兩種城市軌道交通既有線信號(hào)系統(tǒng)改造方案對(duì)比分析

王二中 李 新

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)一分公司，215101，蘇州∥第一作者，高級(jí)工程師)

根據(jù)交通運(yùn)輸部印發(fā)的交運(yùn)規(guī)[2019]8號(hào)文《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理辦法》規(guī)定，信號(hào)系統(tǒng)整體使用壽命一般不超過(guò)20年[1]。因此通常在線路開通運(yùn)營(yíng)后的第15年左右就會(huì)開始啟動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的更新改造，以確保在其20年的生命年限截止前完成改造，從而保證線路繼續(xù)安全運(yùn)營(yíng)。本文對(duì)比分析城市軌道交通既有線信號(hào)系統(tǒng)改造中的CBTC(基于通信的列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)方案和TACS(基于車車通信的列車控制系統(tǒng))。

1 CBTC系統(tǒng)改造方案分析

1.1 CBTC信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

我國(guó)2008年之前開通的城市軌道交通線路主要采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式的信號(hào)系統(tǒng)，2008年之后開通的基本上采用CBTC系統(tǒng)。與準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)相比較，CBTC系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)就是新增了ZC(區(qū)域控制器)用于計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)閉塞功能。

按照功能劃分，CBTC系統(tǒng)由ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)、ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)系統(tǒng)、DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))和MSS(維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))等5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，各系統(tǒng)間相互配合，共同確保列車安全高效運(yùn)行。

CBTC系統(tǒng)從總體架構(gòu)而言，軌旁信號(hào)設(shè)備主要分布在控制中心、車輛段/停車場(chǎng)、設(shè)備集中站、非設(shè)備集中站、試車線等，車載信號(hào)設(shè)備主要分布在列車兩端的車頭位置。

1.2 采用CBTC信號(hào)系統(tǒng)改造方案難點(diǎn)分析

北京、上海的軌道交通既有線信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目，均選用了當(dāng)時(shí)最新的CBTC系統(tǒng)。從已完成的這些既有線信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目分析看，采用CBTC系統(tǒng)改造方案主要難點(diǎn)為：

1) 土建方面：既有線信號(hào)系統(tǒng)改造，通常是將舊的系統(tǒng)改為目前最新的系統(tǒng)，因此也需要將車輛段/停車場(chǎng)改造成CBTC場(chǎng)段。通常情況下，CBTC車場(chǎng)雙列位存車線之間的安全防護(hù)距離需20 m左右，存車線上列車與車檔的安全防護(hù)距離需15 m左右。所以需要對(duì)既有場(chǎng)段存車線長(zhǎng)度進(jìn)行評(píng)估，如果涉及存車線長(zhǎng)度增加，將面臨著高昂的土建成本和時(shí)間成本，且會(huì)影響既有車場(chǎng)的作業(yè)，此種情況對(duì)運(yùn)營(yíng)與施工的總體協(xié)調(diào)能力要求極高。

2) 時(shí)間方面：在信號(hào)系統(tǒng)改造期間必須保證既有線的正常運(yùn)營(yíng)，因此只能在夜間運(yùn)營(yíng)結(jié)束后進(jìn)行新系統(tǒng)調(diào)試，一般來(lái)說(shuō)能夠用來(lái)進(jìn)行新系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間僅為3 h左右[2]。而既有線本身就存在周期性的維護(hù)以及故障維修，因此留給新系統(tǒng)調(diào)試的點(diǎn)平均每周不會(huì)超過(guò)4個(gè)。因此，相當(dāng)于在信號(hào)系統(tǒng)改造期間，平均每周僅有約12 h的新系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，為正常新項(xiàng)目時(shí)間的五分之一左右。

3) 設(shè)備用房方面：在既有線原信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，沒(méi)有考慮后續(xù)改造時(shí)新設(shè)備的用房問(wèn)題，根據(jù)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)備集中站的信號(hào)設(shè)備室一般總需求在123 m2左右(含設(shè)備室85 m2、電源室25 m2、電纜間13 m2)；非設(shè)備集中站的信號(hào)設(shè)備室一般總需求在55 m2左右(含設(shè)備室30 m2、電源室15 m2、電纜間10 m2)；停車場(chǎng)/車輛段的信號(hào)設(shè)備室一般總需求在230 m2左右(含設(shè)備室195 m2、電源室35 m2)。因此在現(xiàn)有設(shè)備用房條件下協(xié)調(diào)出新信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備用房也是改造的一大難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

4) 運(yùn)營(yíng)影響方面：由于改造期間可用于新系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間平均每周僅為12 h左右，當(dāng)新系統(tǒng)調(diào)試所需時(shí)間或者多個(gè)專業(yè)同時(shí)調(diào)試時(shí)所需時(shí)間協(xié)調(diào)方面出現(xiàn)紕漏時(shí)，存在影響線路運(yùn)輸能力甚至導(dǎo)致部分區(qū)段退出運(yùn)營(yíng)的情況。

2 TACS系統(tǒng)改造方案分析

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)修訂發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019年本)》中明確將TACS作為城市軌道交通裝備的發(fā)展方向之一。目前國(guó)內(nèi)主要信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商也已推出各自的TACS，預(yù)計(jì)2021年底將會(huì)出現(xiàn)首條開通商業(yè)運(yùn)營(yíng)的TACS線路。因此TACS也是后續(xù)既有線改造時(shí)信號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)重要選擇方案。

