城市軌道交通既有線改造方案的比較分析研究

王亞鵬

（天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司，天津 300000）

1 地鐵信號系統(tǒng)概述

1.1 信號系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展趨勢

隨著人口流動(dòng)數(shù)量的增長，我國開始專注于公共交通系統(tǒng)的建設(shè)，因此具有安全、快捷、舒適、環(huán)保的地鐵交通系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。信號系統(tǒng)是保障列車正常運(yùn)行的重要組成部分，它以安全為基礎(chǔ)，在提高列車運(yùn)行速度的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了地鐵的高效指揮管理。隨著信號系統(tǒng)的發(fā)展，它的制式逐步呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化的發(fā)展趨勢。從最早的基于模擬軌道電路的固定閉塞，到基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和基于感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞，再到最新的基于無線通信的移動(dòng)閉塞，在國內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。由于我國自主知識產(chǎn)權(quán)軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展趕不上我國城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，因此信號系統(tǒng)核心部分大多采用國外技術(shù)如歐洲、美國、日本等國際公司的系統(tǒng)。

1.2 信號系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢

近年來，隨著我國軌道交通的迅猛發(fā)展，多數(shù)城市均采用了國際上比較先進(jìn)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，因此目前我國使用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)已經(jīng)屬于國際先進(jìn)水平。進(jìn)入本世紀(jì)初，我國自主研發(fā)單位、信號系統(tǒng)集成廠商也都積極投入到了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研發(fā)大潮中來。2010年底，第一條具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的CBTC線路成功運(yùn)營，它的問世結(jié)束了國內(nèi)地鐵一直采用國外公司核心技術(shù)的歷史。

下圖就列舉了當(dāng)前與國內(nèi)企業(yè)有合作關(guān)系的部分信號系統(tǒng)供貨商及其參與國內(nèi)各城市軌道交通信號系統(tǒng)工程的主要情況。

表1 國內(nèi)主要地鐵列車運(yùn)行控制系統(tǒng)供應(yīng)商情況統(tǒng)計(jì)表

盡管不同信號系統(tǒng)供應(yīng)商的ATC系統(tǒng)在信息傳輸、控制原理及列車定位方式等方面有所不同，但大體上都可以按以下的分類方式來描述ATC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：

（1）信息傳輸方式：從點(diǎn)式→連續(xù)式；從地——車單向→車/地雙向；從小容量通信→大容量通信。

（2）列車控制方式：從階梯式速度曲線→“跳躍”式跟隨速度曲線→“連續(xù)”式跟隨速度曲線。

（3）閉塞制式：從固定閉塞→準(zhǔn)移動(dòng)閉塞→移動(dòng)閉塞→基于無線通信的移動(dòng)閉塞方向發(fā)展。

2 國內(nèi)早期建設(shè)地鐵的信號系統(tǒng)改造介紹

上世紀(jì)建設(shè)運(yùn)營比較早的城市軌道交通信號系統(tǒng)，由于已經(jīng)接近了設(shè)備的使用年限，設(shè)備運(yùn)營壽命正在逐步減少，因而多數(shù)地鐵都開始著手研究系統(tǒng)改造。最早開始改造的是北京地鐵2號線，2008年完成了信號系統(tǒng)的更換，緊接著北京地鐵1號線也于2015年完成改造。其他地鐵開通運(yùn)營較早的城市，如深圳、上海也都開始著手研究改造接近使用年限的信號系統(tǒng)。

2.1 北京地鐵2號線改造方案

北京地鐵2號線全長23.1km，全線18座車站，信號系統(tǒng)采用的是西屋公司固定閉塞系統(tǒng)，因設(shè)備老化嚴(yán)重，經(jīng)過論證后于2006年4月28日通過招標(biāo)的方式與卡斯柯簽訂了合同，將信號系統(tǒng)升級改造為移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。改造工程于2006年11月26日正式開工，在2008年4月12日以點(diǎn)式ATP防護(hù)后備模式順利開通，并于2008年6月15日開通了CBTC系統(tǒng)。它的改造為北京地鐵1號線的改造奠定了基礎(chǔ)。總的來說信號系統(tǒng)改造工程具有協(xié)調(diào)難、安全保障難、工作時(shí)間短的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對設(shè)備、人員、現(xiàn)場安全保障都提出了更高、更嚴(yán)苛的要求。

2.2 北京地鐵1號線改造方案

北京地鐵1號線全長約為34公里，有25座車站、2個(gè)車輛段和一座控制中心。改造設(shè)備包括道岔228組，信號機(jī)472架，軌道電路718個(gè)以及70列六編列車。工程歷時(shí)三年多，并于2015年12月29日完成信號系統(tǒng)的倒切工作，正式啟用新系統(tǒng)投入運(yùn)營。

北京地鐵1號線原來采用的是固定閉塞系統(tǒng)，北京地鐵1號線與延伸線于2000年6月28日貫通運(yùn)營，2009年開始有意向進(jìn)行改造，2010年開始籌劃，經(jīng)過論證后于2012年與卡斯柯簽訂升級改造合同。它的改造工程實(shí)施難度極大，原因如下：1號線貫穿長安街，客運(yùn)量較大，受到廣泛關(guān)注；在保障正常運(yùn)營的情況下開展施工作業(yè)，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，施工和調(diào)試的難度較大，任何異常都可能影響全線乃至全路網(wǎng)的正常運(yùn)營；施工和調(diào)試的天窗期只有夜間停運(yùn)后的3個(gè)小時(shí)，時(shí)間緊迫并且工作量極大；工程涉及通信、信號、AFC、PIS、土建、軌道、供電等多個(gè)專業(yè)，技術(shù)種類多、跨度比較大、設(shè)備較繁雜，協(xié)調(diào)難度和工作量都很大。

