上海轨道交通3、4号线信号系统改造方案研究

2021-07-21陈思维

城市轨道交通研究 2021年7期

陈思维

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司，200235，上海∥工程师)

0 引言

上海轨道交通3、4号线，是目前全国唯一有共线段运营的线路。其中：3号线全长40.3 km，29座车站，12座换乘站，单日客流量达61万人次；4号线全长33.6 km，26座车站，20座换乘站，单日客流量95万人次。两线共线段的换乘在上海城市轨道交通全网络运营中起着举足轻重的地位。但随着客流量的日益增长，换乘压力日趋增大，其信号系统性能已无法满足日益增长的近远期客流需求。特别是早高峰期间，3号线长江南路站—宝山路站区间也因此时常进行车站限流。自2004年开通上海轨道交通3、4号线信号系统至今，设备已投用17年，出现设备老化严重、故障率较高、部分设备的元器件与芯片已经停产、采购与返厂维修时间长达14个月以上和维修成本高等问题。上海轨道交通3、4号线使用法国ALSTOM U200准移动闭塞信号系统，由SACEM(固定式闭塞区间升级的列车控制系统)设备通过轨道电路加载至钢轨的载波向列车传送报文实现单向车地通信；通过逻辑计算控制列车，是固定闭塞向移动闭塞发展过程中的过渡。全球轨道交通除印度使用准移动闭塞信号系统较多外，仅中国、韩国少量使用。随着2014年法国将技术转让给印度，技术支持度大幅下降。在2017年与2020年同济大学第三方安全评估报告中上海轨道交通3、4号线均低于综合评价合格线，建议尽快大修。因此上海轨道交通3、4号线信号系统的更新改造是当下迫切需要研究解决的问题。

上海轨道交通3、4号线的信号改造首先需满足3、4号线近远期客流需求。根据客流分析，共线段近期需满足开行33对/h，远期需满足开行36对/h；上海轨道交通3号线北延伸近期需满足开行22对/h，远期满足开行24对/h。详见表1。

上海轨道交通4号线(包括与3号线共线段)是构通上海中心城区轨道交通换乘最重要的环线，其发生故障或停运都将对上海交通与市民出行产生较大影响。因此，在信号系统改造方案选用上需满足更高的安全性、可靠性、冗余性和运营组织的灵活性，以降低改造影响，缩短改造工期，实现边运营、边改造；同时，还需满足新维保组织架构，建立与之配套的信号系统浸入式在线监控的智能运维平台，以降低维护成本，实现上海申通地铁集团有限公司从运营到经营转型的目标。

表1 上海轨道交通3、4号线开行能力分析表

全国常见的既有线路改造方案有：以上海轨道交通1号线保持既有系统制式的信号系统更新改造项目为典型样板的沿用既有系统改造方案；以北京地铁1号线采用CBTC(基于通信的列车控制)为典型的全替代改造方案；以上海轨道交通2号线为代表的采用既有轨道电路+CBTC系统的双套兼容冗余改造方案等。结合上海轨道交通3、4号线在路网中的重要地位、运营需求、维护需求、投资需求和改造难度与风险，比选探寻其最适用的信号系统制式的改造方案是一项重要课题。

1 信号系统改造的必要条件

共线段宝山路站上行站前合岔是限制运能提升的瓶颈，因此要满足近远期开行对数需求，就必须对宝山路站进行土建改造。即：将4号线外圈宝山路站接轨点由站前改造成站后接轨，扩建宝山路站站台，并新增站后折返单渡线以提升4号线与3号线北延伸在共线段应急情况下的运营组织灵活性。

若宝山路站土建优先改造，势必在既有ALSTOM U200信号系统上进行改造。基于对既有上海轨道交通3、4号线ALSTOM U200系统运行状态的评估与印度技术支持弱等现状，须尽可能减少对既有ALSTOM U200系统的改动。但为维持宝山路站土建改造时上海轨道交通3、4号线非改造区域不中断运营且尽可能缩小停运区域，信号系统需在土建改造前和改造后割接宝山路站区域大量信号骨干网与终端光电缆，土建改造前还需对ATS(列车自动监控)网络、SACEM(列车自动控制)网络、VPI(路径识别)网络进行改造以维持运营的临时环网结构，用于停运调试的临时环网结构，并增加4个临时折返交路，以及配套大量的信号软件、数据修改。还需在停运时间有限的改造过程中，对新插入线路新增轨道电路。这涉及宝山路站及相邻SACEM设备区域大面积既有轨道电路频率布局以及SACEM设备的数据修改与调试，其改造难度极大、工程量巨大、改造风险高和停运时间较长。因此，必须对信号系统进行优先改造，在使用新信号系统的基础上再对宝山路站土建开展改造。

除了沿用既有信号系统的改造方案外，所有替代方案或双系统冗余方案均需先对列车在既有车载系统的基础上，加装新的车载信号系统，复用车底外挂设备，并增加切换开关。双系统冗余方案则切换开关保留，替代方案则在轨旁一次性倒接后拆除。

