城市軌道交通車段/場ATP系統(tǒng)改造策略

陳 雨，李 新，葉 亮，周春秀

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司，江蘇蘇州 215000）

軌道交通技術(shù)發(fā)展迅速,客流運(yùn)行規(guī)模激增，前期已建成運(yùn)行的軌道交通線網(wǎng)逐漸受到制式差別、運(yùn)力不足等問題的約束，較為突出的是信號系統(tǒng)。因正線信號系統(tǒng)與車段/場之間存在明顯的分界，列車在正線一般采用自動(dòng)駕駛，而在車段/場需轉(zhuǎn)為人工駕駛，使得列車運(yùn)營效率降低，作業(yè)強(qiáng)度增加，故對車段/場ATP系統(tǒng)改造的研究極為迫切[1]。

蘇州軌道交通2號線在建設(shè)時(shí)，正線采用基于通信的列車控制（CBTC）策略，其可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，提高正線運(yùn)營效率。而車段/場則采用獨(dú)立的聯(lián)鎖系統(tǒng)，由列車司機(jī)以人工駕駛方式完成相關(guān)作業(yè)，雖然該方式增強(qiáng)了作業(yè)管理獨(dú)立性，但其無法提供列車自動(dòng)防護(hù)與運(yùn)行（ATP&ATO）。因正線的信號系統(tǒng)不同于車段/場，列車在出入段/場時(shí)，當(dāng)列車駛至分界點(diǎn)時(shí)，需要在轉(zhuǎn)換軌處停車，完成信號系統(tǒng)之間的信息交互、駕駛模式的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致運(yùn)營效率低下。此外，列車由列檢庫行駛至轉(zhuǎn)換軌區(qū)段，整個(gè)行駛過程距離較長且依賴司機(jī)，增加行駛安全隱患。

為降低甚至消除上述安全隱患，提高運(yùn)營效率，在車段/場配備自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域，為區(qū)域內(nèi)列車提供ATP&ATO以及監(jiān)督功能，切實(shí)保證行車安全。因此，車段/場列車出庫能力的提升改造，推進(jìn)正線與車段/場ATP系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，消除信號變更對運(yùn)營效率的限制，以滿足未來增能后所帶來的車場高密度發(fā)車需求[2]。

1 ATP系統(tǒng)改造可行性分析

1.1 調(diào)研概況

針對車段/場ATP系統(tǒng)改造，調(diào)研了國內(nèi)京港地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、武漢地鐵等地鐵線路的車段/場信號系統(tǒng)相關(guān)改造方案和改造情況[3-4]。

目前，僅上海地鐵7號線陳太路停車場已完成車場ATP改造。隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展以及上海7號線車段/場ATP改造技術(shù)的成功應(yīng)用，促使車段/場及正線運(yùn)行控制模式一體化成為城市軌道交通建設(shè)的重要改造趨勢。

1.2 既有信號系統(tǒng)

蘇州軌道交通2號線在建設(shè)時(shí)，綜合太平車輛段具體情況，采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（TYJL-III型）和信號集中監(jiān)測系統(tǒng)（CSM-yh型），組成了蘇州軌道交通2號線車輛段的信號聯(lián)鎖[5-6]。其中，TYJLIII型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of TYJL-III computer based interlocking system

1.3 方案可實(shí)施性分析

通過對城市地鐵車段/場ATP系統(tǒng)改造調(diào)研情況歸納分析，結(jié)合2號線車段/場的既有信號系統(tǒng)的特點(diǎn)，可將車段/場信號系統(tǒng)改造分為以下3種方案。

方案一：TYJ-III型聯(lián)鎖系統(tǒng)升級改造。鐵科院計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)升級后，僅能滿足中央控制的需求，如根據(jù)ATS時(shí)刻表下發(fā)進(jìn)路的排列等操作，無需人工排列進(jìn)路。但對于車段/場ATP改造所需列車自動(dòng)防護(hù)的功能無法實(shí)現(xiàn)，列車在車段/場內(nèi)只能采用限制人工駕駛模式（RM）或非限制人工駕駛模式（NRM），無法滿足現(xiàn)狀需求。因此該方案可行性極低。

方案二：拆除既有信號聯(lián)鎖系統(tǒng)，改為恩瑞特計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，同時(shí)將原軌道電路制式的設(shè)備進(jìn)行西門子ATP系統(tǒng)設(shè)備改造。然而，由于車段/場聯(lián)鎖系統(tǒng)與正線聯(lián)鎖系統(tǒng)不一致，需西門子開放相關(guān)接口，實(shí)現(xiàn)車段/場和正線的數(shù)據(jù)互通，從而提高列車出入車段/場的效率。

