上海軌道交通3、4號線信號系統改造方案研究

陳思維

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上海∥工程師)

0 引言

上海軌道交通3、4號線，是目前全國唯一有共線段運營的線路。其中：3號線全長40.3 km，29座車站，12座換乘站，單日客流量達61萬人次；4號線全長33.6 km，26座車站，20座換乘站，單日客流量95萬人次。兩線共線段的換乘在上海城市軌道交通全網絡運營中起著舉足輕重的地位。但隨著客流量的日益增長，換乘壓力日趨增大，其信號系統性能已無法滿足日益增長的近遠期客流需求。特別是早高峰期間，3號線長江南路站—寶山路站區間也因此時常進行車站限流。自2004年開通上海軌道交通3、4號線信號系統至今，設備已投用17年，出現設備老化嚴重、故障率較高、部分設備的元器件與芯片已經停產、采購與返廠維修時間長達14個月以上和維修成本高等問題。上海軌道交通3、4號線使用法國ALSTOM U200準移動閉塞信號系統，由SACEM(固定式閉塞區間升級的列車控制系統)設備通過軌道電路加載至鋼軌的載波向列車傳送報文實現單向車地通信；通過邏輯計算控制列車，是固定閉塞向移動閉塞發展過程中的過渡。全球軌道交通除印度使用準移動閉塞信號系統較多外，僅中國、韓國少量使用。隨著2014年法國將技術轉讓給印度，技術支持度大幅下降。在2017年與2020年同濟大學第三方安全評估報告中上海軌道交通3、4號線均低于綜合評價合格線，建議盡快大修。因此上海軌道交通3、4號線信號系統的更新改造是當下迫切需要研究解決的問題。

上海軌道交通3、4號線的信號改造首先需滿足3、4號線近遠期客流需求。根據客流分析，共線段近期需滿足開行33對/h，遠期需滿足開行36對/h；上海軌道交通3號線北延伸近期需滿足開行22對/h，遠期滿足開行24對/h。詳見表1。

上海軌道交通4號線(包括與3號線共線段)是構通上海中心城區軌道交通換乘最重要的環線，其發生故障或停運都將對上海交通與市民出行產生較大影響。因此，在信號系統改造方案選用上需滿足更高的安全性、可靠性、冗余性和運營組織的靈活性，以降低改造影響，縮短改造工期，實現邊運營、邊改造；同時，還需滿足新維保組織架構，建立與之配套的信號系統浸入式在線監控的智能運維平臺，以降低維護成本，實現上海申通地鐵集團有限公司從運營到經營轉型的目標。

表1 上海軌道交通3、4號線開行能力分析表

全國常見的既有線路改造方案有：以上海軌道交通1號線保持既有系統制式的信號系統更新改造項目為典型樣板的沿用既有系統改造方案；以北京地鐵1號線采用CBTC(基于通信的列車控制)為典型的全替代改造方案； 以上海軌道交通2號線為代表的采用既有軌道電路+CBTC系統的雙套兼容冗余改造方案等。結合上海軌道交通3、4號線在路網中的重要地位、運營需求、維護需求、投資需求和改造難度與風險，比選探尋其最適用的信號系統制式的改造方案是一項重要課題。

1 信號系統改造的必要條件

共線段寶山路站上行站前合岔是限制運能提升的瓶頸，因此要滿足近遠期開行對數需求，就必須對寶山路站進行土建改造。即：將4號線外圈寶山路站接軌點由站前改造成站后接軌，擴建寶山路站站臺，并新增站后折返單渡線以提升4號線與3號線北延伸在共線段應急情況下的運營組織靈活性。

