基于TSTCBTC®2.0系统的上海轨道交通5号线信号系统大修改造工程

张 郁

(上海地铁维护保障有限公司，200070，上海//高级工程师)

目前，上海轨道交通总里程为705 km，总计列车810列，且1号线、2号线、3号线以及5号线既有线路的运营时间已超15年，处于《铁路信号维护规则》业务管理部分所规定的大修期。到2020年，上海轨道交通总里程将超过800 km，而运营超过15年的线路将有5条，接近大修周期线路有3条。近期完成的5号线大修改造涉及既有线路改造和线路南延伸段建设工程，含既有线路信号系统的改造。此次改造中，率先采用“边运营、边改造、边建设”的模式推进，并应用具有高可用性的TSTCBTC®2.0信号系统[1]。本文就此次大修改造情况进行阐述，重点阐述涉及信号系统的改造升级。

1 TSTCBTC®2.0信号系统

上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司(以下简称“TST”)提供的TSTCBTC®2.0信号系统是上海轨道交通5号线此次大修改造所采用的新信号系统。该系统能够最大程度地保证系统的可用性，避免由于信号系统故障影响运营，支持大客流运行。

TSTCBTC®2.0信号系统集成与发展了常规的CBTC(基于通信的列车控制)信号系统。与常规CBTC系统相比，TSTCBTC®2.0系统可靠性更高，具有充分冗余与高可用性的轨旁、车载方案，多样化的数据通信方案，以及不依赖于传统的固定闭塞后备系统，具有完善的技术体系。

TSTCBTC®2.0系统采用相互独立的双子系统，双子系统即独立工作，不相互依赖，又相互冗余，无缝切换。同时，子系统本身为冗余设计，当单个子系统故障时，另外一个子系统持续维持ATP/ATO(列车自动保护/列车自动运行)模式，不影响系统的正常运行，相当于以CBTC作为CBTC的后备。因此，因信号原因丢失ATP/ATO模式的概率极低，极大地简化了后备系统，降低了对于传统CBTC点式和联锁级后备的需求，减少了轨旁维护工作量和维护难度。

在TSTCBTC®2.0系统制式的VOBC(车载控制器，在TSTCBTC®2.0系统中亦称其为VCU)切换机制方面，如表1所示，当收到ATS(实现列车自动监控功能、负责行车调度的中央控制系统，在TSTCBTC®2.0系统中亦称其为CCU)的VCU切换指令、车载板卡故障、外设传感器故障、电源故障、当前模式不可用、列车位置丢失位置及轮径校验失败等情况发生时，VOBC(VCU)将发生主备切换。与上海轨道交通既有的常规CBTC系统比较，在单套系统故障的情况下,TSTCBTC®2.0都可维持正常运营。

表1 既有CBTC系统VOBC与TSTCBTC®2.0的VOBC(VCU)的对比

基于车地无线通信网络LTE(长期演进)1.8 GHz、FHSS(跳频扩频)2.4 GHz ISM(工业、科学、医学)频段所构建的多样化的数据通信方案确保了车地通信的可用性。FHSS或者LTE无线车地通信系统相互独立，且同时工作，车地间的信息传输可经由任何网络完成，单个网络的故障不影响整个CBTC系统的工作，并解决了单个频段受到的干扰影响。

同时，为确保网络与轨旁设备连接的安全性，TSTCBTC®2.0系统在控制中心共部署8台SD(负责路由和通信安全的安全通信设备)，FHSS与LTE各4台。SD设备两两为一组，分别为列车A端和B端ATS与集中站设备通信加密解密。只有在SD同时故障的情况下，网络中的车地通信才会彻底中断。

2 大修改造的背景与工程难点

2.1 大修改造的背景

上海轨道交通5号线既有线路于2003年11月25日开始试运营[2-3]，高峰小时客流量约为1万人次，客流量较大，是上海市民重要的通勤线路[4]。既有线北起莘庄站，南至闵行开发区，共有11座车站，线路全长17.206 km，其中地面线0.455 km，其余均为高架线路。5号线南延伸段北起东川路站，南至南桥新城站，线路全长16.627 km，出入段线路长度约为3.542 km，正线车站共8座，地下站和高架站各4座。5号线既有线路设有剑川路停车场，车场内设置1条试车线；南延伸段设平庄公路定修段和莘庄辅助停车场，平庄公路定修段内设置试车线1条。

5号线设备大修改造范围主要包括：①5号线全线(莘庄至奉贤新城、东川路至闵行开发区)除室外道岔的所有信号设备，采用TST的TSTCBTC®2.0系统；②剑川路停车场室内联锁设备，采用卡斯柯的iLock系统。

2.2 大修改造工程难点

尽管大修改造不存在技术难题，但既有线路的大修改造过程仍旧面临以下难点：

1)客流压力。考虑到市民出行需求与客流大小，此次大修改造需要在保证既有线路正常运营的前提下开展，且新系统TSTCBTC®2.0的调试施工点繁多，因此如何顺利地开展工作又不影响市民出行是此次大修改造面临的主要要务。

2)运营稳定。线路的稳定运营是此次大修改造的基本要求。新系统未经过运营压力验证，老系统中又存在大量线路老化问题，因此，在大修改造过程中，新系统与老系统故障的及时排查以及新系统实际运营稳定性的保证，极大地考验着此次改造工作成效。

3)方案编制。此次工作内容十分繁杂，涉及线路、用车、信号供应商、技术人员、应急预案等多方面内容。编制保证市民出行需求和稳定运营的大修改造技术方案和管理方案需要多方推进，迭代完善。

4)组织管理。在前期准备的基础上，如何把握项目质量、管理项目进程、保证施工效率，考验着项目开展过程中的组织管理能力。

3 基于TSTCBTC®2.0系统的改造工程方案与经验

3.1 基于TSTCBTC®2.0系统的改造工程方案

此次上海轨道交通5号线大修改造工程复杂，内容繁琐，现结合TSTCBTC®2.0系统相关施工内容，对其中关键项目进行阐述。

1)合理规划夜间施工计划，使用倒接箱切换新旧系统。此次信号系统改造是上海轨道交通首次在保持既有线正常运营的前提下，对全新信号系统TSTCBTC®2.0开展倒接调试工作。TSTCBTC®2.0信号系统所涉及的设备多、工程量大，共安排夜间调试施工500余次，系统倒接1 000余次。项目实施中，采取增设倒接箱的方式，将室外道岔设备在西门子系统和TST系统之间切换。由于信号调试施工点较多，每次施工前后都要进行倒接，在切换过程中一旦发生故障，可能会影响后续运营。对此，针对项目执行组人员进行西门子设备的排故培训，保证能够及时发现并处理简单的故障，在维保人员到达之前完成第一步抢修。并在施工倒接过程中，通过确认表的形式，确认每一步操作都经过审核和检查，避免失误。在倒接完成后，还要进行室内外一致性的确认，通过一系列手段保证既有设备的正常运营。

2)大规模全场景演练。全场景演练的目的在于检验TSTCBTC®2.0信号系统的完善程度与可靠性。由于5号线夜间客流同样较大，为了方便市民夜间出行，以不减少运营时间为前提，增加全场景演练的次数来充分完成整个演练工作。全场景演练方案用车数从18列、25列到最终的27列，一共进行7次大规模演练。本文就7次演练中23+2列的方案进行阐述。全场景演练的目的是在TSTCBTC®2.0信号系统下，验证25列列车按照运行图计划进行全线套跑的功能，并且采集测试期间ATS相关数据记录，以便分析测试结果。

(1)演练前准备。当日运营结束后，车辆部门提供车况良好的编组列车，同时准备足够的列车司机，以能实现站间折返。列车通过RMF模式出库，至正线建立ATO(列车自动运行)模式后开始跑图。

(2)全场景演练。当日正常运营结束后进行要点交底，随后进行倒接工作，确认系统正常后，列车以RMF模式按计划出库，建立ATPM/ATO模式。之后所有列车根据运行图进行全场景演练，演练结束后列车按照运行图回库。

(3)演练结束后系统倒接。演练结束列车回库后，进行系统倒接工作，确认既有线线路系统正常，并确保停车场设备正常。倒接完成后进行销点，演练结束。

通过全场景演练，解决试运营中碰到的问题，保障既有线系统改造工作顺利进行，保障延伸线系统和与既有线系统顺利对接，实现载客运营的快速投入。

3)协调解决调试资源冲突。对于南延伸段信号系统的调试工作，调整信号系统施工节奏，开展分段调试，即紧贴土建、触网交付节点开展调试，保证整体工程进度。由于既有线莘庄站至剑川站的车站站台需要进行延长与改造，因此需要协调夜间施工资源，并利用东川路新建站台存放列车，以减少出入库的流程时间，整体规划动车路径、合理避让。

