城市轨道交通信号系统大修改造方案分析

张 惺

自上世纪九十年代末，我国城市轨道交通建设进入快速发展期，城市轨道交通信号系统的设计使用寿命周期一般为15～20 年［1］，因此早期线路信号系统在近几年逐步达到使用寿命周期年限，进入大修改造环节［2］。例如，已完成改造的北京市轨道交通1、2 号线，上海市轨道交通1 号线，以及正在实施改造的广州市轨道交通1 号线。

与一般新线建设不同，设计既有线信号系统改造方案时，需要额外考虑既有线运营情况、既有信号系统情况、既有运营维护情况和既有线环境现状等多方面内容。本文结合国内既有线信号系统改造实施情况，对信号系统大修改造方案进行分析。

1 信号系统改造原则

信号系统改造是将运行时间达到寿命周期年限的旧信号系统设备用新系统设备替换，包括控制中心、车站、区间以及车载设备，消除因设备老化存在的系统性能下降、可用性降低和安全隐患等因素。除主系统设备外，改造范围还包括电源设备、信号机、轨旁光电缆等配套设备设施。对于日常运营中已按固定的检修期进行了更换的设备，如道岔转辙机，则改造时可根据具体情况不进行全部更换。

由于信号系统是确保列车安全、有序运行的关键系统，且涉及改造的轨道交通线路均是已长期运营、客流成熟稳定的既有线路，因此改造方案的设计应重点考虑改造期间线路的安全、正常运营，应遵循以下主要设计原则［3］。

1）新系统设备的安装和调试不影响既有信号系统安全、正常运行。

2）新、旧系统切换应在线路不停运、不降低运输能力和安全等级的条件下进行。

3）控制改造影响范围，不造成与信号系统相关的其他专业或条件的重大变化。

4）新信号系统的各项功能和运营指标不低于旧信号系统。

2 信号系统改造方案

针对国内轨道交通建设情况，需要进行大修改造的信号系统主要有早期采用的基于轨道电路的固定闭塞/准移动闭塞信号系统和后续主流的基于通信的移动闭塞CBTC 信号系统，但多数为基于轨道电路的固定闭塞/准移动闭塞信号系统［4］。

结合改造设计原则，信号系统改造可采取维持既有系统制式和完全新建系统2 种方案。

1）维持既有系统制式的改造方案是基于既有制式的信号系统改造后，在新的寿命周期内仍能满足线路运能、服务水平、维护维修等各项运营需求。改造的主要内容是将既有信号系统硬件全部更换；由于系统制式维持一致，因此系统核心软件将维持一致，仅对相关工程软件随硬件更新进行必要的更新升级。新信号系统将按照改造期新的建设标准在系统配置上进一步补充和完善。

2）完全新建系统的改造方案是重新配置1 套采用目前主流技术的信号系统设备替代既有信号系统设备，即新信号系统采用基于通信的移动闭塞CBTC 信号系统。由于新、旧系统不能相互兼容，因此须将新信号系统设备全部安装调试完成后，一次性从既有信号系统设备倒切至新信号系统设备投入运营。

2 种改造方案在技术上和工程实施上均可行，但由于各自的技术特点和实施难易程度不同，因此主要在工程投资、工程实施、改造后的系统性能及运营需求等方面存在差异。

2.1 工程投资方面

维持既有系统制式改造方案的系统设备只能限定选择既有信号系统供货商，不利于控制系统设备采购价格，但该方案有利于控制改造引起的土建、车站机电及车辆等的改造范围，产生的配套专业改造费用相对较低。

完全新建系统改造方案的系统设备选择不受既有信号系统供货商的限制，有利于控制信号系统设备采购价格。但由于新系统设备安装对车站设备房空间需求较大、相关专业系统接口变化等因素，因此增加了土建、车站机电、系统接口及车辆的改造工程量和影响面，会产生较高的配套专业改造费用。

如果将系统设备采购价格控制在正常水平，则维持既有系统制式改造方案的工程建设投资相对较低，但因使用了早期技术，改造后系统运营全寿命周期的维保费用将超过完全新建系统改造方案的维保费用。

