城市軌道交通信號系統改造中的兼容性車載信號系統方案

韓奕瑋

(上海地鐵維保有限公司通號分公司，200235，上海 ∥ 助理工程師)

在上海及廣州等城市軌道交通線路開通較早的城市，越來越多的線路正逐步到達大修年限。這些早年設計的線路普遍采用非移動閉塞信號系統，其運能已出現瓶頸。2015年，北京地鐵1號線率先將原信號系統升級改造為移動閉塞信號系統，其整體運營效率提升了4.2%。故為滿足日益增長的運能需求，信號系統升級勢在必行。而車載信號系統的方案選擇，正是保證承載著巨大客流的線路實現安全平穩升級的關鍵環節。本文以上海軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)正在進行的CBTC(基于通信的列車控制)信號系統改造為例，對兼容性車載信號系統的應用方案進行分析。

1 兼容性車載信號系統的必要性

1. 1 2號線概況

2號線西起青浦徐涇東站，東至浦東國際機場站，途經靜安寺、南京西路、人民廣場、世紀大道等核心商圈，連接上海浦東國際機場和上海虹橋國際機場兩大交通樞紐，為骨干線路。全線長64 km，共設30座車站，其中換乘車站11座。高峰時其全線最大用車數為73列。

2號線客流量龐大。自2015年起，其日均客流量都超過140萬人次，且呈不斷增長的趨勢。最大日客流量超過186萬人次。

2號線運營時間長。一般工作日及周日的常規運營時間為05:28—00:02(次日)；周五和周六，以及國家法定節假日前的最后1個工作日，運營時間為05:28～01:01(次日)。經核算，每天僅有約3 h能進行新信號系統的調試工作。

由于2號線運營時間長、客流大、用車數多，故其調試時，不僅要規避既有車載信號系統和新車載信號系統因調試需要進行倒接切換而帶來的風險，還要保證扣車改造過程中的可用列車數能夠始終滿足運能需求。

1.2 兼容性車載信號系統的思路

面對嚴苛的需求，最優先考慮的是無感改造方案，通過增購列車來保證可用列車數量，使既有列車能有時間進行下線改造。

如增購列車沿用既有車載信號系統，則還需二次改造，造成不必要的投資浪費；如增購列車使用CBTC的車載信號系統，雖其不需改造，卻無法立即上線、維持運能。對此，采用兼容性車載信號系統的想法逐漸萌芽。

綜合考慮了車載信號系統的倒接風險和調試資源，上海軌道交通大膽使用了創新的兼容性車載信號系統。該系統以既有系統供應商高度集成化的新產品代替原機柜，在保持既有車載信號系統功能不變的同時，大幅減少了體積，為CBTC車載系統設備的安裝騰出了空間。兼容性車載信號系統取消了所有既有系統和車輛的接口，而將既有車載信號系統接入CBTC車載系統，由CBTC車載系統統一通過車輛接口來控制列車。在此基礎上兼容性車載信號系統能做到同時適應既有信號制式和改造后的CBTC信號制式，完全規避了倒接過程和相應風險，且節省了夜間調試時的倒接耗時。

2018年5月，2號線的兼容性車載信號系統方案通過了專家評審。

2 兼容性車載信號系統方案

2.1 系統組成

2號線的兼容性車載信號系統以CBTC車載系統為基礎，集成了既有信號系統制式的DTG(車載預處理單元系統)。裝載該兼容性車載信號系統后，列車追蹤間隔更短，信號系統冗余程度更高，列車可選擇DTO(有人跟車的自動運行模式)及ATB(自動折返模式)等更智能的運行模式。更為特殊的是，裝載了兼容性車載信號系統的列車，能夠在2號線既有的信號制式下運行，待未來軌旁CBTC升級改造完成后，列車無需增加任何硬件設備，就能以CBTC制式為主要模式運營。

既有信號制式的DTG設備故障不會影響列車在CBTC制式下的正常運行。當車載CBTC設備或軌旁CBTC設備發生故障時，列車能降級為既有制式繼續運行，使整個信號系統靈活、高效。

