城市軌道交通線路級信號系統大修改造工程籌劃研究

王 堅

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！喂こ處?

截至2020年底，上海軌道交通1號線、5號線分別完成了信號系統的大修改造工作。根據交通運輸部頒布的《城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法》中“信號系統整體使用壽命一般不超過20年”的規定，上海有多條城市軌道交通線路已經或逐步進入信號大修改造周期。可以預計，線路級的信號大修改造將成為未來上海城市軌道交通超大規模運營網絡運維體系中的一項常態化工作。在“邊運營、邊生產、邊改造”的復雜背景下，為完成好這項艱巨的任務，亟需研究并制定出一套科學化、標準化的工程籌劃方案，以供后續工程借鑒和參考。本文在總結上海已經完成或正在實施的線路信號大修改造工程經驗的基礎上，提出具有引領示范作用的城市軌道交通線路級信號系統大修改造工程整體籌劃方案[1]。

1 信號大修改造工程的方案籌劃

城市軌道交通線路級的信號系統大修改造工程，其具體方案主要有3種：沿用原制式信號系統方案，更新升級新制式信號系統方案，“新增系統為主用、既有系統為后備”方案。本文對這3種方案進行闡述，并進行優缺點對比分析。

1.1 沿用原制式信號系統方案(方案一)

方案一即在保持既有系統架構、子系統功能和接口等基本不變的情況下，對故障率較高或備品備件供應嚴重不足的子系統進行改造，對故障率較低且備品備件供應充足或已有迭代產品的設備進行部件級的更新替換，以延長該線路信號系統的使用壽命。

方案一沿用原信號系統制式，在新舊系統過渡期間，車載、軌旁及中央新舊設備間相互兼容，理論上可以采用逐列、逐站的方式分批次進行大修改造，既降低了車輛改造的難度，又降低了信號改造的難度和風險。但是，由于信號制式沒有發生變化，方案一下信號系統的各項指標(如最小運行間隔、列車旅行速度等)的性能提升空間非常有限。需對線路改造完畢后的運能需求和設備狀態做好充分的預想與評估，以免發生改造完成后短時間內已實施部件級替換的設備又達到了使用年限，進而造成需組織“二次改造”的局面。

對于既有系統設備運行相對穩定、可靠，部分子系統設備仍然具有較長的使用壽命，且原信號系統制式尚能滿足運能需求的線路，或分段開通線路中僅需要改造已達到使用年限的部分線路區段時，可優先考慮選用方案一[2]。

1.2 更新升級新制式信號系統方案(方案二)

方案二即不再考慮延長原信號系統的使用壽命，新系統一般考慮采用當前主流制式CBTC(基于通信的列車控制)系統，直接替代既有信號系統。

由于使用新制式的信號系統，新舊系統間互不兼容。在新系統調試期間，為滿足線路日間正常運營和夜間調試需求，軌旁或中央設備需新增日夜倒接裝置，采用日夜倒接的方式完成新舊系統的切換。對于車載設備，若存在增購車輛計劃，可直接在新車上安裝新系統的車載設備，在割接當日全部替換既有列車(以下簡稱“老車”)下線進行后續的信號大修改造；當增購列車數量不足時，需考慮在老車上安裝新舊2套車載設備，并配備日夜倒接裝置，采用在調試時期的運營時段使用既有系統車載設備，在調試時段及割接之后使用新車載設備的方式，以保證大修線路的運用車數滿足正常運營需求。由于信號-車輛接口相對復雜，新舊系統相對于車輛不一定全部適配，還需考慮新系統正式投用后舊設備的拆除，因而車輛的改造難度極大。如確需采用車輛倒接方案，應提前在車輛專業的配合下進行充分的評估論證，并將倒接及拆舊需求一并納入車輛改造范圍，以確保車輛倒接過程的安全、可靠。

方案二直接新建1套信號系統，新系統不受既有系統的制約與影響，可以顯著提升信號設備的各項性能指標。但在調試期間，需新增倒接設備，并頻繁進行新舊系統間的倒接。同時，由于新舊系統間的不兼容性，須一次性整體割接至新系統，因而與方案一相比，方案二的改造難度和風險大為增加。

對于既有系統全線全部設備都已接近設計使用年限，并且運能瓶頸突出、亟需提升信號設備性能的線路，可優先考慮選用方案二[3]。

1.3 “新增系統為主用、既有系統為后備”方案(方案三)

