上海軌道交通2號線信號系統的升級方案

羅志兵

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，200235，上海 ∥ 高級工程師)

上海軌道交通2號線(以下簡稱“2號線”)是路網中的骨干線路，全長64 km，共設30座車站(含11座換乘站)。全線分四期建設，其中一期段開通運營至今已達20年。2號線自開通以來，未曾有過全面設備大修，其較早開通的區段存在設備老化和損耗嚴重等問題，尤其是信號系統，迫切需要升級改造。本文對2號線信號系統的升級方案進行研究。

1 備選升級方案

國內外既有信號系統的升級改造通常采用3種方案：①沿用既有信號系統制式，僅對相關設備進行替換，維持信號系統的原設計功能，提高其可靠性；②升級既有信號系統，系統制式不變，更新設備，提升部分功能，提高可靠性；③采用全新信號系統替代既有信號系統，提高技術水平，提升系統功能，提高可靠性。

2號線既有信號系統采用美國USS公司(聯合道岔與信號國際公司)提供的TBTC(基于數字軌道電路的列車控制)系統。全線不同時期建設的區段信號系統設計總體原則保持一致，僅設備選型有差異。

為了提升信號系統的可靠性和可用性，2號線的信號系統改造方案應符合信號系統技術的發展方向，滿足長期的運營服務水平需要，并與2號線在線網中的重要性相匹配。此外，改造方案對線路正常運營的影響應最小，且實施風險可控。

經綜合分析，確定2號線信號系統的升級改造方案有：方案一，沿用既有TBTC系統方案；方案二，以新增的CBTC(基于通信的列車控制)系統作為主用系統，以新增點式通信的準移動閉塞系統作為列車降級運行模式下的信號系統(以下稱為“降級系統”)；方案三，新增CBTC系統，并兼容既有的TBTC系統；方案四，車載子系統采用兼容TBTC的CBTC系統，軌旁子系統采用新增的CBTC系統及點式通信制式的軌旁設備，并以點式通信的準移動閉塞系統作為降級系統。

由于方案一沿用既有TBTC系統方案，不滿足技術先進性要求，故不考慮。本文主要從技術先進性、方案可實施性、經濟合理性對方案二、方案三及方案四進行比選。

2 方案比選

2.1 技術先進性分析

2.1.1 降級系統的性能

3個方案均采用CBTC系統作為主用系統，其功能及性能等技術水平均一致。3個方案的降級系統均采用準移動閉塞系統制式，相應的行車控制方式也基本相同，但性能各不相同。

當采用點式通信降級系統時，如列車切換至降級運行模式，則列車需先以人工駕駛方式讀取到下一個有源應答器，才能以ATO(列車自動運行)模式繼續運行。當采用連續式通信方式時，如列車切換至降級運行模式，則其信號系統能實時獲取由軌旁設備向車載設備發送的行車信息，使列車可直接以ATO模式繼續運行，縮短了降級運行的轉換時間，提高了運營服務水平。可見，連續式通信方式更優。

點式通信降級系統均按線路建設初期的運營間隔要求設計。增加信號系統區間設備及減小軌道區段長度等措施，雖能提高行車效率，但仍較難滿足2 min的運營間隔要求。2號線既有TBTC系統已實現了2 min的正線運營間隔要求。連續通信的準移動閉塞系統具有更好的運營能力，在降級模式下基本不影響運營能力，可有效提高2號線信號系統整體的可用性。可見，將既有的連續通信式準移動閉塞系統作為降級系統具有先天優勢。

本文以淞虹路站—虹橋2號航站樓站區間(長度約6 km)為例進行分析。如采用連續通信的降級系統方案(方案三)，則列車在發生故障后，可直接降級并以TBTC制式的ATO模式繼續運行。如采用點式通信的降級系統方案(方案二或方案四)，則區間需增加2架信號機(信號機平均間距約為2 km)。當列車發生故障后，列車需以人工駕駛模式按不高于20 km/h的速度運行2 km(至少需要約6 min)，才能獲得點式有源信標，進而切換到ATO模式。實際操作時還需要司機操作的時間和列車起動時間等。相比方案三，方案二或方案四對運營的影響至少在6 min以上。可見，方案三采用連續式準移動閉塞方式，能極大程度地保障了運營服務水平，其信號系統的整體可用性較高。