若寶山路站土建優先改造，勢必在既有ALSTOM U200信號系統上進行改造。基于對既有上海軌道交通3、4號線ALSTOM U200系統運行狀態的評估與印度技術支持弱等現狀，須盡可能減少對既有ALSTOM U200系統的改動。但為維持寶山路站土建改造時上海軌道交通3、4號線非改造區域不中斷運營且盡可能縮小停運區域，信號系統需在土建改造前和改造后割接寶山路站區域大量信號骨干網與終端光電纜，土建改造前還需對ATS(列車自動監控)網絡、SACEM(列車自動控制)網絡、VPI(路徑識別)網絡進行改造以維持運營的臨時環網結構，用于停運調試的臨時環網結構，并增加4個臨時折返交路，以及配套大量的信號軟件、數據修改。還需在停運時間有限的改造過程中，對新插入線路新增軌道電路。這涉及寶山路站及相鄰SACEM設備區域大面積既有軌道電路頻率布局以及SACEM設備的數據修改與調試，其改造難度極大、工程量巨大、改造風險高和停運時間較長。因此，必須對信號系統進行優先改造，在使用新信號系統的基礎上再對寶山路站土建開展改造。

除了沿用既有信號系統的改造方案外，所有替代方案或雙系統冗余方案均需先對列車在既有車載系統的基礎上，加裝新的車載信號系統，復用車底外掛設備，并增加切換開關。雙系統冗余方案則切換開關保留，替代方案則在軌旁一次性倒接后拆除。

2 信號系統改造方案

2.1 沿用既有ALSTOM U200信號系統改造方案

上海軌道交通3、4號線沿用原ALSTOM U200信號系統改造方案(以下簡稱“方案1”)，即保持既有系統架構、接口基本不變的前提下，對信號軌旁設備進行翻新改造；并對既有上海軌道交通3、4號線3種車型91列列車的兩種車載信號設備進行改造，降低設備老化所帶來的高故障率，以提升信號車載子系統冗余度與可靠性。其優點在于可以逐列、逐站和逐段地進行分批分段改造，既有備件可延續使用。但由于制式沒有發生根本性的變化，其旅行速度、頂棚速度、運行間隔、折返能力和出庫能力等各項性能指標都沒有得到提升。即便寶山路站完成土建改造，其理論開行對數也最多達到29對/h，不能滿足運能需求，無法解決技術支持與服務弱、元器件停產和備件返修周期長等問題，故改造風險大，也不利于后期的寶山路站土建改造；同時，信號制式也不符合主流信號系統技術發展的方向。在在線監控方面，由于系統沒有原生的監測感知層接口，無法建立有效的系統在線監測和智能運行與維護。

2.2 CBTC系統替代改造方案

該改造方案為上海軌道交通3、4號線以全新CBTC系統整體替代既有U200系統(以下簡稱“方案2”)，如圖1所示。其優點是采用目前主流的信號技術，技術成熟，具有系統原生在線監測的基礎。

注:OCC——運營控制中心;ATS——列車自動監控;MMI——人機接口;ilock——計算機聯鎖;“×”表示改造后需拆除。

方案2的室內外設備及接口較多，并且ALSTOM U200本身就是CBTC的同源同系列過渡系統。例如，ALSTOM U200有源、無源信標與CBTC無源信標的布局類同，改造中為滿足白天老系統運營與夜間新系統內部調試的需要，需對全線信標開展兼容雙系統的重新布局設計與數據修改，其工作量巨大、次級檢測設備布置(日夜倒接期間，夜間調試使用的CBTC計軸對白天運營的U200的DTC921數字軌道電路可能產生的影響)等子系統上的耦合度過高，新老系統存在較多的相互影響。日夜調試倒接以及一次性割接工作量非常大、改造復雜、工程籌劃難度高。通過仿真計算，即便寶山路站采用此方案改造完成，其共線段理論運營對數也僅能達到33對/h，僅能滿足近期運量的需求。

2.3 CBTC+ALSTOM U200的雙套冗余系統改造方案

該改造方案對上海軌道交通3、4號線以既有ALSTOM U200系統+軌道電路次級檢測進行翻新，聯鎖以ilock代替VPI，在此基礎上加裝一套CBTC系統進行改造(以下簡稱“方案3”)，如圖2所示。其優點是改造后ALSTOM U200系統替下的設備與備件都可作為新ALSTOM U200的備件；后備模式ALSTOM U200也具有準移動閉塞的ATP(列車自動防護)/ATO(列車自動運營)，軌道電路還具備斷軌檢測功能。