方案三即在新增CBTC信號系統的同時，保留既有制式信號系統作為后備系統，并對新系統和既有系統進行整合，將既有系統納入到新系統的整體構架內，最終完成既有系統向新系統的平穩過渡。對于分段開通的線路，在進行信號大修改造時宜預留改造接口，使后備系統達到使用年限時順利退出運營，同時通過后續的新技術、新設備進行更新迭代，保證后備系統的可用性。

方案三中，在新舊系統過渡期間，對于改造完成的區段和改造完成的列車，可以采用CBTC運行，尚未改造的列車仍以既有模式運行；對于尚未改造的區段，所有列車均以既有模式運行。當所有區段完成改造且改造完成的列車數量滿足運營要求時，即可實現全線運營時段的CBTC運行。CBTC全功能開通后，原信號系統作為后備系統，除進行CBTC系統的適應性改造外，還可考慮開展既有系統的整治補強工作。

由于新系統兼容了既有系統的特性，改造完成1個區段即可投用1段，改造完成1列車即可投用1列，改造的靈活度大大增加，車輛改造難度適中，可根據實際情況安排集中站所轄區域和車輛的改造順序。改造完成后即可顯著提升線路的運輸效率，同時有既有系統作為新系統故障情況下的后備系統降級手段，整個系統具有較高的安全性和可靠性。但在設計聯絡與現場實施階段，需完成新系統對既有系統的融合，新舊系統的接口設計和界面劃分是非常大的挑戰。尤其是在既有系統已投用10余年且新舊系統分屬不同信號供應商的情況下，需要同時對接新系統和既有系統的供應商，協同做好既有系統的技術支持和備件儲備，以保證既有系統作為后備系統時的正常運行。

對于既有系統設備運行相對穩定，經評估仍然具有繼續使用的價值，但已經無法滿足線路運輸能力需求，宜引入更為先進制式的信號系統以突破原運輸能力極限，希望同時具備冗余度和可靠性的線路，可優先考慮選用方案三[4]。

1.4 3種改造方案比選

3種改造方案的特點、優缺點、適用性及實際應用等方面的對比分析如表1所示[5]。

表1 3種城市軌道交通線路信號大修改造方案比選分析Tab.1 Comparison and analysis of three signal overhaul and reconstruction schemes of urban rail transit lines

2 信號大修改造工程的資源配置籌劃

2.1 施工資源

相比而言，正線線路雖然運營長度較長，但可供施工利用的時段僅在非運營的夜間，對于各專業大修改造項目可能同步實施的既有線路來說，施工資源相對緊張。

車場(含試車線)線路除去運行圖規定的出入庫時段及日常用于生產、檢修時段外，均可用于大修改造，可用時間較多。此外，可以針對運用庫股道、檢修庫股道、咽喉區、試車線等不同區域采用交錯實施的方式，或采取調整出入庫列車數量、靈活安排車輛檢修計劃等措施，確保施工資源滿足車場改造需求。

對于有新建延伸段的線路，在土建、通信、供電、車站機電等其他專業條件滿足需求的情況下，可在未投入運營的延伸段上先行進行信號的調試驗證。這樣，調試不受到既有線路的各方面條件的制約，可達到施工資源利用最大化的目的。

2.2 車輛資源

大修改造線路由于需維持日常的運營，因此，需要對有限的車輛資源進行科學的規劃，平衡好運營用車輛、改造用車輛及可能的增購車輛間的關系。

不同的信號大修方案，其車輛資源調配方案也不一樣。方案三下新舊系統兼容的車載設備，可采用列車逐列下線改造的方式，有新車增購計劃的還可采用新車調試完畢替換老車改造的方式，以保證運行圖中標定需要的列車數量，將信號大修改造對運營的影響降到最低；方案二下新舊信號系統無法兼容，列車在改造完畢后必須等新系統割接后方可投用，對于扣除了圖定運用車數后的余量用車(運營余量用車還應考慮新系統開通后因旅行速度提升、列車周轉率提高導致運用車數下降、余量用車增加的情況)，可以將余量用車下線直接拆除既有系統車載設備，并裝設新系統車載設備。對于有新車增購計劃的線路，可在新車上直接完成新系統車載設備的安裝調試。裝有新系統車載設備的改造車或新車在新舊系統割接當日投入運營，替換使用既有系統車載設備的運營用車，運營用車下線進行改造后再重新上線運營。若在新舊系統過渡期間或新系統割接完成后運用車數無法滿足需求，應考慮在改造車上同時安裝新舊2套車載系統，并安裝倒接裝置，采用新舊系統倒接方式來滿足運營與調試2方面的用車需求。

