城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造需求分析

戴翌清

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！胃呒壒こ處?

北京、上海、廣州等地城市軌道交通早期建設的線路中,其配套的信號設備已經逐步進入服役后期。這些線路大多是線網的骨干線路，其運力已經難以滿足超大線網下的客流運輸需求，線路的安全管理形勢也隨著客流的持續(xù)增加越來越嚴峻。其中，信號系統(tǒng)因制式陳舊、設備老化等原因引起的運營問題逐年遞增，因此，對這些線路的信號系統(tǒng)進行更新改造迫在眉睫。

2022年4月8日，國家交通運輸部和科技部聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”交通領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，該規(guī)劃文件從基礎設施、交通裝備、運輸服務3個要素維度和智慧、安全、綠色3個價值維度，布局了6個領域18個重點研發(fā)方向。其中，綜合交通運輸系統(tǒng)韌性和承載力提升的理論方法與技術研究為城市軌道交通在運營的靈活性和運能提升指明了方向。該規(guī)劃作為城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造方案的指導文件，除了建立以運營需求為導向的原則外，還推動城市軌道交通進入“提質增效、量質齊升”的新階段。為此，本文從多個角度分析城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造的具體需求。

1 城市軌道交通設施設備運行維護管理的要求

交運規(guī)[2019]8號《交通運輸部關于印發(fā)〈城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法〉的通知》第十二條規(guī)定：“信號系統(tǒng)整體使用壽命一般不超過20年。”該通知的第十九條規(guī)定：“對于車輛、供電、信號等涉及行車安全的關鍵設備，到達使用年限的應及時更新。未經充分技術評估論證，不能確保運行安全的，不得延期使用。未達使用年限，但符合下列條件之一的設施設備，可提前更新：①故障率較高，嚴重影響運營安全和客運服務的；②存在重大安全隱患，經維修后仍無法消除的；③原設計功能、性能與當前運營要求嚴重不符的；④產品或設備供應商已退出市場，無法保障備品備件供應或服務質量的；⑤法律法規(guī)或強制性標準規(guī)定淘汰或功能需要提升的；⑥遭受事故或自然災害破壞，不具備維修價值的。”

JT/T 1218.3—2018《城市軌道交通設備設施維護與更新技術規(guī)范 第3部分：信號》規(guī)定了城市軌道交通信號系統(tǒng)維修與更新的基本要求，明確了信號設備維修制度、維修修程等維修管理及更新改造的要求。

本文的研究對象是北京、上海等城市軌道交通線網中投入運營年限已超過10年、即將到達15年大修限期的城市軌道交通線路。這些線路信號系統(tǒng)的部分設備(如服務器、工作站、交換機、車載測速裝置等)若按照安裝時間核算，其壽命已遠超JT/T 1218.3—2018附錄C中表C.1《信號設備大修內容、要求及周期表》規(guī)定的更換期限(10年)，因此，這些關鍵設備超齡服役所產生的運營安全風險逐年遞增。此外，城市軌道交通部分產品或設備停產，也是觸發(fā)技術改造、設備更新的主要原因之一。城市軌道交通上游產業(yè)鏈企業(yè)的發(fā)展水平不一，信號技術換代、產品升級、經營策略調整都可能導致信號設備停產，進而促使城市軌道交通運營單位努力尋求可替代的技術或產品，以維持線路的運營服務水平。

城市軌道交通信號系統(tǒng)更新改造的目的是為了滿足未來長期運營服務水平需要，對信號系統(tǒng)進行整體或局部的更新，從而恢復并提高信號設備的可靠度，完善信號系統(tǒng)的使用功能，確保設備運行狀態(tài)穩(wěn)定，延長設備的使用壽命，滿足線路運營服務水平和相應標準的要求。對于臨近壽命周期的既有線信號系統(tǒng)，在提高線路運行安全性、可靠性、經濟性的同時，還應滿足《“十四五”交通領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中智慧、安全、綠色3個維度評價體系的要求。

2 信號系統(tǒng)功能與運營需求的匹配性

2.1 信號系統(tǒng)更新改造的實施方式

城市軌道交通線路在建設過程中，為配合城市發(fā)展及規(guī)劃、提升運營服務水平，部分線路會擴建延伸線。按照建設時序，最早建設的線路區(qū)段又稱為一期工程，在此基礎上擴建的延伸線區(qū)段按建成時間分別命名為二期工程、三期工程等。

