地铁既有线信号系统上叠加点式功能的改造方案设计

陈 通

(大连地铁建设有限公司，116021，大连//工程师)

大连地铁3号线全长48.9 km，设12座车站、1个车辆段和1个控制中心。其现有信号系统主要包括调度集中(CTC)系统、列车自动防护(ATP)系统及计算机联锁(CI)系统，自2002年开通至今已运行超过15年，达到规定的大修周期及信号设备寿命周期。

1 大连地铁3号线改造基本情况

1.1 改造需求

大连地铁3号线为固定闭塞制式ATP 系统，采用阶梯式速度曲线控制方式，主要由WG-21A 型无绝缘移频轨道电路和车载ATP 系统组成。随着既有信号系统使用年限的增加，设备处于严重老化状态，可靠性下降，故障率高发，已影响到了行车安全和准点率。同时，随着客流量的不断增长，现有系统无法缩短列车追踪间隔。为此，需要对其信号系统进行改造，达到确保运营安全和缩短运营间隔的目的。

1.2 改造内容

基于通信的列车控制(CBTC)系统在既有线改造中具有无可比拟的优势，它可独立于既有信号系统设备进行安装调试和运行。因此，对大连地铁3号线固定闭塞信号系统的升级改造设计为CBTC系统。

改造的内容包括:联锁系统，CTC系统，车载ATPATO设备，电源设备，转辙机、信号机，车地通信设备材料，控制中心大屏，以及电缆、箱盒和组合设备等。车辆段联锁、轨道电路等设备不进行改造。

由于既有信号设备室面积较小，在升级阶段无法满足新、旧设备并存，因此部分设备集中站需要重新规划设备室，保证至少有70 m2的场地。同时，依据信号设备室和区间设备位置对电缆路径重新规划。既有信号系统结构如图1所示。

1.3 改造原则

改造过程需要平滑过渡至CBTC系统。为了安全高效的完成改造内容，实施中应遵循如下原则：

1) 新系统设备的安装、调试、系统倒接，以及既有信号系统后期拆解过程中，不应影响线路的正常运营。

2) 既有列车车载设备更新改造时间较长，改造方案需考虑新、旧系统装备列车的混合运营，列车追踪间隔应满足既有系统的需求。

图1 既有信号系统结构图

3) 在整个系统倒接过程中，运营时段既有信号系统的控制不会被中断，系统运营效率不会降低。

4) 在改造过渡期间保证现有的安全运行程度和运行效率，在整个系统过渡阶段所有运行列车均有车载ATP防护。

为尽量不影响线路的日常运营，涉及到既有设备和线路的安装调试工作都需安排在夜间停运后进行。所以，改造实施的基本思路是设置倒接开关/设备，对新、旧设备进行倒接。白天运营时段，倒接开关/设备处于“运营”位置，接通既有信号设备，保证线路日常运营的正常进行；在运营结束后，倒接开关/设备被调至“调试”位置，接通新设备进行调试，直至最终调试完成。

2 地铁信号系统改造的通常设计方案

2.1 轨旁系统与车载系统进行倒接(方案一)

轨旁系统倒接(如图2所示)发生于既有系统正常运营模式与新系统CBTC模式之间；倒接过程所涉及的所有阶段，系统均具备车载ATP防护。

图2 轨旁系统倒接方案

车载系统部分调试期间采用新旧设备同时存在的方案，新车载ATP在夜间调试时使用，而白天运营时段使用旧车载ATP。后期系统开通后，将拆除旧车载ATP系统，仅保留新车载ATP系统。其改造顺序如图3所示。

图3 车载系统改造顺序

2.2 车载系统兼容旧设备(方案二)

第一阶段对车载系统进行改造，使其兼容既有轨道电路系统，一次性将车载设备改造安装；第二阶段改造轨旁系统，替换既有ATS(列车自动监控)、联锁等设备，调试期间进行倒接，实现固定闭塞系统向CBTC移动闭塞系统的平稳过渡。

3 大连地铁3号线信号系统改造方案设计

上述方案一是地铁信号系统改造过程中经常采用的一种方法。它的问题在于车载新、旧设备同时存在，需要占用客室的场地较大。同时这种方案是先移除旧机柜，腾出位置留给新机柜，待调试完成开通后再拆旧，车载设备需要拆两次；此外，人机界面也需要倒切，非调试时段如果倒切，管理有问题，也会影响车辆正常运营。整个改造过程中的难点在于车载设备的更新，因此改造方案应尽量减少这一部分的工作内容。方案二可以一次性将车载设备改造安装，但是问题在于需要兼容旧的轨道电路设备，这对于一部分系统设备工作量非常大。

