城市軌道交通信號系統大修改造方案分析

張 惺

自上世紀九十年代末，我國城市軌道交通建設進入快速發展期，城市軌道交通信號系統的設計使用壽命周期一般為15～20 年［1］，因此早期線路信號系統在近幾年逐步達到使用壽命周期年限，進入大修改造環節［2］。例如，已完成改造的北京市軌道交通1、2 號線，上海市軌道交通1 號線，以及正在實施改造的廣州市軌道交通1 號線。

與一般新線建設不同，設計既有線信號系統改造方案時，需要額外考慮既有線運營情況、既有信號系統情況、既有運營維護情況和既有線環境現狀等多方面內容。本文結合國內既有線信號系統改造實施情況，對信號系統大修改造方案進行分析。

1 信號系統改造原則

信號系統改造是將運行時間達到壽命周期年限的舊信號系統設備用新系統設備替換，包括控制中心、車站、區間以及車載設備，消除因設備老化存在的系統性能下降、可用性降低和安全隱患等因素。除主系統設備外，改造范圍還包括電源設備、信號機、軌旁光電纜等配套設備設施。對于日常運營中已按固定的檢修期進行了更換的設備，如道岔轉轍機，則改造時可根據具體情況不進行全部更換。

由于信號系統是確保列車安全、有序運行的關鍵系統，且涉及改造的軌道交通線路均是已長期運營、客流成熟穩定的既有線路，因此改造方案的設計應重點考慮改造期間線路的安全、正常運營，應遵循以下主要設計原則［3］。

1）新系統設備的安裝和調試不影響既有信號系統安全、正常運行。

2）新、舊系統切換應在線路不停運、不降低運輸能力和安全等級的條件下進行。

3）控制改造影響范圍，不造成與信號系統相關的其他專業或條件的重大變化。

4）新信號系統的各項功能和運營指標不低于舊信號系統。

2 信號系統改造方案

針對國內軌道交通建設情況，需要進行大修改造的信號系統主要有早期采用的基于軌道電路的固定閉塞/準移動閉塞信號系統和后續主流的基于通信的移動閉塞CBTC 信號系統，但多數為基于軌道電路的固定閉塞/準移動閉塞信號系統［4］。

結合改造設計原則，信號系統改造可采取維持既有系統制式和完全新建系統2 種方案。

1）維持既有系統制式的改造方案是基于既有制式的信號系統改造后，在新的壽命周期內仍能滿足線路運能、服務水平、維護維修等各項運營需求。改造的主要內容是將既有信號系統硬件全部更換；由于系統制式維持一致，因此系統核心軟件將維持一致，僅對相關工程軟件隨硬件更新進行必要的更新升級。新信號系統將按照改造期新的建設標準在系統配置上進一步補充和完善。

2）完全新建系統的改造方案是重新配置1 套采用目前主流技術的信號系統設備替代既有信號系統設備，即新信號系統采用基于通信的移動閉塞CBTC 信號系統。由于新、舊系統不能相互兼容，因此須將新信號系統設備全部安裝調試完成后，一次性從既有信號系統設備倒切至新信號系統設備投入運營。

2 種改造方案在技術上和工程實施上均可行，但由于各自的技術特點和實施難易程度不同，因此主要在工程投資、工程實施、改造后的系統性能及運營需求等方面存在差異。

2.1 工程投資方面

維持既有系統制式改造方案的系統設備只能限定選擇既有信號系統供貨商，不利于控制系統設備采購價格，但該方案有利于控制改造引起的土建、車站機電及車輛等的改造范圍，產生的配套專業改造費用相對較低。

完全新建系統改造方案的系統設備選擇不受既有信號系統供貨商的限制，有利于控制信號系統設備采購價格。但由于新系統設備安裝對車站設備房空間需求較大、相關專業系統接口變化等因素，因此增加了土建、車站機電、系統接口及車輛的改造工程量和影響面，會產生較高的配套專業改造費用。

如果將系統設備采購價格控制在正常水平，則維持既有系統制式改造方案的工程建設投資相對較低，但因使用了早期技術，改造后系統運營全壽命周期的維保費用將超過完全新建系統改造方案的維保費用。

