǒng)和維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，以滿足全線的培訓(xùn)和維護(hù)任務(wù)需求。全線貫通運(yùn)營(yíng)時(shí)，控制中心的行車(chē)調(diào)度終端需根據(jù)全線里程數(shù)及與行車(chē)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行溝通，從而確定是否新增行車(chē)調(diào)度終端，還需對(duì)全線顯示界面重新劃分和更新。

1.5 基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備配置

基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備配置主要包括信號(hào)機(jī)燈光顯示、信號(hào)機(jī)光源、電源系統(tǒng)及轉(zhuǎn)轍機(jī)的配置。延伸段的信號(hào)機(jī)燈光顯示需與既有段保持一致，符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人員的工作習(xí)慣；信號(hào)機(jī)光源可在滿足系統(tǒng)兼容性的前提下，采用較先進(jìn)的信號(hào)機(jī)光源；延伸段電源系統(tǒng)配置可與既有段不一致，并根據(jù)用電需求和可靠性需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可采用當(dāng)前先進(jìn)的可靠技術(shù)；延伸段場(chǎng)段以及正線的轉(zhuǎn)轍機(jī)配置需同既有段保持一致，便于維護(hù)資源共享。

2 延伸段信號(hào)系統(tǒng)的改造與實(shí)施

2.1 中央ATS設(shè)備改造方案

控制中心設(shè)置了ATS子系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要包括：ATS服務(wù)器(主/熱備配置)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(主/熱備配置)、數(shù)據(jù)備份服務(wù)器、數(shù)據(jù)記錄儀、調(diào)度工作站、中央聯(lián)鎖工作站、ATS維護(hù)工作站、時(shí)刻表編輯工作站、記錄與回放工作站、彩色激光打印機(jī)，以及與網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘、無(wú)線通信系統(tǒng)、PAS(有線廣播系統(tǒng))、PIS(乘客信息系統(tǒng))、ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))、通信傳輸系統(tǒng)、SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)、大屏等系統(tǒng)的接口服務(wù)器。

ATS子系統(tǒng)系統(tǒng)具備管理長(zhǎng)線路和多車(chē)的能力，并可支持線路的延伸。在延伸段建設(shè)過(guò)程中，首先，要明確既有段ATS系統(tǒng)是否預(yù)留了延伸段的擴(kuò)展容量。如已預(yù)留了容量，則延伸段無(wú)需單獨(dú)配置ATS核心設(shè)備，僅需對(duì)既有段ATS核心設(shè)備進(jìn)行軟件擴(kuò)容改造，即可實(shí)現(xiàn)延伸段的ATS中心功能。擴(kuò)容改造可采用在夜間非運(yùn)營(yíng)時(shí)間實(shí)施并調(diào)試的方案。

2.2 聯(lián)鎖接口改造方案

聯(lián)鎖接口改造主要在既有段與延伸段的既有交界車(chē)站處。在改造方案中需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 正線及配線信號(hào)機(jī)應(yīng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)條件取消封燈。

(2) 增加改造信號(hào)機(jī)的驅(qū)動(dòng)采集板卡、繼電電路、室外控制線纜、發(fā)光盤(pán)及燈絲報(bào)警采集器。

(3) 增加相應(yīng)的計(jì)軸設(shè)備。

(4) 對(duì)集中站聯(lián)鎖主機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容，增加相應(yīng)的進(jìn)路控制，并對(duì)顯示界面進(jìn)行更新。

(5) 對(duì)相鄰ZC控制器進(jìn)行軟件升級(jí)改造。

2.3 DCS傳輸方案

DCS包括有線傳輸裝置、無(wú)線傳輸裝置及網(wǎng)絡(luò)管理裝置

(1) 有線傳輸裝置。有線傳輸裝置確保軌旁設(shè)備之間的通信，其網(wǎng)絡(luò)分為ATP/ATO骨干網(wǎng)和ATS骨干網(wǎng)。在延伸段的建設(shè)過(guò)程中，需拆開(kāi)既有段的盡頭節(jié)點(diǎn)，加入延伸段網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)劃分要與既有段保持一致。

(2) DCS無(wú)線傳輸裝置。無(wú)線傳輸裝置確保車(chē)-地之間的通信。延伸段無(wú)線傳輸裝置的配置方式應(yīng)與既有段保持一致，可根據(jù)既有段運(yùn)行情況，調(diào)整AP(無(wú)線接入點(diǎn))布置方案，以進(jìn)一步優(yōu)化場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，減少既有段無(wú)線傳輸?shù)倪z留問(wèn)題。

(3) 網(wǎng)絡(luò)管理裝置。網(wǎng)絡(luò)管理裝置負(fù)責(zé)對(duì)DCS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和維護(hù)。在延伸段的建設(shè)過(guò)程中，需確認(rèn)既有段網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是否預(yù)留了延伸段使用余量。如有預(yù)留，則僅需對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理裝置進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)，即可滿足延伸段的使用需求。

2.4 車(chē)載設(shè)備配置及改造方案

延伸段與既有段貫通運(yùn)營(yíng)后，延伸段的列車(chē)將進(jìn)入既有段運(yùn)行，既有段列車(chē)也將進(jìn)入延伸段運(yùn)行。因此，除新配屬列車(chē)需配置完整的車(chē)載信號(hào)設(shè)備外，還需對(duì)既有段配屬列車(chē)的車(chē)載控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)容改造及車(chē)地聯(lián)調(diào)，使其能在延伸段正常運(yùn)營(yíng)。此外，延伸段配屬列車(chē)還需在夜間非運(yùn)營(yíng)時(shí)段在既有段進(jìn)行車(chē)地聯(lián)調(diào)，使其能在既有段正常運(yùn)營(yíng)。

3 延伸段信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化

城市軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)集行車(chē)指揮控制和列車(chē)運(yùn)行控制于一體，是一體化的列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有高安全性和高可靠性，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)[4]。

目前，延伸段一般不含車(chē)輛段，新配屬運(yùn)用車(chē)輛及改造車(chē)輛較多，線路長(zhǎng)度短，其信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率略低。參照目前行業(yè)情況和系統(tǒng)配置，延伸段信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率一般為60%～65%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)延伸段的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，著重討論了正線設(shè)備配置、場(chǎng)段信號(hào)設(shè)備配置、信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備配置及既有設(shè)備利用升級(jí)改造等。文中所述的延伸段信號(hào)系統(tǒng)配置方案已在武漢、南京和無(wú)錫地鐵項(xiàng)目中應(yīng)用并實(shí)施。實(shí)踐證明，該方案適用性廣，經(jīng)濟(jì)有效。