兼容性車載信號系統由DTG設備和CBTC車載設備組成(見圖1)。DTG設備主要包括DTG主機、MR(用于屏蔽門聯動信息傳輸的移動電臺)、速度傳感器、ATP(列車自動保護)接收線圈、TWC(車地通信)系統和MR天線等；CBTC車載設備主要包括CBTC主機、編碼里程計、信標天線、DMI(車載人機接口)、DCS(數據通信子系統)設備、紅藍網交換機等。

圖1 兼容性車載信號系統構成

CBTC車載設備基于安全編碼處理器和二乘二取二技術。列車兩端的Tc車(帶司機室的拖車)各設1套完整的CBTC車載設備。二者通過以太網線連接，形成冗余設計。CBTC車載設備與DTG設備相互獨立，沒有共用設備。兩端的DTG車載預處理單元設備分別通過以太網網線連接到CBTC車載設備的紅藍網交換機。

DTG設備本身為頭尾冗余設備。分設于列車兩端Tc車的DTG設備通過硬線相連，并與各端的車底ATP接收線圈連接。當車頭的DTG設備發生故障時，車尾的DTG設備仍能通過車頭的ATP接收線圈來接收和處理機車信號，不影響列車的正常運行。

2.2 接口的設置

CBTC車載設備僅設置其和車輛之間的接口。在CBTC制式下，所有和車輛接口有關的功能均通過向CBTC車載設備發送請求來實現。此設計可確保列車在CBTC制式下運行時，DTG設備不會對CBTC車載設備控車造成任何影響。

2號線兼容性車載信號系統與既有軌旁設備接口如圖2所示。現階段，軌旁設備均為既有設備，其接口都由DTG設備負責。CBTC車載設備的DCS天線暫不設置與任何軌旁設備相關的接口。DTG的TWC天線通過與TWC環線的通信，使列車在停站時接收軌旁TWC設備的列車運行相關命令，并向軌旁TWC設備發送列車狀態信息及故障報警等，以供控制中心設備使用；MR天線通過與軌旁AP(無線接入點)和I-MLK(既有系統聯鎖)的通信，使列車能在精確停站時，向屏蔽門或安全門發送開關門命令并接收屏蔽門或安全門關閉狀態；ATP接收線圈通過軌道電路和Berth環線(站臺停靠環線)來接收既有2號線的控制線命令。DTG主機將上述接口獲得的信息進行處理后發送給CBTC主機。CBTC主機對這些信息進行校驗及計算處理后，通過車輛接口對列車進行控車操作。

圖2 2號線兼容性車載系統與既有軌旁設備接口示意圖

將來，軌旁信號系統升級為CBTC系統后，其與軌旁設備的接口也發生了變化：兼容性車載信號設備將通過車載DCS天線與軌旁CBTC系統接口。在3個既有接口中，MR天線接口中的屏蔽門相關業務將合并進DCS接口內，其他兩個接口則予以保留。含兼容性車載信號系統的CBTC系統結構如圖3所示。

圖3 含兼容性車載信號系統的CBTC系統結構圖

由于兼容性車載信號系統可以同時適應2號線既有信號制式和CBTC制式，故可預先購買一批安裝了兼容性車載信號系統的列車，讓其完成既有制式的調試后逐步上線替代既有列車，并立刻對被替換下線的列車進行兼容性車載信號系統的改造。以此循環，直至全部更新為兼容性車載信號系統。裝備了兼容性車載信號系統的列車于白天在既有制式下運營，于夜間直接進行CBTC制式下的調試。當軌旁信號系統升級為CBTC系統后，無需對每列列車進行車載信號系統倒接，僅通過司機選擇模式，全線所有列車即可在CBTC制式下運行，從而在真正意義上實現了信號系統安全平穩的升級。

