上海軌道交通3號線信號系統改造方案研究

張舟洋

上海市軌道交通3號線（又稱“明珠線”）是上海首條高架軌道交通線路。該線具有線路里程長、換乘站線多、客流量線網大、行車間隔小、運營效率高等特點。作為上海軌道交通網絡中的骨干線路，在上海客流運輸中扮演著極其重要的角色。

隨著使用年限的不斷增長，受系統性能、故障率、設備供應等因素影響，該線既有信號系統已無法滿足客流增長的需要，提升線路的運能迫在眉睫。

1 改造方案描述

伴隨著3C技術（通信技術、計算機技術和控制技術）的不斷發展，城市軌道交通信號系統已由人工控制、繼電控制進入到計算機和網絡化控制時代［1］。基于上海3號線本身的特點，信號系統改造可采用的制式主要有：基于軌道電路的列車控制系統（TBTC）［2］、基于車地通信的列車控制系統（CBTC）［3-4］和基于車車通信的列車自主控制系統（TACS）［5-7］。

1.1 采用TBTC方案

該方案沿用既有信號系統制式，即基于數字軌道電路的準移動閉塞信號系統，采用VPI2計算機聯鎖，數字型軌道電路傳輸地車數據，信標傳輸車地數據。軌旁設備由SDTC數字軌道電路、部分道岔區段設置傳輸環線、有源信標、無源信標、信號機和電動轉轍機等構成。

新設置的信號系統設備架構與既有的設備架構保持一致，僅可解決由于老化引起設備故障影響運營的問題，無法有效解決既有系統技術服務不到位、備品備件難以采購、建設標準不統一等問題。采用既有TBTC方案后，信號系統的可靠性和可用性僅能恢復至原設計要求，與目前3號線在上海軌道交通線網中的重要地位不匹配。

1.2 采用CBTC方案

該方案需全線新設一整套CBTC系統信號設備，新設置的信號系統設備架構見圖1。

CBTC系統由ATP/ATO子統、聯鎖子系統、ATS子系統、DCS子系統和維護支持子系統等構成，并以計軸作為列車次級檢測設備，實現系統的降級功能。CBTC系統設備按地域可劃分為控制中心、車輛基地、車站及軌旁、車載等設備。其中控制中心設備主要有ATS中心應用服務器（CATS）、維護支持服務器（MSS）等；車輛基地設備主要有ATS本地應用服務器（LATS）及ATS工作站（ATS-WS）、區域控制器（ZC）、MSS、聯鎖設備（CI）、室外設備等；車站及軌旁設備主要有計軸設備（AC）、應答器（RB）、轉轍機（SW）、緊急關閉按鈕（ESB）、綜合后備盤（IBP）、發車表示器（DTI）、ATS服務器及其工作站、CI、ZC、線路控制器（LC）、車地無線通信設備（LTE）等；車載設備主要有車載控制器（CC）、輸入輸出設備（I/O）等。

圖1 CBTC系統主要設備架構

CBTC系統是目前城市軌道交通信號系統應用較多的信號制式，技術成熟度很高，具有相對豐富的工程實施案例，可實施性強，且符合信號技術發展方向，可以解決既有信號系統技術水平低、RAM指標低、備品備件提供困難等問題。

但由于CBTC系統室內設備較多，接口也多，而3號線有91列車需進行車載改造，數量較大，故在過渡期間，軌旁設備和車載設備均存在倒接工作量大、靈活性不足、調試周期長等問題，采用該方案存在一定的風險。

1.3 采用TACS方案

采用該方案也需全線新設一整套TACS系統信號設備，TACS系統設備架構見圖2。

TACS系 統 由ATP/ATO子 系 統、ATS子 系統、DCS子系統和維護支持子系統等構成，由于TACS系統不是依賴進路和區段占用來控制列車運行，而是由車載直接申請軌旁資源，實現資源占用與釋放，因此不需要配置計軸設備和計算機聯鎖系統。TACS系統設備按地域可劃分為控制中心、車輛基地、車站及軌旁設備、車載設備等。其中控制中心設備主要有ATS中心應用服務器（CATS）、維護支持服務器（MSS）等；車輛基地設備主要有ATS本地應用服務器（LATS）、軌旁資源管理器（WSIC）、MSS、電子輸入輸出單元（ECID）、室外設備等；車站及軌旁設備主要有信號機、轉轍機、緊急關閉按鈕（ESB）、信標、綜合后備盤（IBP）、WSIC、軌旁列車管理器（WSTC）、ECID、車地無線通信設備（LTE）等；車載設備主要有車載控制器（CC）、輸入輸出設備（I/O）等。

