城市轨道交通信号系统改造方案研究

朱 莉

(上海地铁维护保障有限公司，200233，上海 ∥ 高级工程师)

信号系统是确保城市轨道交通行车安全的重要设备。近年来，越来越多早期开通线路的设施设备正逐步面临大修改造。这些线路通常都是线网中极其重要的骨干线路，其信号系统升级改造方案，不仅要满足国内城市轨道交通信号系统技术发展的趋势，还应为线路提供与其在线网中重要性相匹配的、具有更高可用性的信号系统，以满足长期的运营服务水平保障要求。

1 信号系统改造必要性的判断

通常情况下，对于已经达到或部分达到大修年限的信号系统而言，其设备多已老化，常发生故障，已对运营造成一定的影响。只有解决既有信号系统存在的老化问题，有效提高信号系统的可靠性和可用性，才能长期维持线路的高水平运营服务质量。要解决信号系统的老化问题，更新改造势在必行。判断线路的信号系统是否进入改造周期，需从多角度考虑。

1) 从信号系统的使用寿命考虑。信号设备的整体使用寿命一般不超过20年[1]，如全信号系统使用年限已达合同约定年限或15年以上的[2]，则该信号系统经评估后可确定更新改造方案。

2) 从运营效率考虑。早期开通的线路多处于市中心繁荣地段，其客流量增长明显，而既有信号系统的设计能力、可靠性及可用性均无法满足客流日益增长的需求，迫切需要通过升级改造来提高运营效率，提升服务质量。

3) 从技术先进性考虑。早期建设的信号系统技术老旧，设备体量较大，在原有设备基础上，即使技术再发展，也无法直接实现智能化。此外，部分线路信号系统的备品备件已无法满足正常运营要求。这些线路的设备在更新改造的同时还要提升智能化水平。

可见，对于国内开通较早线路的信号系统，应按相关规定，对系统能力、设备物理状态、备品备件和风险源控制情况开展技术论证，以确定更新改造方案。

2 信号系统改造方案的评估

2.1 改造方案的评估要素

信号系统对城市轨道交通运行安全来说十分重要，故改造时需要考虑和平衡的条件较多。在评估信号系统改造方案时，评估者需针对可选方案进行多维度分析，以获得匹配性更高的结果。

多维度分析的主要评估要素有：

1) 信号系统的工作性能。改造后信号系统的运行间隔设计、开行对数及折返能力等均应满足线路通过能力的要求。

2) 改造平稳性。在改造过程中，应最大可能地保持既有线路不间断运营，实现平稳改造，将线路改造对市民出行的影响降到最低。

3) 可靠性及可用性。改造方案应能有效提升信号系统的可靠性和可用性，以匹配日益增长的客运需求以及服务要求。

4) 经济合理性。改造方案应有较高的经济合理性，以避免投资浪费。

2.2 信号系统改造方案比选

2.2.1 单系统逐步替换方案

单系统逐步替换方案存在一定局限性，需着重考虑新系统与老设备的接口兼容性问题。目前，主流的新系统很难与老设备实现兼容，通常需附带进行接口的二次开发。因此，单系统逐步替换方案更适用于对外只有网络接口的系统。

ATS(列车自动监控)子系统主要设备为服务器及工作站，接口基本为网络接口，故其替换过程比其它子系统更方便快捷。计算机联锁子系统需考虑采集/驱动的接口方式，采用的是单断逻辑还是双断逻辑；如为全电子计算机联锁，则可克服继电器接口的弊端，使替换优势较大。最复杂的是车载子系统，由于车-地传输方式的革新，目前的主流车载子系统已不支持与数字轨道电路进行信息交互，因此，需将车载子系统连同车-地无线系统及轨道电路一并更新。

上海轨道交通1号线(以下简为“1号线”)的计算机联锁子系统改造采用了单系统逐步替换方案，图1为1号线信号系统改造示意图。1号线开通时使用的6502继电联锁系统在改造后已经全部替换为计算机联锁系统，并保留了部分道岔组合。

从实践效果来看 ，单系统逐步替换方案短期内投资较小，不过对信号系统可靠性、可用性及性能的提升却非常有限。

图1 1号线信号系统改造示意图

2.2.2 新老设备兼容共存方案

新老设备兼容共存方案是单系统逐步替换方案的延续，其优点是可以最大化的利用旧系统。新老设备兼容共存方案将原设备作为备用系统，或在新设备与原设备之间作协议接口转换。这样，既可对信号系统进行一定的升级改造，以提高运营效率，又可以保留原设备，不需要大量的工程改造，成本低。但该方案对信号系统工作效率的提升不明显。新老设备兼容共存方案的具体实施需要根据客流量及成本等需求来综合考虑。

