王喜軍，楊立新，武少峰

據(jù)初步統(tǒng)計(jì),截至2020年12月31日,中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有45個(gè)城市開通了軌道交通運(yùn)營(yíng)線路,總里程約為7 978 km。而2005年以前開通的項(xiàng)目,已逐漸進(jìn)入升級(jí)改造階段。因此信號(hào)系統(tǒng)如何安全、穩(wěn)妥、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行升級(jí)改造,同時(shí)減少對(duì)既有線路運(yùn)營(yíng)安全的影響,已成為各運(yùn)營(yíng)公司迫切需要解決的問題。

1 參考標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前,雖然對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有所缺失,但可以參考相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營(yíng)管理的規(guī)定,根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求制定信號(hào)系統(tǒng)改造的技術(shù)方案。2019年7月,交通運(yùn)輸部印發(fā)的《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理辦法》（交運(yùn)規(guī)［2019］8號(hào)）規(guī)定“信號(hào)設(shè)備的整體使用壽命一般不超過20年”；《鐵路信號(hào)站內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“信號(hào)設(shè)備的大修期一般為15年”；《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)104-2008）要求,信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備折舊年限為15年。

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的改造分2種情況：一是設(shè)備老化,備品備件難以滿足運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求；二是客流增大,系統(tǒng)能力不足,迫切需要升級(jí)改造［1］。無論是哪種情況,既有信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造的安全性都將受到極大的關(guān)注。考慮到項(xiàng)目改造流程,信號(hào)系統(tǒng)一般需提前4-5年做改造準(zhǔn)備,在信號(hào)設(shè)備使用15年左右開展相關(guān)改造工作的策劃。

2 總體原則

1）升級(jí)改造應(yīng)在盡可能保證既有信號(hào)系統(tǒng)不停運(yùn)、不降低運(yùn)輸能力和安全等級(jí)的條件下進(jìn)行［2］。在過渡時(shí)期,新、舊軌旁設(shè)備、車載設(shè)備等應(yīng)能相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行,以確保實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一行車指揮。

2）應(yīng)有利于具體項(xiàng)目的行車組織和運(yùn)營(yíng)管理,實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行管理的自動(dòng)化、科學(xué)化,以及城市軌道交通服務(wù)的現(xiàn)代化。

3）應(yīng)盡可能適應(yīng)項(xiàng)目?jī)?nèi)其他專業(yè)及其他聯(lián)絡(luò)線預(yù)留的接口條件,包括現(xiàn)有的土建結(jié)構(gòu)、線路、限界、車輛、通信、供電、站臺(tái)門等現(xiàn)場(chǎng)條件。

4）改造后信號(hào)系統(tǒng)的能力應(yīng)滿足正線最小運(yùn)行間隔2 min要求,正線追蹤間隔按90 s設(shè)計(jì),在折返站的折返能力應(yīng)留有余量,端站折返能力及車輛段/停車場(chǎng)的出入段能力應(yīng)與正線行車間隔相適應(yīng),并留有一定余量［3］。

5）在滿足總體目標(biāo)的前提下,應(yīng)盡量節(jié)約投資。

3 改造方案

3.1 CBTC替代既有TBTC

新系統(tǒng)采用基于通信的移動(dòng)閉塞列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）,既有系統(tǒng)為基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)（TBTC）,新、舊系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)上分別獨(dú)立,在控制對(duì)象上需要復(fù)用?，F(xiàn)場(chǎng)復(fù)用的設(shè)備主要包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)門控制接點(diǎn)和站臺(tái)緊急關(guān)閉控制接點(diǎn)。新設(shè)系統(tǒng)與既有系統(tǒng)設(shè)備切換示意見圖1［4］。

