未来轨道交通信号系统改造工程技术方案探讨

张东峰

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

0 引言

针对目前改造存在的制约因素，信号系统未来改造只有采用更高效能、更高集成的系统才能克服改造升级的难度，这也必将成为城市轨道交通未来改造的方向。针对轨道交通信号系统项目未来改造需求，可探讨采用列车自主运行（TACS）系统+全电子联锁设备。

1 轨道交通目前建成现状

随着近十几年中国经济的快速发展，城市化率显著提高，轨道交通已成为经济发展较快的大城市公共交通建设的重要内容，各大城市轨道交通运营网络已具规模，运量和网络密度已逐渐领先世界主要大城市。截止2020年末，我国内地城市轨道交通运营线路累计长度已接近8000公里，可以看出，我国轨道交通正处于快速发展期，预计发展仍将持续伴随未来5～10年间。但伴随着新的线路的不断开通，较早开通的部分线路已进入或即将进入系统更新改造阶段，针对已进入或即将进入更新改造阶段的全国已开通轨道交通线路情况，未来信号系统更新改造方案如何选择，将进行以下探讨。

2 改造工程方案选择

2.1 列车自动控制系统方案

目前国内已建成及新建的城市轨道交通均采用基于车地无线通信的CBTC系统。该系统通过无线通信设备，完成列车信号车载设备与车站或控制中心设备之间的信息交换。车地之间通过建立连续、双向、高速的通信传输通道，使相关命令和状态可以在列车信号车载设备和轨旁之间进行实时可靠的传输。由车载设备确定列车的准确位置并传输至轨旁区域控制器（ZC），轨旁区域控制器（ZC）根据列车位置通过计算得出列车的移动授权并传递给列车车载设备，列车车载设备根据移动授权生成间隔防护、运行曲线以保证列车的安全运行。但传统的CBTC系统中，各子系统设备在全线均采用分布式部署方式，其系统架构的灵活度较高，适用于现场需求。但由于各个子系统之间存在信息交互频繁，由此导致其通信时延增加较大，此问题已成为目前整个信号系统能力提升、优化的主要制约因素[1]。

（1）列车自主运行（TACS）系统。列车自主运行（TACS）系统（即基于车车通信的列车自主运行系统，此处“车车通信”指列车之间的直接信息交互）将传统信号系统中以轨旁进路方式实现的控制功能升级为以列车为中心的自主管理方式。其与传统CBTC系统的不同之处在于其系统架构更精简，通信传输径路更简单。新的系统直接将控制中心发出的列车运行计划信息发送至列车上，由列车自主实现运行控制，并向轨旁目标控制器发出操作轨旁设备命令，其信息流采用单一路径（见图2）。而对于传统的CBTC系统，列车进路管理由轨旁联锁负责，轨旁区域控制器（ZC）根据各列车反馈的位置信息并结合列车运行计划、联锁进路信息等计算出各列车移动授权并下发至列车上，其信息传输路径（见图1）。

在列车自主运行（TACS）系统下，追踪列车周期性的向前方列车请求其位置信息，前方列车作为响应，周期性地向追踪列车发送其实时位置信息，追踪列车在得到前方列车的位置信息后通过自身来计算移动授权和生成相关的防护、运行曲线，这样可以立即更新其速度控制曲线，有效缩短列车间的通信传输时延和追踪时间从而提高运营效率。

列车自主运行（TACS）系统的优点为：1采用精简系统架构提升了系统的反应灵敏度，系统接口少，响应时间短，从而较大的提高了系统的性能2该系统架构的精简还可减少设备种类和数量进而减少运营维护工作量，从而降低全寿命周期的运维成本。

（2）列车自主运行（TACS）系统国内外发展情况。目前国内在上海和青岛地铁正在开展列车自主运行系统（TACS）示范工程项目的测试。于2020年6 月 28 日，卡斯柯在上海地铁 3/4 号线以宝山路为中心的区域，实测了TACS系统在多车UTO模式运行状态下的多个关键功能和性能指标，包括分岔性能、汇合性能、折返间隔、任意站穿梭、任意点折返等[2]。实测验证的结果表明，TACS系统与既有系统现场实测数据相比，关键性能指标提升27.03% 以上，与 CBTC 仿真结果比较，性能指标提升19.75%以上（以上数据采用卡斯柯测试后公布的数据）。

