一种基于运营线路的信号系统车载设备优化改造方案

中国城市轨道交通从 20 世纪 60 年代开始在北京、上海、广州等城市开始建设，到目前已经在 43个城市运营、建设或规划地铁线路，中国城市轨道交通已经进入了地铁建设的蓬勃发展时期。虽然目前大部分线路是新建线路，但是前期建设的线路，例如北京 1、2 号线，上海 1 号线早已进入大修周期，并进行了相关系统改造工作。部分线路尚未达到大修年限，但是由于系统故障率较高，无法继续提供备品备件等因素，也需要进行改造，例如北京 5 号线。运营线路的改造会对正常运营造成影响，例如运营日常维护工作、可投入运营列车数量、可用驾驶模式等等。为了解决运营线路改造过程中对正常运营的影响，寻找一个更加合理优化的车辆改造方案将是一个有效的办法。

根据不同的线路现状及改造目标，有以下几种信号系统车载设备改造方案：

1）改造后系统与旧系统制式相同，例如 CBTC 系统改造为 CBTC 系统；由于信号系统技术发展快速，这种改造项目较少，一般用于国产化系统替换国外系统时使用，例如北京 8 号线信号系统改造；车辆采用新系统整体替代旧系统方案。

2）改造后系统高于旧系统，例如固定闭塞或准移动闭塞改造为 CBTC 系统；目前国内需要改造的线路大部分都属于这种情况；例如北京 1、2 号线；上海 1、2 号线

针对这种情况，一般会采用以下两种车载设备改造方案

同时安装两套设备方案；

单套设备兼容方案

1 方案一分析：

在列车上同时同时安装两套车载设备，日常运营时使用既有系统，在调试期间使用新系统。等新的系统调试完成后，拆除或关闭旧系统，只保留、使用新系统。

1.1 优势

1）产品成熟，且有应用业绩

目前 CBTC 技术发展成熟，且经过大量线路实验验证，在可靠性、安全行等方面有保证。国内涌现出一大批具有自主知识产权的信号系统厂商，相关产品都已获得独立第三方安全认证；其中优秀的厂商承建了很多地铁项目，具有丰富的产品使用、验证实际经验。

2）产品修改周期短，改造费用低

在车辆改造时使用成熟的产品及系统可以规避一些风险，减少对产品的修改及测试验证工作，缩短产品修改、测试周期，可以降低产品改造费用。

1.2 劣势

1）占用空间大，车辆改造复杂

在车上同时安装两套车载设备，对车辆空间需求大。由于车辆制造时未预留改造空间，新设备的安装可能会占用客室空间，对正常运营造成影响；新旧系统的列车测速定位设备位置可能冲突、车辆IO 接口节点存在复用情况、TMCS 系统需要同时与两个系统接口，车辆的改造难度大，工作量大。

2）新旧系统切换复杂

由于车上同时有两套系统，在运营期间需要采用可靠安全的措施进行隔离，确保新系统不会对旧系统造成影响；在停运调试期间，需要确保新系统正常工作，这涉及复杂的系统切换方案。

3）旧系统拆除影响大

当新系统完成调试验证，投入正式运营后，对旧系统还需要进行拆除；旧系统拆除时，还需要对车辆进行回厂作业或在检修库进行相关拆除作业，拆除后还需要对车辆进行重新调试验证，工作量大，且对正常运营造成影响。

2 方案二分析

在列车上安装新的车载设备，单套设备可以实现 CBTC 功能，也可以兼容改造前的固定闭塞或准移动闭塞系统。当地面系统完成新系统改造及调试后，可以无缝切换到新系统运行，对运营影响较小。

2.1 优势

1）列车改造一次到位，不需要二次改造；

采用兼容方案时，车辆改造时直接拆除旧系统，安装新系统；只需要一次改造，不需要二次拆除旧设备； 一次性完成新系统的安装及调试工作，避免了后续二次改造对运营的影响。

2）占用空间少，车辆改造方案简单；

由于只存在一套设备，不需要进行新旧系统隔离，避免了测速测距设备、无线天线等设备安装位置冲突或车辆 IO 接点复用等情况，减少了在新旧系统之间进行切换的操作，对系统调试及运营提供了便利。

