城市轨道交通信号系统改造中的兼容性车载信号系统方案

韩奕玮

(上海地铁维保有限公司通号分公司，200235，上海 ∥ 助理工程师)

在上海及广州等城市轨道交通线路开通较早的城市，越来越多的线路正逐步到达大修年限。这些早年设计的线路普遍采用非移动闭塞信号系统，其运能已出现瓶颈。2015年，北京地铁1号线率先将原信号系统升级改造为移动闭塞信号系统，其整体运营效率提升了4.2%。故为满足日益增长的运能需求，信号系统升级势在必行。而车载信号系统的方案选择，正是保证承载着巨大客流的线路实现安全平稳升级的关键环节。本文以上海轨道交通2号线(以下简为“2号线”)正在进行的CBTC(基于通信的列车控制)信号系统改造为例，对兼容性车载信号系统的应用方案进行分析。

1 兼容性车载信号系统的必要性

1. 1 2号线概况

2号线西起青浦徐泾东站，东至浦东国际机场站，途经静安寺、南京西路、人民广场、世纪大道等核心商圈，连接上海浦东国际机场和上海虹桥国际机场两大交通枢纽，为骨干线路。全线长64 km，共设30座车站，其中换乘车站11座。高峰时其全线最大用车数为73列。

2号线客流量庞大。自2015年起，其日均客流量都超过140万人次，且呈不断增长的趋势。最大日客流量超过186万人次。

2号线运营时间长。一般工作日及周日的常规运营时间为05:28—00:02(次日)；周五和周六，以及国家法定节假日前的最后1个工作日，运营时间为05:28～01:01(次日)。经核算，每天仅有约3 h能进行新信号系统的调试工作。

由于2号线运营时间长、客流大、用车数多，故其调试时，不仅要规避既有车载信号系统和新车载信号系统因调试需要进行倒接切换而带来的风险，还要保证扣车改造过程中的可用列车数能够始终满足运能需求。

1.2 兼容性车载信号系统的思路

面对严苛的需求，最优先考虑的是无感改造方案，通过增购列车来保证可用列车数量，使既有列车能有时间进行下线改造。

如增购列车沿用既有车载信号系统，则还需二次改造，造成不必要的投资浪费；如增购列车使用CBTC的车载信号系统，虽其不需改造，却无法立即上线、维持运能。对此，采用兼容性车载信号系统的想法逐渐萌芽。

综合考虑了车载信号系统的倒接风险和调试资源，上海轨道交通大胆使用了创新的兼容性车载信号系统。该系统以既有系统供应商高度集成化的新产品代替原机柜，在保持既有车载信号系统功能不变的同时，大幅减少了体积，为CBTC车载系统设备的安装腾出了空间。兼容性车载信号系统取消了所有既有系统和车辆的接口，而将既有车载信号系统接入CBTC车载系统，由CBTC车载系统统一通过车辆接口来控制列车。在此基础上兼容性车载信号系统能做到同时适应既有信号制式和改造后的CBTC信号制式，完全规避了倒接过程和相应风险，且节省了夜间调试时的倒接耗时。

2018年5月，2号线的兼容性车载信号系统方案通过了专家评审。

2 兼容性车载信号系统方案

2.1 系统组成

2号线的兼容性车载信号系统以CBTC车载系统为基础，集成了既有信号系统制式的DTG(车载预处理单元系统)。装载该兼容性车载信号系统后，列车追踪间隔更短，信号系统冗余程度更高，列车可选择DTO(有人跟车的自动运行模式)及ATB(自动折返模式)等更智能的运行模式。更为特殊的是，装载了兼容性车载信号系统的列车，能够在2号线既有的信号制式下运行，待未来轨旁CBTC升级改造完成后，列车无需增加任何硬件设备，就能以CBTC制式为主要模式运营。

既有信号制式的DTG设备故障不会影响列车在CBTC制式下的正常运行。当车载CBTC设备或轨旁CBTC设备发生故障时，列车能降级为既有制式继续运行，使整个信号系统灵活、高效。

