深圳地铁3号线信号系统改造方案选择

葛兰新

（深圳地铁建设集团有限公司，广东深圳 518026）

深圳地铁3号线一期于2010年12月开通运营，经二、三期延长后线路全长43 km；目前已启动四期建设并将于2025年开通，届时达到52 km。三期设计预测线路远期最大客流断面每小时4.1万人次，高峰小时列车对数达到33对/小时；但据运营统计的数据显示，其高峰断面客流量达到每小时4.5万人次。

1 3号线信号系统状况

深圳地铁3号线信号系统采用的是国外厂商 的 CITYFLO 650系 统。CITYFLO 650系 统是在20世纪90年代开发，于2003年实现载客运营的基于无线通信的移动闭塞列车控制系统（Communication Based Train Control，CBTC），其架构可采用集成联锁模块，也可采用独立的计算机联锁设备。

3号线信号系统和国内多数厂商的典型CBTC系统架构一样遵循IEEE1474.1-2004标准，由独立的计算机联锁（Computer Interlocking，CI）、区域控制器（Zone Controller，ZC）、列车自动监控（Automatic Train Supervision，ATS）、车载控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）等子系统/设备组成。

对3号线于2010年开通运营后信号系统故障统计，从2018年开始故障数量呈上升趋势；并且国外厂商于2014年对CityFlo650系统开发平台进行升级，原开发平台采用的核心设备硬件停产且尚无替代产品，新开发平台产品无法直接兼容原有硬件，需要国外厂商进行系统整体升级和配置才可使用；在运营过程中，出现的大部分系统问题只能由国外厂商进行分析和解决，正常的维修、维护受到极大限制。

受到在信号系统终点站折返能力的制约，3号线目前按照2 min15 s间隔组织行车，无法满足客流需求。通过对终点站上行接车进路、站后折入折出进路及下行发车进路等各时间段的测试、比较后，发现折返能力主要受折入折出进路间隔较长的影响。其系统折返进路采用标准进路，厂商出于安全考虑，上行站台排列至折返轨T1的折入进路，联锁须检查道岔P2处于定位，前车从折返线T1向下行站台运行，须出清道岔区段T3，道岔P2转动至定位，方可排列向折返轨T1进路，如图1所示；而通常其他厂商系统在前车出清道岔区段T2后，就可排列折入进路[1]，只在这点上折返能力就会比3号线既有信号系统有优势。

为提升线路行车能力，解决运营维护难点，故结合3号线四期工程建设对既有信号系统进行更新改造。

2 系统改造方案需考虑因素

目前国内新建和旧线改造信号系统采用CBTC系统，CBTC模式为系统正常运行方式，联锁控制级别为降级模式；联锁控制级别应用场景主要发生在运营载客列车出现故障，采用限制人工驾驶模式或非限制人工驾驶模式退出运营情况下，列车运行安全由联锁设备、司机等共同保证。

国内早期建设的部分CBTC系统具有点式后备模式，是当时一方面认为无法一次性全功能开通CBTC系统，点式后备模式在初期运营过渡期间应用，另一方面认为车-地无线通信技术不成熟、系统可靠性不高，故要求CBTC系统具备点式后备模式。目前国内厂商的CBTC系统的硬件设备均采用热备冗余、三取二、二乘二取二等多重冗余技术，系统可靠性、可用性等指标均能满足标准要求。

根据国内大量项目验证，近年国内均能一次性全功能开通 CBTC，不需在初期运营过渡期间采用点式降级模式，且降级系统会导致安装、调式工程量增加，增加项目实施难度。日常运营经验表明，不需要利用点式降级模式维持载客运营，点式降级设备日常维护反而耗费运维人员大量精力。目前点式降级模式在新建线路上已不再要求。

一般来讲，3号线信号系统改造方案应考虑多种因素。

通常改造的设备房面积有限，作业只能在停止运营后进行。设备精简对室内外作业有利，可以降低更新改造对运营的风险，同时减少运维人员数量和工作量。

系统应能有效提升线路运行能力。在3号线的线路限速、站停时间等外界条件基本不变的情况下，主要依靠提高系统折返能力。

作为具备高架和地下区段，且运行客流量大的线路，运营环境复杂，为提高整个信号系统可用性，应保留适用的降级模式。

结合深圳新建线路全采用全自动运行系统，改造应尽可能提高系统自动化水平，实现有人值守下自动发车、自动开关门等部分GoA3功能。

3 系统改造方案的比选

根据CBTC系统的技术应用，目前3号线信号系统改造有几种方案可供选择。

3.1 典型CBTC方案

目前国内新线项目采用主流信号系统属于典型CBTC系统，配置次级轨道检测设备（多采用计轴设备）。为提高安装调试效率，减少设备房面积，目前CI已多采用全电子联锁，目标控制单元（Object Controller，OC）是全电子执行单元。

信号系统核心就是对资源的管理和分配，并围绕移动授权展开。在典型CBTC系统中，CI负责管理和分配线路资源(如计轴区段、信号机和道岔等)，并将资源状态信息发送至 ZC； ZC根据列车位置信息和CI 发送的线路资源状态信息为列车计算移动授权，并将计算结果发送给VOBC；ZC将来自VOBC的列车位置信息和来自CI的计轴区段占用信息进行综合处理，以确定列车的位置关系，并反馈给CI[2]，如图2所示。ZC和CI互相配合完成的功能包括开放/关闭信号机、解锁保护区段及CI采集列车包络占用区段延时检测。