圖1 新設(shè)系統(tǒng)與既有系統(tǒng)設(shè)備切換示意

新增CBTC為主用信號(hào)系統(tǒng),增設(shè)計(jì)軸和有源應(yīng)答器設(shè)備,與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)共同構(gòu)建成具備ATO/ATP功能的降級(jí)系統(tǒng)。車載設(shè)備同時(shí)具備在CBTC和TBTC系統(tǒng)下的列車控制功能,僅在過渡期間使用TBTC系統(tǒng)功能。待CBTC系統(tǒng)倒接完成后,拆除兼容的TBTC車載接口設(shè)備和軌旁的軌道電路設(shè)備。如果有足夠的新車,車載設(shè)備可同時(shí)實(shí)現(xiàn)既有TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)功能,滿足最優(yōu)工程條件,從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

使用室內(nèi)倒切設(shè)備的前提條件為：①若室外共用設(shè)備的電路一致,采用倒切柜的方式進(jìn)行室內(nèi)設(shè)備的倒切,將復(fù)用設(shè)備電纜由既有組合柜引接至倒切柜相應(yīng)的控制接點(diǎn),倒切柜采用旋鈕式開關(guān)控制既有系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)的倒切；②若室外共用設(shè)備的電路不一致,在室內(nèi)的防雷分線柜接向室內(nèi)側(cè)設(shè)置倒切柜,與不同系統(tǒng)的室內(nèi)組合柜和聯(lián)鎖機(jī)柜等設(shè)備連接,以實(shí)現(xiàn)通過旋鈕式開關(guān)控制既有系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)的倒切。

該方案在天津地鐵1號(hào)線、北京地鐵1、2號(hào)線等改造項(xiàng)目中均有實(shí)踐,取得了較高的工程應(yīng)用業(yè)績(jī)。

3.2既有TBTC系統(tǒng)疊加CBTC系統(tǒng)

新增CBTC作為主用信號(hào)系統(tǒng),并與既有TBTC系統(tǒng)兼容,保留部分既有TBTC系統(tǒng)設(shè)備,升級(jí)既有數(shù)字軌道電路設(shè)備,作為降級(jí)系統(tǒng)使用。新設(shè)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和ATS子系統(tǒng)設(shè)備,與既有TBTC系統(tǒng)設(shè)備相兼容［5］。該方案解決了既有線路由于設(shè)備老化導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備故障率明顯升高的問題；消除了由于既有信號(hào)系統(tǒng)供貨商的技術(shù)支持和服務(wù)水平日益降低而影響正常運(yùn)營(yíng)的安全隱患；保留了既有信號(hào)系統(tǒng)作為降級(jí)系統(tǒng),提高了主/備系統(tǒng)切換的及時(shí)性,避免了前期投資的浪費(fèi),降級(jí)運(yùn)行時(shí)依舊可以保證既有線正常的運(yùn)行間隔；軌旁改造和列車改造可以同步進(jìn)行,不會(huì)相互制約,倒接風(fēng)險(xiǎn)小,項(xiàng)目可實(shí)施性強(qiáng),靈活性大,對(duì)日常運(yùn)營(yíng)的影響可降低到最小,更有利于控制整體工期。

目前,上海地鐵2號(hào)線改造正按照此方案開展工作［6］。

1）制定多元化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。常見的大學(xué)英語評(píng)價(jià)方式是期末考試成績(jī)結(jié)合出勤、作業(yè)等平時(shí)成績(jī)，或者參考英語等級(jí)考試成績(jī)。但是單一的語言能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能全面反映學(xué)生的綜合素養(yǎng)，不能適應(yīng)以核心素養(yǎng)為培養(yǎng)目標(biāo)的大學(xué)英語教學(xué)，因此需要改善評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求，將英語的語言能力、學(xué)習(xí)能力、思維品質(zhì)和文化意識(shí)納入評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，以此展現(xiàn)高職學(xué)生的核心素養(yǎng)和綜合能力。

3.3 基于車車通信的列車控制系統(tǒng)（TACS）疊加既有CBTC系統(tǒng)