国内其余系统集成商包括交控、富欣等厂家也在研发、测试阶段。国外厂商阿尔斯通公司研发的TACS系统已应用于法国Lille1号线轻轨改造工程中。

2.2 联锁设备（目标控制器）方案

目前轨道交通信号系统联锁设备均采用计算机联锁设备和装设继电器的组合柜组成。由于目前室内组合柜占用了大量设备房面积，不利于更新改造时信号系统的升级、改造；在工程建设过程中，继电电路的设计，需要设计/施工单位反复校核确保配线正确，增加了设计/施工周期；在运营维护中，继电电路发生故障的概率较高，排查及抢修较复杂且时间较长，给行车效率带来影响。

故针对目前存在的现状可探讨推荐采用全电子联锁设备。全电子联锁设备相对于传统继电联锁，将设备室内继电组合电路采用模块化设计集成到机柜中（称为“模块柜”）。模块柜中可包含交流信号机机笼、直流信号机机笼、交流道岔机笼、直流道岔机笼、通用输入输出机笼等（具体可根据现场设备情况选择配置）。各机笼内对应安装成对信号模块，每一对模块互为I系和II系，工作时区分为主备系。

交流信号机机笼内安装交流信号机模块，实现对交流信号灯的直接控制。根据厂家调研可知：信号机机笼内最大可以安装4对交/直流信号机模块，每一对模块可以驱动8路色灯，每个机笼满配可驱动32路色灯。交流道岔机笼内安装交流道岔模块，可实现对交流5线制转辙机（如：ZDJ9型）直接控制。机笼内最大可以安装4对交流道岔模块，每一对模块可以控制2组交流转辙机，每个机笼满配可驱动8组交流转辙机。直流道岔机笼内安装直流道岔模块，实现对直流转辙机直接控制。机笼内最大可以安装4对直流道岔模块，每一对模块可以控制2组四线制直流转辙机，每个机笼满配可驱动8组直流转辙机。通用输入输出机笼内安装通用输入输出模块，实现安全继电器直接控制和状态采集等（包括轨道电路、各零散电路等）。

3 改造工程实施方案

信号系统更新改造难点在于车载和车站室内设备改造。

3.1 车载设备改造措施

车载机柜安装：新系统车载设备主机机柜可在紧邻司机室车厢内隔出一定空间来满足新车载设备临时安装要求。

司机显示单元、按钮：新系统司机显示单位及按钮安装于临时位置，司机显示单元设计临时支架固定，新增的按钮设计箱宜临时固定在司机台附近。

外围设备：外围设备包括速度传感器、雷达传感器、应答器天线、车载天线等，速度传感器可安装在未使用的车辆车轴上，雷达传感器、应答器天线、车载天线安装在新增车辆支架上。对于与车辆的采集/输出信号接口部分，可在列车上安装倒接开关进行切换，在运营和调试时段分别倒接至相应系统工作。

新系统调试验收完成后，拆除旧系统设备，新系统设备二次移动安装到设计位置。

3.2 车站室内设备改造措施

车站室内设备新旧系统在电路上保持相对独立，室内设备改造主要是设备安装问题。

以西安地铁9号线纺织城站设备集中站（管辖范围内道岔组数14组，信号机13架）目前室内设备布置情况为例，假定全系统（未计算电源及配套设备机柜数）改造，其改造前后机柜总数量对比参考如下表：

表1 机柜数量对比表

由上表可看出，室内机柜数量减少将近一半。其室内设备改造可按照如下原则进行：在保证既有设备必要的维护空间的前提下，尽可能利用室内已有空间；可采用移动既有可方便移动的信号设备，以满足新系统设备的安装空间；可利用设备室附近的信号工区、值班室用房改造为新的信号设备用房；新设备安装无法一次就位时，临时布置的设备要充分考虑二次就位后的最终安装位置[3]。

3.3 设备调试、测试、倒接

利用运营阶段进行设备静态调试，利用夜间停运阶段进行单车功能测试、多车追踪测试及系统性能测试、综合联调等。待新系统各项测试均通过后，具备载客试运营条件后，进行系统倒接，倒接成功后逐步对旧系统进行拆除。

4 结语

根据目前技术发展现状，信号系统更新改造是一个十分复杂的工程。改造工程需要在保证不影响既有信号系统运行，不降低运输服务能力和确保运营安全的前提下进行。期间面临工期紧、作业时间短、安全压力大，且还受制于安装空间（包括车载信号设备过渡、轨旁信号设备过渡、车站室内设备过渡）等诸多因素制约。故针对改造存在的以上制约因素，信号系统未来改造只有采用更高效能、更高集成的系统才能克服改造升级的难度，但这也必将成为城市轨道交通未来改造的方向。针对未来轨道交通信号系统改造需求，可选择采用列车自主运行（TACS）系统+全电子联锁设备。