上海城市軌道交通基于出庫能力提升的車場列車自動控制改造分析研究

王練鋒

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

早期正線采用CBTC(基于通信的列車控制)信號系統的城市軌道交通線路，主要通過設置單一的計算機聯鎖設備實現車場的信號控制功能，由車場信號樓值班員根據行車計劃人工排列出庫進路，列車司機人工確認軌旁信號以RMF(限制人工向前)模式手動駕駛列車出庫。由于在傳統的計算機聯鎖控制下列車的發車間隔較長，且存在大量行車安全限制條件需依靠人工予以確認，導致車場出庫能力(單位時間內從車場發出、投入正線運行的列車數量)普遍偏低，難以滿足正線高峰時段高密度行車的需求[1]。

為提升車場出庫能力，可采用的方式是將原基于傳統計算機聯鎖的非ATC(列車自動控制)車場(以下簡稱“傳統車場”)改造為基于CBTC的ATC車場(以下簡稱“ATC車場”)，進而提高列車出庫作業的自動化程度、擴展CBTC的控制區域，達到車場與正線信號系統的融合與統一。ATC車場模式下可實現由ATS(列車自動監控)自動排列出庫進路，列車采用受控模式，即以ATO(列車自動運行)模式或ATPM(信號防護下的手動駕駛)模式，依據移動閉塞原理連續追蹤出庫，從而壓縮了列車出庫間隔，優化了出庫效率[2]。本文從信號及配套專業2個方面對傳統車場ATC改造的基本方案進行總結。

1 傳統車場ATC改造的總體思路

對傳統車場進行ATC改造，其核心工作是對原來僅設有計算機聯鎖的車場信號系統進行升級或整體更新，使之達到與正線信號制式統一的CBTC信號系統工作要求，最終滿足ATC車場的功能需求。當車場ATC信號設備發生故障、列車無法以受控模式運行時，ATC車場將降級為傳統車場，由計算機聯鎖承擔車場的信號控制功能，列車憑軌旁信號以RMF模式運行。

此外，在傳統車場的建設階段，相關線路、軌道等專業的建設標準一般均未考慮可能的ATC改造，因此在股道盡頭線長度設置、軌道電路絕緣節劃分、司機登乘平臺設計、軌行區封閉化管理等環節可能不能滿足ATC車場所需的相關技術條件，需對這些專業設施設備一并進行改造。

2 傳統車場ATC的信號改造

信號改造是車場ATC改造的主要內容，具體可細分為信號控制設備改造和其他相關配套的信號設備改造2方面。若傳統車場整體信號系統尚未達到大修年限，為節省投資、避免不必要的浪費，車場ATC的信號改造原則為：除ATC改造涉及的信號設備外，其余室內外的設備一般在改造后繼續使用。

2.1 信號控制設備改造

信號控制設備改造主要指將原傳統車場使用的計算機聯鎖設備改造為與正線CBTC信號系統統一的ATC車場信號設備，這是將傳統車場改造為ATC車場的關鍵。根據工程建設實際，信號控制設備改造可分為升級改造和整體更新改造2種方式。

2.1.1 升級改造方式

信號控制設備的升級改造方式是指在原有計算機聯鎖的基礎上疊加與正線信號系統制式統一的ZC(區域控制器)設備，以構成CBTC信號系統，由新增的ZC向車場內運行的列車提供LMA(移動授權限制)。升級改造方式基本保留了原計算機聯鎖系統以及室內電源屏、組合柜、分線柜、接口柜及相關配線，但需增加原計算機聯鎖與ZC的通信功能，計算機聯鎖可向ZC提供進路狀態、軌旁設備狀態等控制信息。同時還需增加計算機聯鎖采集/驅動點位，用以控制新增的SPKS(人員防護開關)、列車信號機等信號設備。此外，計算機聯鎖、ZC等設備需接入全線DCS(數據通信子系統)骨干網中，實現車場與正線的信號貫通控制。

升級改造方式新增設備較少、投資較小、施工安裝難度較低，但對原計算機聯鎖的外部通信安全性、擴展性、穩定性等技術條件有一定要求。傳統車場經過多年使用后，原計算機聯鎖的剩余使用壽命可能難以滿足車場ATC改造后的使用年限要求，且由于信號硬件設備的制約條件過多，因而，升級改造方式在車場ATC改造中應用較少。

2.1.2 整體更新改造方式

信號控制設備的整體更新改造方式是指不再使用原計算機聯鎖以及電源屏、組合柜、分線柜、接口柜及相關配線，而是重新設置與正線信號系統制式統一的CBTC信號系統，包括新設ZC、DCS交換機、計算機聯鎖及電源屏、組合柜、分線柜、接口柜和相關配線等設備，以實現ATC車場功能，并與正線CBTC信號系統相貫通。

