城市軌道交通信號系統分段式改造方案

李 潔，辛 鑫

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

截至2022年底，國內（大陸地區）共有55個城市開通城市軌道交通運營線路308條，運營線路總長度10 287.45 km。城市軌道交通已經成為國內大中型城市緩解城市擁堵、滿足市民出行需求的重要手段。信號系統是城市軌道交通的“大腦和中樞神經”，基于通信的列車控制（Communication-Based Train Control，CBTC）是信號系統的主流制式。自2008年北京地鐵10號線首次采用CBTC技術并成功開通運營，經過十幾年的發展，CBTC技術在國內各個城市得到廣泛應用。

根據《城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法》，信號系統的整體使用壽命一般不超過20年。目前，北京、上海等地的部分CBTC系統已逐步接近15年使用期限，為確保其在20年的服役年限截止前完成改造，應盡快開展城市軌道交通信號系統的改造工作。

既有的信號系統改造方案存在時間長、成本高、施工難度大的問題。伴隨著信號系統的發展，新的信號制式陸續出現，亟需提出一種能夠提升效率新的信號改造方案。

本文對信號系統的既有改造方案和模式進行了系統分析，結合信號系統的發展趨勢和技術現狀，提出了一種分段式改造方案，能夠有效提高信號系統改造的效率，降低成本。

1 信號系統改造方案研究現狀

信號系統的升級改造要遵循不影響運營、成本可控、高效可靠的基本原則。目前，國內部分線路已經完成信號系統的改造，主要有以下兩種方式。

1）主/備冗余式

以CBTC系統為主用模式，另一制式信號系統為備用模式。當CBTC系統故障時，備用模式啟動。主用系統和備用系統采用不同的模式，從而降低共因失效的概率，提升信號系統的可靠性和可用性。上海地鐵2號線以既有基于軌道電路的列車控制（Track Circuit-Based Train Control，TBTC）系統為備用模式，以新建CBTC系統為主用模式。正常情況下 CBTC模式為主用模式，當CBTC設備發生故障時切換到TBTC模式運行。

主/備冗余式改造方案對運營秩序的影響較小，既有設備利用率高，且能夠分階段改造。但改造后設備數量大大增加，提高了維護難度和維護成本。

2）一次性整體切換式

在既有信號系統運營期間新建一套完全獨立的信號系統，新信號系統在安裝、調試過程中均不能影響既有系統的正常工作，待新系統全部調試完成后一次性開通運營，最后拆除既有信號系統。北京地鐵1/2號線、八通線以及天津地鐵1號線均是在TBTC系統運營期間，新建CBTC系統并在建設完成后整體替代原系統。

一次性整體切換式能夠解決既有信號廠家設備老化、支持力度不足、備品備件停產等問題。由于地面設備較多施工復雜，且只能利用夜間3～4 h的天窗點進行施工，時間極其有限，車載和地面設備無法獨立使用等原因，該方案實施難度大，總體工期長。同時，一次性整體切換式改造對既有設備的利用率低，難以達到降本增效的目標。

由于CBTC技術成熟、安全高效且性能穩定，目前國內的信號系統改造大多采用“整體改造，一次倒切”的方式新建一套CBTC系統整體替代既有系統。傳統CBTC系統軌旁設備多，實施難度大，見效慢，如北京地鐵2號線整體改造用了3年時間，極大提升了改造成本。隨著各大中城市的城軌信號系統陸續進入改造階段，加之信號系統技術也進入了新時代，亟需尋求一種施工難度小、見效快、成本低且性能優的信號系統改造方式，以提升社會效益和經濟效益。

2 列車自主運行系統

列車自主運行系統（Train Autonomous Control System，TACS）伴隨著通信技術、計算機技術、傳感技術和控制技術的發展日趨成熟，已成為城市軌道交通信號系統的發展方向。TACS能夠通過車-車通信和自主感知實現列車自主安全運行，具有結構扁平化、軌旁設備數量少和運行效率高等特征，與傳統的CBTC系統架構和運行原理有較大區別。

TACS核心功能從地面轉移到車載，地面設備相對較少。車載設備自主計算列車移動授權，室內設備不再配置區域控制器（ZC）和聯鎖設備，而是配置資源管理器（RC），真正實現以列車為主體配置資源。如圖1所示，TACS主要由列車車載設備、RC、中心ATS等設備組成。中心列車自動監控系統ATS向車載下發行車計劃；車載根據行車計劃和前車位置等信息向RC申請線路資源，并自主計算移動授權，實現列車自主運行，當列車行駛過后向RC釋放線路資源；RC負責登記列車信息并管理線路資源。車載設備包含自主感知設備和信號設備，其中，自主感知設備通過相機、激光雷達、毫米波雷達等技術融合，實現列車測速定位、識別信號機狀態、識別障礙物類型（如車輛、人、紙箱等）及計算可視距離等功能，為列車兼容不同的地面信號系統提供技術支持。

圖1 TACS架構示意Fig.1 Typical architecture of TACS

基于自主感知和車-車通信的TACS即Autonomous Perception Based， TACS，簡稱A-TACS。當列車降級后，A-TACS車載設備能夠通過自主感知技術識別信號機狀態，控制列車按照進路自主運行。與CBTC系統相比，A-TACS改變降級模式的信息獲取方式，使列車在降級模式下與地面信號系統的關聯度大大降低。根據這一特征，A-TACS替代CBTC時，可改變一次性整體切換模式所面臨的問題，分段式改造則成為可能。

3 信號系統分段式改造方案

本文提出一種A-TACS替換CBTC的分段式改造方案，分為車載設備改造和地面設備改造兩個階段。待改造線路由于服役時間長、設備老化導致的故障時有發生，尤其車載設備故障頻發，采用車載設備先行改造的方式，完成改造的列車即可使用新設備上線運營。隨著裝載新設備的列車上線數量的增加，逐步降低既有車載設備故障給運營帶來的嚴重影響，提升信號系統的可靠性。同時，車輛改造相比于整體改造完成時間明顯縮短，全部車輛改造完成后將徹底解決車載設備故障問題，成效顯著，大大提升改造效率，進一步有利于提升社會效益。相比于傳統CBTC系統，A-TACS的地面設備數量少、功能簡單，可以減少地面設備用房限制，縮短地面施工調試時間，降低施工成本?？紤]到地面改造施工主要占用夜間天窗點開展工作，一般僅有3～4 h，在同等條件下，由于A-TACS地面設備少于CBTC系統，改造工期將縮短1/3。可見，采用A-TACS分段式改造既能提升改造效率，也能降低改造成本。改造方案如下。

1）車載設備改造階段

列車加裝A-TACS車載設備，新車載設備和既有車載設備獨立運行，可通過倒切開關進行切換。新車載設備能兼容既有地面設備，通過自主感知技術識別信號機狀態，按照進路閉塞的降級模式行駛。車載設備的改造安裝時間不需要依賴“天窗”，可在場段分批次進行。以全線配置50列車為例，場段每月完成改造4～5列車，經調試后分批次上線運營，全部列車改造在1年半內時間即可完成。

2）地面設備改造階段

A-TACS地面設備改造與車載設備改造分段進行，亦可同時進行分階段完成。RC和既有聯鎖設備加裝倒切設備，夜間調試切換到改造設備，白天運營恢復為既有設備。本階段是對列車自主運行系統的全功能驗證，完成后拆除既有信號系統設備，最終完成改造。

相比于傳統的整體改造方案，A-TACS分階段改造方案能夠分期見效，只需列車車載設備完成改造即可分批次上線運營。改造后的列車能夠兼容既有地面信號設備，在降級模式下自主運行。既有地面設備識別到改造后列車為非通信車，為其排列后備進路，此時車載設備依靠自主感知技術識別信號機狀態和前方障礙物，并自主計算移動授權，確保列車安全運行。當只有部分列車完成改造時，線路上同時存在裝載新設備的列車和既有設備的列車，既有設備列車依然能夠按照CBTC模式運行，新設備列車則按照降級模式運行，新舊兩種車載列車混跑運行。

由于分段式改造方案在系統全部改造完成前無法建立車-車、車-地無線通信，所以改造后的列車使用新設備上線運行時，只能采用降級模式，按照進路閉塞行車，因此會加大行車間隔，損失一部分運力。當運營線路本身的行車密度較低時，改造期間造成的運力損失相對較??；反之，則相對較大。因此，A-TACS分階段改造方案更適合客流量適中或較小的線路。對于本身客流量較高的線路，亦可使改造后的車載設備作為既有車載設備的后備系統，當既有車載故障后切換到新車載設備，使列車能夠繼續運行，避免設備故障導致列車下線給運營帶來的不利影響。

4 分段式改造方案驗證

北京地鐵15號線首開段2010年底開通，至今已運營10多年，接近改造周期。15號線信號系統正在進行分段式改造方案的車載改造驗證，試驗已于2022年4月開始實施，預計2023年底完成驗證。

選取俸伯到石門的三站兩區間作為分段式改造試驗段，以兩列車作為試驗車，加裝A-TACS車載設備。15號線的最小運營間隔為3 min 19 s，客運能力與客流需求不匹配是當前線路的主要問題。為此，在第一階段的A-TACS降級模式改造中，除車載改造以外，還需要在線路增加區間信號機，從而縮短進路閉塞間隔，達到降級模式下2 min 30 s的列車運行間隔。線路布置如圖2所示，其中區間信號機XQ1、XQ2、SQ1和SQ2為新增信號機。同時，加裝室內設備RC對新增信號機進行驅采控制，并通過倒切裝置實現對既有軌旁設備的驅采控制。

圖2 北京15號線試驗段線路Fig.2 Layout of test section of Beijing Subway Line 15

4.1 車載設備改造

如圖3所示，兩列試驗列車上加裝自主感知設備和車載信號設備。自主感知設備包括攝像頭、激光雷達、毫米波雷達和感知主機；車載信號設備包括車載ATP、BTM主機、MMI顯示屏、應答器天線和測速設備等。

圖3 新增車載設備結構示意Fig.3 New on-board equipment

新增車載信號設備、既有車載信號設備對車輛的控車指令輸出保持獨立，可通過切除開/關進行切換，如圖4所示。運營期間新增車載設備處于斷電切除狀態，試驗調試期間既有設備處于斷電切除狀態，彼此無干擾。新增車載信號設備同步持續采集車輛信息，信息采集不會影響既有車載設備工作，如圖5所示。

圖4 新舊車載設備對車輛指令輸出示意Fig.4 Command output to the train by the new and old on-board equipment

圖5 新舊車載設備采集車輛信息示意Fig.5 Information acquisition from the train by the new and old on-board equipment

4.2 地面設備改造

如前所述，為提升北京地鐵15號線后備模式下的運行能力，在試驗段加裝信號機。在俸伯站信號設備室安裝RC設備，并設置倒切柜實現RC和既有聯鎖對軌旁信號機、道岔的控制切換。另外還安裝了ATS設備、DCS設備、電源屏等。室內設備結構如圖6所示。對于其他室外設備，RC同步采集既有繼電器的空余接點，減少配線改動以降低對既有設備的影響。

圖6 室內設備結構Fig.6 Architecture of indoor equipment

4.3 改造試驗目標

目前北京地鐵15號線的改造試驗正在按照上述方案開展進行。本試驗目的在于驗證分段式改造方案的可行性，確保分段式改造中后備運行模式的可用性，為A-TACS的分段式改造的實際應用奠定基礎。

5 結論

A-TACS分段式改造方案采用先改車載設備，確保新車載設備改造完成后能夠上線運營，后改地面設備，實現車-車通信全部功能，最終完成新信號系統整體替代的方式。對比傳統的主/備冗余式和一次性整體切換式改造，不僅精簡了新系統的設備數量，降低改造難度，還實現了分期見效，在第一階段改造后能夠全面提升車載設備的可靠性，縮短改造見效周期，提高改造效率。但由于整體改造完成前新車載設備只能在降級模式下按照進路行車，可能會加大行車間隔，降低行車效率。本文以北京地鐵15號線改造試驗為例，介紹第一階段后備運行模式的改造方案，為即將進入改造周期的城軌線路提供合理可行的參考依據。