目前北京地鐵1號線平均每天客運(yùn)量超過150萬人次，最小的運(yùn)行間隔為2分零5秒。這次信號設(shè)備改造，大幅提高了1號線信號系統(tǒng)的整體技術(shù)水平、安全可靠性和整體質(zhì)量，檢測手段和檢修能力也得到了同步提升。

3 改造方案比較分析

由于面臨改造的地鐵線路建設(shè)較早，信號系統(tǒng)都采用了較為陳舊的技術(shù)，并且大多技術(shù)都是國外廠商提供，在原有系統(tǒng)上進(jìn)行升級難度較大。但同時(shí)信號系統(tǒng)設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn)接口的可擴(kuò)展性也為信號系統(tǒng)改造提供了一定的條件。

3.1 安裝新設(shè)備升級移動(dòng)閉塞方案

采用全新設(shè)備，搭建移動(dòng)閉塞系統(tǒng)主要包含地面設(shè)備改造及車載設(shè)備改造兩個(gè)方面。地面設(shè)備主要包括：聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備、ATP/ATO系統(tǒng)設(shè)備、ATS系統(tǒng)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)備、電源設(shè)備等。采用新設(shè)備的改造工程需要新設(shè)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備；若既有線路是使用軌道電路來檢測占用信息，應(yīng)該引入計(jì)軸設(shè)備作為移動(dòng)閉塞系統(tǒng)后備模式下列車占用檢測設(shè)備；改造工程需要重新配置ATP/ATO，并且需要增設(shè)區(qū)域控制器、信標(biāo)等；對于既有ATS系統(tǒng)，由于需要升級移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，原有舊系統(tǒng)無法滿足當(dāng)前設(shè)備配置，因而需要新設(shè)ATS系統(tǒng)設(shè)備，保證移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的架構(gòu)需要；對于CBTC系統(tǒng)的配置，移動(dòng)閉塞一般采用無線車地通信的方式，只需要增加軌旁無線AP設(shè)備，敷設(shè)室外光纜，建立全新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；而電源系統(tǒng)則需要考量原有的電源容量是否滿足新設(shè)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的用電要求，如果原有電源屏、UPS、電池柜等設(shè)備運(yùn)行故障率低且可以利舊就保留，否則應(yīng)當(dāng)新增電源設(shè)備；軌旁基礎(chǔ)設(shè)備如信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等盡量利舊，以降低工程成本。

由于移動(dòng)閉塞的車載設(shè)備與準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的地面系統(tǒng)無法兼容，既有列車需要新增全套移動(dòng)閉塞車載設(shè)備，其中包括測速電機(jī)、天線、人機(jī)界面、電源、機(jī)柜、列車總線等。新的車載設(shè)備安裝時(shí)間長，調(diào)試過程復(fù)雜，需要使用備用列車與運(yùn)營列車倒替安裝，運(yùn)營公司需要配置一定量的倒替列車，便于新的車載設(shè)備安裝。在駕駛室設(shè)置車載信號設(shè)備倒切開關(guān)，待車載設(shè)備安裝完畢后，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，列車白天以準(zhǔn)移動(dòng)閉塞設(shè)備運(yùn)營，夜間停運(yùn)后倒切到新的車載設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

3.2 利用既有設(shè)備延用原本閉塞系統(tǒng)

若改造工程在不改變既有系統(tǒng)制式前提下對設(shè)備進(jìn)行更換升級，改造工程只需要新設(shè)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備，只要保證室外基礎(chǔ)設(shè)備滿足當(dāng)前最小的牽引時(shí)間，軌道電路、信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、分線盤以及室外線纜均可利舊，室內(nèi)只需要新設(shè)聯(lián)鎖機(jī)柜和組合柜等。改造期間可在室外分線盤增加倒切開關(guān)，夜間停運(yùn)后倒切至新系統(tǒng)設(shè)備，白天運(yùn)營期間轉(zhuǎn)換至既有系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)備改造結(jié)束需要在夜間停運(yùn)后對既有聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行拆除。針對ATS系統(tǒng)設(shè)備，需要前期對既有ATS系統(tǒng)設(shè)備與新設(shè)置的聯(lián)鎖設(shè)備是否兼容進(jìn)行技術(shù)確認(rèn)，并且考慮既有ATS系統(tǒng)設(shè)備的容量，以及處理能力，從而考慮改造工程是否可以利用舊有ATS系統(tǒng)設(shè)備。既有設(shè)備利舊升級改造工程可以利用的設(shè)備包括ATP/ATO車載設(shè)備、軌道電路、信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、站臺(tái)緊急關(guān)閉按鈕、室外電纜等。

4 方案對比總結(jié)

本著盡可能利用既有設(shè)備、減少廢棄的原則，構(gòu)建改造方案是既有線改造的前提。如果既有信號系統(tǒng)僅滿足固定閉塞模式，并且信號系統(tǒng)采用了無法滿足當(dāng)前系統(tǒng)需求的ATP/ATO設(shè)備，目前國內(nèi)使用已經(jīng)淘汰的系統(tǒng)設(shè)備的工程很少。并且舊設(shè)備系統(tǒng)的供應(yīng)商不能為所提供的已經(jīng)過時(shí)的城市軌道交通系統(tǒng)提供技術(shù)支持，不能提供設(shè)備的備品備件和維修維護(hù)服務(wù)等。綜上所述，建議采用信號系統(tǒng)改造升級為移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，不建議利用既有設(shè)備使用原有閉塞系統(tǒng)。