整體改造方式的工作量與新建同等規模車場信號系統的工作量相當，新增設備眾多、投資較大、施工安裝工作量比較大、周期較長。

2.1.3 升級改造和整體更新改造的比較

由于在車場ATC改造期間仍需保證日常行車工作不受影響，因而有效施工時間受到限制，且在ATC功能開通時需采取整體系統倒接的方式，以確保車場能在短時間內完成新舊設備換裝后立即投入運行。與升級改造方式相比，整理更新改造方式的改造難度與風險均較大。但是，整體更新改造方式不受老舊設備原有技術條件的制約，新設的CBTC系統能最大限度地以最佳性能改善車場出庫能力，與升級改造方式相比更具優越性。該方式在傳統車場ATC改造中得到了廣泛的應用。尤其在傳統車場原計算機聯鎖設備已運營多年、已接近或達到大修年限時，更宜采用整體更新改造方式，以便在實現車場ATC改造的同時直接替換老舊信號設備。

信號系統采用整體更新改造方式的情況下，若車場ATC的新系統具備聯鎖功能，且能夠滿足車場正常行車需求，則可以考慮在改造中先行啟用聯鎖功能，以盡早代替原老舊系統，提升系統穩定性，同時為后續實現車場ATC功能創造條件。

2.2 信號配套設備改造

ATC車場根據作業需求劃分為ATC區域和非ATC區域。一般將車場的停車列檢庫、運用庫、咽喉區、轉換軌及牽出線等區域作為ATC區域，將車場其余區域作為非ATC區域。在ATC區域中，列車可以按CBTC方式以受控模式自動運行；在非ATC區域中，列車仍需按照傳統車場的要求以RMF模式運行。

在車場ATC改造時,無論是采用升級改造方式還是采用整體更新方式，均應考慮在ATC區域內無線信號覆蓋、列車信號機設置、列車運行定位、股道休眠/喚醒等方面的實際需求，以滿足列車在ATC區域的運行要求，并參照正線信號系統建設標準對傳統車場的配套信號設備進行改造。

傳統車場一般不進行信號無線覆蓋，或僅覆蓋有限的區域，以使ATS能顯示庫內列車車載信號設備通信狀態或報警信息。為確保車場ATC改造后列車在ATC區域能與ZC建立安全、可靠的雙向通信，需在車場內加裝足夠數量的無線AP(接入點)，對ATC區域及邊界覆蓋無線信號。正線上根據線路情況會選用波導管、漏泄電纜、自由無線中的1種或多種方式作為通信媒介，但由于車場線路具有占地面積較大、主要呈塊狀分布的特點，一般僅采用自由無線方式作為通信媒介，以確保ATC區域能被無線信號全面覆蓋。

ATC車場中以受控模式運行的列車需由列車信號機防護。由于防護接發以受控模式運行列車的信號機必須是列車信號機，對于有接發以受控模式運行列車需求的停車股道，需將原設置的調車信號機改造為列車兼調車信號機，以滿足ATC車場的行車作業需求。此外，對于建設規模較大的車場，由股道直接觸發至轉換軌的出場列車進路可能存在著占用線路過長、鎖閉道岔過多、進而導致影響其他列車平行出場作業的情況。因此，需在恰當位置新設列車信號機，或將原調車信號機改為列車兼調車信號機，將原來1次完整觸發的長列車進路分割為若干個列車間隔信號機間的短進路，并采用分段觸發的方式，以增加車場平行出庫能力，實現列車在ATC車場采用隊列方式以受控模式追蹤出場，進一步提升車場的出庫能力。

在CBTC系統下列車的正常運行需要依靠信標進行定位，因此需在車場內按規定要求布置一定數量的無源信標，以滿足列車的定位需求。同時，為確保列車車載設備在特定位置重新上電后能立即具有定位功能，且以受控模式發車，在停車股道等處需設置安裝特殊的無源信標作為休眠/喚醒信標。以采用頭尾雙端(即I位端、II位端)信號車載設備布置為例，其信標設置如圖1所示。當列車在收車或檢修作業等車輛不移動的情況下，若車載設備失電，重新上電啟動時車載設備能夠立即讀取停車點下方的休眠/喚醒信標。在比對預先存儲的信標信息、得到信息一致的結論后，即可安全建立列車定位信息，具備以受控模式動車的條件。此外，在ATC與非ATC交接區域應布置初始化定位信標，供列車從非ATC區域進入ATC區域時能及時建立列車定位報告，進而在收到移動授權后列車轉為以受控模式運行。

圖1 車場停車股道內休眠/喚醒信標設置示意圖

在改造過程中，還需對有接發受控模式列車需求但未安裝列車位置檢測設備的股道加裝軌道電路或計軸設備，對列車車載設備的硬件或軟件進行升級改造，使其在車場內特定位置具備休眠/喚醒等功能。

3 傳統車場ATC的相關配套專業改造

相關配套專業改造也是車場ATC改造中必不可少的工作。由于傳統車場在建設時土建、線路、安防等專業設計大多未考慮到ATC車場行車組織、維護檢修、人員防護等方面的特殊要求，因此在進行車場ATC改造時需對相關配套專業的設施設備一并進行改造。

