戴翌清

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！胃呒壒こ處?

北京、上海、廣州等地城市軌道交通早期建設(shè)的線路中,其配套的信號設(shè)備已經(jīng)逐步進(jìn)入服役后期。這些線路大多是線網(wǎng)的骨干線路，其運(yùn)力已經(jīng)難以滿足超大線網(wǎng)下的客流運(yùn)輸需求，線路的安全管理形勢也隨著客流的持續(xù)增加越來越嚴(yán)峻。其中，信號系統(tǒng)因制式陳舊、設(shè)備老化等原因引起的運(yùn)營問題逐年遞增，因此，對這些線路的信號系統(tǒng)進(jìn)行更新改造迫在眉睫。

2022年4月8日，國家交通運(yùn)輸部和科技部聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，該規(guī)劃文件從基礎(chǔ)設(shè)施、交通裝備、運(yùn)輸服務(wù)3個(gè)要素維度和智慧、安全、綠色3個(gè)價(jià)值維度，布局了6個(gè)領(lǐng)域18個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向。其中，綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)韌性和承載力提升的理論方法與技術(shù)研究為城市軌道交通在運(yùn)營的靈活性和運(yùn)能提升指明了方向。該規(guī)劃作為城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造方案的指導(dǎo)文件，除了建立以運(yùn)營需求為導(dǎo)向的原則外，還推動城市軌道交通進(jìn)入“提質(zhì)增效、量質(zhì)齊升”的新階段。為此，本文從多個(gè)角度分析城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造的具體需求。

1 城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理的要求

交運(yùn)規(guī)[2019]8號《交通運(yùn)輸部關(guān)于印發(fā)〈城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理辦法〉的通知》第十二條規(guī)定：“信號系統(tǒng)整體使用壽命一般不超過20年?！痹撏ㄖ牡谑艞l規(guī)定：“對于車輛、供電、信號等涉及行車安全的關(guān)鍵設(shè)備，到達(dá)使用年限的應(yīng)及時(shí)更新。未經(jīng)充分技術(shù)評估論證，不能確保運(yùn)行安全的，不得延期使用。未達(dá)使用年限，但符合下列條件之一的設(shè)施設(shè)備，可提前更新：①故障率較高，嚴(yán)重影響運(yùn)營安全和客運(yùn)服務(wù)的；②存在重大安全隱患，經(jīng)維修后仍無法消除的；③原設(shè)計(jì)功能、性能與當(dāng)前運(yùn)營要求嚴(yán)重不符的；④產(chǎn)品或設(shè)備供應(yīng)商已退出市場，無法保障備品備件供應(yīng)或服務(wù)質(zhì)量的；⑤法律法規(guī)或強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定淘汰或功能需要提升的；⑥遭受事故或自然災(zāi)害破壞，不具備維修價(jià)值的。”

JT/T 1218.3—2018《城市軌道交通設(shè)備設(shè)施維護(hù)與更新技術(shù)規(guī)范 第3部分：信號》規(guī)定了城市軌道交通信號系統(tǒng)維修與更新的基本要求，明確了信號設(shè)備維修制度、維修修程等維修管理及更新改造的要求。

本文的研究對象是北京、上海等城市軌道交通線網(wǎng)中投入運(yùn)營年限已超過10年、即將到達(dá)15年大修限期的城市軌道交通線路。這些線路信號系統(tǒng)的部分設(shè)備(如服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、車載測速裝置等)若按照安裝時(shí)間核算，其壽命已遠(yuǎn)超JT/T 1218.3—2018附錄C中表C.1《信號設(shè)備大修內(nèi)容、要求及周期表》規(guī)定的更換期限(10年)，因此，這些關(guān)鍵設(shè)備超齡服役所產(chǎn)生的運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)逐年遞增。此外，城市軌道交通部分產(chǎn)品或設(shè)備停產(chǎn)，也是觸發(fā)技術(shù)改造、設(shè)備更新的主要原因之一。城市軌道交通上游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的發(fā)展水平不一，信號技術(shù)換代、產(chǎn)品升級、經(jīng)營策略調(diào)整都可能導(dǎo)致信號設(shè)備停產(chǎn)，進(jìn)而促使城市軌道交通運(yùn)營單位努力尋求可替代的技術(shù)或產(chǎn)品，以維持線路的運(yùn)營服務(wù)水平。