2.1.2 ATC(列車自動控制)系統的可靠性指標

方案二和方案四的ATC子系統是CBTC系統和點式降級系統下的ATC子系統，其MTBF(平均無故障時間)指標為目前主流CBTC信號系統關鍵ATC系統的MTBF值，約為2×105h的數量級。

方案三的ATC子系統是CBTC系統和TBTC系統兼容下的ATC子系統。經過測算，其MTBF指標可以達到1.8×106h 的數量級，關鍵ATC系統的可靠性得到明顯提高，兼容性方案具有明顯優勢。

2.2 方案可實施性分析

2.2.1 列車改造

方案二、三、四為實現CBTC系統功能均需進行列車改造。由于3個方案的CBTC主用系統功能一致，故其列車改造工程量和實施難度基本相當。

方案二需要在列車上單獨安裝1套CBTC車載子系統和車載倒接開關，為確保倒接后的信號系統穩定可靠，除了在夜間系統聯調時需進行壓力測試外，還需在信號系統最終倒接前增加一段時間的“影子模式”運營。在“影子模式”下，列車仍以既有信號系統正常運行，新增的CBTC系統以“影子”狀態進行正常工作，但CBTC系統不作最終輸出，一旦其發生任何問題都不會影響列車運行，而只會存在系統日志中。每天運營結束后，對這些系統日志進行分析，可以將CBTC系統存在的問題都在此階段暴露出來，以便不斷修正和改進。經評估，當CBTC系統在“影子模式”下的穩定性和可靠性已滿足正常運營條件時，方可進行信號系統的最終倒接。該方案需要很長時間進行倒接調試，其車載倒接開關將長期使用，增加了調試期間的風險。

方案三及方案四的列車安裝兼容性車載設備以后，能在CBTC和TBTC兩種制式下運行，其車載子系統無需進行倒接，故不存在倒接風險且無需增加“影子模式”這一階段，實施風險可控。此外，在不影響運營的情況下，方案三和方案四還可實現逐列離線改造的方式。只要單列列車的車輛和信號車載設備完成改造及調試，就可在既有的TBTC系統制式下立即投入正線運營。

方案三將部分既有TBTC設備與AF-904數字軌道電路升級改造后作為降級系統，可顯著減少區間軌旁設備的施工作業量，縮短實施工期。此外，室內設備的改造可分部實施，進而縮短整體工期。

同方案二與方案四相比，方案三的整體工期可縮短近一年左右，此外，方案三還具有分段實施的靈活性，可降低由于信號系統升級改造對線路運營造成的影響。

2.3 經濟合理性分析

方案二、方案三及方案四CBTC主用系統的區間軌旁設備布置及數量基本一致。但由于降級系統設備、車載信號系統設備及既有設備拆除存在差異，3個方案的信號系統建設成本也存在較大差異。

2.3.1 降級系統設備的差異

方案二及方案四需在正線新設置有源應答器和計軸設備,這部分建設投資費用較大。

方案三將既有TBTC系統設備升級后作為降級系統使用,除對既有AF-904數字軌道電路進行升級及更換設備的接口板卡外，基本無需再增加建設投資費用，其建設工程實施費用也節省很多。

2.3.2 車載信號系統設備的差異

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方案三及方案四的車載信號設備兼具CBTC制式和TBTC制式的列車控制功能，不需重復建設。方案二需增加軌道電路車載天線、車載TWC(車-地通信)天線和軌道電路處理單元等設備，其車載信號設備單價較高。