2.1 TACS信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

與CBTC系統(tǒng)相比較，TACS取消了計(jì)軸/軌道電路設(shè)備，信號(hào)機(jī)也可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求選擇取消或者保留，同時(shí)取消了CI系統(tǒng)，將其對(duì)軌旁設(shè)備動(dòng)作執(zhí)行功能優(yōu)化至OC(目標(biāo)控制器)系統(tǒng)完成。按照功能劃分，TACS由5 ATC、ATS、OC、DCS和MSS等5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，各系統(tǒng)間相互配合，共同確保列車安全高效的運(yùn)行。

1) ATC功能：具備CBTC系統(tǒng)中ATC的所有功能，由ATP(列車自動(dòng)保護(hù))系統(tǒng)和ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)組成。在TACS中，ATC軌旁設(shè)備的最大變化是將CBTC系統(tǒng)的ZC升級(jí)為了WRC(軌旁資源管理器)，負(fù)責(zé)所管轄范圍內(nèi)軌旁資源的管理，處理軌旁資源的請(qǐng)求、分配和釋放等；與CBTC系統(tǒng)相比較，TACS車載控制器增加了列車之間互相通信及定位信息互傳、軌旁資源的申請(qǐng)/釋放、自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)、自主計(jì)算牽引/制動(dòng)曲線等功能。

2) ATS功能：與CBTC系統(tǒng)相比較，TACS中沒(méi)有CI系統(tǒng)，因此TACS的ATS無(wú)與進(jìn)路相關(guān)的功能，其余功能與CBTC系統(tǒng)的ATS功能相同。車站的LATS(車站ATS)設(shè)備可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求選擇保留或者取消。

3) OC功能：OC相當(dāng)于CBTC系統(tǒng)中CI系統(tǒng)的執(zhí)行與采集單元，與軌旁ESB(緊急關(guān)閉按鈕)、IBP(綜合后備盤)、PSD(站臺(tái)門)、SPKS(人員防護(hù)開關(guān))和清客按鈕等接口。OC執(zhí)行軌旁資源管理器的控制命令，直接控制軌旁信號(hào)設(shè)備動(dòng)作，并將軌旁信號(hào)設(shè)備狀態(tài)反饋給軌旁資源管理器與ATS。

4) DCS功能：具備CBTC系統(tǒng)中DCS的所有功能，并支持LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))或者Wi-Fi制式的無(wú)線傳輸。

5) MSS功能：具備CBTC系統(tǒng)中MSS的所有功能，并新增了與智能運(yùn)維相關(guān)的功能。

TACS總體架構(gòu)如圖1所示。ATCS以車載控制器為核心，盡可能地優(yōu)化縮減了軌旁設(shè)備，使系統(tǒng)架構(gòu)更加精簡(jiǎn)。

圖1 TACS總體架構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of TACS overall architecture

2.2 采用TACS信號(hào)系統(tǒng)改造方案優(yōu)點(diǎn)分析

1) 土建方面：TACS對(duì)軌旁資源顆粒度的精細(xì)化管理，使其比CBTC系統(tǒng)的安全防護(hù)距離需求更短，從而在場(chǎng)段改造時(shí)對(duì)土建條件的需求更少，甚至相對(duì)既有線不變。

2) 時(shí)間方面：雖然每個(gè)點(diǎn)約3 h的新系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間沒(méi)變，由于TACS架構(gòu)的優(yōu)化，減少了軌旁設(shè)備，可以減少系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)制作的時(shí)間以及系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間，從而能夠減少整體的改造工期。

3) 設(shè)備用房方面：由于TACS架構(gòu)的優(yōu)化，減少了軌旁設(shè)備，因此可有效減少新設(shè)備用房需求。

4) 運(yùn)營(yíng)影響方面：由于TACS方案可以減少設(shè)備數(shù)量與總改造工期，從而降低了設(shè)備倒接期間與節(jié)約的工期時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的影響運(yùn)營(yíng)的事故的概率。

5) 運(yùn)營(yíng)效率方面：TACS實(shí)現(xiàn)了列車與列車間直接交互定位等功能，車載控制器可以自主計(jì)算自己的移動(dòng)授權(quán)與控車曲線，加之TACS對(duì)軌旁資源顆粒度的精細(xì)化管理，使TACS的列車運(yùn)行間隔最小可以達(dá)到90 s，比CBTC系統(tǒng)的提升了25%以上[3]。

3 兩種既有線信號(hào)系統(tǒng)改造方案對(duì)比分析

TACS代表著目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，與CBTC系統(tǒng)相比，優(yōu)化精簡(jiǎn)了基礎(chǔ)架構(gòu)層面，同時(shí)可對(duì)軌旁資源進(jìn)行精細(xì)化管理，因此在既有線改造時(shí)，采用TACS的信號(hào)系統(tǒng)改造方案具有較大優(yōu)勢(shì)。不同既有線信號(hào)系統(tǒng)改造方案對(duì)比分析如表1所示。

表1 不同既有線信號(hào)系統(tǒng)改造方案對(duì)比分析表

4 結(jié)語(yǔ)

TACS代表了城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。TACS用于既有線改造時(shí)，在土建、用房、調(diào)試、用電和維護(hù)等方面的減少可有效降低投資額度從而直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，采用TACS信號(hào)系統(tǒng)改造方案可大幅提升線路運(yùn)營(yíng)能力并可有效降低改造的總工期，從而能創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益。因此從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等方面綜合分析，建議在既有線信號(hào)系統(tǒng)改造中優(yōu)先選用TACS。