城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造的目的是為了滿足未來長期運(yùn)營服務(wù)水平需要，對信號系統(tǒng)進(jìn)行整體或局部的更新，從而恢復(fù)并提高信號設(shè)備的可靠度，完善信號系統(tǒng)的使用功能，確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，延長設(shè)備的使用壽命，滿足線路運(yùn)營服務(wù)水平和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。對于臨近壽命周期的既有線信號系統(tǒng)，在提高線路運(yùn)行安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還應(yīng)滿足《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中智慧、安全、綠色3個(gè)維度評價(jià)體系的要求。

2 信號系統(tǒng)功能與運(yùn)營需求的匹配性

2.1 信號系統(tǒng)更新改造的實(shí)施方式

城市軌道交通線路在建設(shè)過程中，為配合城市發(fā)展及規(guī)劃、提升運(yùn)營服務(wù)水平，部分線路會擴(kuò)建延伸線。按照建設(shè)時(shí)序，最早建設(shè)的線路區(qū)段又稱為一期工程，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)建的延伸線區(qū)段按建成時(shí)間分別命名為二期工程、三期工程等。

目前國內(nèi)進(jìn)入改造期的城市軌道交通線路都是城市公共交通的命脈，因此需要基于不停運(yùn)的原則實(shí)施更新改造，以確保城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。城市軌道交通線路的改擴(kuò)建及信號系統(tǒng)的更新改造是相伴相生、相輔相成的，其改造通常有以下兩種情況。

2.1.1 在擴(kuò)建延伸線時(shí)進(jìn)行一期工程的更新改造

對于延伸線建設(shè)時(shí)機(jī)與一期工程信號系統(tǒng)改造工程時(shí)機(jī)重合的線路，既需要確保一期工程在更新改造期間的運(yùn)營服務(wù)水平不能下降，又需要在最終全線開通后確保信號系統(tǒng)的功能滿足線路運(yùn)能及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1.2 同一線路信號系統(tǒng)各標(biāo)段壽命周期不同設(shè)備的更新改造

擬更新改造的線路，因不同標(biāo)段設(shè)備的壽命周期不同，因此在制定信號改造方案時(shí)，需要滿足不同壽命周期設(shè)備的更新改造要求。與一期工程相比，延伸線的信號系統(tǒng)設(shè)備較新，在制定改造方案時(shí)必須考慮延伸線設(shè)備是隨同主線設(shè)備報(bào)廢，還是充分利用延伸線設(shè)備以節(jié)約資源和成本,并作出方案選擇。例如，上海軌道交通2號線一期工程于2000年6月開通運(yùn)營，其設(shè)備已達(dá)到壽命期限，但該線的3個(gè)延伸段(西延伸段、西西延伸段及東延伸段)的開通時(shí)間分別為2006年、2010年及2014年，這3個(gè)延伸段的線路長度占2號線全長的70%以上；重慶軌道交通2號線一期工程信號設(shè)備已經(jīng)接近壽命期限，但該線的延伸線開通于2015年，延伸線上的設(shè)備遠(yuǎn)未達(dá)到壽命期限。因此，信號更新改造方案既要確保延伸線設(shè)備的利用率，又要滿足一期工程更新改造的要求。

2.2 信號系統(tǒng)更新改造后需滿足的運(yùn)營需求

2.2.1 正常運(yùn)營下的運(yùn)營需求

1) 提高列車旅行速度。信號系統(tǒng)更新改造后，采用FAO(全自動運(yùn)行)技術(shù)來提高運(yùn)行交路的折返能力，優(yōu)化列車停站時(shí)間。與沒有采用FAO的線路相比，F(xiàn)AO線路上乘客在站臺乘降時(shí)列車的安全監(jiān)護(hù)不再由人工確認(rèn)，而轉(zhuǎn)為采用站臺門間隙檢測等手段予以保障，這將大大縮短列車關(guān)門后至發(fā)車前的時(shí)間(這部分時(shí)間屬無效停站時(shí)間)，如上海軌道交通10號線列車關(guān)門后至發(fā)車的時(shí)間一般為5 s左右，最長不超過10 s。由此，與上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中其他非FAO線路相比,10號線列車的旅行速度可提高約8.8%。此外，在相同的發(fā)車間隔情況下，與非FAO線路相比，F(xiàn)AO線路的上線列車數(shù)較少，列車周轉(zhuǎn)時(shí)間較短。