注:“×”表示改造后需拆除。

不同于上海軌道交通2號線的雙系統異構，上海軌道交通3、4號線由于方案2中提到的ALSTOM U200與CBTC系統耦合度過高，除導致的改造復雜籌劃難、倒接工作量和風險大等問題外，還將產生主備系統相同設計架構下會有較大概率發生一個故障源同時影響兩套系統的情況，同時還存在ALSTOM U200系統缺乏技術支持等問題。因此在上海軌道交通3、4號線使用上海軌道交通2號線方案勢必使后備的可用性大幅度降低，失去雙套系統冗余的最大優勢與意義。在技術層面，雙套冗余系統接口需印度授權開放接口，并重新研發，開發周期冗長，無法滿足改造工期需求。以目前中印緊張的國際關系以及印度技術服務與支持能力，其投資風險較高。同時相比較其他幾種方案，方案3是所有方案中投資量最大、維護成本最高的，性能也僅維持在CBTC水準。因此，該方案不適用于上海軌道交通3、4號線，本文也不再對該方案進行后續比選。

2.4 基于車車通信的列車自主控制系統的替代改造方案

使用基于車車通信的列車自主控制系統(TACS)替代改造方案(以下簡稱“方案4”)如圖3所示。改造時遵循“不停運改造”原則，即在改造期間，既有設備和新增設備并存，利用倒接開關進行倒接，以確保改造對日常運營不產生影響。

圖3 基于車車通信的TACS替代改造方案示意圖

TACS是新一代的列車運行控制系統，其以系統資源管理為核心，細化資源粒度，優化資源管理，列車根據任務實現自主資源管理，具有安全、高效、靈活和經濟等特點。其系統結構如圖4所示。

注：OC為目標控制器；PM為道岔；PSD為站臺屏蔽門；ESP為緊急關閉按鈕；CC為車載控制器；AP為軌旁無線單元；MSS為維護支持系統；WSIC為軌旁資源管理器；WSTC為軌旁列車管理器。

得益于移動授權理念的改變，TACS僅通過DCS(數據通信系統)將行車間的位置報文以及對軌旁設備的控制命令進行交互(見圖5)，大幅度縮減了交互路徑距離與時間，實現了軌旁資源控制權的先到先得與通過快速釋放，取消了計劃型資源分配的進路概念，從而提高了行車效率的各項指標。通過試驗線，對TACS實際行車效率實測值與其他方案的信號制式進行了對比(見表2)。表2中,僅有TACS系統具備穿梭和任意點折返功能。通過仿真計算顯示，TACS可滿足上海軌道交通3、4號線開行對數36對/h的需求。

注：T_ATC為車載自動列車控制系統；CI為聯鎖；TC為軌道電路；ZC為區域控制器。

TACS采用新的資源管理和安全確認的安全設計理念。與傳統的CBTC系統相比，TACS將安全風險管理由多車降維到單車，方便實現多車匯合、分叉和區間任意點折返。TACS適合上海軌道交通3、4號線這種多線多車復雜線路的運營需求。系統改造涉及倒切車載和軌旁設備，車載設備倒接方案與前述方案類似。得益于TACS的軌旁設備簡化，減少了大量軌旁設備。在后續寶山路站土建改造時，除骨干光纜與少量室外終端光電纜需要按臨時管道敷設并在改造后割接外，電纜割接數量大幅度降低。室外設備臨時拆裝與調試工作量也大幅度下降。寶山路站土建改造時需維持運營的臨時交路僅需納入新系統設計，不需要像ALSTOM U200、CBTC等傳統信號系統在區間新增折返區域因考慮敵對進路而增設軌旁信號機等。