2.2 工程实施方面

维持既有系统制式改造方案的工程实施以硬件更新为主，主要系统配置、系统功能、系统参数等基本不做重新设计，实施相对简单；同时该方案可以较大程度上利用新、旧设备的相互兼容性，采取逐个子系统、逐个联锁控区甚至逐个设备进行替换的方式进行改造实施，包括车载设备的改造也可采取逐列车退出运营改造、改造完即可上线投入运营的实施方案，可最大限度地缩小过渡调试范围，控制对既有正常运营造成影响的风险。但在改造过渡期间新、旧设备过渡倒切调试工作量较大，且会存在投入运营的系统中新、旧设备共存情况，需要对系统运行稳定性做充分验证。

完全新建系统改造方案需要针对既有线路重新做系统设计，需要对线路、轨道、车辆等大量关键基础参数重新搜集和验证［5］，系统设计难度较高。新建系统设备的施工及单项调试和系统联调可在不影响既有运营的情况下单独进行，但与轨旁的道岔转辙机以及与车辆等其他专业系统的接口，需通过倒切进行控制和调试，尤其是与车辆的接口调试均需在运营时段和非运营时段频繁倒切进行［6］，对既有正常运营造成影响的风险较大。同时新系统最终投入运营的一次性倒切范围涉及全线，倒切工作量较大，需停运倒切的可能性高。

整体上维持既有系统制式改造方案的工程实施难度侧重于轨旁设备的改造，完全新建系统改造方案的工程实施难度更侧重于车载设备的改造。

2.3 改造后的系统性能及运营需求方面

维持既有系统制式改造方案可确保改造后的系统性能不低于既有系统，且可通过逐个子系统、逐个联锁控区甚至逐个设备进行替换的分阶段实施，达到短期内改善系统性能，一定程度上提高线路运能的目的。例如广州地铁1 号线正线信号系统改造，在车站设备尚未完成改造时，于2018 年12 月首先完成中央ATS 系统设备改造，与既有车站设备完全兼容运行，消除了既有ATS 系统长期满负荷运行的运营安全隐患，也将上线运营列车数从26 对/h 提高到了29 对/h。但该方案需考虑供货商对设备维护维修技术支持和备品备件的长期供应。

完全新建系统改造方案采用当前主流的CBTC信号系统技术，改造完成后可提供比既有系统更高的运能和运营服务水平，且能够保证设备维护维修技术支持和备品备件的长期供应。

2 种方案的综合分析比较见表1。

综上，从表1 可以看出2 种改造方案各有优缺点，在实际工程设计项目中需要考虑的方面很多，应结合改造线路既有信号系统的具体情况，改造线路所在城市轨道交通线网信号系统整体建设情况，以及改造的现场环境条件等确定最终改造方案。

表1 改造方案综合比较

3 结束语

本文主要分析了城市轨道交通线路正线信号系统的大修改造方案，对于车辆段/停车场信号系统的改造，由于其相对正线独立且非载客运营，可视信号系统寿命周期、实际使用情况和技术发展情况等因素单独立项改造。改造方案重点考虑保持与正线信号系统的正常接口功能，满足不停运的运营需求。

对于改造线路运营期内增购车部分的信号车载设备，由于其运行时间未达到使用寿命周期，若要继续沿用，可以通过一定的维护手段并经过严格认证后延长其使用寿命，使其寿命周期与改造后新信号系统同步。

由于城市轨道交通各机电系统和车辆的使用寿命周期相近，信号系统进行大修改造时，其他相关机电系统和车辆大概率也在同步进行改造实施，因此应考虑将信号系统改造和车辆、相关机电系统等的改造统筹规划，做到一次设计、一次实施，避免重复建设、投资浪费［10］。

对于一些建设时间较早，因新的规划需进行延伸的线路，虽然既有线路信号系统未达到设计使用寿命年限，但考虑技术进步和运营服务水平提高的需求，在对社会、经济效益充分论证的基础上，既有线路信号系统也可以随着延伸线的建设同步进行改造，其改造方案要根据延伸线信号系统确定的技术方案而定。