2.2 劣势

1）定制化产品，系统需要定制开发；

目前各厂商的 CBTC 系统都无法直接兼容固定闭塞或准移动闭塞，为了实现兼容功能，信号系统需要进行定制化开发，需要充分调研既有系统，实现软硬接口协议的确认；修改后的系统需要进行产品安全认证。

2）既有系统兼容性需要验证；

为了验证对既有系统的兼容性，需要在实验室及现场进行充分的验证测试，包括正常及异常状态，对测试用例及大纲进行充分验证。

3）前期测试时间长。

在完成实验室测试后，还需要在现场进行动车测试，为了避免对运营的影响，需要在停运后才能进行动车测试，每次测试时间短，测试用力多，会占用更多的现场测试时间。

3 关键技术及方案

3.1 系统化设计

针对运营线路的改造需要进行系统化设计，兼顾功能实现及降低对运营及乘客的影响；在保证线路正常运营的前提下，优化改造方案，例如：采用合缆方案，减少区间线缆施工的时间；车辆改造方案必须满足正常运营需求，应减少车辆改造难度，缩短车辆改造周期。

完善的改造方案需要以兼顾安全、效率、保证正常运营为前提，信号系统改造需要考虑其他系统的影响，例如固定闭塞改为 CBTC 系统时，车地无线频率的选择；目前主流车地无线通信制式为 LTE-M、使用 1.8G，既有线路中这一频段主要用于 PIS 系统使用，在进行系统改造时，需要兼顾 PIS 系统频段改造工作。

3.2 兼容系统研发

理论证明采用兼容系统方案对既有线运营的影响最小，但是开发一套可以兼容既有系统的软件及硬件需要进行大量的开发和测试。目前国内既有系统包括准移动闭塞制式（主要采用基于轨道电路发码制式）、移动闭塞制式（主要采用基于无线通信制式），兼容系统需要灵活的适配不同的既有系统，需要实现核心车载设备模块化可配置化技术。

例如：硬件配置不同的天线及主机，用于读取不同的应答器报文信息、轨道电路信息；同时配置无线通信设备用于支持 CBTC 模式；软件及数据中采用可配置技术，根据不同项目的实际情况，进行兼容模式的选配，实现不通过系统的软件及数据兼容。

开发一套基于场景的同一硬件多种软件的自动切换技术，系统将根据不同的场景进行自动切换实现兼容功能。

基于特征点分析的场景匹配模型算法，将实现准移动闭塞和移动闭塞两种信号制式的兼容。

3.3 安全保障措施分析及研究

对于兼容系统的改造，需要考虑两套系统固有的风险及调试、运营过程中所有的场景，并进行针对性安全分析，构建一套覆盖全生命周期的风险模型，并进行分析、识别及控制。

通过风险评估矩阵对新老混跑组合场景进行危险源识别分析及协同安全控制。建立跨信号制式的危险源档案库和安全需求列表，采用 HAZOP 方法和 FMECA 方法结合，识别准移动闭塞与移动闭塞系统安全边界。

创建跨信号制式的兼容系统全生命周期 RAMS 保障技术，对改造过程所有运营场景进行识别，在总体阶段将 RAMS 指标与涉及方案进行适配，保障系统的整体 RAMS 水平。

针对兼容系统的安全分析要在常规 CBTC 系统安全分析的基础上，结合调试、运营中的特殊需求及场景进行全面且有针对性的补充，从系统的角度确保安全。

3.4 人员培训

兼容系统会在硬件组成、人机界面显示、操作等方面与既有系统存在很大的不同，需要对司机、调度人员进行专门的岗前培训，让相关人员熟悉并掌握新的系统。

为了应对系统在改造过程中突发故障，需要结合系统特点提前制定故障处置应急办法，并利用培训设备对调度人员、乘务人员、站务人员进行培训，演练，满足要求后才能上岗工作。同时利用调试期间与调试工作结合，进行故障场景应急演练，达到实战效果。

4 总结

探索一套可以适用于运营线路的信号系统的优化改造方案，将会对改造项目的成本、周期、安全性等方面有很大的帮助。目前基于目前国内自主化系统越来越多，掌握自主核心设备的能力越强，同时随着城市轨道交通互联互通标准的实施以及实际项目的开通运营，都会给既有线改造提供更多更好的选择，也是实现兼容系统改造方案的基础。