2.3.3 既有設備拆除的差異

方案二及方案四需拆除既有TBTC系統的所有室內設備、軌旁設備和車載設備。方案三僅需拆除既有TBTC系統的車載設備，并升級部分室內設備及室外設備。

2.3.4 建設成本的差異

以方案二為基準，方案三及方案四的建設成本差異如表1所示。

表1 方案三及方案四建設成本差異比較表

由表1可見，與方案二相比，方案三建設成本高約5 250萬元，方案四建設成本高約10 350萬元。

為降低實施過渡期間對運營的影響、提高工程的可實施性，方案三及方案四采用了兼容性信號車載設備，增加了建設成本。方案三僅需升級既有TBTC系統設備，與增設新降級系統的方案四相比，可節省一定的投資費用。此外，方案四新增的車載兼容TBTC系統設備僅用于實施過渡期間，待軌旁CBTC子系統啟用后即廢棄，較為浪費。

2.4 綜合比選

考慮到2號線運營時間長，存在大量夜間維護檢修的作業需求，可用的夜間施工點少，因此2號線信號系統的改造升級方案在兼顧經濟性及可實施性的前提下，應充分考慮實施的工期因素，并盡量降低對既有運營安全的影響。

方案二具有相對豐富的工程實施案例，技術經濟性較強。但方案二中列車使用降級系統時的最小運行間隔難以滿足運營需求，其信號系統整體可用性不如方案三，而且方案二的實施難度大，工期長，實施風險較高。

方案三具有較好的可實施性，實施難度相對較低，可縮短工程整體工期且具備分段實施的靈活性，其有效工期較方案二及方案四的工期短一年。但方案三的建設成本略高于方案二。方案三中，當列車使用降級系統時，列車運行仍能滿足最小運行間隔為2 min的要求，其信號系統整體的可用性高，有利于風險管控，可有效減小實施期間對運營造成的影響。

方案四具有可實施性，可降低實施過渡期間對運營的影響，但建設成本較高，存在一定的建設成本浪費，且當列車使用降級系統時，最小運行間隔難以滿足運營需求。與方案三相比，方案四的信號系統整體可用性較差，實施難度較大，工期較長。

各方案的優缺點如表2所示。

表2 2號線信號系統改造方案比選表

由表2可見：方案三具有較優的技術水平和較好的可實施性，易于實現工程的風險管控，工程投資適中；方案三的信號系統整體可用性最好，工程實施對運營的影響最低；方案三的列車采用降級系統時仍能滿足最小運行間隔為2 min的要求，符合2號線高可用性、高可靠性，效率高、間隔短的實際運營需求，也與2號線在上海軌道交通網絡中的重要性相匹配。總之，方案三具有明顯的優越性。

3 最終方案

2號線信號系統升級改造的最終方案選用方案三。2019年1月，2號線信號新增CBTC系統工程通過了審批。2號線采用新增CBTC系統作為主用信號系統，其與既有TBTC系統兼容，保留部分既有的TBTC系統設備，并將既有的AF-904數字軌道電路設備升級，用于列車降級模式運行。2號線升級后新信號系統的車站及軌旁設備構成如圖1所示。

圖1 2號線新信號系統車站及軌旁設備構成示意圖

新增的CI(計算機聯鎖)設備和ATS(列車自動監控)子系統設備應同既有的TBTC系統設備兼容，具備在準移動閉塞制式下，通過升級后的數字軌道電路和TWC實現能滿足列車ATO及ATP(列車自動保護)需求的監控。新增的車載設備在CBTC系統和TBTC系統下都能有效實現對列車的控制功能，可替換既有信號系統的車載設備。2號線新信號系統的車載設備構成如圖2所示。

圖2 2號線新信號系統的車載設備構成示意圖

4 結語

2號線信號系統采用的兼容性改造方案解決了由于設備老化信號系統設備故障率明顯升高的問題，消減了既有信號系統技術支持和服務水平日益降低對正常運營的安全隱患；提升了全線信號系統的性能，有利于提升運行效率；將部分既有信號系統設備保留改造為降級系統，提高了主用系統與備用系統切換的及時性，避免了前期投資的浪費；列車在降級運行時仍可保證2 min的運行間隔；軌旁設備改造和列車改造可同步進行，不會相互制約，倒接風險小；項目可實施性強，靈活性大，符合本工程實施對日常運營的影響降低到最小的原則，也有利于整體工期控制。