2.2 工程實施方面

維持既有系統制式改造方案的工程實施以硬件更新為主，主要系統配置、系統功能、系統參數等基本不做重新設計，實施相對簡單；同時該方案可以較大程度上利用新、舊設備的相互兼容性，采取逐個子系統、逐個聯鎖控區甚至逐個設備進行替換的方式進行改造實施，包括車載設備的改造也可采取逐列車退出運營改造、改造完即可上線投入運營的實施方案，可最大限度地縮小過渡調試范圍，控制對既有正常運營造成影響的風險。但在改造過渡期間新、舊設備過渡倒切調試工作量較大，且會存在投入運營的系統中新、舊設備共存情況，需要對系統運行穩定性做充分驗證。

完全新建系統改造方案需要針對既有線路重新做系統設計，需要對線路、軌道、車輛等大量關鍵基礎參數重新搜集和驗證［5］，系統設計難度較高。新建系統設備的施工及單項調試和系統聯調可在不影響既有運營的情況下單獨進行，但與軌旁的道岔轉轍機以及與車輛等其他專業系統的接口，需通過倒切進行控制和調試，尤其是與車輛的接口調試均需在運營時段和非運營時段頻繁倒切進行［6］，對既有正常運營造成影響的風險較大。同時新系統最終投入運營的一次性倒切范圍涉及全線，倒切工作量較大，需停運倒切的可能性高。

整體上維持既有系統制式改造方案的工程實施難度側重于軌旁設備的改造，完全新建系統改造方案的工程實施難度更側重于車載設備的改造。

2.3 改造后的系統性能及運營需求方面

維持既有系統制式改造方案可確保改造后的系統性能不低于既有系統，且可通過逐個子系統、逐個聯鎖控區甚至逐個設備進行替換的分階段實施，達到短期內改善系統性能，一定程度上提高線路運能的目的。例如廣州地鐵1 號線正線信號系統改造，在車站設備尚未完成改造時，于2018 年12 月首先完成中央ATS 系統設備改造，與既有車站設備完全兼容運行，消除了既有ATS 系統長期滿負荷運行的運營安全隱患，也將上線運營列車數從26 對/h 提高到了29 對/h。但該方案需考慮供貨商對設備維護維修技術支持和備品備件的長期供應。

完全新建系統改造方案采用當前主流的CBTC信號系統技術，改造完成后可提供比既有系統更高的運能和運營服務水平，且能夠保證設備維護維修技術支持和備品備件的長期供應。

2 種方案的綜合分析比較見表1。

綜上，從表1 可以看出2 種改造方案各有優缺點，在實際工程設計項目中需要考慮的方面很多，應結合改造線路既有信號系統的具體情況，改造線路所在城市軌道交通線網信號系統整體建設情況，以及改造的現場環境條件等確定最終改造方案。

表1 改造方案綜合比較

3 結束語

本文主要分析了城市軌道交通線路正線信號系統的大修改造方案，對于車輛段/停車場信號系統的改造，由于其相對正線獨立且非載客運營，可視信號系統壽命周期、實際使用情況和技術發展情況等因素單獨立項改造。改造方案重點考慮保持與正線信號系統的正常接口功能，滿足不停運的運營需求。

對于改造線路運營期內增購車部分的信號車載設備，由于其運行時間未達到使用壽命周期，若要繼續沿用，可以通過一定的維護手段并經過嚴格認證后延長其使用壽命，使其壽命周期與改造后新信號系統同步。

由于城市軌道交通各機電系統和車輛的使用壽命周期相近，信號系統進行大修改造時，其他相關機電系統和車輛大概率也在同步進行改造實施，因此應考慮將信號系統改造和車輛、相關機電系統等的改造統籌規劃，做到一次設計、一次實施，避免重復建設、投資浪費［10］。

對于一些建設時間較早，因新的規劃需進行延伸的線路，雖然既有線路信號系統未達到設計使用壽命年限，但考慮技術進步和運營服務水平提高的需求，在對社會、經濟效益充分論證的基礎上，既有線路信號系統也可以隨著延伸線的建設同步進行改造，其改造方案要根據延伸線信號系統確定的技術方案而定。