2) 縮短列車最小追蹤間隔。列車追蹤間隔是反映城市軌道交通線路運(yùn)能和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。早期開通線路的列車最小追蹤間隔往往受信號系統(tǒng)所約束。通過對信號系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，在線路運(yùn)行交路的折返點(diǎn)采用列車自動折返模式，可優(yōu)化人員操作，節(jié)省設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，減少列車折返時(shí)間，進(jìn)而縮短列車追蹤間隔，提升線路運(yùn)力。

2.2.2 故障場景下提高系統(tǒng)可用性

5 min及以上延誤率作為運(yùn)營可靠度指標(biāo)，是衡量和評價(jià)國內(nèi)城市軌道交通線路/線網(wǎng)行車服務(wù)水平的基本指標(biāo)。提高系統(tǒng)的可用性可采用提高系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)的修復(fù)時(shí)間2種方式，而提高系統(tǒng)可靠性的基本方法通常為增加冗余設(shè)計(jì)。冗余方式又分為同構(gòu)冗余與異構(gòu)冗余兩種。為提高系統(tǒng)的可用性，無論采用哪種冗余方式,都需要減少系統(tǒng)故障后的修復(fù)時(shí)間。對于在擴(kuò)建延伸線時(shí)進(jìn)行一期工程更新改造的線路，可根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)靈活采用同構(gòu)冗余或異構(gòu)冗余的方式。而對于各標(biāo)段壽命周期不同的改造工程，其信號系統(tǒng)更適合采用異構(gòu)冗余方式:一方面可提高列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的可靠性，有效減少系統(tǒng)故障后的修復(fù)時(shí)間,進(jìn)而確保有效緩解因設(shè)備故障對運(yùn)營造成的影響;另一方面可以最大程度發(fā)揮不同線路區(qū)段的投資效益，在不影響運(yùn)營的情況下，實(shí)現(xiàn)車載信號系統(tǒng)的無擾升級。

2.2.3 支持靈活的運(yùn)營組織方案

考慮到不同類型城市軌道交通線路的客流強(qiáng)度不同，其客流在時(shí)間、空間上的變化規(guī)律也有所不同，因此，更新改造后的信號系統(tǒng)應(yīng)支持靈活的運(yùn)營組織方案。改造后的信號系統(tǒng)可對運(yùn)輸組織模式進(jìn)行優(yōu)化，既可優(yōu)化列車資源配置，又可通過如多種交路、大站快車、雙向不均衡發(fā)車等方式滿足不均衡客流的運(yùn)營需求，合理匹配換乘站內(nèi)不同線路間列車發(fā)車間隔的差異，緩解因換乘客流抵達(dá)引起的站臺客流沖擊，減少乘客在站臺的候車時(shí)間，減少使用車站限流措施的頻次，提高整個(gè)線網(wǎng)的運(yùn)營效率，實(shí)現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

此外，在遇到軌道故障、牽引斷電、列車故障救援等突發(fā)事件時(shí)，改造后的信號系統(tǒng)可通過在局部區(qū)段采用單線雙向、交路調(diào)整、越站等靈活的運(yùn)營調(diào)整措施，最大程度地減少運(yùn)營中斷的線路范圍，滿足列車運(yùn)行安全、行車調(diào)度便捷、客運(yùn)服務(wù)高效的一體化管理要求。