2 信号系统改造方案

2.1 沿用既有ALSTOM U200信号系统改造方案

上海轨道交通3、4号线沿用原ALSTOM U200信号系统改造方案(以下简称“方案1”)，即保持既有系统架构、接口基本不变的前提下，对信号轨旁设备进行翻新改造；并对既有上海轨道交通3、4号线3种车型91列列车的两种车载信号设备进行改造，降低设备老化所带来的高故障率，以提升信号车载子系统冗余度与可靠性。其优点在于可以逐列、逐站和逐段地进行分批分段改造，既有备件可延续使用。但由于制式没有发生根本性的变化，其旅行速度、顶棚速度、运行间隔、折返能力和出库能力等各项性能指标都没有得到提升。即便宝山路站完成土建改造，其理论开行对数也最多达到29对/h，不能满足运能需求，无法解决技术支持与服务弱、元器件停产和备件返修周期长等问题，故改造风险大，也不利于后期的宝山路站土建改造；同时，信号制式也不符合主流信号系统技术发展的方向。在在线监控方面，由于系统没有原生的监测感知层接口，无法建立有效的系统在线监测和智能运行与维护。

2.2 CBTC系统替代改造方案

该改造方案为上海轨道交通3、4号线以全新CBTC系统整体替代既有U200系统(以下简称“方案2”)，如图1所示。其优点是采用目前主流的信号技术，技术成熟，具有系统原生在线监测的基础。

注:OCC——运营控制中心;ATS——列车自动监控;MMI——人机接口;ilock——计算机联锁;“×”表示改造后需拆除。

方案2的室内外设备及接口较多，并且ALSTOM U200本身就是CBTC的同源同系列过渡系统。例如，ALSTOM U200有源、无源信标与CBTC无源信标的布局类同，改造中为满足白天老系统运营与夜间新系统内部调试的需要，需对全线信标开展兼容双系统的重新布局设计与数据修改，其工作量巨大、次级检测设备布置(日夜倒接期间，夜间调试使用的CBTC计轴对白天运营的U200的DTC921数字轨道电路可能产生的影响)等子系统上的耦合度过高，新老系统存在较多的相互影响。日夜调试倒接以及一次性割接工作量非常大、改造复杂、工程筹划难度高。通过仿真计算，即便宝山路站采用此方案改造完成，其共线段理论运营对数也仅能达到33对/h，仅能满足近期运量的需求。

2.3 CBTC+ALSTOM U200的双套冗余系统改造方案

该改造方案对上海轨道交通3、4号线以既有ALSTOM U200系统+轨道电路次级检测进行翻新，联锁以ilock代替VPI，在此基础上加装一套CBTC系统进行改造(以下简称“方案3”)，如图2所示。其优点是改造后ALSTOM U200系统替下的设备与备件都可作为新ALSTOM U200的备件；后备模式ALSTOM U200也具有准移动闭塞的ATP(列车自动防护)/ATO(列车自动运营)，轨道电路还具备断轨检测功能。

注:“×”表示改造后需拆除。

不同于上海轨道交通2号线的双系统异构，上海轨道交通3、4号线由于方案2中提到的ALSTOM U200与CBTC系统耦合度过高，除导致的改造复杂筹划难、倒接工作量和风险大等问题外，还将产生主备系统相同设计架构下会有较大概率发生一个故障源同时影响两套系统的情况，同时还存在ALSTOM U200系统缺乏技术支持等问题。因此在上海轨道交通3、4号线使用上海轨道交通2号线方案势必使后备的可用性大幅度降低，失去双套系统冗余的最大优势与意义。在技术层面，双套冗余系统接口需印度授权开放接口，并重新研发，开发周期冗长，无法满足改造工期需求。以目前中印紧张的国际关系以及印度技术服务与支持能力，其投资风险较高。同时相比较其他几种方案，方案3是所有方案中投资量最大、维护成本最高的，性能也仅维持在CBTC水准。因此，该方案不适用于上海轨道交通3、4号线，本文也不再对该方案进行后续比选。

2.4 基于车车通信的列车自主控制系统的替代改造方案

使用基于车车通信的列车自主控制系统(TACS)替代改造方案(以下简称“方案4”)如图3所示。改造时遵循“不停运改造”原则，即在改造期间，既有设备和新增设备并存，利用倒接开关进行倒接，以确保改造对日常运营不产生影响。

图3 基于车车通信的TACS替代改造方案示意图

TACS是新一代的列车运行控制系统，其以系统资源管理为核心，细化资源粒度，优化资源管理，列车根据任务实现自主资源管理，具有安全、高效、灵活和经济等特点。其系统结构如图4所示。

注：OC为目标控制器；PM为道岔；PSD为站台屏蔽门；ESP为紧急关闭按钮；CC为车载控制器；AP为轨旁无线单元；MSS为维护支持系统；WSIC为轨旁资源管理器；WSTC为轨旁列车管理器。