3 方案對比分析

3.1 直接翻新CBTC車載子系統方案

對車載信號系統升級而言，直接翻新CBTC車載子系統是更為常見的方案。該方案中，最終成型的列車上僅保留1套CBTC車載子系統，只能以CBTC制式運行。2015年北京地鐵1號線CBTC改造項目的車載子系統就采用了該方案。在實施過渡期間，列車上同時存在新舊2套車載信號設備，需增設倒接開關以提供新老系統的切換。信號車載倒接開關的設計，要確保新車載信號系統不會以任何形式影響到既有車載信號系統的功能，且要能適應調試需求，方便操作。

在該方案整體執行過程中，每列列車需要扣車2次；首次扣車對列車進行增加設備的改造，2套車載信號系統完全獨立，各自接入車輛端子排，相互之間無任何接口。在調試階段：列車白天仍以既有車載信號系統在既有制式下運營；夜間進行CBTC制式調試時，將倒接開關切換到新車載信號系統，由新系統來處理車輛的輸入輸出信息，使列車在CBTC制式下運行；調試結束后，在次日運營開始前，倒接開關切回既有系統。單列列車調試完成后，倒接開關和既有設備不能馬上拆除，需等軌旁設備及所有列車調試完成并一起倒接為CBTC制式后，才能逐步進行二次扣車，以拆除車載倒接開關和既有車載設備。

3.2 方案的對比

在信號系統大修改造中，與直接翻新CBTC車載子系統方案相比，兼容性車載信號系統方案更有優勢，特別是在減少對運營的影響和倒接難度方面更具競爭力。

1) 車輛改造難度。兩個方案都需要進行的車輛接口改造難度差距不大。直接翻新CBTC車載子系統方案因過渡期同時存在2套車載設備，需要在列車上尋找位置安裝新系統的機柜。由于司機室內普遍設備較滿，故新系統的機柜很大概率會設在車廂內。待新系統使用后，需拆除原系統機柜，且拆后空出來的位置無設備可放，新機柜要么非常突兀地保留在車廂里，要么費事移入老機柜位置，流程復雜。兼容性車載信號系統方案中直接將老機柜拆除，并在同位置放入新機柜，流程簡單。

2) 對運營的影響。在信號系統完成升級后，為縮小追蹤間隔并提高折返能力，增購列車勢在必行。兼容性車載信號系統可以直接在增購的列車上安裝，待調試完成后即可批量替換下線改造的既有列車，故能充分保證可用列車數，滿足運能需求，在計劃安排合理的情況下，甚至還能邊改造邊增能。在直接翻新CBTC車載子系統方案里，增購的列車都是新系統，無法替換線上列車，列車改造只能選擇少量扣車進行，否則就無法保證運能。

3) 倒接的風險。直接翻新CBTC車載子系統方案中，為滿足調試需要，在夜間用倒接開關切換新老系統，如在此期間出現問題則會影響次日運營，且倒接開關長期接在車載設備內也是一大風險。兼容性車載信號系統先天就能適應兩種制式，無需設置倒接開關，徹底消除了多車壓力測試、數十輛車一起倒接的風險。

4) 節省調試資源方面。兼容性車載信號系統可以在既有軌旁設備下調試包括車輛接口等絕大部分功能，而無需軌旁設備為了配合車載調試反復倒接。其CBTC部分的功能除自動折返外，基本都可以在試車線上完成，大大降低了調試難度，更無需為增加夜間調試時間提前結束運營。

5) 后備模式方面。直接翻新CBTC車載子系統方案中，信號系統后備模式普遍是采用計軸、有源應答器設備與計算機聯鎖共同構建的，具備ATO(列車自動運行)及ATP功能的點式降級系統。點式降級系統雖然可以通過增加信號系統區間設備、減小軌道區段長度來縮短運營間隔，但仍較難滿足骨干線路極短的運營間隔要求。兼容性車載信號系統保留了既有制式作為后備模式，可提供近似于主用系統的運營間隔，列車的降級運行基本不影響運能。

4 結語

兼容性車載信號系統是不局限于特定供應商的系統。對即將升級改造的線路，只需新舊供應商談妥協議，兼容性車載信號系統就能實現。因此，其具有相當廣泛的適用性，尤其適合需升級增加運能，又不能因為改造影響運能的骨干線路。