城市轨道交通信号系统改造倒接方案设计

马永恒

（卡斯柯信号有限公司，北京 100045）

0 引言

随着轨道交通的建设发展，北京、上海等一些城市的轨道交通已形成网络化运营，日益增长的客流给既有线路的运营组织带来了巨大压力[1]，提高运力对信号系统提出了新的需求。另一方面，随着信号系统投入使用年限的增加，发生故障隐患的几率也随着设备老化逐渐增大。基于以上需求，部分地铁线路开始进行信号系统改造，以达到消除隐患，提高运营能力的目的。在信号系统改造的全过程中，倒接方案的设计与既有信号系统关系最为密切，实施风险最高。本文主要结合北京地铁1号线的信号系统改造工程，阐述信号系统改造过程中的倒接方案的设计。

北京地铁1号线于1965年动工，西段1974年开通，东段1999年通车运营。线路全长约34 km，25座车站、2个车辆段及一个控制中心。既有1号线采用固定闭塞信号系统，包括国产继电联锁设备，以及引进的FS2500无绝缘轨道电路设备等。目前线路行车最小间隔为125 s[1]，为了进一步提高运力，将行车间隔缩短为120 s，同时达到消除隐患的目的，对北京地铁1号线信号系统进行升级改造。

本次信号系统改造采用基于通信的列车运行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统，主要包括列车自动防护子系统 （Automatic Train Protection，ATP）、列车自动运行子系统（Automatic Train Operation，ATO）、列车自动监控子系统 （Automatic Train Supervision，ATS）、 联 锁 子 系 统 （Computer Based Interlocking，CBI）和维护支持系统 （Maintenance Support Subsystem，MSS），如图1所示。信号系统改造的全程将在保证既有信号系统不停运、不降低既有运输能力的前提下实施。在改造过渡期间，倒接方案的设计需保证新、旧轨旁设备及车载设备独立运行，实现新、旧信号系统的“无扰切换”。

1 倒接方案设计基本原则

图1 CBTC信号系统组成

为了实现安全、高效的信号系统倒接，根据改造线路的信号技术特点，倒接方案设计需满足以下几个原则：

（1）在信号系统安装、调试期间，以及后期对旧信号设备、过渡设备的拆除过程中，系统倒接方案的设计要保证不影响正常的商业运营。

（2）在信号系统安装、调试期间，以及后期对旧信号设备、过渡设备的拆除过程中，既有系统运营效率、运营安全不能因系统改造而降低。

（3）在信号系统安装、调试期间，以及后期对旧信号设备、过渡设备的拆除过程中，要保证新、旧信号设备独立运行，以保证过渡期间的新信号系统调试工作。

（4）在保证安全的前提下，要求倒接设计简单，操作便捷，便于后期拆除。

2 倒接原理

2.1 信号系统倒接阶段划分

（1）既有系统运营阶段。在该阶段进行信号系统的详细设计、现场定测及安装以及系统静态调试工作。

（2）影子模式运营阶段。在该阶段进行夜间的动车测试，以及白天在既有系统运营期间，对新系统设备上电进行数据采集工作。

（3）新系统试运营及拆旧阶段。完成新系统综合联调等各项测试，具备载客试运营条件后，进入该阶段。该阶段开始对旧信号设备进行拆除。

（4）系统正式运营阶段。试运营结束，旧设备及过渡设备拆除完毕后进入该阶段。各阶段划分如图2所示。

图2 倒接阶段划分

2.2 倒接分析

对轨旁信号系统特点进行分析，新信号系统设备可以完全独立于既有系统设备进行安装，两个系统间的接口仅限于对道岔转辙机的控制。除转辙机外，新系统的室内设备、区间设备、站台设备的安装、调试均不影响既有系统。针对道岔转辙机的控制，为保证系统过渡期的调试，设计专用的日夜转换设备以保证转辙机可由新、旧信号系统交替控制。白天运营期间由旧信号系统控制，夜间调试由新信号系统控制。

对车载信号系统组成进行分析，对于同时装有新、旧车载信号系统的车辆，设计信号倒接开关，用于切换新、旧车载信号系统对列车的控制。夜间调试切换到新车载信号系统，白天运营切换到旧信号系统控制。在影子运行阶段，运营期间将倒接开关切至既有信号系统控制，同时新车载信号系统设备上电，可以对新系统性能进行监测。

3 轨旁设备倒接方案设计

3.1 外部电路设计

基于以上分析，轨旁新信号系统与既有旧信号系统的接口主要实现联锁子系统对道岔转辙机的控制及状态采集。根据道岔电路原理，设计“日/夜倒接装置”用于切换既有旧联锁与新系统联锁对道岔的信息采集及控制。日/夜倒接装置设置在既有信号系统机械室内的分线盘处，将新信号系统及既有信号系统的道岔控制电路分别引入日/夜倒接装置的对应端子上，通过日/夜倒接装置连接至室外转辙机，从而实现新、旧信号系统对同一道岔转辙机的分别控制及状态采集。如图3所示。