考虑到如何尽量减少车载设备的改造工作，同时现有设备系统不必要兼容旧的轨道电路设备，可以采用在既有系统基础上叠加点式功能的方案：轨旁首先增设信号机及点式信标，旧装备车仍由既有ATP设备提供防护，新装备车由新点式ATP提供防护；叠加完成后，配有新旧装备的列车可同时在线运行和混合追踪，以支持列车和轨旁的同步改造。为方便运营组织，新、旧装备车均按信号显示行车。既有轨旁和车载系统的更新改造，将按照如图4所示三阶段实施。

图4 叠加点式三阶段方案

在既有系统基础上叠加点式ATP系统，旧装备车仍基于ATP速度码进行防护，新装备车以点式ATP模式运行(如图5所示)。运行中，既有设备保持不变，维持旧装备车的运行；新设定位信标和点式信标、出站信号机和必要的区间通过信号机，以支持新装备车以点式模式运行；利用既有继电器实现对新设信号机和动态信标的控制；为统一运营组织方式，新、旧装备车均根据信号显示，以信号机-信号机闭塞方式运行。

图5 叠加点式系统列车追踪示意图

4 大连地铁3号线信号系统改造实施设计

4.1 改造步骤

1) 系统设计阶段——完成信号系统改造方案的详细设计、接口设计和现场定测等内容。

2) 安装调试阶段——完成轨旁和车载设备的安装和静态调试工作。

3) 动车测试阶段——在夜间接通新的轨旁和车载设备进行调试。

4) 新系统试运行阶段——完成新系统综合联调等各项测试，具备载客试运行条件后，对旧信号设备进行拆除。

4.2 实施设计

4.2.1 轨旁及车载设备改造

轨旁既有信号机、转辙机、室外线缆及箱盒均需要更新，室内新设ZC(区域控制器)、CI、ATS、维护监测及DCS(数据通信子系统)网络设备；增加倒切装置，实现调试阶段室外信号机、转辙机控制的灵活倒切。

既有旧装备列车需要分批运回车辆厂改造为CBTC装备列车，然后在非运营时间上线完成点式模式的调试。调试完成的列车，可上线投入运营，与旧装备列车混合编组运营。

列车改造内容包括：

1) 驾驶台改造：安装新的司机驾驶显示单元TOD、驾驶模式开关、发车按钮、自动折返按钮。

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2) 车载机柜替换：按照新的车载机柜尺寸改造底座及固定机构。

3) 增加首、尾端列车线及车端连接器。

4) 换装新的DF16型6通道速度传感器。

5) 安装车、地通信天线及信标读取天线。

6) 修改CC(中央计算机)与车辆接口电路，如门控电路等。

7) 新设ATO与车辆管理系统(TMS)接口。

4.2.2 调试倒接

在既有防雷分线柜侧设置新、旧联锁设备控制倒接开关，实现既有转辙机、信号机的控制倒切；在新设防雷分线柜侧设置新旧联锁设备控制倒接开关，实现新增信号机和点式信标控制的倒切。倒切装置安装如图6所示，倒切装置位置如图7所示。

图6 倒切装置安装示意图

图7 倒切装置位置示意图

新、旧室内继电控制电路与室外设备的切换在室内防雷分线柜侧完成。

CBTC全系统调试结束、列车改造完毕后，一次性将全线升级为CBTC系统，同时进行开通倒接。倒接工作包括：

1) 拆除倒切开关及相关连线；

2) 既有转辙机、信号机控制软线接入新设电缆终端盒；

3) 其余既有设备可在系统倒接开通后逐步拆除。倒接装置拆除后的系统示意如图8所示。

图8 倒切装置拆除后示意图

5 结语

地铁既有线信号系统的改造是一项非常复杂的系统工程，而且通常情况下都要求保证次日线路正常运营，因此新系统的调试、割接等只能在夜间完成，这势必造成其施工作业时间短、安全风险系数高的情况。因此，合理的方案设计和策划，是地铁既有信号系统改造成功的重要因素。叠加点式功能的改造方案，可以减少工作量、缩短施工周期和降低成本，同时不影响地铁既有线的正常运营。