兼容性车载信号系统由DTG设备和CBTC车载设备组成(见图1)。DTG设备主要包括DTG主机、MR(用于屏蔽门联动信息传输的移动电台)、速度传感器、ATP(列车自动保护)接收线圈、TWC(车地通信)系统和MR天线等；CBTC车载设备主要包括CBTC主机、编码里程计、信标天线、DMI(车载人机接口)、DCS(数据通信子系统)设备、红蓝网交换机等。

图1 兼容性车载信号系统构成

CBTC车载设备基于安全编码处理器和二乘二取二技术。列车两端的Tc车(带司机室的拖车)各设1套完整的CBTC车载设备。二者通过以太网线连接，形成冗余设计。CBTC车载设备与DTG设备相互独立，没有共用设备。两端的DTG车载预处理单元设备分别通过以太网网线连接到CBTC车载设备的红蓝网交换机。

DTG设备本身为头尾冗余设备。分设于列车两端Tc车的DTG设备通过硬线相连，并与各端的车底ATP接收线圈连接。当车头的DTG设备发生故障时，车尾的DTG设备仍能通过车头的ATP接收线圈来接收和处理机车信号，不影响列车的正常运行。

2.2 接口的设置

CBTC车载设备仅设置其和车辆之间的接口。在CBTC制式下，所有和车辆接口有关的功能均通过向CBTC车载设备发送请求来实现。此设计可确保列车在CBTC制式下运行时，DTG设备不会对CBTC车载设备控车造成任何影响。

2号线兼容性车载信号系统与既有轨旁设备接口如图2所示。现阶段，轨旁设备均为既有设备，其接口都由DTG设备负责。CBTC车载设备的DCS天线暂不设置与任何轨旁设备相关的接口。DTG的TWC天线通过与TWC环线的通信，使列车在停站时接收轨旁TWC设备的列车运行相关命令，并向轨旁TWC设备发送列车状态信息及故障报警等，以供控制中心设备使用；MR天线通过与轨旁AP(无线接入点)和I-MLK(既有系统联锁)的通信，使列车能在精确停站时，向屏蔽门或安全门发送开关门命令并接收屏蔽门或安全门关闭状态；ATP接收线圈通过轨道电路和Berth环线(站台停靠环线)来接收既有2号线的控制线命令。DTG主机将上述接口获得的信息进行处理后发送给CBTC主机。CBTC主机对这些信息进行校验及计算处理后，通过车辆接口对列车进行控车操作。

图2 2号线兼容性车载系统与既有轨旁设备接口示意图

将来，轨旁信号系统升级为CBTC系统后，其与轨旁设备的接口也发生了变化：兼容性车载信号设备将通过车载DCS天线与轨旁CBTC系统接口。在3个既有接口中，MR天线接口中的屏蔽门相关业务将合并进DCS接口内，其他两个接口则予以保留。含兼容性车载信号系统的CBTC系统结构如图3所示。

图3 含兼容性车载信号系统的CBTC系统结构图

由于兼容性车载信号系统可以同时适应2号线既有信号制式和CBTC制式，故可预先购买一批安装了兼容性车载信号系统的列车，让其完成既有制式的调试后逐步上线替代既有列车，并立刻对被替换下线的列车进行兼容性车载信号系统的改造。以此循环，直至全部更新为兼容性车载信号系统。装备了兼容性车载信号系统的列车于白天在既有制式下运营，于夜间直接进行CBTC制式下的调试。当轨旁信号系统升级为CBTC系统后，无需对每列列车进行车载信号系统倒接，仅通过司机选择模式，全线所有列车即可在CBTC制式下运行，从而在真正意义上实现了信号系统安全平稳的升级。

