上海軌道交通2號線改造工程對信號系統的優化設計

施宇豪

上海軌道交通2號線具有線路里程長、換乘站線多、客流量大［1］、行車間隔?。?］、運營效率要求高等特點,是上海軌道交通網絡中極為重要的骨干線路,在城市客流運輸中扮演著極其重要的角色［3］。由于該線至2020年底已開通運營達21年,期間未曾有過全面設備大修［4］,存在設備老化和損耗嚴重等隱患,特別是受系統制式和技術水平的限制,其可靠性指標無法與其重要性相匹配,因此,為確保地鐵運營安全,創造和諧交通,2019年上海市對“2號線新增CBTC系統工程”工程可行性研究報告進行了批復,正式開展2號線的信號改造工作。本次改造針對既有系統的一些不足之處進行了優化設計,對既有信號部分存在的缺陷進行克服,提高了系統能力和效率,增加了系統的靈活性、可操作性。

1 總體方案

此次改造工程新增CBTC作為主用系統,保留部分既有TBTC系統升級后作為備用系統［5］。正線TBTC系統采用AF-904型數字無絕緣軌道電路,以微處理器為基礎,運用了數字編碼技術,信息量大,可為列車運行提供多種不同的速度信息,實現列車運行的模式曲線控制,比一般音頻無絕緣軌道電路具有更強的抗干擾性能。道岔側向區段采用50 Hz相敏軌道電路,在CBTC降級至TBTC情況下,列車仍具備接收速度碼功能和ATO下的駕駛模式。在主用系統故障時,備用系統仍能實現2 min的運營間隔。

新設的計算機聯鎖設備和ATS子系統設備與既有TBTC系統設備相兼容,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（車地通信設備）,實現對列車ATO/ATP級的監控。正線設備構成示意見圖1。

圖1 車站及軌旁設備構成示意圖

經過本次改造后,車載信號系統設備具有兼容性,既可在CBTC系統下對列車運行進行控制,又具備TBTC系統下的列車運行控制功能［6］。車載設備構成示意見圖2。

圖2 車載設備構成示意圖

上海軌道交通2號線的北翟路車輛段、龍陽路定修段、川沙停車場3個車輛基地信號系統,按ATC自動化車輛基地的方案改造。改造后列車將具備自動出入庫能力,并具備ATP/ATO功能［7］。

2 設計優化

2.1 增加信號系統與站臺門聯動

既有2號線中間段淞虹路站至龍陽路站共16座車站,除人民廣場站采用半高站臺門外,其余車站均采用電動欄桿,所有門體均為手動操作,未與信號系統聯動,這樣造成運營期間人員操作時間延長,16座車站時間累加后,對運營效率影響較大。本次改造將全線車站統一采用半高站臺門,接入站臺門與信號CBTC系統聯動功能,可實現準全自動駕駛模式要求。

2.2 CBTC下實現輔助改方功能

改造后采用CBTC系統的新聯鎖子系統,實現原有TBTC的緊急交通釋放功能,以及保持既有TBTC系統控制線中的方向電路邏輯；考慮到CBTC和TBTC系統碼位的一致性要求,由CBTC聯鎖與TBTC接口,統一控制雙套系統,并在保證安全的情況下采取靈活控制方式,提高出段/場處碼位控制的靈活性。

2.3 出段/場時方向電路特殊處理

在原有數字軌道電路系統邏輯中,當車輛基地有列車出段/場時,調度需在ATS操作面板上,從出段/場線與正線線路插車點至對向正線相鄰聯鎖區的有岔站這整段區段,手動逐一選中并強制取消正線運營列車前方區段的控制線方向碼位,使正線運營列車在該相鄰聯鎖區的有岔站臺等待。正線控制線方向的電路解鎖需2 min,出段/場列車在等待結束后,才可改變這一段的控制線方向碼位,排列出段/場的列車進路。在出段/場列車折返完成進入正線區段后,等待的正線列車需在無碼情況下,由司機手動駕駛經過下一聯鎖區第一站后,才可獲得新速度碼,從RM模式升級至ATO模式（TBTC下）。如此會造成出段/場列車對正線運營的較大干擾,對正線運營效率、調度員操作頻度產生很大影響。