方案三：拆除既有信號聯(lián)鎖系統(tǒng)，改為西門子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，同時(shí)，將原軌道電路制式設(shè)備改造升級為西門子ATP系統(tǒng)設(shè)備。裝配好ATP設(shè)備，并配備車段/場的軌道數(shù)據(jù)庫(TDB)，調(diào)整升級每一列列車的TDB，對車載ATP、ATO以及無線傳輸單元進(jìn)行升級，驗(yàn)證安全后方可上線運(yùn)行；軌旁設(shè)備參照車站的配置進(jìn)行更換，可分為室內(nèi)設(shè)備、線纜以及室外設(shè)備。升級改造完成后，車段/場與正線采用一致的信號系統(tǒng)，可大大提升車輛出入庫能力，改善運(yùn)行效率。

綜上，車段/場ATP系統(tǒng)改造的3種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析如表 1所示。

表1 改造方案優(yōu)缺點(diǎn)分析Tab.1 Analysis of the advantages and disadvantages of the reform plan

綜上所述，方案一、方案二由于車段/場與正線使用不同的聯(lián)鎖系統(tǒng)，都需與西門子廠家協(xié)商開放相關(guān)接口，談判周期長、費(fèi)用高，并需承擔(dān)一定的安全技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。且方案一僅涉及聯(lián)鎖系統(tǒng)升級，雖在本次改造中投資成本最低，但不具備列車自動(dòng)防護(hù)功能，不滿足改造要求。方案三可行性最高，雖然成本較高，但實(shí)現(xiàn)了車段/場和正線均為西門子信號系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)互通，避免了跨界時(shí)的減速甚至停車，提高運(yùn)營效率，緩解2號線東延帶來客流量激增的運(yùn)營壓力。同時(shí)，能夠?yàn)檐?段的作業(yè)提供相應(yīng)的安全防護(hù)，確保了列車的安全可靠運(yùn)行，也為后續(xù)線路改造升級至無人值守的全自動(dòng)運(yùn)行模式奠定基礎(chǔ)。

1.4 影響因素

針對車段/場ATP系統(tǒng)改造提出的方案，還應(yīng)將改造過程中遇到的技術(shù)及施工難點(diǎn)和成本管控等影響因素納入考慮范圍。

1.4.1 技術(shù)及施工難點(diǎn)

1）新增設(shè)備房。目前車段/場既有信號設(shè)備房空間有限，在改造階段無法滿足新、舊設(shè)備并存，因此需要一間新的設(shè)備房作為新系統(tǒng)搭建、割接等的場地。

2）土建限制。既有車段/場由于現(xiàn)有土建條件限制，尤其庫內(nèi)，列車防護(hù)距離不足，導(dǎo)致改造后庫內(nèi)只能使用RM模式，無法進(jìn)行ATP防護(hù)，庫前可實(shí)現(xiàn)ATC。

3）工程量、工期。改造方案涉及室內(nèi)外電纜挖溝敷設(shè)、新增信號設(shè)備等，工程量較大。為了不影響次日列車的正常運(yùn)營，新系統(tǒng)的各項(xiàng)改造措施將在夜間進(jìn)行，且由于既有線路白天運(yùn)營時(shí)間長，天窗點(diǎn)短，因此改造工程可用的夜間施工點(diǎn)較少、作業(yè)時(shí)長較短，導(dǎo)致施工周期較長。

1.4.2 成本管控

1）投資成本。關(guān)于改造方案投資成本，調(diào)研了上海7號線ATP車場改造費(fèi)用、蘇州軌道交通2號線桑田島停車場重建信號系統(tǒng)費(fèi)用以及蘇州軌道交通5號線信號系統(tǒng)設(shè)備及施工安裝費(fèi)等一系列費(fèi)用。通過對比分析，改造項(xiàng)目的費(fèi)用往往要比新建項(xiàng)目的造價(jià)更高，因此，需要根據(jù)實(shí)際需求來選擇最為優(yōu)化的改造方案，從而降低成本。

2）開放接口協(xié)調(diào)費(fèi)用。方案一與方案二均涉及車段/場與西門子系統(tǒng)相關(guān)接口調(diào)試，需與西門子廠家談判協(xié)商，接口開放成本較高。

2 車段/場ATP系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

車段/場需要配置與正線一致的西門子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，并在自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)配置軌旁ATP設(shè)備、計(jì)軸設(shè)備，以及增設(shè)維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)（MSS），從而保證列車在自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)的安全運(yùn)行[7]。改造后的車段/場，統(tǒng)一了列車的控制方式，縮減了駛?cè)胝€前控制方式的切換時(shí)間，優(yōu)化列車運(yùn)行效率。配置如圖2所示。

圖2 車段/場設(shè)備示意Fig.2 Schematic diagram of depot/parking lot equipment

2.1.1 配置聯(lián)鎖設(shè)備

車段/場各需配置1套西門子聯(lián)鎖設(shè)備，包括聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)（Sicas Simis PC）、西門子元件控制計(jì)算機(jī)（Sicas ECC）、本地操作員工作站（LOW）、計(jì)軸等設(shè)備。該聯(lián)鎖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對室外設(shè)備元件的監(jiān)測與控制，提供與其他子系統(tǒng)的接口通道，例如：經(jīng)繼電器接口機(jī)柜（RIC）連接緊急停車按鈕（EMP）、經(jīng)計(jì)軸系統(tǒng)（AC）連接車輪傳感器。根據(jù)改造的需求，需要設(shè)置入車段/場信號機(jī)、調(diào)車信號機(jī)、阻擋信號機(jī)以及其他信號機(jī)。

2.1.2 增設(shè)TGMT軌旁設(shè)備

更改裝配的列車衛(wèi)士運(yùn)輸系統(tǒng)（Trainguard Mass Transit，TGMT）軌旁設(shè)備分為室內(nèi)設(shè)備與室外設(shè)備。室內(nèi)設(shè)備有軌旁ATP計(jì)算機(jī)（WCU_ATP），軌旁TTS計(jì)算機(jī)（WCU_TTS）。而室外設(shè)備有軌旁電子單元LEU、應(yīng)答器以及計(jì)軸設(shè)備。因此，應(yīng)答器安裝在線路道床上，LEU安裝在線路沿線。

增設(shè)WCU_ATP單元，可以為TGMT系統(tǒng)與信號系統(tǒng)其他子系統(tǒng)提供所需要的接口。WCU_ATP依據(jù)存儲(chǔ)的線路數(shù)據(jù)庫信息和列車的定位信息實(shí)時(shí)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，并通過車地通信，向車載子系統(tǒng)發(fā)送移動(dòng)授權(quán)。WCU_TTS單元?jiǎng)t為ATS子系統(tǒng)與車載子系統(tǒng)提供通信服務(wù)。通信內(nèi)容包括列車運(yùn)行及服務(wù)診斷等非安全信息。

2.1.3 其他信號設(shè)備

各車段/場需要配置轉(zhuǎn)轍機(jī)智能綜合監(jiān)測設(shè)備、信號集中監(jiān)測設(shè)備、列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）工作站、MSS工作站以及通信服務(wù)器（L-FEP）。針對車載設(shè)備，由于列車已裝備TGMT車載設(shè)備，因此無需對列車做出更改，可以直接與改造升級的車段/場ATP系統(tǒng)進(jìn)行通信。此外，車輛段的試車線設(shè)備也需要進(jìn)行相應(yīng)的改造。

綜上，整改設(shè)計(jì)思路可總結(jié)如下。

1）初步設(shè)計(jì)：對車段/場ATP系統(tǒng)改造策略方案進(jìn)一步的細(xì)化與完善；

2）安裝倒接：完成新設(shè)備系統(tǒng)的安裝以及新、舊系統(tǒng)的倒接事項(xiàng)；

3）調(diào)試測試：各項(xiàng)調(diào)試工作將于夜間列車停運(yùn)后進(jìn)行；

4）試運(yùn)行：對新設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)測試，當(dāng)列車具備運(yùn)行條件后，部分舊設(shè)備便可拆除。

2.2 調(diào)試倒接

為避免對列車日常運(yùn)營造成影響，設(shè)備的安裝改造，后續(xù)的調(diào)試工作將會(huì)在夜間列車停運(yùn)后作業(yè)，新、舊系統(tǒng)倒接流程[8]如圖3所示。

圖3 新舊系統(tǒng)倒接流程Fig.3 Switching process of new and old system

在設(shè)備改造升級期間，正常運(yùn)營時(shí)間段，倒接開關(guān)/設(shè)備需切換至“運(yùn)營”狀態(tài)，信號系統(tǒng)采用既有信號設(shè)備，以維持線路日常的運(yùn)營；非運(yùn)營時(shí)間段，便將倒接開關(guān)/設(shè)備切換至“調(diào)試”狀態(tài)，接通新系統(tǒng)，對其進(jìn)行調(diào)試與功能驗(yàn)證，待所有功能驗(yàn)證完成，則改造升級成功。

3 結(jié)語

通過綜合分析，蘇州軌道交通2號線車段/場改造宜采用西門子系統(tǒng)，使車段/場與正線快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，有效提高列車出入場段的效率；同時(shí)，改造升級后將會(huì)增強(qiáng)車段/場作業(yè)的安全防護(hù)。該改造策略雖一次投資成本最高，但無需承擔(dān)不同子系統(tǒng)的接口風(fēng)險(xiǎn)、避免重復(fù)投資和對運(yùn)營的重復(fù)干擾，不僅提高系統(tǒng)性能，提升線路運(yùn)輸能力，還能緩解尖峰時(shí)段客流壓力,補(bǔ)齊工程建設(shè)之初設(shè)計(jì)不足，同時(shí)也為蘇州軌道交通其余已建設(shè)線路的車段/場改造提供一定的技術(shù)支持。通過本次改造分析，進(jìn)一步明確在建新線路車段/場的建設(shè)需求，滿足全自動(dòng)運(yùn)行建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如蘇州5號線，已按照該標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)運(yùn)營，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車的高可靠、高安全正點(diǎn)運(yùn)行。