羅志兵

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，200235，上海 ∥ 高級(jí)工程師)

上海軌道交通2號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“2號(hào)線”)是路網(wǎng)中的骨干線路，全長(zhǎng)64 km，共設(shè)30座車站(含11座換乘站)。全線分四期建設(shè)，其中一期段開通運(yùn)營(yíng)至今已達(dá)20年。2號(hào)線自開通以來(lái)，未曾有過(guò)全面設(shè)備大修，其較早開通的區(qū)段存在設(shè)備老化和損耗嚴(yán)重等問(wèn)題，尤其是信號(hào)系統(tǒng)，迫切需要升級(jí)改造。本文對(duì)2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)方案進(jìn)行研究。

1 備選升級(jí)方案

國(guó)內(nèi)外既有信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)改造通常采用3種方案：①沿用既有信號(hào)系統(tǒng)制式，僅對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行替換，維持信號(hào)系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)功能，提高其可靠性；②升級(jí)既有信號(hào)系統(tǒng)，系統(tǒng)制式不變，更新設(shè)備，提升部分功能，提高可靠性；③采用全新信號(hào)系統(tǒng)替代既有信號(hào)系統(tǒng)，提高技術(shù)水平，提升系統(tǒng)功能，提高可靠性。

2號(hào)線既有信號(hào)系統(tǒng)采用美國(guó)USS公司(聯(lián)合道岔與信號(hào)國(guó)際公司)提供的TBTC(基于數(shù)字軌道電路的列車控制)系統(tǒng)。全線不同時(shí)期建設(shè)的區(qū)段信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體原則保持一致，僅設(shè)備選型有差異。

為了提升信號(hào)系統(tǒng)的可靠性和可用性，2號(hào)線的信號(hào)系統(tǒng)改造方案應(yīng)符合信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向，滿足長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平需要，并與2號(hào)線在線網(wǎng)中的重要性相匹配。此外，改造方案對(duì)線路正常運(yùn)營(yíng)的影響應(yīng)最小，且實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)可控。

經(jīng)綜合分析，確定2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)改造方案有：方案一，沿用既有TBTC系統(tǒng)方案；方案二，以新增的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)作為主用系統(tǒng)，以新增點(diǎn)式通信的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)作為列車降級(jí)運(yùn)行模式下的信號(hào)系統(tǒng)(以下稱為“降級(jí)系統(tǒng)”)；方案三，新增CBTC系統(tǒng)，并兼容既有的TBTC系統(tǒng)；方案四，車載子系統(tǒng)采用兼容TBTC的CBTC系統(tǒng)，軌旁子系統(tǒng)采用新增的CBTC系統(tǒng)及點(diǎn)式通信制式的軌旁設(shè)備，并以點(diǎn)式通信的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)作為降級(jí)系統(tǒng)。

由于方案一沿用既有TBTC系統(tǒng)方案，不滿足技術(shù)先進(jìn)性要求，故不考慮。本文主要從技術(shù)先進(jìn)性、方案可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)合理性對(duì)方案二、方案三及方案四進(jìn)行比選。

2 方案比選

2.1 技術(shù)先進(jìn)性分析

2.1.1 降級(jí)系統(tǒng)的性能

3個(gè)方案均采用CBTC系統(tǒng)作為主用系統(tǒng)，其功能及性能等技術(shù)水平均一致。3個(gè)方案的降級(jí)系統(tǒng)均采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)制式，相應(yīng)的行車控制方式也基本相同，但性能各不相同。

當(dāng)采用點(diǎn)式通信降級(jí)系統(tǒng)時(shí)，如列車切換至降級(jí)運(yùn)行模式，則列車需先以人工駕駛方式讀取到下一個(gè)有源應(yīng)答器，才能以ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)采用連續(xù)式通信方式時(shí)，如列車切換至降級(jí)運(yùn)行模式，則其信號(hào)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取由軌旁設(shè)備向車載設(shè)備發(fā)送的行車信息，使列車可直接以ATO模式繼續(xù)運(yùn)行，縮短了降級(jí)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高了運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。可見，連續(xù)式通信方式更優(yōu)。

點(diǎn)式通信降級(jí)系統(tǒng)均按線路建設(shè)初期的運(yùn)營(yíng)間隔要求設(shè)計(jì)。增加信號(hào)系統(tǒng)區(qū)間設(shè)備及減小軌道區(qū)段長(zhǎng)度等措施，雖能提高行車效率，但仍較難滿足2 min的運(yùn)營(yíng)間隔要求。2號(hào)線既有TBTC系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了2 min的正線運(yùn)營(yíng)間隔要求。連續(xù)通信的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)具有更好的運(yùn)營(yíng)能力，在降級(jí)模式下基本不影響運(yùn)營(yíng)能力，可有效提高2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)整體的可用性。可見，將既有的連續(xù)通信式準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)作為降級(jí)系統(tǒng)具有先天優(yōu)勢(shì)。

本文以淞虹路站—虹橋2號(hào)航站樓站區(qū)間(長(zhǎng)度約6 km)為例進(jìn)行分析。如采用連續(xù)通信的降級(jí)系統(tǒng)方案(方案三)，則列車在發(fā)生故障后，可直接降級(jí)并以TBTC制式的ATO模式繼續(xù)運(yùn)行。如采用點(diǎn)式通信的降級(jí)系統(tǒng)方案(方案二或方案四)，則區(qū)間需增加2架信號(hào)機(jī)(信號(hào)機(jī)平均間距約為2 km)。當(dāng)列車發(fā)生故障后，列車需以人工駕駛模式按不高于20 km/h的速度運(yùn)行2 km(至少需要約6 min)，才能獲得點(diǎn)式有源信標(biāo)，進(jìn)而切換到ATO模式。實(shí)際操作時(shí)還需要司機(jī)操作的時(shí)間和列車起動(dòng)時(shí)間等。相比方案三，方案二或方案四對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響至少在6 min以上?？梢姡桨溉捎眠B續(xù)式準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式，能極大程度地保障了運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平，其信號(hào)系統(tǒng)的整體可用性較高。

2.1.2 ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

方案二和方案四的ATC子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)和點(diǎn)式降級(jí)系統(tǒng)下的ATC子系統(tǒng)，其MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)指標(biāo)為目前主流CBTC信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵ATC系統(tǒng)的MTBF值，約為2×105h的數(shù)量級(jí)。

方案三的ATC子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)和TBTC系統(tǒng)兼容下的ATC子系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)算，其MTBF指標(biāo)可以達(dá)到1.8×106h 的數(shù)量級(jí)，關(guān)鍵ATC系統(tǒng)的可靠性得到明顯提高，兼容性方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 方案可實(shí)施性分析

2.2.1 列車改造

方案二、三、四為實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)功能均需進(jìn)行列車改造。由于3個(gè)方案的CBTC主用系統(tǒng)功能一致，故其列車改造工程量和實(shí)施難度基本相當(dāng)。

方案二需要在列車上單獨(dú)安裝1套CBTC車載子系統(tǒng)和車載倒接開關(guān)，為確保倒接后的信號(hào)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，除了在夜間系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)需進(jìn)行壓力測(cè)試外，還需在信號(hào)系統(tǒng)最終倒接前增加一段時(shí)間的“影子模式”運(yùn)營(yíng)。在“影子模式”下，列車仍以既有信號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，新增的CBTC系統(tǒng)以“影子”狀態(tài)進(jìn)行正常工作，但CBTC系統(tǒng)不作最終輸出，一旦其發(fā)生任何問(wèn)題都不會(huì)影響列車運(yùn)行，而只會(huì)存在系統(tǒng)日志中。每天運(yùn)營(yíng)結(jié)束后，對(duì)這些系統(tǒng)日志進(jìn)行分析，可以將CBTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題都在此階段暴露出來(lái)，以便不斷修正和改進(jìn)。經(jīng)評(píng)估，當(dāng)CBTC系統(tǒng)在“影子模式”下的穩(wěn)定性和可靠性已滿足正常運(yùn)營(yíng)條件時(shí)，方可進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)的最終倒接。該方案需要很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行倒接調(diào)試，其車載倒接開關(guān)將長(zhǎng)期使用，增加了調(diào)試期間的風(fēng)險(xiǎn)。

方案三及方案四的列車安裝兼容性車載設(shè)備以后，能在CBTC和TBTC兩種制式下運(yùn)行，其車載子系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行倒接，故不存在倒接風(fēng)險(xiǎn)且無(wú)需增加“影子模式”這一階段，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)可控。此外，在不影響運(yùn)營(yíng)的情況下，方案三和方案四還可實(shí)現(xiàn)逐列離線改造的方式。只要單列列車的車輛和信號(hào)車載設(shè)備完成改造及調(diào)試，就可在既有的TBTC系統(tǒng)制式下立即投入正線運(yùn)營(yíng)。

方案三將部分既有TBTC設(shè)備與AF-904數(shù)字軌道電路升級(jí)改造后作為降級(jí)系統(tǒng)，可顯著減少區(qū)間軌旁設(shè)備的施工作業(yè)量，縮短實(shí)施工期。此外，室內(nèi)設(shè)備的改造可分部實(shí)施，進(jìn)而縮短整體工期。

同方案二與方案四相比，方案三的整體工期可縮短近一年左右，此外，方案三還具有分段實(shí)施的靈活性，可降低由于信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造對(duì)線路運(yùn)營(yíng)造成的影響。

2.3 經(jīng)濟(jì)合理性分析

方案二、方案三及方案四CBTC主用系統(tǒng)的區(qū)間軌旁設(shè)備布置及數(shù)量基本一致。但由于降級(jí)系統(tǒng)設(shè)備、車載信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備及既有設(shè)備拆除存在差異，3個(gè)方案的信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)成本也存在較大差異。

2.3.1 降級(jí)系統(tǒng)設(shè)備的差異

方案二及方案四需在正線新設(shè)置有源應(yīng)答器和計(jì)軸設(shè)備,這部分建設(shè)投資費(fèi)用較大。

方案三將既有TBTC系統(tǒng)設(shè)備升級(jí)后作為降級(jí)系統(tǒng)使用,除對(duì)既有AF-904數(shù)字軌道電路進(jìn)行升級(jí)及更換設(shè)備的接口板卡外，基本無(wú)需再增加建設(shè)投資費(fèi)用，其建設(shè)工程實(shí)施費(fèi)用也節(jié)省很多。

2.3.2 車載信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的差異

汪老師陪聊了半個(gè)多小時(shí)，最后她告訴我一個(gè)小秘密，說(shuō)她在上學(xué)時(shí)，第一次住上鋪也跟我一樣害怕，爬上床后坐在上面動(dòng)都不敢動(dòng)，我比她勇敢多了，上去之后還敢在床的兩頭來(lái)回放東西，這時(shí)我才發(fā)現(xiàn)，在她的指導(dǎo)下，居然把她給我鋪好的床，又按自己的習(xí)慣鋪了一遍。大概是有了汪老師和藹可親的鼓勵(lì)，讓我心里有了依靠，抑或是我因?yàn)閾碛辛送衾蠋煹男∶孛?，心里有點(diǎn)小歡喜，等汪老師離開時(shí)，我已經(jīng)不再恐懼上鋪。

方案三及方案四的車載信號(hào)設(shè)備兼具CBTC制式和TBTC制式的列車控制功能，不需重復(fù)建設(shè)。方案二需增加軌道電路車載天線、車載TWC(車-地通信)天線和軌道電路處理單元等設(shè)備，其車載信號(hào)設(shè)備單價(jià)較高。

2.3.3 既有設(shè)備拆除的差異

方案二及方案四需拆除既有TBTC系統(tǒng)的所有室內(nèi)設(shè)備、軌旁設(shè)備和車載設(shè)備。方案三僅需拆除既有TBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備，并升級(jí)部分室內(nèi)設(shè)備及室外設(shè)備。

2.3.4 建設(shè)成本的差異

以方案二為基準(zhǔn)，方案三及方案四的建設(shè)成本差異如表1所示。

表1 方案三及方案四建設(shè)成本差異比較表

由表1可見，與方案二相比，方案三建設(shè)成本高約5 250萬(wàn)元，方案四建設(shè)成本高約10 350萬(wàn)元。

為降低實(shí)施過(guò)渡期間對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響、提高工程的可實(shí)施性，方案三及方案四采用了兼容性信號(hào)車載設(shè)備，增加了建設(shè)成本。方案三僅需升級(jí)既有TBTC系統(tǒng)設(shè)備，與增設(shè)新降級(jí)系統(tǒng)的方案四相比，可節(jié)省一定的投資費(fèi)用。此外，方案四新增的車載兼容TBTC系統(tǒng)設(shè)備僅用于實(shí)施過(guò)渡期間，待軌旁CBTC子系統(tǒng)啟用后即廢棄，較為浪費(fèi)。

2.4 綜合比選

考慮到2號(hào)線運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，存在大量夜間維護(hù)檢修的作業(yè)需求，可用的夜間施工點(diǎn)少，因此2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的改造升級(jí)方案在兼顧經(jīng)濟(jì)性及可實(shí)施性的前提下，應(yīng)充分考慮實(shí)施的工期因素，并盡量降低對(duì)既有運(yùn)營(yíng)安全的影響。

方案二具有相對(duì)豐富的工程實(shí)施案例，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。但方案二中列車使用降級(jí)系統(tǒng)時(shí)的最小運(yùn)行間隔難以滿足運(yùn)營(yíng)需求，其信號(hào)系統(tǒng)整體可用性不如方案三，而且方案二的實(shí)施難度大，工期長(zhǎng)，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)較高。

方案三具有較好的可實(shí)施性，實(shí)施難度相對(duì)較低，可縮短工程整體工期且具備分段實(shí)施的靈活性，其有效工期較方案二及方案四的工期短一年。但方案三的建設(shè)成本略高于方案二。方案三中，當(dāng)列車使用降級(jí)系統(tǒng)時(shí)，列車運(yùn)行仍能滿足最小運(yùn)行間隔為2 min的要求，其信號(hào)系統(tǒng)整體的可用性高，有利于風(fēng)險(xiǎn)管控，可有效減小實(shí)施期間對(duì)運(yùn)營(yíng)造成的影響。

方案四具有可實(shí)施性，可降低實(shí)施過(guò)渡期間對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，但建設(shè)成本較高，存在一定的建設(shè)成本浪費(fèi)，且當(dāng)列車使用降級(jí)系統(tǒng)時(shí)，最小運(yùn)行間隔難以滿足運(yùn)營(yíng)需求。與方案三相比，方案四的信號(hào)系統(tǒng)整體可用性較差，實(shí)施難度較大，工期較長(zhǎng)。

各方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造方案比選表

由表2可見：方案三具有較優(yōu)的技術(shù)水平和較好的可實(shí)施性，易于實(shí)現(xiàn)工程的風(fēng)險(xiǎn)管控，工程投資適中；方案三的信號(hào)系統(tǒng)整體可用性最好，工程實(shí)施對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響最低；方案三的列車采用降級(jí)系統(tǒng)時(shí)仍能滿足最小運(yùn)行間隔為2 min的要求，符合2號(hào)線高可用性、高可靠性，效率高、間隔短的實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，也與2號(hào)線在上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的重要性相匹配?？傊桨溉哂忻黠@的優(yōu)越性。

3 最終方案

2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造的最終方案選用方案三。2019年1月，2號(hào)線信號(hào)新增CBTC系統(tǒng)工程通過(guò)了審批。2號(hào)線采用新增CBTC系統(tǒng)作為主用信號(hào)系統(tǒng)，其與既有TBTC系統(tǒng)兼容，保留部分既有的TBTC系統(tǒng)設(shè)備，并將既有的AF-904數(shù)字軌道電路設(shè)備升級(jí)，用于列車降級(jí)模式運(yùn)行。2號(hào)線升級(jí)后新信號(hào)系統(tǒng)的車站及軌旁設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。

圖1 2號(hào)線新信號(hào)系統(tǒng)車站及軌旁設(shè)備構(gòu)成示意圖

新增的CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)設(shè)備和ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)同既有的TBTC系統(tǒng)設(shè)備兼容，具備在準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式下，通過(guò)升級(jí)后的數(shù)字軌道電路和TWC實(shí)現(xiàn)能滿足列車ATO及ATP(列車自動(dòng)保護(hù))需求的監(jiān)控。新增的車載設(shè)備在CBTC系統(tǒng)和TBTC系統(tǒng)下都能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制功能，可替換既有信號(hào)系統(tǒng)的車載設(shè)備。2號(hào)線新信號(hào)系統(tǒng)的車載設(shè)備構(gòu)成如圖2所示。

圖2 2號(hào)線新信號(hào)系統(tǒng)的車載設(shè)備構(gòu)成示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用的兼容性改造方案解決了由于設(shè)備老化信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備故障率明顯升高的問(wèn)題，消減了既有信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)支持和服務(wù)水平日益降低對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的安全隱患；提升了全線信號(hào)系統(tǒng)的性能，有利于提升運(yùn)行效率；將部分既有信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備保留改造為降級(jí)系統(tǒng)，提高了主用系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換的及時(shí)性，避免了前期投資的浪費(fèi)；列車在降級(jí)運(yùn)行時(shí)仍可保證2 min的運(yùn)行間隔；軌旁設(shè)備改造和列車改造可同步進(jìn)行，不會(huì)相互制約，倒接風(fēng)險(xiǎn)??；項(xiàng)目可實(shí)施性強(qiáng)，靈活性大，符合本工程實(shí)施對(duì)日常運(yùn)營(yíng)的影響降低到最小的原則，也有利于整體工期控制。