上海轨道交通2号线(以下简为“2号线”)信号系统升级改造即采用了新老设备兼容共存方案。图2为2号线信号系统改造示意图。如图2所示，改造后的CBTC(基于通信的列车控制)系统增加了CC(车载控制器)、ZC(区域控制器)、LC(线路控制器)、联锁、LTE(长期演进)和区间信标等设备。其中新的车载子系统和既有车载子系统兼容共存。改造后的信号系统保留了既有的TWC(车地通信)设备、AF-904轨道电路及轨旁信号基础设备。

图2 2号线信号系统改造示意图

2号线的新老设备兼容共存方案具有CBTC和TBTC两种控制模式。在正常情况下， CBTC模式为主用模式。当轨旁CBTC设备发生故障或车载CBTC设备发生故障时，列车的车载子系统可切换到TBTC模式运行。当CBTC设备恢复正常时，车载子系统可切换回CBTC模式运行。信号系统控制模式的切换由车载子系统执行，轨旁设备无需其他操作。既有列车在完成车载CBTC子系统改造前，可以TBTC模式在CBTC系统中运行。

这种方案支持分段改造，割接风险小，解决了无法停运改造、改造周期长及不等生命周期建设等问题。CBTC系统与TBTC系统的兼容共存也使得信号系统的可靠性大幅提升。2号线改造后的信号系统性能与新建的CBTC系统性能水平相近。

2.2.3 全部设备更新换代方案

对于全部设备都使用2种移动闭塞制式的信号系统而言，将全部设备更新换代是最彻底的改造方案。该方案对运营效率的提升是显而易见的，不过该方案的实施最复杂，难度最大。从长远考虑，该方案是未来城市轨道交通改造的重要方向。此外，要求2种移动闭塞制式均支持全自动运行功能。

上海轨道交通5号线的信号系统改造采用了全部设备更新换代方案。该项目使用新建的CBTC系统来完全替代原有的点式ATP(列车自动保护)信号系统。升级改造后的信号系统工作性能及RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)指标得到大幅提升。

由于全部设备更新换代方案需对轨旁联锁设备、次级检测设备、ATS设备及轨旁ATC(列车自动控制)设备等都进行升级替换改造，不仅更换设备多，而且接口复杂，故在改造工程中投入的过渡成本也较高。

2.3 改造方案与改造需求的匹配性研究

2.3.1 匹配度估值的计算

由于各改造工程的时机、改造建设的投入、线路的不等生命周期、线路的客流量、线路的运营时长等改造背景和环境各不相同，因此，在进行改造方案的设计和评估时，需要考虑的主要评价要素所占的权重和优先级亦各不相同。在评估改造方案时，采用不同改造方案后，其对于各评价要素的评级也各有不同，如表1所示。

表1 不同改造方案的评价要素评级

评估者可结合具体项目的改造背景，提出第i项评价要素所占权重，作为该评价要素的系数βi，通过权重分析计算公式获得每个改造方案的匹配度估值F：

F=β1x1+β2x2+β3x3+…+βnxj

式中：

xi——第i项评价要素的指标值，xi=3表示方案对该评价要素的评级为“高”，xi=2表示方案对该评价要素的评级为“中”，xi=1表示方案对该评价要素的评级为“低”。

2.3.2 项目实例的匹配度应用

以2号线为例，选取β1=1.5,β2=1.5,β3= 1.2,β4=1.8。经计算，单系统替换方案的匹配度估值F单=11.4，新老设备兼容方案的匹配度估值F兼=15.3，全部设备更新方案的匹配度估值F全=14.1。

以5号线为例，选取β1=2.0,β2=1.0,β3= 0.8,β4=1.8。经计算，F单=9.2，F兼=14.0，F全=15.0。

根据匹配度估值，对于2号线，新老设备兼容共存方案的匹配度估值最高；对于5号线，全部设备更新换代方案的匹配度估值最高。这与2号线和5号线最终选择的改造方案基本一致。

3 结语

旧线改造是城市轨道交通建设的难点和重点，而新技术的发展给旧线改造提供了更多的选择。本文首先分析了旧线信号系统改造的必要性，提出了信号系统改造的主要评价要素，并针对不同的线路改造需求，分析了各改造方案与不同的改造需求之间的匹配关系，以获得最匹配不同改造需求的改造方案。