目前國內進入改造期的城市軌道交通線路都是城市公共交通的命脈，因此需要基于不停運的原則實施更新改造，以確保城市的正常運轉。城市軌道交通線路的改擴建及信號系統(tǒng)的更新改造是相伴相生、相輔相成的，其改造通常有以下兩種情況。

2.1.1 在擴建延伸線時進行一期工程的更新改造

對于延伸線建設時機與一期工程信號系統(tǒng)改造工程時機重合的線路，既需要確保一期工程在更新改造期間的運營服務水平不能下降，又需要在最終全線開通后確保信號系統(tǒng)的功能滿足線路運能及相關標準的要求。

2.1.2 同一線路信號系統(tǒng)各標段壽命周期不同設備的更新改造

擬更新改造的線路，因不同標段設備的壽命周期不同，因此在制定信號改造方案時，需要滿足不同壽命周期設備的更新改造要求。與一期工程相比，延伸線的信號系統(tǒng)設備較新，在制定改造方案時必須考慮延伸線設備是隨同主線設備報廢，還是充分利用延伸線設備以節(jié)約資源和成本,并作出方案選擇。例如，上海軌道交通2號線一期工程于2000年6月開通運營，其設備已達到壽命期限，但該線的3個延伸段(西延伸段、西西延伸段及東延伸段)的開通時間分別為2006年、2010年及2014年，這3個延伸段的線路長度占2號線全長的70%以上；重慶軌道交通2號線一期工程信號設備已經接近壽命期限，但該線的延伸線開通于2015年，延伸線上的設備遠未達到壽命期限。因此，信號更新改造方案既要確保延伸線設備的利用率，又要滿足一期工程更新改造的要求。

2.2 信號系統(tǒng)更新改造后需滿足的運營需求

2.2.1 正常運營下的運營需求

1) 提高列車旅行速度。信號系統(tǒng)更新改造后，采用FAO(全自動運行)技術來提高運行交路的折返能力，優(yōu)化列車停站時間。與沒有采用FAO的線路相比，FAO線路上乘客在站臺乘降時列車的安全監(jiān)護不再由人工確認，而轉為采用站臺門間隙檢測等手段予以保障，這將大大縮短列車關門后至發(fā)車前的時間(這部分時間屬無效停站時間)，如上海軌道交通10號線列車關門后至發(fā)車的時間一般為5 s左右，最長不超過10 s。由此，與上海軌道交通網絡中其他非FAO線路相比,10號線列車的旅行速度可提高約8.8%。此外，在相同的發(fā)車間隔情況下，與非FAO線路相比，FAO線路的上線列車數較少，列車周轉時間較短。

2) 縮短列車最小追蹤間隔。列車追蹤間隔是反映城市軌道交通線路運能和服務質量的關鍵指標。早期開通線路的列車最小追蹤間隔往往受信號系統(tǒng)所約束。通過對信號系統(tǒng)進行更新改造，在線路運行交路的折返點采用列車自動折返模式，可優(yōu)化人員操作，節(jié)省設備響應時間，減少列車折返時間，進而縮短列車追蹤間隔，提升線路運力。

2.2.2 故障場景下提高系統(tǒng)可用性

5 min及以上延誤率作為運營可靠度指標，是衡量和評價國內城市軌道交通線路/線網行車服務水平的基本指標。提高系統(tǒng)的可用性可采用提高系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)的修復時間2種方式，而提高系統(tǒng)可靠性的基本方法通常為增加冗余設計。冗余方式又分為同構冗余與異構冗余兩種。為提高系統(tǒng)的可用性，無論采用哪種冗余方式,都需要減少系統(tǒng)故障后的修復時間。對于在擴建延伸線時進行一期工程更新改造的線路，可根據項目特點靈活采用同構冗余或異構冗余的方式。而對于各標段壽命周期不同的改造工程，其信號系統(tǒng)更適合采用異構冗余方式:一方面可提高列車運行控制系統(tǒng)的可靠性，有效減少系統(tǒng)故障后的修復時間,進而確保有效緩解因設備故障對運營造成的影響;另一方面可以最大程度發(fā)揮不同線路區(qū)段的投資效益，在不影響運營的情況下，實現車載信號系統(tǒng)的無擾升級。