目前,基于傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車控制)的信號系統(tǒng)難以支持靈活的運(yùn)營調(diào)整需求。受制于傳統(tǒng)的聯(lián)鎖技術(shù)及與之匹配的運(yùn)營管理應(yīng)急預(yù)案，CBTC系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)營秩序的效率較低，運(yùn)營調(diào)整的靈活性不足。而基于車車通信的城市軌道交通列車自主運(yùn)行系統(tǒng)對線路資源進(jìn)行管理，可高效利用線路資源，有效提升線路通過能力，提高列車的出段/庫能力。

3 信號系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)性評價(jià)

傳統(tǒng)TBTC(基于軌道電路的列車控制)系統(tǒng)為20世紀(jì)90年代的技術(shù)，目前該技術(shù)已接近或達(dá)到生命周期年限，由此導(dǎo)致信號設(shè)備故障率持續(xù)上升、信號系統(tǒng)的可用性降低。又因軌道電路的部分零部件采用國外設(shè)備，且相應(yīng)的技術(shù)在國外廠家多屬逐步淘汰產(chǎn)品，所以備件采購及維護(hù)成本均大幅增加。此外，由于TBTC系統(tǒng)制式包含固定閉塞和準(zhǔn)移動閉塞制式，難以有效滿足縮短列車追蹤間隔、提高運(yùn)營效率的運(yùn)營要求，也無法滿足城市軌道交通智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，該技術(shù)已不符合信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

城市軌道交通行業(yè)在21世紀(jì)初引入的CBTC信號系統(tǒng)也接近設(shè)備使用壽命，處于損耗失效期。CBTC系統(tǒng)集成的部件眾多，不能確保所有設(shè)備部件均滿足整個(gè)系統(tǒng)的壽命標(biāo)準(zhǔn)，且各部件供貨商的發(fā)展水平參差不齊，部分部件也因產(chǎn)品升級、技術(shù)迭代等原因停產(chǎn)。雖然當(dāng)前CBTC系統(tǒng)仍是城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流制式，但其自動化程度為GoA2(半自動化列車運(yùn)行)，難以滿足線路進(jìn)一步增加運(yùn)力、提升運(yùn)營管理效率的要求。

為此，在進(jìn)行信號系統(tǒng)的更新改造方案比選時(shí)，需要對擬采用的信號系統(tǒng)的先進(jìn)性進(jìn)行評估。可以通過以下5個(gè)維度來評價(jià)信號系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性：

1) 自動化程度：即向運(yùn)營人員及司乘人員提供高度智能化、自動化的運(yùn)營功能。如在突發(fā)超大客流或疫情等情況下，通過自動調(diào)整列車運(yùn)行計(jì)劃，從而快速地調(diào)整作業(yè)策略，合理、高效地部署車底運(yùn)用方案。

2) 運(yùn)營服務(wù)水平：即向乘客提供快速平穩(wěn)的列車運(yùn)行、較低的列車擁擠度、較短的站臺換乘等待時(shí)間等優(yōu)質(zhì)服務(wù)。由于城市軌道交通線路客流潮汐現(xiàn)象較為突出，迫切需要信號系統(tǒng)縮短列車追蹤間隔，并具備靈活的列車編組功能，以提高高峰時(shí)段的運(yùn)營服務(wù)水平，盡量減少非高峰時(shí)段運(yùn)力過于充足帶來的能耗浪費(fèi)。

3) 智能化程度：即云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)與城市軌道交通運(yùn)營業(yè)務(wù)的融合度。信號系統(tǒng)應(yīng)在新技術(shù)的加持下持續(xù)提升城市軌道交通在運(yùn)輸組織、乘客服務(wù)、設(shè)備運(yùn)維、運(yùn)營管理等方面的智能化水平，打破各個(gè)專業(yè)的信息孤島，增強(qiáng)不同專業(yè)間的協(xié)同作業(yè)能力，提升運(yùn)營指揮的決策力。

4) 可維護(hù)性：采用先進(jìn)的智能化措施為設(shè)備運(yùn)維提供技術(shù)支持，盡可能減少設(shè)備維護(hù)(如智能診斷、故障預(yù)測、故障修等)的時(shí)間，提高運(yùn)維效率，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，建立高效、環(huán)保、資源協(xié)同的設(shè)備運(yùn)維體系。