图3 新、旧系统倒接原理图

3.2 新旧系统倒接装置设计

为保证切换安全可靠、操作简单，新旧系统倒接装置设计主要由新旧系统倒接开关、转换确认开关、双稳态继电器、指示灯以及外箱5部分组成。日/夜倒接装置采用SIL4安全等级的双稳态继电器作为主要部件，在继电器完成切换后，切断继电器线圈的供电，继电器的触点将会锁闭在当前状态下。利用该继电器的特性，由每组相应触点的中接点连接室外转辙机的控制、表示线，前触点及后触点分别连接新、旧联锁设备的控制电路，从而达到新、旧联锁系统对转辙机切换控制的目的。如图4所示。

“新、旧系统倒接开关”主要用于新旧设备的倒接操作。当需要转换到新系统或旧系统时，只须将“新、旧系统倒接开关”扳至对应位置，双稳态继电器励磁接通相应电路，该开关必须与“转换确认开关”配合使用才能进行新、旧系统切换。

图4 倒接开关原理图

“转换确认开关”主要用于切断、接通双稳态继电器的励磁电源。在转换时，将“转换确认开关”扳至对应位置以接通继电器励磁电源；当转换过程结束，开关扳至对应位置切断继电器励磁电源。从电路设计上强制要求两次操作确认，能够有效防止转换过程中发生的人为误操作。新、旧系统对道岔信息采集及控制与倒接开关位置关系，参见表1。

表1 采集控制信息与倒接开关位置关系

双稳态继电器作为新旧系统倒接装置的主要部件，对其选择要充分考虑触点的瞬间电流冲击能力。如北京地铁1号线采用ZD6型双机牵引转辙机，在直流220 V负载的情况下，双稳态继电器触点所承受的瞬间电流冲击须大于8 A。同时为保证继电器各触点状态一致，建议选择有强制导向触点的双稳态继电器。

指示灯电路主要用于多个继电器之间的状态一致性确认。该指示灯串联在双稳态继电器的节点回路中，用于提示接通的是既有系统还是新信号系统。

4 车载倒接设计

对于之前未配备车载信号系统的车辆，不涉及到新、旧信号系统的倒接。在进行车辆信号电路设计时，只需在电路中增加车载信号倒接开关，用于在影子运营期间切断新信号设备对车载的控制命令。以下主要针对之前配备了既有信号系统的车辆进行倒接方案讨论。

对于之前已经配备了车载信号系统的车辆，车载信号倒接设备的设计，需保证对既有车载信号系统与新车载信号系统的切换。车载信号倒接设备电路设计要确保新车载信号系统不会影响到既有车载信号系统的功能，易于操作，以保证新车载调试的要求。因此选择安全开关作为车载设备倒接的主要部件，该安全开关包含既有信号系统和新信号系统两个选择位。进行新、旧系统切换时，只需将倒接开关转换到相应位置即完成对车载信号系统的倒接。新信号系统和既有信号系统并行采集车辆信息，输出命令将使用Y形安全开关进行选择，当开关置于“旧系统”时，既有信号系统对车辆进行控制；当倒接开关置于“新系统”时，新车载信号系统对车辆进行控制。如图5所示。

图5 车载倒接原理图

北京地铁1号线车辆改造有两种车型，分别是DKZ4车型及 SFM04车型，采用 6辆编组，3动 3拖[2]，车辆的信号接口电路设计如图6所示。信号与车辆接口电路中接入车载倒接开关（SC12），该倒接安全开关有 12级共48个触点，通过该安全开关实现新、旧车载信号系统的切换。

图6 车辆信号接口电路原理图

进行新、旧车载信号倒接时，需要破铅封后，由两人共同完成倒接开关位置的确认。倒接完成后对倒接开关进行铅封并锁闭倒接开关机柜。

5 旧设备及过渡设备拆除

旧信号设备及过渡设备拆除是在新设备倒接完成后，新信号系统试运营阶段进行。设备拆除包括轨旁旧信号设备及过渡设备拆除，以及车载旧设备及过渡设备拆除。

5.1 轨旁旧设备拆除

轨旁旧信号设备包括信号机、轨道电路、电源设备、联锁设备及电缆等，这些设备与新信号系统没有接口，在新系统投入试运营后可以分段初步进行拆除。

日/夜转换开关及既有室外道岔电路作为过渡设备，拆除前需将预先敷设好的转辙机室外配线接至新信号系统的分线盘，并完成道岔的室内外一致性测试后，才可将日/夜转换开关及旧组合配线拆除。

5.2 车载旧设备拆除

车载过渡设备主要为倒接开关，在旧的车载信号停用后进行拆除。基于车载倒接开关的电路设计，只需逐车将倒接开关及配线从端子排上拆除即可。

在新信号系统启用后按施工图逐车将旧信号设备拆除，之后需对新信号设备重新进行静态、动态测试，通过后才允许该车再次投入载客运营。

6 结论

本文结合北京地铁1号线信号改造CBTC工程，浅谈改造过程中倒接方案的设计。结合地铁改造线路的特点，讨论如何在不间断商业运行的情况下，进行CBTC信号系统的工程实施。详细分析了轨旁设备的倒接以及车载信号设备倒接过程，以实现保证安全、便于操作、对商业运营影响最小的倒接方案设计，为后续轨道交通信号系统改造提供参考。

[1]潘晓军.北京地铁1号线运输能力挖掘研究[J].交通运输系统工程与信息，2013，13（4）：200-204.

[2]钱丽芳，谭喜堂，申朝旭.北京地铁1号线运能现状及提高措施[J].城市轨道交通研究，2012，15（2）：69-73.