針對上述情況,本次改造做了系統設計升級。通過對CBTC軟件的特殊處理,實現在無需改變正線區段控制線方向碼位下,也可辦理出段/場列車進路,省去系統強制改方向的2 min等待時間。此時出段/場列車可駛入正線車站,并轉換列車駕駛室,正線等待的列車也只需停于防護區段以外。根據2號線車輛制動、信號反應時間、保護距離等參數實際計算后,相隔距離可縮短至1.1 km。待出段/場列車駕駛室轉換完成后,正線后方等待的運營列車前方防護區段可隨即縮短,最小可縮短至與前車一個棒線區段的距離。改造前、后,后車等待位置見圖3。

圖3 后車等待位置

如此可在保持TBTC底層軟硬件邏輯不變的前提下,對CBTC下列車出段/場“將TBTC方向碼位變為與出段/場線方向一致”的條件進行更新,最大程度地優化了出段/場的可操作性和靈活度。建議在實際運營時,考慮到避免乘客等待于區間內,可設置等待于出段/場插車點的就近車站。

2.4 縮短岔區進站列車占用長度

受2號線既有TBTC系統功能邏輯的局限,在其線路東端浦東國際機場站折返時,由于交叉渡線中既有棒線為超限,前一列車進入折返線折返作業時,會使占用區域擴大至站臺,導致后車進站時,無法停準至站臺出站信號機前方,造成運營效率降低,影響全線行車能力。

為了在CBTC模式下,列車既可停至出站信號機接近點,又可保證一旦越過紅燈就會觸發緊急制動。本次改造在末端站進站終點信號機設置延續保護進路,使保護進路不侵入3005#道岔所屬警沖標范圍,將后車進站停車與前車折返作業獨立隔開,實現改造后信號系統的運能優化,提高折返效率。改造后停站列車和折返列車獨立作業示意見圖4。

圖4 改造后停站列車和折返列車獨立作業

2.5 車輛基地內出/入庫能力優化

2號線所屬3個車場既有設備采用卡斯柯VPI信號聯鎖,目前列車出、入段/場采用司機目視人工駕駛方式,效率較低。為增加信號系統的出/入庫能力,本次將3個車輛基地改造為自動化車輛基地。車輛段/停車場設置ATP防護區,分為自動化區和非自動化區,列車出、入段/場將采用DTO駕駛方式,由系統保證安全,提高出、入段/場效率。

但由于上海2號線3個車輛基地現存土建條件限制,此次改造進行如下優化。

1）車輛基地運用庫內不設置物理隔離,只在庫外安裝物理隔離。

2）信號系統在庫外ATC區域設置作業人員封鎖按鈕,保證自動化區人員安全。

3）列車出庫時,以ATP手動模式駕駛至庫前平交道停車,再轉DTO/ATO模式運行出庫。

4）列車回庫時,在入場信號機前,以ATP手動模式駕駛至庫前平交道停車；然后轉RM模式運行至停車點精確停車。

5）預留列車以ATO模式運行至平交道前,再轉ATP手動模式運行至停車點精確停車回庫的功能。

6）根據后備聯鎖下出、入段/場能力計算,在車輛基地大小咽喉區域的中部,增加出、入段列車信號機,保證在車輛基地主用系統故障,聯鎖后備下出/入庫效率可滿足上海地鐵標準的要求。

車輛基地信號系統設計經過優化后,將在現有段/場土建條件下,最大程度實現自動化車場的功能需求,并保證安全和效率,為未來實現完整的自動化車輛基地預留條件。

3 總結

上海市軌道交通2號線全長64 km,是橫穿上海市中心、連接二大機場,承擔進博會客流運輸任務的重要線路。通過采用CBTC和TBTC兼容性方案,大幅提升了該線信號系統的可靠性。從增加信號系統與站臺門聯動、增加CBTC輔助改方、出段/場方向電路特殊處理、縮短岔區進站列車占用、提高車輛基地出/入庫能力等方面,對信號系統進行設計優化。與改造前既有信號系統相比,信號系統的系統能力、系統效率,以及運營調度的靈活性、可操作性都有顯著提升。期待未來上海2號線為承擔上海更繁重的客流組織和運輸發揮更大的功效。