表2 信號系統各種制式下的性能對比表

此方案改造實施過程中的難點在于既要確保白天運營安全，又要便于夜間調試，并需具有迅速恢復的能力。因此TCAS替代方案中的軌旁倒切裝置設計尤為重要。改造期間，TACS與ALSTOM U200需共用部分為：道岔動作電路、信號機點燈電路、緊急停車和站臺門。倒接裝置需確保既有系統與新系統輸出的可靠隔離，實現對軌旁設備控制的唯一性，并集中控制，同時需避免倒接繼電器失電對白天既有系統運營產生的影響。

如圖6所示，以道岔組合倒接為例，切斷上述電路既有組合的原有連接A-A′，將既有交流道岔主組合側面端子接入新增設的倒接機柜(DNS)的倒接繼電器，選用失電不動作的雙穩態安全繼電器(偏極繼電器)作為倒接繼電器前級，后級分別接入既有副組合側面端子和受新系統控制的新設倒接機柜(DNS)內道岔DCJ(定位操縱繼電器)、FCJ(反位操縱繼電器)等新增繼電器。利用提供正負極相反的日夜倒接總開關控制雙穩態安全繼電器的兩個線圈，實現白天運營與夜間調試兩個狀態切換，并保持了兩套系統輸出控制的隔離，以確保輸出唯一性。即便失電也將保持失電前的新老系統選擇狀態。同時切斷的既有組合的原有連接，分割為C1和C0兩段，接入安裝在繼電器組合空位的程序插頭底座上。當未插入程序插頭時，保持倒接繼電器控制；當發生倒接繼電器故障無法選擇白天既有系統控制狀態時，插入程序接頭，直接構通既有ALSTOM U200控制鏈路，實現快速甩開倒接開關，恢復既有系統運營狀態。

圖6 道岔倒接流程示意圖

無論從安裝、割接、軟件修改和調試的工作量以及隨之次生的難度與風險等各方面比較，車車通信均有得天獨厚的優勢。在線監測方面，由于TACS將更多的邏輯集中至列車，相比CBTC系統的車載、軌旁設備分別監測，控制命令鏈路更為簡單，有利于實現車載、軌旁設備融合的全系統級浸入式監測，更容易實現高精準度故障源診斷的專家系統與智能運維平臺。采用TACS的改造方案符合改造的需求和目標。

2.5 信號系統制式及改造方案的比選

寶山路站土建改造后，各制式信號系統開行列車數見表3。其中:方案1共線段勉強滿足開行29對/h，3號線北延伸段開行20對/h，4號線外圈開行10對/h，形成20∶10的不對稱交路，僅能滿足初期運量需求；方案2共線段開行33對/h，3號線延伸北段開行22對/h，4號線外圈開行11對/h，形成22∶11的不對稱交路，也只能滿足初、近期運量需求；方案4共線段開行36對/h，3號線北延伸段開行24對/h，4號線外圈開行12對/h，形成24∶12的不對稱交路，可滿足所有運量需求，詳見表3。

表3 各制式信號系統開行列車數表

如表4所示，對三種改造方案的技術、經濟、實施和運能進行了比選。

表4 3種改造方案比選表

由技術、經濟、實施和運能等各方面經綜合比選可見，TACS的技術先進，在性能、改造風險、改造周期、建設和運維成本等方面優勢明顯。只有TACS的通過能力既可滿足上海軌道交通3、4號線遠期交路運能需求，同時又能滿足運營、維護和工程的需求。因此推薦TACS替代改造方案作為上海軌道交通3、4號線信號系統改造的優選方案。

3 結語

信號系統的改造項目難度遠高于新線建設難度，不僅涉及的接口專業多，而且不能影響正常運營。信號系統改造項目的前期工作需要結合線路特點，對國內已采用的各類方案的優劣勢及適用性進行綜合分析研究，避免照搬硬套；應探索更合理、適用度更高的老線信號系統改造方案。