得益于移动授权理念的改变，TACS仅通过DCS(数据通信系统)将行车间的位置报文以及对轨旁设备的控制命令进行交互(见图5)，大幅度缩减了交互路径距离与时间，实现了轨旁资源控制权的先到先得与通过快速释放，取消了计划型资源分配的进路概念，从而提高了行车效率的各项指标。通过试验线，对TACS实际行车效率实测值与其他方案的信号制式进行了对比(见表2)。表2中,仅有TACS系统具备穿梭和任意点折返功能。通过仿真计算显示，TACS可满足上海轨道交通3、4号线开行对数36对/h的需求。

注：T_ATC为车载自动列车控制系统；CI为联锁；TC为轨道电路；ZC为区域控制器。

TACS采用新的资源管理和安全确认的安全设计理念。与传统的CBTC系统相比，TACS将安全风险管理由多车降维到单车，方便实现多车汇合、分叉和区间任意点折返。TACS适合上海轨道交通3、4号线这种多线多车复杂线路的运营需求。系统改造涉及倒切车载和轨旁设备，车载设备倒接方案与前述方案类似。得益于TACS的轨旁设备简化，减少了大量轨旁设备。在后续宝山路站土建改造时，除骨干光缆与少量室外终端光电缆需要按临时管道敷设并在改造后割接外，电缆割接数量大幅度降低。室外设备临时拆装与调试工作量也大幅度下降。宝山路站土建改造时需维持运营的临时交路仅需纳入新系统设计，不需要像ALSTOM U200、CBTC等传统信号系统在区间新增折返区域因考虑敌对进路而增设轨旁信号机等。

表2 信号系统各种制式下的性能对比表

此方案改造实施过程中的难点在于既要确保白天运营安全，又要便于夜间调试，并需具有迅速恢复的能力。因此TCAS替代方案中的轨旁倒切装置设计尤为重要。改造期间，TACS与ALSTOM U200需共用部分为：道岔动作电路、信号机点灯电路、紧急停车和站台门。倒接装置需确保既有系统与新系统输出的可靠隔离，实现对轨旁设备控制的唯一性，并集中控制，同时需避免倒接继电器失电对白天既有系统运营产生的影响。

如图6所示，以道岔组合倒接为例，切断上述电路既有组合的原有连接A-A′，将既有交流道岔主组合侧面端子接入新增设的倒接机柜(DNS)的倒接继电器，选用失电不动作的双稳态安全继电器(偏极继电器)作为倒接继电器前级，后级分别接入既有副组合侧面端子和受新系统控制的新设倒接机柜(DNS)内道岔DCJ(定位操纵继电器)、FCJ(反位操纵继电器)等新增继电器。利用提供正负极相反的日夜倒接总开关控制双稳态安全继电器的两个线圈，实现白天运营与夜间调试两个状态切换，并保持了两套系统输出控制的隔离，以确保输出唯一性。即便失电也将保持失电前的新老系统选择状态。同时切断的既有组合的原有连接，分割为C1和C0两段，接入安装在继电器组合空位的程序插头底座上。当未插入程序插头时，保持倒接继电器控制；当发生倒接继电器故障无法选择白天既有系统控制状态时，插入程序接头，直接构通既有ALSTOM U200控制链路，实现快速甩开倒接开关，恢复既有系统运营状态。

图6 道岔倒接流程示意图

无论从安装、割接、软件修改和调试的工作量以及随之次生的难度与风险等各方面比较，车车通信均有得天独厚的优势。在线监测方面，由于TACS将更多的逻辑集中至列车，相比CBTC系统的车载、轨旁设备分别监测，控制命令链路更为简单，有利于实现车载、轨旁设备融合的全系统级浸入式监测，更容易实现高精准度故障源诊断的专家系统与智能运维平台。采用TACS的改造方案符合改造的需求和目标。

2.5 信号系统制式及改造方案的比选

宝山路站土建改造后，各制式信号系统开行列车数见表3。其中:方案1共线段勉强满足开行29对/h，3号线北延伸段开行20对/h，4号线外圈开行10对/h，形成20∶10的不对称交路，仅能满足初期运量需求；方案2共线段开行33对/h，3号线延伸北段开行22对/h，4号线外圈开行11对/h，形成22∶11的不对称交路，也只能满足初、近期运量需求；方案4共线段开行36对/h，3号线北延伸段开行24对/h，4号线外圈开行12对/h，形成24∶12的不对称交路，可满足所有运量需求，详见表3。

表3 各制式信号系统开行列车数表

如表4所示，对三种改造方案的技术、经济、实施和运能进行了比选。

表4 3种改造方案比选表

由技术、经济、实施和运能等各方面经综合比选可见，TACS的技术先进，在性能、改造风险、改造周期、建设和运维成本等方面优势明显。只有TACS的通过能力既可满足上海轨道交通3、4号线远期交路运能需求，同时又能满足运营、维护和工程的需求。因此推荐TACS替代改造方案作为上海轨道交通3、4号线信号系统改造的优选方案。