5) 安全性和可靠度：信號系統(tǒng)作為影響運(yùn)營的關(guān)鍵子系統(tǒng)，除了需要滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)所定義的安全功能外，還需通過合理的冗余配置提高系統(tǒng)的安全性和可靠度，減少因信號設(shè)備降級運(yùn)行對運(yùn)營造成的影響。

4 工程的可實(shí)施性

4.1 信號系統(tǒng)升級改造的實(shí)施方案

國內(nèi)外城市軌道交通信號系統(tǒng)的升級改造，通常采用4種方案：①沿用既有的信號系統(tǒng)制式，僅對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行替換，以提高設(shè)備的可靠性；②升級既有信號系統(tǒng)，但系統(tǒng)制式保持不變，僅對信號設(shè)備進(jìn)行更新，以提升部分設(shè)備的功能及可靠性；③采用全新的信號系統(tǒng)替代既有信號系統(tǒng)，以提高技術(shù)水平，提升信號系統(tǒng)的性能及可靠性；④采用新舊系統(tǒng)兼容方案，以滿足舊系統(tǒng)與新系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡，并通過異構(gòu)冗余方式提高信號系統(tǒng)的可靠性。

4.2 選擇信號系統(tǒng)升級改造方案應(yīng)考慮的因素

在國內(nèi)，對于已經(jīng)進(jìn)入信號系統(tǒng)大修改造期的城市軌道交通線路，在選擇和制定信號系統(tǒng)改造方案時(shí),必須綜合考慮線路建設(shè)的先決條件和關(guān)鍵因素，通過多維度的信號系統(tǒng)評價(jià)體系來確定最優(yōu)的更新改造方案，這樣才能保證在項(xiàng)目工程可行性研究階段和實(shí)施階段安全、穩(wěn)定、高效地推進(jìn)信號系統(tǒng)的更新改造工作。

若擬更新改造的城市軌道交通線路無增購列車的需求，則軌旁子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)可設(shè)置新舊系統(tǒng)的倒接裝置，用以更新改造過渡階段運(yùn)營期間和調(diào)試期間的快速切換；若擬改造線路有增購列車的需求，并且增購列車若首次上線運(yùn)營僅配置了既有線舊車載信號系統(tǒng)，則需要考慮在更新改造過渡階段對這些列車實(shí)施二次改造，即升級為CBTC系統(tǒng)所需的設(shè)備及進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，以避免出現(xiàn)增購列車直接配置了CBTC車載信號系統(tǒng)卻無法在改造前上線投運(yùn)的情況。

在綜合考慮軌旁子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)的倒接風(fēng)險(xiǎn)和調(diào)試資源后，建議采用異構(gòu)冗余的改造方案，構(gòu)建可兼容新舊信號系統(tǒng)的車載子系統(tǒng)，以滿足既有信號制式和改造后CBTC信號制式的要求，規(guī)避倒接過程的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省夜間調(diào)試的倒接耗時(shí)，提高倒接效率。通過該方案，軌旁設(shè)備改造和列車改造可同步進(jìn)行，并解除車載改造和軌旁改造工序之間的制約關(guān)系，項(xiàng)目的可實(shí)施性強(qiáng)，靈活性大，有利于控制工程進(jìn)度。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通線路運(yùn)營年限的增加，其信號系統(tǒng)不可避免地會經(jīng)歷多輪的更新改造。本文基于交運(yùn)規(guī)[2019]8號的要求，從城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理、運(yùn)營需求、系統(tǒng)更新改造是否符合信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向、工程可實(shí)施性等4個(gè)角度分析了影響城市軌道交通信號系統(tǒng)改造方案評價(jià)的相關(guān)因素，結(jié)合《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出的智慧、安全、綠色的核心目標(biāo)，分析了既有線路信號系統(tǒng)升級改造方案的關(guān)鍵因素。此外，信號系統(tǒng)更新改造還需要綜合考慮改造前后的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益、運(yùn)營維護(hù)難度及運(yùn)營安全性，建立與之相匹配的信號系統(tǒng)更新改造的評估體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。