典型CBTC系统对线路资源的管理是由CI以进路的方式进行统一分配、锁定和释放，逻辑简单。正线区间的“区段”能够被多车受ZC共同管理的方式拆分并利用，区间追踪间隔可达到90 s；但在岔区以联锁方式独占岔区资源，资源利用效率相对较低；虽然可以按照《城市轨道列车运营速度限制及匹配技术规范》（T/CAMET04015-2019）提高道岔通过速度及其他特殊措施提高折返能力，折返能力最终能否达到33对/小时还需验证。

如深圳地铁3号线采用典型CBTC系统改造，优势和劣势都较为明显。

优势：典型CBTC系统为当前建设项目的主流方案，技术成熟稳定，具有成熟的联锁降级模式，降级条件下的安全性和可用性有保障，有较多的运营线改造案例。

劣势：室内设备及轨旁设备较多，调试工作量大；其系统能力相对既有系统提升有限。

3.2 轨旁控制一体化的CBTC系统方案

为进一步优化系统性能，降低硬件复杂度，简化系统架构，减少设备接口，提升系统通信实时性，部分国内信号厂商开始研发轨旁控制一体化架构的CBTC系统。轨旁一体化设备集成了典型CBTC系统中CI、ZC的功能，如图3所示。采用轨旁控制一体化的CBTC系统有通号城市轨道交通技术有限公司NGTC1.0系统、上海电气泰雷兹TSTCBTC®2.0 系统等。

CI与ZC一体化后，区段状态、列车位置信息可在一体化设备中同时接收处理，减少了典型CBTC系统中CI与ZC互发信息的通信延时时间，双方向延时至少缩短 3 s[3]，明显提高系统的反应速度，增强系统的可用性。一体化CBTC系统可对道岔区域进行资源精细化控制，将道岔区段优化细分为岔前区域、可动区域、侧防区域[4]，列车出清道岔可动区域后就可以转动道岔，而不需出清整个道岔计轴区段，前车出清侧防区域后，后车可以占用侧防区域。通过道岔按单动处理、道岔区段进路的快速解锁，按照列车位置解锁进路，实现道岔资源的快速释放，如图4所示，折返能力突破了典型CBTC系统中联锁对系统性能的限制；近期TSTCBTC ® 2.0系统在上海5号线实测的单边折返追踪间隔达到86 s。

TSTCBTC ® 2.0系统基于线路资源预留的移动闭塞原则，采用以列车为中心的进路办理方式，进路与列车关联，列车的移动授权计算建立在预留的资源范围内[5]。得益于资源预留，其系统性能已达到最优值。由于系统的线路资源不附带方向属性，系统可以支持线路中任意位置的列车排列双方向的进路。

采用一体化方案的优势和劣势如下。

优势：一体化CBTC系统简化ZC与CI的接口，降低系统复杂性，计算授权延时短，线路运行能力可得到大幅度的提高，且能够保留联锁控制的降级模式。

劣势：CI与ZC的集成对整个系统而言，设备减少有限。另外，联锁功能测试、一致性测试需要在每个控制区域内进行，改造调试、运营维护工作量减少有限。

3.3 列车自主运行系统方案

列 车 自 主 运 行 系 统（Train Autonomous Circumambulate System，TACS）是目前信号系统中技术较为先进的系统制式，但还没脱离CBTC系统定义的范畴，强调以“列车自主”为核心理念，缩短控制环节，车与车直接信息交互，系统架构只保留ATS、OC、应答器等设备，取消CI、ZC等正线室内设备，如图5所示。

该系统相对于典型CBTC系统有两处主要变动。

1）改变系统功能分配，升级VOBC功能；精简正线室内设备，原有ZC和联锁逻辑功能由VOBC实现，轨旁基础设备控制由OC完成，OC负责为使用的列车进行资源登记和解除登记。VOBC接收来自ATS的运行任务计划，自主根据行车计划进行进路的选择，并分解为资源向OC申请。

2）列车通过数据通信系统（DCS）与其他列车进行直接通信，交互获取周围列车的位置和状态信息，用于对前后列车位置进行追踪，自行计算移动授权，增强列车间隔防护的实时性。

车载VOBC基于ATS下发的运行计划，自主计算对线路资源的需求，向OC进行资源申请，获得分配使用后，快速释放资源，在资源管理的全过程中控车信息流采用单一路径。TACS系统对线路资源（区段、道岔、站台）采用精细化管理，实现快速释放，相较典型CBTC系统能够缩短20%～30%折返间隔[6]。

TACS系统是个轻量化、高效能系统，不需要配置次级轨道检测设备，但这将导致信号系统无法检测非通信列车在线路中的运行位置。如何实现对非通信列车的授权和安全防护是系统方案考虑的重点。

部分厂家采用智能感知技术，为列车增加摄像头、激光雷达等实现对前方障碍物的确认与检测；或者采用基于射频识别技术，增加轨旁电子标签读取器和列车电子标签用以判定列车位置[7]，保障非通信列车在线路的行车安全。

采用TACS系统改造的优势和劣势如下。

优势：采用TACS系统对线路运行能力提升大，折返间隔低于90 s，易实现3号线对33对/小时的运行能力需求；系统硬件设备量少，有利于设备的升级维护。室内设备精简，核心设备高度集成；临时拆装与调试工作量也大幅度下降。

劣势：目前尚无采用TACS系统的工程建设经验和运营案例；TACS系统列车控制理论与传统的信号控制理论有很大不同，采用智能感知和射频识别的降级方案与既有运营降级模式差别较大[8]，运营单位接受难度较大。

4 结语

TACS系统和一体化CBTC系统相比，典型CBTC系统在技术上具有先进性，在性能、建设维护成本等方面具有优势，符合城市轨道交通信号系统的发展方向，具备更广泛的应用前景；对于深圳3号线以及其他运营线路的信号更新改造，还需多结合既有运营场景及需求，综合比选才能选择出适合的信号系统改造方案。