圖2 TACS系統主要設備架構

TACS系統是以車車通信為基礎，將列車控制與車載網絡、牽引、制動等系統進行深度融合，優化列車控制邏輯、降低列車控制復雜度，形成以列車為主體、車載控制平臺為核心的新型列車控制系統，實現列車主動進路、自主防護、自主調整為特征的列車自主運行系統，弱化了系統對中心的依賴。

相較于傳統的CBTC系統，TACS系統軌旁設備更精簡，架構更加扁平，核心設備高度集成，使得在工程實施過程中室內倒接工作量大為減少，倒接風險降低，項目可實施性更強，靈活性更大，符合改造實施對日常運營的影響最小的原則，對于壓縮整體工期也十分有利。TACS系統不但具有更優的區間通過能力、更佳的列車運行控制，還具有易部署、易擴展升級、易維護的優勢，可提供靈活多樣的行車組織模式，有助于應對各種故障和突發情況。

2 可行性分析

2.1 TACS技術發展現狀

隨著有關TACS技術的研發被列入國家產業結構調整目錄鼓勵類清單，近幾年各單位對TACS技術的研發開始取得不錯的效果。

2019年初，卡斯柯信號有限公司“基于車車通信的列車自主運行系統（TACS）上海3/4號線驗證項目”正式啟動，并于2020年6月28日通過該項目的無人駕駛測試驗證專家評審。現場實測了卡斯柯車車通信TACS系統在實際線路上，多車UTO模式運行狀態下的多個關鍵功能和性能指標，所有驗證指標均達到預期目標。

2020年9月12日，青島地鐵集團有限公司組織召開“青島地鐵列車自主運行系統（TACS）示范工程項目工程應用前專家評審會”。TACS測試結果符合設計要求，初步達到示范工程申報目標，標志著TACS已拿到工程“通行證”。2020年12月31日，該示范項目已順利通過互聯互通試驗線測試。至此，青島TACS所有地面和試驗線試驗測試工作全部完成，所有測試結果全部符合設計要求。

深圳地鐵20號線已采用TACS系統作為信號系統，正在建設當中，預計2021年年底開通運營。

截至目前，TACS系統已在國內多個試驗項目和實施項目中得到驗證。上海3號線信號系統的改造預計工期約5年，TACS系統將得到進一步的發展，技術也更加成熟，應能符合3號線信號系統改造需求。

2.2 上海3號線改造系統能力分析

根據客流預測，上海3號線全線現階段及初、近、遠期的開行需求對數見表1。

針對上海3號線，分別對采用TBTC系統、CBTC系統和TACS系統3個改造方案進行同參數系統仿真，3種信號制式系統能力見表2。

結合客流預測和仿真計算可知，采用TBTC系統進行改造已無法滿足3號線現狀客流需求（寶山路站-虹橋路站下行27對/h）；采用CBTC系統不能滿足遠期預測客流需求（寶山路站-虹橋路站下行36對/h）；采用TACS系統能滿足初、近、遠期預測客流需求，且保有運能儲備量。

表1 上海3號線全線現階段及設計年限的開行需求對數

表2 3種信號制式系統能力

上海3號線信號系統的改造升級應著眼于未來長期的運營及維護需求，保證長期持續提供高水平的運營服務質量。TACS系統是軌道交通信號系統中技術較為先進的系統制式，是下一代列控系統技術的發展方向，完全符合3號線的信號系統改造需求。

3 結論

綜合分析，TACS系統能夠解決上海3號線既有信號系統的缺陷，同時可提升3號線信號系統性能，實現長期為市民的便利出行提供高水平的運營服務質量。因此，上海軌道交通3號線信號系統的升級改造建議采用TACS系統方案。與此同時，持續關注TACS系統的技術發展和國內、外運行業績，為3號線未來功能的拓展、服務水平的提升，預留更多的發展空間。