2.3 人力資源

信號系統大修改造工程除信號專業之外，還需要同時進行車輛、供電、房建、車站機電等非信號專業的配套系統的改造。因此，項目管理執行團隊的人力資源配備應遵循以信號人員為主體、其他相關專業人員積極參與、各專業人員相互配合的主要原則，打破不同專業條線之間的壁壘和限制，建立協同管理、運轉高效的項目管理執行團隊。

3 信號大修改造工程的實施過程籌劃

3.1 前期工作準備

城市軌道交通線路的信號系統大修改造工程是交通運輸行業的重點工程項目，影響面廣、工程量大、投資額大。應按照相關法律法規規定，進行充分的工程項目前期準備工作，履行相關報批或備案手續。由于前期工作流程較為繁雜，準備周期較長，在預排各線路信號系統大修改造計劃時，一定要進行充分預留前期準備工作的時間，做到提前準備、積極推進，以免發生在大修改造尚未完成并投入運營時既有系統已超出了預計使用壽命的情況，避免給日常運營帶來風險、隱患[6]。

3.2 相關專業配套

相關專業配套改造工程包括車輛、供電、房建、通信、車站機電等非信號專業的配套項目。對于確需改造的相關專業，宜在信號改造方案確定前即與相關專業一起進行梳理，確定其當前功能是否滿足信號系統大修改造后的設計要求，若無法滿足，應考慮一并納入此次大修改造范圍。具體包括：① 可能因信號車載設備的更新改造將重新定義車輛-信號接口而產生的車輛專業相關配套改造；② 因信號專業的大修改造完成后為滿足線路運能的提升而產生的線路供電能力同步升級；③ 因滿足新系統中央設備或軌旁設備的放置安裝需要，需房建專業通過置換或新建的方式提供較為合適的空置用房作為OCC(運營控制中心)/集中站/車場的新信號機房引起的改造；④因新增或接入LTE(長期演進)系統作為車地通信媒介，需要通信專業進行核心網、基站、漏纜等設備的安裝調試；⑤因信號中央設備或軌旁設備的改造產生與PSD(站臺屏蔽門)系統、BAS(環境監控系統)、FAS(火災報警系統)、SCADA(監控和數據采集)系統、PIS(乘客信息系統)等車站機電系統接口的變化，進行重新的定義和調試而產生的改造等。

3.3 新舊系統過渡

根據選定的信號大修改造方案，結合改造線路的實際情況，可采用一次性整體新舊過渡(即整體割接)或逐個或幾個集中站控制區域分段新舊過渡(即分段割接)的方式。

采用方案二時，一般只能采用全線整體割接的方式。割接完成后，新系統直接代替既有系統，承擔全線的運營任務。為了降低對日常運營產生的影響，全線整體割接一般需在1個夜間全部完成，全線所有集中站控制區域均需滿足割接條件，并在割接當日若干小時內完成全線的既有系統關閉停用、新系統接入投用、運營前校核驗證等工作，前期安裝施工調試、割接前準備工作量極大，風險系數也較高。

采用方案一或方案三時，新舊系統可互為兼容條件，根據線路實際情況，既可以采取整體割接的方式，也可以采取分段割接的方式。與整體割接相比，分段割接的優勢在于調試完成1個區段即可開通投用，割接時工作量相對較低、影響面較小，風險相對也更加可控，同時能夠盡早發揮新系統的產出效益。對于運能極為緊張，增能需求強烈，且改造方案經評估后具備實施條件的線路，可先改造承擔折返、出入庫等功能的重點集中站控制區域，這樣可相對提前解決折返能力、出庫能力、插車能力等影響全線運輸效率的瓶頸問題，可改善信號系統的穩定性和可靠性，減少在關鍵集中站控制區域內發生故障引起的風險，為線路整體的運能提升創造條件。與整體割接相比，分段割接的劣勢在于需要額外考慮列車在通過已改造集中站控制區域和未改造集中站控制區域的邊界時，要避免出現因為軌旁設備信號制式的變化造成列車運行失常，甚至造成意外的列車迫停，給日常的行車組織帶來影響的情況。

以采用整體割接方式的信號大修改造項目為例，其項目里程碑事件如圖1所示。

注：先行段指的是改造實施時首先集中對某一控制區域進行全功能改造，以提供現場測試環境，為改造系統開展全面的驗證評估工作提供依據。

4 結語

隨著上海城市軌道交通多個線路級的信號系統大修改造工程的實施，有針對性地為每條線路量身定制信號大修改造方案，實現“一線一方案”的目標，對不同線路的施工、車輛、人力等基礎資源進行集約化配置，進而制定出最安全、最高效的實施策略，使之貫穿于項目執行的整個過程中，是上海城市軌道交通進行線路級的信號系統大修改造工程籌劃的努力方向和奮斗目標。