2.2.3 支持靈活的運營組織方案

考慮到不同類型城市軌道交通線路的客流強度不同，其客流在時間、空間上的變化規(guī)律也有所不同，因此，更新改造后的信號系統(tǒng)應支持靈活的運營組織方案。改造后的信號系統(tǒng)可對運輸組織模式進行優(yōu)化，既可優(yōu)化列車資源配置，又可通過如多種交路、大站快車、雙向不均衡發(fā)車等方式滿足不均衡客流的運營需求，合理匹配換乘站內不同線路間列車發(fā)車間隔的差異，緩解因換乘客流抵達引起的站臺客流沖擊，減少乘客在站臺的候車時間，減少使用車站限流措施的頻次，提高整個線網的運營效率，實現社會效益和經濟效益最大化。

此外，在遇到軌道故障、牽引斷電、列車故障救援等突發(fā)事件時，改造后的信號系統(tǒng)可通過在局部區(qū)段采用單線雙向、交路調整、越站等靈活的運營調整措施，最大程度地減少運營中斷的線路范圍，滿足列車運行安全、行車調度便捷、客運服務高效的一體化管理要求。

目前,基于傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車控制)的信號系統(tǒng)難以支持靈活的運營調整需求。受制于傳統(tǒng)的聯(lián)鎖技術及與之匹配的運營管理應急預案，CBTC系統(tǒng)恢復正常運營秩序的效率較低，運營調整的靈活性不足。而基于車車通信的城市軌道交通列車自主運行系統(tǒng)對線路資源進行管理，可高效利用線路資源，有效提升線路通過能力，提高列車的出段/庫能力。

3 信號系統(tǒng)技術先進性評價

傳統(tǒng)TBTC(基于軌道電路的列車控制)系統(tǒng)為20世紀90年代的技術，目前該技術已接近或達到生命周期年限，由此導致信號設備故障率持續(xù)上升、信號系統(tǒng)的可用性降低。又因軌道電路的部分零部件采用國外設備，且相應的技術在國外廠家多屬逐步淘汰產品，所以備件采購及維護成本均大幅增加。此外，由于TBTC系統(tǒng)制式包含固定閉塞和準移動閉塞制式，難以有效滿足縮短列車追蹤間隔、提高運營效率的運營要求，也無法滿足城市軌道交通智能化和數字化轉型的需求，該技術已不符合信號系統(tǒng)技術發(fā)展的趨勢。

城市軌道交通行業(yè)在21世紀初引入的CBTC信號系統(tǒng)也接近設備使用壽命，處于損耗失效期。CBTC系統(tǒng)集成的部件眾多，不能確保所有設備部件均滿足整個系統(tǒng)的壽命標準，且各部件供貨商的發(fā)展水平參差不齊，部分部件也因產品升級、技術迭代等原因停產。雖然當前CBTC系統(tǒng)仍是城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流制式，但其自動化程度為GoA2(半自動化列車運行)，難以滿足線路進一步增加運力、提升運營管理效率的要求。

為此，在進行信號系統(tǒng)的更新改造方案比選時，需要對擬采用的信號系統(tǒng)的先進性進行評估。可以通過以下5個維度來評價信號系統(tǒng)的技術先進性：

1) 自動化程度：即向運營人員及司乘人員提供高度智能化、自動化的運營功能。如在突發(fā)超大客流或疫情等情況下，通過自動調整列車運行計劃，從而快速地調整作業(yè)策略，合理、高效地部署車底運用方案。

2) 運營服務水平：即向乘客提供快速平穩(wěn)的列車運行、較低的列車擁擠度、較短的站臺換乘等待時間等優(yōu)質服務。由于城市軌道交通線路客流潮汐現象較為突出，迫切需要信號系統(tǒng)縮短列車追蹤間隔，并具備靈活的列車編組功能，以提高高峰時段的運營服務水平，盡量減少非高峰時段運力過于充足帶來的能耗浪費。