4)高效有序实施割接。编制了《上海市轨道交通5号线南延伸工程信号系统割接(含通信配套)方案》，内容涉及割接工作开展的前提、范围、工作量、组织、安保措施、应急预案、工具、组织架构等。既有线割接开通工作同样不能影响正常运营，只能在晚间运营全部结束后进行。割接工作分3个阶段开展：首先是设备割接，耗时约3 h；其次是90 min的起动车验证，莘庄、平庄、剑川三个停车场均准备2列列车进行套跑验证；最后是故障排查，预留时段为60 min。割接开通工作安排合理，并顺利实施。

5)组织管理。为按期保质保量地完成5号线大修改造的一系列工作，项目参与方非常重视大修改造方案的施工管理与落实。例如，为顺利完成在不停运的情况下的割接，施工当天现场施工人数将高达几百人，施工面涉及广，需要有效手段来保证工作的安全有序。为此，特制定了“分层管控”的施工方案，由1个施工总负责对应6位区域负责人；每位区域负责人对应车站、停车场或者列车；每个车站还有车站级别的负责人，车站负责人直接指挥现场室内外的施工人员。同时，为每个负责人制作了相应的作业单和确认单用于确认每一项施工内容和下级组员完成情况；每个负责人都分配对讲机，频道固定，向上汇报与向下沟通频道分开；施工时，各级人员层层汇报，不得越级。

3.2 工程效果、创新与经验

上海轨道交通5号线大修改造工程，于2018年8月20日完成信号系统调试，于2018年12月30日全线正式开通。项目实施过程井然有序，各专业配合得当，培训效果显著，信号割接完成圆满，并顺利地将TSTCBTC®2.0信号系统投入运营服务。开通至2019年5月中旬，载客里程已达150万列·km，运营稳定可靠，未发生5 min晚点与清客事件。

项目实施与运营效果离不开创新技术、方法与管理的支持，总结如下：

1)TSTCBTC®2.0的高可用性。作为安全苛求系统，TSTCBTC®2.0具有高冗余、高可用性。该系统由2个互为冗余的子系统构成，相当于以CBTC为CBTC的后备。实际运营效果也进一步验证了该系统的可靠性。

2)新旧系统倒接箱切换方案。在不影响正常运营的前提下开展信号升级改造工作，需要兼顾老系统和新系统的切换。此次大修改造，采用倒接箱切换方案，在设备安装调试、演练与实施割接过程中，用TST的TSTCBTC®2.0新系统取代西门子老系统的功能，实施期间未对线路正常运营造成干扰。

3)大规模全场景演练。为验证TSTCBTC®2.0的功能，在非运营时段，多次组织全场景演练，模拟实际客流需求，有效地排查问题，跟进实施进程，保障了系统的稳定性。

4)高效的组织与管理。改造实施过程中，为降低安全风险、保证效率、提升业务能力，组织了多场技术交底培训，并有效地组织了设备调试、大规模全场景演练以及割接开通工作，采用“分层管控”现场管理模式、落实应急预案等一系列举措，创造性地完成了“边运营、边改造、边建设”任务。

在此次实践经验方面，大修改造工程的圆满完成主要在于对时间、安全、效率以及技术这4个要点的把控：

1)时间把控。工程周期合理规划，注重关键节点的把握。为了把握时间节点，运用优秀团队，结合实际组织技术交底，并合理安排外方团队安全验证与中方团队现场施工。

2)安全把控。邀请专家评审实施方案，执行方案期间科学施工。严格对标上海申通地铁集团有限公司标准，制定紧急预案，控制施工风险。同时，重视通信系统的调试与测试，无论是新旧系统倒接箱切换还是大规模全场景演练均制定有作业单和确认单，以杜绝运营安全隐患。

3)效率把控。项目实施施工过程中，合理投入与分配施工资源，重视技术人员业务水平，不同专业错峰施工，进行分层化管理，并优化调试流程，采取正线留车，等等一系列措施，提高了时间利用率。

4)技术把控。采用新老系统倒接箱切换方法，保证既有线正常运营；对信号系统及倒接方案多次进行全场景演练，确保了系统的稳定性，检验了TSTCBTC®2.0信号系统的可用性。

4 结语

上海轨道交通5号线大修改造工程是实施“边运营、边改造、边建设”模式的成功案例，大修改造方案在前期准备阶段精确严谨规划，施工阶段严格按照方案执行，把控时间、效率、安全和技术要点，同时制定有完善的应急预案，创新性地圆满完成了信号割接，线路运营稳定可靠。虽然项目实施过程中出现了许多难点，但通过科学施工、维护人员提前介入、制定切合实际的紧急预案等措施，让这些难点在线路通车时都成为了领先的技术和创新的管理方案，为上海和全国的轨道交通改造项目积累了宝贵的经验。