3 方案对比分析

3.1 直接翻新CBTC车载子系统方案

对车载信号系统升级而言，直接翻新CBTC车载子系统是更为常见的方案。该方案中，最终成型的列车上仅保留1套CBTC车载子系统，只能以CBTC制式运行。2015年北京地铁1号线CBTC改造项目的车载子系统就采用了该方案。在实施过渡期间，列车上同时存在新旧2套车载信号设备，需增设倒接开关以提供新老系统的切换。信号车载倒接开关的设计，要确保新车载信号系统不会以任何形式影响到既有车载信号系统的功能，且要能适应调试需求，方便操作。

在该方案整体执行过程中，每列列车需要扣车2次；首次扣车对列车进行增加设备的改造，2套车载信号系统完全独立，各自接入车辆端子排，相互之间无任何接口。在调试阶段：列车白天仍以既有车载信号系统在既有制式下运营；夜间进行CBTC制式调试时，将倒接开关切换到新车载信号系统，由新系统来处理车辆的输入输出信息，使列车在CBTC制式下运行；调试结束后，在次日运营开始前，倒接开关切回既有系统。单列列车调试完成后，倒接开关和既有设备不能马上拆除，需等轨旁设备及所有列车调试完成并一起倒接为CBTC制式后，才能逐步进行二次扣车，以拆除车载倒接开关和既有车载设备。

3.2 方案的对比

在信号系统大修改造中，与直接翻新CBTC车载子系统方案相比，兼容性车载信号系统方案更有优势，特别是在减少对运营的影响和倒接难度方面更具竞争力。

1) 车辆改造难度。两个方案都需要进行的车辆接口改造难度差距不大。直接翻新CBTC车载子系统方案因过渡期同时存在2套车载设备，需要在列车上寻找位置安装新系统的机柜。由于司机室内普遍设备较满，故新系统的机柜很大概率会设在车厢内。待新系统使用后，需拆除原系统机柜，且拆后空出来的位置无设备可放，新机柜要么非常突兀地保留在车厢里，要么费事移入老机柜位置，流程复杂。兼容性车载信号系统方案中直接将老机柜拆除，并在同位置放入新机柜，流程简单。

2) 对运营的影响。在信号系统完成升级后，为缩小追踪间隔并提高折返能力，增购列车势在必行。兼容性车载信号系统可以直接在增购的列车上安装，待调试完成后即可批量替换下线改造的既有列车，故能充分保证可用列车数，满足运能需求，在计划安排合理的情况下，甚至还能边改造边增能。在直接翻新CBTC车载子系统方案里，增购的列车都是新系统，无法替换线上列车，列车改造只能选择少量扣车进行，否则就无法保证运能。

3) 倒接的风险。直接翻新CBTC车载子系统方案中，为满足调试需要，在夜间用倒接开关切换新老系统，如在此期间出现问题则会影响次日运营，且倒接开关长期接在车载设备内也是一大风险。兼容性车载信号系统先天就能适应两种制式，无需设置倒接开关，彻底消除了多车压力测试、数十辆车一起倒接的风险。

4) 节省调试资源方面。兼容性车载信号系统可以在既有轨旁设备下调试包括车辆接口等绝大部分功能，而无需轨旁设备为了配合车载调试反复倒接。其CBTC部分的功能除自动折返外，基本都可以在试车线上完成，大大降低了调试难度，更无需为增加夜间调试时间提前结束运营。

5) 后备模式方面。直接翻新CBTC车载子系统方案中，信号系统后备模式普遍是采用计轴、有源应答器设备与计算机联锁共同构建的，具备ATO(列车自动运行)及ATP功能的点式降级系统。点式降级系统虽然可以通过增加信号系统区间设备、减小轨道区段长度来缩短运营间隔，但仍较难满足骨干线路极短的运营间隔要求。兼容性车载信号系统保留了既有制式作为后备模式，可提供近似于主用系统的运营间隔，列车的降级运行基本不影响运能。

4 结语

兼容性车载信号系统是不局限于特定供应商的系统。对即将升级改造的线路，只需新旧供应商谈妥协议，兼容性车载信号系统就能实现。因此，其具有相当广泛的适用性，尤其适合需升级增加运能，又不能因为改造影响运能的骨干线路。