3) 智能化程度：即云計算、大數據、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術與城市軌道交通運營業(yè)務的融合度。信號系統(tǒng)應在新技術的加持下持續(xù)提升城市軌道交通在運輸組織、乘客服務、設備運維、運營管理等方面的智能化水平，打破各個專業(yè)的信息孤島，增強不同專業(yè)間的協(xié)同作業(yè)能力，提升運營指揮的決策力。

4) 可維護性：采用先進的智能化措施為設備運維提供技術支持，盡可能減少設備維護(如智能診斷、故障預測、故障修等)的時間，提高運維效率，實現資源的優(yōu)化配置，建立高效、環(huán)保、資源協(xié)同的設備運維體系。

5) 安全性和可靠度：信號系統(tǒng)作為影響運營的關鍵子系統(tǒng)，除了需要滿足相關規(guī)范和標準所定義的安全功能外，還需通過合理的冗余配置提高系統(tǒng)的安全性和可靠度，減少因信號設備降級運行對運營造成的影響。

4 工程的可實施性

4.1 信號系統(tǒng)升級改造的實施方案

國內外城市軌道交通信號系統(tǒng)的升級改造，通常采用4種方案：①沿用既有的信號系統(tǒng)制式，僅對相關設備進行替換，以提高設備的可靠性；②升級既有信號系統(tǒng)，但系統(tǒng)制式保持不變，僅對信號設備進行更新，以提升部分設備的功能及可靠性；③采用全新的信號系統(tǒng)替代既有信號系統(tǒng)，以提高技術水平，提升信號系統(tǒng)的性能及可靠性；④采用新舊系統(tǒng)兼容方案，以滿足舊系統(tǒng)與新系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡，并通過異構冗余方式提高信號系統(tǒng)的可靠性。

4.2 選擇信號系統(tǒng)升級改造方案應考慮的因素

在國內，對于已經進入信號系統(tǒng)大修改造期的城市軌道交通線路，在選擇和制定信號系統(tǒng)改造方案時,必須綜合考慮線路建設的先決條件和關鍵因素，通過多維度的信號系統(tǒng)評價體系來確定最優(yōu)的更新改造方案，這樣才能保證在項目工程可行性研究階段和實施階段安全、穩(wěn)定、高效地推進信號系統(tǒng)的更新改造工作。

若擬更新改造的城市軌道交通線路無增購列車的需求，則軌旁子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)可設置新舊系統(tǒng)的倒接裝置，用以更新改造過渡階段運營期間和調試期間的快速切換；若擬改造線路有增購列車的需求，并且增購列車若首次上線運營僅配置了既有線舊車載信號系統(tǒng)，則需要考慮在更新改造過渡階段對這些列車實施二次改造，即升級為CBTC系統(tǒng)所需的設備及進行相應的調試，以避免出現增購列車直接配置了CBTC車載信號系統(tǒng)卻無法在改造前上線投運的情況。

在綜合考慮軌旁子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)的倒接風險和調試資源后，建議采用異構冗余的改造方案，構建可兼容新舊信號系統(tǒng)的車載子系統(tǒng)，以滿足既有信號制式和改造后CBTC信號制式的要求，規(guī)避倒接過程的風險，節(jié)省夜間調試的倒接耗時，提高倒接效率。通過該方案，軌旁設備改造和列車改造可同步進行，并解除車載改造和軌旁改造工序之間的制約關系，項目的可實施性強，靈活性大，有利于控制工程進度。

5 結語

隨著城市軌道交通線路運營年限的增加，其信號系統(tǒng)不可避免地會經歷多輪的更新改造。本文基于交運規(guī)[2019]8號的要求，從城市軌道交通設施設備運行維護管理、運營需求、系統(tǒng)更新改造是否符合信號系統(tǒng)技術發(fā)展方向、工程可實施性等4個角度分析了影響城市軌道交通信號系統(tǒng)改造方案評價的相關因素，結合《“十四五”交通領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出的智慧、安全、綠色的核心目標，分析了既有線路信號系統(tǒng)升級改造方案的關鍵因素。此外，信號系統(tǒng)更新改造還需要綜合考慮改造前后的經濟效益和社會效益、運營維護難度及運營安全性，建立與之相匹配的信號系統(tǒng)更新改造的評估體系和相關標準，為后續(xù)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎。