城市轨道交通信号系统分段式改造方案.pdf

80U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT城市轨道交通信号系统分段式改造方案李 洁，辛 鑫（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）摘要：城市轨道交通部分线路的信号系统服役接近 15 年，信号系统改造迫在眉睫。传统的改造方案施工难度大、施工周期长、涉及设备多。提出一种分段式的改造方案，可降低成本提升效率，尽早解决既有车载设备故障率高给运营带来的影响。关键词：城市轨道交通；信号系统；分段式改造；自主感知中图分类号：U231+.7 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)10-0080-06Phased Retrofi tting Scheme for Signaling System for Urban Rail TransitLi Jie,Xin Xin(Beijing Subway Operation Co.,Ltd.,Beijing 100044,China)Abstract:As the urban rail transit signaling systems of some subway lines have been in service for nearly 15 years,there is an urgent need to retrofi t such signaling systems.The traditional retrofi tting solution has such problems as huge construction diffi culties,long construction period,large amount of involved equipment.Thanks to technical development,it is possible to reduce the retrofi tting costs of signaling systems.The paper provides a phased retrofi tting solution,which can not only reduce the costs and increase the effi ciency,but also eliminate as soon as the negative impacts of the failure rate of existing onboard equipment on subway operation.Keywords:urban rail transit;signaling system;stage-based retrofi tting;autonomous perceptionDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.10.015收稿日期：2023-06-13；修回日期：2023-09-27基 金 项 目：北 京 市 地 铁 运 营 有 限 公 司 科 研 项 目（2022000581015001）第一作者：李洁（1985），女，高级工程师，硕士，主要研究方向：城市轨道交通信号系统，邮箱：。截至 2022 年底，国内（大陆地区）共有 55 个城市开通城市轨道交通运营线路 308 条，运营线路总长度 10 287.45 km。城市轨道交通已经成为国内大中型城市缓解城市拥堵、满足市民出行需求的重要手段。信号系统是城市轨道交通的“大脑和中枢神经”，基于通信的列车控制（Communication-Based Train Control，CBTC）是信号系统的主流制式。自 2008 年北京地铁 10 号线首次采用 CBTC技术并成功开通运营，经过十几年的发展，CBTC技术在国内各个城市得到广泛应用。根据城市轨道交通设施设备运行维护管理办法，信号系统的整体使用寿命一般不超过 20 年。目前，北京、上海等地的部分 CBTC 系统已逐步接近 15 年使用期限，为确保其在 20 年的服役年限截止前完成改造，应尽快开展城市轨道交通信号系统的改造工作。既有的信号系统改造方案存在时间长、成本高、铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年10月，第20卷第10期81城轨交通URBAN RAIL TRANSIT施工难度大的问题。伴随着信号系统的发展，新的信号制式陆续出现，亟需提出一种能够提升效率新的信号改造方案。本文对信号系统的既有改造方案和模式进行了系统分析，结合信号系统的发展趋势和技术现状，提出了一种分段式改造方案，能够有效提高信号系统改造的效率，降低成本。1信号系统改造方案研究现状信号系统的升级改造要遵循不影响运营、成本可控、高效可靠的基本原则。目前，国内部分线路已经完成信号系统的改造，主要有以下两种方式。1）主/备冗余式以 CBTC 系统为主用模式，另一制式信号系统为备用模式。当 CBTC 系统故障时，备用模式启动。主用系统和备用系统采用不同的模式，从而降低共因失效的概率，提升信号系统的可靠性和可用性。上海地铁 2 号线以既有基于轨道电路的列车控制（Track Circuit-Based Train Control，TBTC）系统为备用模式，以新建 CBTC 系统为主用模式。正常情况下 CBTC 模式为主用模式，当 CBTC 设备发生故障时切换到 TBTC 模式运行。主/备冗余式改造方案对运营秩序的影响较小，既有设备利用率高，且能够分阶段改造。但改造后设备数量大大增加，提高了维护难度和维护成本。2）一次性整体切换式在既有信号系统运营期间新建一套完全独立的信号系统，新信号系统在安装、调试过程中均不能影响既有系统的正常工作，待新系统全部调试完成后一次性开通运营，最后拆除既有信号系统。北京地铁 1/2 号线、八通线以及天津地铁 1 号线均是在TBTC 系统运营期间，新建 CBTC 系统并在建设完成后整体替代原系统。一次性整体切换式能够解决既有信号厂家设备老化、支持力度不足、备品备件停产等问题。由于地面设备较多施工复杂，且只能利用夜间 3 4 h的天窗点进行施工，时间极其有限，车载和地面设备无法独立使用等原因，该方案实施难度大，总体工期长。同时，一次性整体切换式改造对既有设备的利用率低，难以达到降本增效的目标。由于 CBTC 技术成熟、安全高效且性能稳定，目前国内的信号系统改造大多采用“整体改造，一次倒切”的方式新建一套 CBTC 系统整体替代既有系统。传统 CBTC 系统轨旁设备多，实施难度大，见效慢，如北京地铁 2 号线整体改造用了 3 年时间，极大提升了改造成本。随着各大中城市的城轨信号系统陆续进入改造阶段，加之信号系统技术也进入了新时代，亟需寻求一种施工难度小、见效快、成本低且性能优的信号系统改造方式，以提升社会效益和经济效益。2列车自主运行系统列 车 自 主 运 行 系 统（Train Autonomous Control System，TACS）伴随着通信技术、计算机技术、传感技术和控制技术的发展日趋成熟，已成为城市轨道交通信号系统的发展方向。TACS 能够通过车-车通信和自主感知实现列车自主安全运行，具有结构扁平化、轨旁设备数量少和运行效率高等特征，与传统的 CBTC 系统架构和运行原理有较大区别。TACS 核心功能从地面转移到车载，地面设备相对较少。车载设备自主计算列车移动授权，室内设备不再配置区域控制器（ZC）和联锁设备，而是配置资源管理器（RC），真正实现以列车为主体配置资源。如图 1 所示，TACS 主要由列车车载设备、RC、中心 ATS 等设备组成。中心列车自动监控系统 ATS 向车载下发行车计划；车载根据行车计划和前车位置等信息向 RC 申请线路资源，并自主计算移动授权，实现列车自主运行，当列车行驶过后向RC 释放线路资源；RC 负责登记列车信息并管理线路资源。车载设备包含自主感知设备和信号设备，其中，自主感知设备通过相机、激光雷达、毫米波雷达等技术融合，实现列车测速定位、识别信号机状态、识别障碍物类型（如车辆、人、纸箱等）及No.10李洁，辛鑫：城市轨道交通信号系统分段式改造方案82U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT计算可视距离等功能，为列车兼容不同的地面信号系统提供技术支持。图TACS架构示意Fig.1 Typical architecture of TACSATS资源管理器RC行车计划运行状态位置、状态状态、资源申请设备状态MA状态状态紧急停车站台门道岔轨旁设备控制控制中心车站车载/轨旁基 于 自 主 感 知 和 车-车 通 信 的 TACS 即Autonomous Perception Based，TACS，简称A-TACS。当列车降级后，A-TACS 车载设备能够通过自主感知技术识别信号机状态，控制列车按照进路自主运行。与 CBTC 系统相比，A-TACS 改变降级模式的信息获取方式，使列车在降级模式下与地面信号系统的关联度大大降低。根据这一特征，A-TACS 替代 CBTC 时，可改变一次性整体切换模式所面临的问题，分段式改造则成为可能。3信号系统分段式改造方案本文提出一种 A-TACS 替换 CBTC 的分段式改造方案，分为车载设备改造和地面设备改造两个阶段。待改造线路由于服役时间长、设备老化导致的故障时有发生，尤其车载设备故障频发，采用车载设备先行改造的方式，完成改造的列车即可使用新设备上线运营。随着装载新设备的列车上线数量的增加，逐步降低既有车载设备故障给运营带来的严重影响，提升信号系统的可靠性。同时，车辆改造相比于整体改造完成时间明显缩短，全部车辆改造完成后将彻底解决车载设备故障问题，成效显著，大大提升改造效率，进一步有利于提升社会效益。相比于传统 CBTC 系统，A-TACS 的地面设备数量少、功能简单，可以减少地面设备用房限制，缩短地面施工调试时间，降低施工成本。考虑到地面改造施工主要占用夜间天窗点开展工作，一般仅有3 4 h，在同等条件下，由于 A-TACS 地面设备少于 CBTC 系统，改造工期将缩短 1/3。可见，采用 A-TACS 分段式改造既能提升改造效率，也能降低改造成本。改造方案如下。1）车载设备改造阶段列车加装 A-TACS 车载设备，新车载设备和既有车载设备独立运行，可通过倒切开关进行切换。新车载设备能兼容既有地面设备，通过自主感知技术识别信号机状态，按照进路闭塞的降级模式行驶。车载设备的改造安装时间不需要依赖“天窗”，可在场段分批次进行。以全线配置 50 列车为例，场段每月完成改造 4 5 列车，经调试后分批次上线运营，全部列车改造在 1 年半内时间即可完成。2）地面设备改造阶段A-TACS 地面设备改造与车载设备改造分段进行，亦可同时进行分阶段完成。RC 和既有联锁设备加装倒切设备，夜间调试切换到改造设备，白天运营恢复为既有设备。本阶段是对列车自主运行系统的全功能验证，完成后拆除既有信号系统设备，最终完成改造。相比于传统的整体改造方案，A-TACS 分阶段改造方案能够分期见效，只需列车车载设备完成改铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年10月83城轨交通URBAN RAIL TRANSIT造即可分批次上线运营。改造后的列车能够兼容既有地面信号设备，在降级模式下自主运行。既有地面设备识别到改造后列车为非通信车，为其排列后备进路，此时车载设备依靠自主感知技术识别信号机状态和前方障碍物，并自主计算移动授权，确保列车安全运行。当只有部分列车完成改造时，线路上同时存在装载新设备的列车和既有设备的列车，既有设备列车依然能够按照 CBTC 模式运行，新设备列车则按照降级模式运行，新旧两种车载列车混跑运行。由于分段式改造方案在系统全部改造完成前无法建立车-车、车-地无线通信，所以改造后的列车使用新设备上线运行时，只能采用降级模式，按照进路闭塞行车，因此会加大行车间隔，损失一部分运力。当运营线路本身的行车密度较低时，改造期间造成的运力损失相对较小；反之，则相对较大。因此，A-TACS 分阶段改造方案更适合客流量适中或较小的线路。对于本身客流量较高的线路，亦可使改造后的车载设备作为既有车载设备的后备系统，当既有车载故障后切换到新车载设备，使列车能够继续运行，避免设备故障导致列车下线给运营带来的不利影响。4分段式改造方案验证北京地铁 15 号线首开段 2010 年底开通，至今已运营 10 多年，接近改造周期。15 号线信号系统正在进行分段式改造方案的车载改造验证，试验已于2022 年 4 月开始实施，预计 2023 年底完成验证。选取俸伯到石门的三站两区间作为分段式改造试验段，以两列车作为试验车，加装 A-TACS 车载设备。15 号线的最小运营间隔为 3 min 19 s，客运能力与客流需求不匹配是当前线路的主要问题。为此，在第一阶段的 A-TACS 降级模式改造中，除车载改造以外，还需要在线路增加区间信号机，从而缩短进路闭塞间隔，达到降级模式下 2 min 30 s 的列车运行间隔。线路布置如图 2 所示，其中区间信号机 XQ1、XQ2、SQ1 和 SQ2 为新增信号机。同时，加装室内设备 RC 对新增信号机进行驱采控制，并通过倒切装置实现对既有轨旁设备的驱采控制。图北京号线试验段线路Fig.2 Layout of test section of Beijing Subway Line 15石门站顺义站俸伯站XCXCXCXQXQSCSCSCSQSQ4.1车载设备改造如图 3 所示，两列试验列车上加装自主感知设备和车载信号设备。自主感知设备包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达和感知主机；车载信号设备包括车载 ATP、BTM 主机、MMI 显示屏、应答器天线和测速设备等。图新增车载设备结构示意Fig.3 New on-board equipment速度传感器速度传感器MMI显示器司机驾驶台车辆接口车载控制器ATP逻辑处理单元加速度计组地面定位设备摄像头激光雷达毫米波雷达感知主机BTM主机应答器天线新增车载信号设备、既有车载信号设备对车辆的控车指令输出保持独立，可通过切除开/关进行切换，如图 4 所示。运营期间新增车载设备处于断电切除状态，试验调试期间既有设备处于断电切除状态，彼此无干扰。新增车载信号设备同步持续采集车辆信息，信息采集不会影响既有车载设备工作，如图 5 所示。4.2地面设备改造如前所述，为提升北京地铁 15 号线后备模式下的运行能力，在试验段加装信号机。在俸伯站信号设备室安装 RC 设备，并设置倒切柜实现 RC 和No.10李洁，辛鑫：城市轨道交通信号系统分段式改造方案84U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT图新旧车载设备对车辆指令输出示意Fig.4 Command output to the train by thenew and old on-board equipment既有车载设备控制切除控制切除新增车载设备车辆电路控车指令输出控车指令输出图新旧车载设备采集车辆信息示意Fig.5 Information acquisition fromthe train by the new and old on-board equipment既有车载设备紧急制动状态牵引禁止状态车门状态钥匙激活状态新增车载设备持续采集持续采集既有联锁对轨旁信号机、道岔的控制切换。另外还安装了 ATS 设备、DCS 设备、电源屏等。室内设备结构如图 6 所示。对于其他室外设备，RC 同步采集既有继电器的空余接点，减少配线改动以降低对既有设备的影响。4.3改造试验目标目前北京地铁 15 号线的改造试验正在按照上述方案开展进行。本试验目的在于验证分段式改造方案的可行性，确保分段式改造中后备运行模式的可用性，为 A-TACS 的分段式改造的实际应用奠定基础。5结论A-TACS 分段式改造方案采用先改车载设备，确保新车载设备改造完成后能够上线运营，后改地面设备，实现车-车通信全部功能，最终完成新信号系统整体替代的方式。对比传统的主/备冗余式和一次性整体切换式改造，不仅精简了新系统的设备数量，降低改造难度，还实现了分期见效，在第一阶段改造后能够全面提升车载设备的可靠性，缩短改造见效周期，提高改造效率。但由于整体改造完成前新车载设备只能在降级模式下按照进路行车，可能会加大行车间隔，降低行车效率。本文以北京地铁 15 号线改造试验为例，介绍第一阶段后备运行模式的改造方案，为即将进入改造周期的城轨线路提供合理可行的参考依据。参考文献1 王二中，李新.两种城市轨道交通既有线信号系统改造方案对比分析 J.城市轨道交通研究，2022，25（5）：66-68.Wang Erzhong,Li Xin.Comparison and Analysis of Two Types of Reconstruction Schemes of Urban Rail Transit Existing Line Signaling SystemJ.Urban Mass Transit,2022,25(5):66-68.2 朱莉.城市轨道交通信号系统改造方案研究 J.城市轨道交通研究，2021，24（4）118-121.Zhu Li.Retrofit Solution Research of Urban Rail Transit Signaling SystemJ.Urban Mass Transit,2021,24(4):118-121.3 王喜军，杨立新，武少峰.城市轨道交通信号系统升级改造项目方案研究 J.铁道通信信号，2021，57（11）：77-81.Wang Xijun,Yang Lixin,Wu Shaofeng.Study on Upgrading and Transformation Scheme of Signal System in Urban Rail TransitJ.Railway Signalling&Communication,2021,57(11):77-81.图室内设备结构Fig.6 Architecture of indoor equipment电源屏倒切柜新增信号机RCATS既有联锁组合柜防雷分线柜轨旁设备新增设备既有设备图例：铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年10月85城轨交通URBAN RAIL TRANSIT4 杜建新，左旭涛.列车自主运行系统在城市轨道交通网络化建设和运营中的适用性分析 J.城市轨道交通研究，2020，23（10）：199-201.Du Jianxin,Zuo Xutao.Applicability Analysis of Train Autonomous Circumambulate System in Urban Rail Transit Network Construction and OperationJ.Urban Mass Transit,2020,23(10):199-201.5 郭玉珊，成正波，陈绍文.基于车车通信系统的折返能力研究 J.铁路通信信号工程技术，2021，18（7）：77-80.Guo Yushan,Cheng Zhengbo,Chen Shaowen.Study on Turn-back Capacity Based on TACSJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2021,18(7):77-80.6 吴昊.城市轨道交通列车自主感知系统及关键技术研究 J.城市轨道交通研究，2022，25（6）：230-233.Wu Hao.Research on Urban Rail Transit Train Autonomous Perception System and Key TechnologiesJ.Urban Mass Transit,2022,25(6):230-233.7 戴翌清.城市轨道交通信号系统更新改造需求分析 J.城市轨道交通研究，2022，25（11）：14-17，22.Dai Yiqing.Demand Analysis of Urban Rail Transit Signal System RenovationJ.Urban Mass Transit,2022,25(11):14-17,22.8 刘媛维.城市轨道交通既有信号系统改造项目的风险管理 J.铁路通信信号工程技术，2022，19（7）：92-95.Liu Yuanwei.Risk Management of Reconstruction Projects of Existing Signal Systems for Urban Rail TransitJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2022,19(7):92-95.（上接 74页）Chen Guanghua.Smart Service Strategy for MetroStation Service Center in the Internet EraJ.Urban Mass Transit,2020,23(8):6-10.7 张森，于敏.基于“互联网+”的城市轨道交通乘客智能服务模式探讨 J.都市快轨交通，2021，34（3）：146-152.Zhang Sen,Yu Min.Passenger Service Mode of City Rail Transit Based on Internet PlusJ.Urban Rapid Rail Transit,2021,34(3):146-152.8 王敬一.基于大数据分析的智能客服系统研究与设计 J.计算机产品与流通，2018（2）：145.9 张正普，王晓冬，郭奕聪.铁路企业智能问询平台关键技术研究 J.铁路计算机应用，2022，31（3）：68-72.Zhang Zhengpu,Wang Xiaodong,Guo Yicong.Key Technologies of Intelligent Inquiry Platform for Railway EnterprisesJ.Railway Computer Application,2022,31(3):68-72.10 陆烨.大数据背景下的人工智能客服系统研究 J.城市建设理论研究(电子版)，2019（16）：65.Lu Ye.Research on Artificial Intelligence Customer Service System under the Background of Big DataJ.Theoretical Research in Urban Construction,2019(16):65.*No.10李洁，辛鑫：城市轨道交通信号系统分段式改造方案