TACS系統(tǒng)是以“車車”通信為基礎(chǔ),將傳統(tǒng)的車地2層分布式列車控制系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動(dòng)系統(tǒng)深度融合,以車載控制平臺(tái)為核心,實(shí)現(xiàn)列車自主進(jìn)路、自主防護(hù)、自主調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)列車自主運(yùn)行［7］。從系統(tǒng)的架構(gòu)、對(duì)工程資源的要求、軌旁設(shè)備的分布上來講,改造項(xiàng)目具有較大的優(yōu)勢(shì),同時(shí)能夠突破系統(tǒng)能力的瓶頸。TACS系統(tǒng)架構(gòu)示意見圖2。與傳統(tǒng)CBTC相比,TACS系統(tǒng)的信號(hào)集中站設(shè)備,室內(nèi)不再配置傳統(tǒng)的區(qū)域控制器（ZC）與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖主機(jī)系統(tǒng),而是配置目標(biāo)控制器（OC）系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)以列車為主體配置資源,隨著前車的移動(dòng),通過車車通信,實(shí)現(xiàn)資源的釋放與重新分配。

圖2 TACS系統(tǒng)架構(gòu)示意

TACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖見圖3。ATS向列車下達(dá)時(shí)刻表信息指揮行車,列車之間通過無線通信和車載控制器（OBC）進(jìn)行車車信息交互,以計(jì)算移動(dòng)授權(quán),從而實(shí)現(xiàn)列車的自主防護(hù)。岔區(qū)的轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作通過目標(biāo)控制器來實(shí)現(xiàn)。

圖3 TACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

TACS系統(tǒng)是城市軌道交通中實(shí)現(xiàn)列車高效控制的先進(jìn)系統(tǒng),具有安全、高效、靈活、經(jīng)濟(jì)、易部署等特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng),TACS系統(tǒng)設(shè)備更加精簡(jiǎn),從信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造的難點(diǎn)和主要制約因素來看,采用車車通信能夠避免部分時(shí)間和空間上的矛盾。新增TACS為主用信號(hào)系統(tǒng),車載設(shè)備同時(shí)具備在CBTC和TACS系統(tǒng)下的列車控制功能,CBTC系統(tǒng)功能在過渡期間使用,待TACS系統(tǒng)倒接完成后,拆除兼容的CBTC車載接口設(shè)備和軌旁的相關(guān)設(shè)備,為軌道交通新建項(xiàng)目以及既有線路的升級(jí)改造提供新的選擇方案。

當(dāng)前,TACS系統(tǒng)正處于線路工程實(shí)踐階段,尚沒有大規(guī)模應(yīng)用,前期的研發(fā)及產(chǎn)品未量產(chǎn),工程造價(jià)較當(dāng)前主流的CBTC系統(tǒng)相差不大。但隨著TACS系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,逐漸成熟和規(guī)模應(yīng)用量產(chǎn)化后,其工程造價(jià)會(huì)有較大幅度的下降,更有利于控制信號(hào)系統(tǒng)的投資成本。

該方案正在深圳地鐵20號(hào)線項(xiàng)目中推進(jìn)。根據(jù)前期方案,先進(jìn)行CBTC建設(shè),后續(xù)隨著TACS技術(shù)的逐漸成熟,升級(jí)為TACS系統(tǒng)。

3種方案的適用場(chǎng)景、系統(tǒng)能力、工程投資以及對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響程度情況見表1。

表1 3種方案情況對(duì)比

4 難點(diǎn)問題

4.1 車載信號(hào)對(duì)線路的適應(yīng)與匹配

以CBTC系統(tǒng)替代TBTC系統(tǒng)的改造方案為例,該方案符合信號(hào)技術(shù)發(fā)展方向,解決了既有信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商技術(shù)服務(wù)水平低、備品備件提供困難的問題。但車載信號(hào)系統(tǒng)在過渡實(shí)施期間,需同時(shí)配備TBTC和CBTC 2套信號(hào)車載設(shè)備,或者兼容TBTC和CBTC的1套信號(hào)車載設(shè)備,并通過倒接裝置實(shí)現(xiàn)與車輛接口的切換。該方案中既有列車均需進(jìn)行改造及調(diào)試,時(shí)間周期較長(zhǎng),割接風(fēng)險(xiǎn)大。車載倒接裝置的長(zhǎng)期使用對(duì)運(yùn)營(yíng)安全存在一定的風(fēng)險(xiǎn)［8］。

4.2 延伸線路與既有線路設(shè)備生命周期的差異

一條線路的建設(shè)往往會(huì)出現(xiàn)分段建設(shè)的情況［9］,存在設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不相同、運(yùn)行列車類型不統(tǒng)一等因素,使得信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案的制定具有一定的挑戰(zhàn)。新增CBTC系統(tǒng)倒接完成后拆除TBTC車載設(shè)備和軌旁的軌道電路設(shè)備,將造成投資的浪費(fèi)；同時(shí),如果延伸段的既有信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備暫未達(dá)到設(shè)計(jì)的設(shè)備壽命周期,而采用該方案提前報(bào)廢,也會(huì)造成前期投資的浪費(fèi)。若在既有TBTC系統(tǒng)疊加CBTC系統(tǒng),或者基于車車通信的列車控制系統(tǒng)疊加在既有CBTC系統(tǒng)上,對(duì)延伸線來講,只需要新設(shè)系統(tǒng)滿足功能需求即可,沒必要完全保證全線的系統(tǒng)類型都一致。

4.3 時(shí)間和空間受限

一條線路從開通運(yùn)營(yíng)載客到進(jìn)入設(shè)備系統(tǒng)大修改造期,需經(jīng)過10-15年的時(shí)間［11］。隨著客流的不斷增加,運(yùn)營(yíng)時(shí)間不斷延長(zhǎng),通常為每日5：00-23：00,因此留給設(shè)備系統(tǒng)改造施工作業(yè)的時(shí)間相當(dāng)有限,這就要求各方提前做好施工作業(yè)準(zhǔn)備,以提高效率。

建設(shè)期間為了節(jié)約地下站投資,設(shè)備用房面積一般都不考慮預(yù)留,在后期改造時(shí)會(huì)導(dǎo)致房屋面積緊張。地鐵是百年工程,而設(shè)備改造有時(shí)間性和周期性要求,因此未來新線建設(shè)時(shí)應(yīng)對(duì)設(shè)備用房多加考慮。

5 總結(jié)及建議

5.1 加快融合型車載信號(hào)系統(tǒng)的研發(fā)及推廣

由中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備委員會(huì)牽頭,組織國(guó)內(nèi)各信號(hào)系統(tǒng)供貨商編制了《中國(guó)城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范》［10］,旨在促進(jìn)中國(guó)城市軌道交通建設(shè),實(shí)現(xiàn)并滿足城市軌道交通互聯(lián)互通的需求。加快融合型車載信號(hào)系統(tǒng)的研發(fā),可以有效解決信號(hào)系統(tǒng)的兼容性問題［11］。對(duì)于升級(jí)改造工程來說,能夠解決新、舊車載信號(hào)系統(tǒng)對(duì)新、舊軌旁設(shè)備的適應(yīng)性問題,降低切換風(fēng)險(xiǎn)和工程投資,充分降低系統(tǒng)改造的復(fù)雜度,提升改造效率,具有重大意義。

5.2 加快信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造標(biāo)準(zhǔn)的制定

考慮到當(dāng)前新建及部分改造線路采用了全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)［13］,為確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全,相關(guān)部門應(yīng)盡快建立有針對(duì)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,使信號(hào)系統(tǒng)改造有據(jù)可依,從而降低既有線改造風(fēng)險(xiǎn)。