3.1 加裝物理隔斷裝置

由于在ATC區域內列車能夠以ATO模式自動駕駛，依靠司機瞭望難以確保行車安全，因此需將ATC區域與非ATC區域分隔，并在ATC區域加裝物理隔離設備，使之按照封閉化的要求進行管理。

為確保正常檢修時段內ATC區域內作業人員安全，保證一定的作業檢修效率，需將ATC區域劃分為若干個檢修防護分區，每個分區通過物理隔離裝置分隔。各分區的出入口需設置門禁系統，以防止無關人員進入。每個分區內設置1個SPKS，SPKS可置于正常或檢修2種狀態，并由信號系統負責采集SPKS狀態信息。當對某1個分區內的列車或設備進行檢修時，需將對應分區的SPKS從正常位調至檢修位，此時由信號系統控制該分區內的所有列車，列車信號不能開放，不允許列車以受控模式動車。需要說明的是，在傳統車場的ATC改造過程中，檢修防護分區的劃分及加裝物理隔離裝置的方案需綜合考慮場內既有的股道間距、車庫主跨立柱位置、乘務人員走行通道設計等諸多因素，按同一分區內包含盡可能少的股道數量為目標進行統籌設計。

3.2 延長停車股道長度

在ATC區域的停車列檢庫及運用庫設置若干用于停放列車的停車股道。在線路條件和停車位置不變的情況下，在進行車場ATC改造時，必須考慮在最不利情況下列車以ATO模式或司機以ATPM模式越過規定的停車點后，是否有足夠的緊急制動距離，保證列車不會碰撞到線路盡頭的車擋或另1端停放的列車。

根據相關標準，單列位或盡頭式停車股道的停車點距車擋距離應不小于15 m，如圖2 a)所示。雙列位停車股道A股停車點距B股停車點距離應不小于遠期最大車長加20 m；同時根據不同信號系統的安全需求，A股停車軌道區段與B股停車軌道區段間宜增加1段獨立的小軌道區段，作為A股停車對位時的保護區段，如圖2 b)所示。

a) 單列位股道

b) 雙列位股道

當既有線路設置不滿足上述標準時，應進行延長改造以滿足相關制動距離標準。不滿足延長條件的，可以采取列車入場時以ATO模式自動在庫前停車，由司機轉為RMF模式手動控制列車在股道停車點停準的方案，避免原股道長度無法滿足列車以ATO或ATPM對位時所需的安全距離不足的限制[3]。

3.3 調整侵限絕緣設置

在傳統車場中，辦理經由侵限絕緣一側道岔區段的進路時，需檢查相鄰軌道區段是否空閑。改造為ATC車場后，為確保列車在CBTC控制下的運行安全，當侵限絕緣一側道岔區段的相鄰軌道區段處于占用狀態時，位于該道岔區段內的道岔將被鎖閉，無法扳動。

與傳統車場的出場進路一次性排列至轉換軌的方式不同，為提高出庫效率，ATC車場的出場進路自停車股道至總出發信號機間采用2個相鄰間隔信號機之間分段排列的方式。由于行車密度較大，易導致列車因間隔條件不滿足而迫停在信號機前。若信號機處所設置絕緣為侵限、且前方道岔恰處于相反位置，由于道岔被鎖無法動作，致使后續無法排通列車進路，場內正常的行車秩序由此受到影響。

當原絕緣節設置因影響行車效率需要移動時，在滿足軌道專業對絕緣設置基本要求的情況下，可采用配軌或鋸軌的方式，將絕緣節向遠離尖軌方向移動，以滿足車場ATC的設計需求，避免因相鄰區段占用而導致道岔鎖閉的情況。

4 結語

上海最早一批采用CBTC信號系統的城市軌道交通線路，迄今均已運營超過10年。為應對客流快速增長，這些線路一般會通過增購列車、壓縮行車間隔等方式以緩解運能壓力。隨著列車配屬數的增加，夜間車輛的檢修耗時隨之增加；而高峰時段運用列車數的增加又使得早高峰時段列車密集出庫用時進一步延長。在時間資源有限的前提下，這兩者互為影響、互為制約，已成為城市軌道交通線路增加運能的一大瓶頸。

為緩解來自運營組織與維護保障兩方面的巨大壓力，上海已在多條城市軌道交通線路所屬的車場實施了車場出庫能力改造工程。通過對傳統車場進行ATC改造，列車單線出場正向最小行車間隔由原來的3 min壓縮至2 min，減少了整體圖定運用列車出庫耗時，達到高峰時段短時間內快速提升正線運能的目標。同時，改造后的車場在保證運能的基礎上適當延遲了列車密集出庫的時間，從而增加了列車夜間檢修作業寶貴的時間資源。此外，在車場ATC改造后，還可降低列車司機、信號樓值班員等車場內行車相關作業人員的勞動強度，進一步提升了車場行車工作安全性與可靠性。