上海轨道交通3号线信号系统改造方案研究

张舟洋

上海市轨道交通3号线（又称“明珠线”）是上海首条高架轨道交通线路。该线具有线路里程长、换乘站线多、客流量线网大、行车间隔小、运营效率高等特点。作为上海轨道交通网络中的骨干线路，在上海客流运输中扮演着极其重要的角色。

随着使用年限的不断增长，受系统性能、故障率、设备供应等因素影响，该线既有信号系统已无法满足客流增长的需要，提升线路的运能迫在眉睫。

1 改造方案描述

伴随着3C技术（通信技术、计算机技术和控制技术）的不断发展，城市轨道交通信号系统已由人工控制、继电控制进入到计算机和网络化控制时代［1］。基于上海3号线本身的特点，信号系统改造可采用的制式主要有：基于轨道电路的列车控制系统（TBTC）［2］、基于车地通信的列车控制系统（CBTC）［3-4］和基于车车通信的列车自主控制系统（TACS）［5-7］。

1.1 采用TBTC方案

该方案沿用既有信号系统制式，即基于数字轨道电路的准移动闭塞信号系统，采用VPI2计算机联锁，数字型轨道电路传输地车数据，信标传输车地数据。轨旁设备由SDTC数字轨道电路、部分道岔区段设置传输环线、有源信标、无源信标、信号机和电动转辙机等构成。

新设置的信号系统设备架构与既有的设备架构保持一致，仅可解决由于老化引起设备故障影响运营的问题，无法有效解决既有系统技术服务不到位、备品备件难以采购、建设标准不统一等问题。采用既有TBTC方案后，信号系统的可靠性和可用性仅能恢复至原设计要求，与目前3号线在上海轨道交通线网中的重要地位不匹配。

1.2 采用CBTC方案

该方案需全线新设一整套CBTC系统信号设备，新设置的信号系统设备架构见图1。

CBTC系统由ATP/ATO子统、联锁子系统、ATS子系统、DCS子系统和维护支持子系统等构成，并以计轴作为列车次级检测设备，实现系统的降级功能。CBTC系统设备按地域可划分为控制中心、车辆基地、车站及轨旁、车载等设备。其中控制中心设备主要有ATS中心应用服务器（CATS）、维护支持服务器（MSS）等；车辆基地设备主要有ATS本地应用服务器（LATS）及ATS工作站（ATS-WS）、区域控制器（ZC）、MSS、联锁设备（CI）、室外设备等；车站及轨旁设备主要有计轴设备（AC）、应答器（RB）、转辙机（SW）、紧急关闭按钮（ESB）、综合后备盘（IBP）、发车表示器（DTI）、ATS服务器及其工作站、CI、ZC、线路控制器（LC）、车地无线通信设备（LTE）等；车载设备主要有车载控制器（CC）、输入输出设备（I/O）等。

图1 CBTC系统主要设备架构

CBTC系统是目前城市轨道交通信号系统应用较多的信号制式，技术成熟度很高，具有相对丰富的工程实施案例，可实施性强，且符合信号技术发展方向，可以解决既有信号系统技术水平低、RAM指标低、备品备件提供困难等问题。

但由于CBTC系统室内设备较多，接口也多，而3号线有91列车需进行车载改造，数量较大，故在过渡期间，轨旁设备和车载设备均存在倒接工作量大、灵活性不足、调试周期长等问题，采用该方案存在一定的风险。

1.3 采用TACS方案

采用该方案也需全线新设一整套TACS系统信号设备，TACS系统设备架构见图2。

TACS系 统 由ATP/ATO子 系 统、ATS子 系统、DCS子系统和维护支持子系统等构成，由于TACS系统不是依赖进路和区段占用来控制列车运行，而是由车载直接申请轨旁资源，实现资源占用与释放，因此不需要配置计轴设备和计算机联锁系统。TACS系统设备按地域可划分为控制中心、车辆基地、车站及轨旁设备、车载设备等。其中控制中心设备主要有ATS中心应用服务器（CATS）、维护支持服务器（MSS）等；车辆基地设备主要有ATS本地应用服务器（LATS）、轨旁资源管理器（WSIC）、MSS、电子输入输出单元（ECID）、室外设备等；车站及轨旁设备主要有信号机、转辙机、紧急关闭按钮（ESB）、信标、综合后备盘（IBP）、WSIC、轨旁列车管理器（WSTC）、ECID、车地无线通信设备（LTE）等；车载设备主要有车载控制器（CC）、输入输出设备（I/O）等。

图2 TACS系统主要设备架构

TACS系统是以车车通信为基础，将列车控制与车载网络、牵引、制动等系统进行深度融合，优化列车控制逻辑、降低列车控制复杂度，形成以列车为主体、车载控制平台为核心的新型列车控制系统，实现列车主动进路、自主防护、自主调整为特征的列车自主运行系统，弱化了系统对中心的依赖。

相较于传统的CBTC系统，TACS系统轨旁设备更精简，架构更加扁平，核心设备高度集成，使得在工程实施过程中室内倒接工作量大为减少，倒接风险降低，项目可实施性更强，灵活性更大，符合改造实施对日常运营的影响最小的原则，对于压缩整体工期也十分有利。TACS系统不但具有更优的区间通过能力、更佳的列车运行控制，还具有易部署、易扩展升级、易维护的优势，可提供灵活多样的行车组织模式，有助于应对各种故障和突发情况。

2 可行性分析

2.1 TACS技术发展现状

随着有关TACS技术的研发被列入国家产业结构调整目录鼓励类清单，近几年各单位对TACS技术的研发开始取得不错的效果。

2019年初，卡斯柯信号有限公司“基于车车通信的列车自主运行系统（TACS）上海3/4号线验证项目”正式启动，并于2020年6月28日通过该项目的无人驾驶测试验证专家评审。现场实测了卡斯柯车车通信TACS系统在实际线路上，多车UTO模式运行状态下的多个关键功能和性能指标，所有验证指标均达到预期目标。

2020年9月12日，青岛地铁集团有限公司组织召开“青岛地铁列车自主运行系统（TACS）示范工程项目工程应用前专家评审会”。TACS测试结果符合设计要求，初步达到示范工程申报目标，标志着TACS已拿到工程“通行证”。2020年12月31日，该示范项目已顺利通过互联互通试验线测试。至此，青岛TACS所有地面和试验线试验测试工作全部完成，所有测试结果全部符合设计要求。

深圳地铁20号线已采用TACS系统作为信号系统，正在建设当中，预计2021年年底开通运营。

截至目前，TACS系统已在国内多个试验项目和实施项目中得到验证。上海3号线信号系统的改造预计工期约5年，TACS系统将得到进一步的发展，技术也更加成熟，应能符合3号线信号系统改造需求。

2.2 上海3号线改造系统能力分析

根据客流预测，上海3号线全线现阶段及初、近、远期的开行需求对数见表1。

针对上海3号线，分别对采用TBTC系统、CBTC系统和TACS系统3个改造方案进行同参数系统仿真，3种信号制式系统能力见表2。

结合客流预测和仿真计算可知，采用TBTC系统进行改造已无法满足3号线现状客流需求（宝山路站-虹桥路站下行27对/h）；采用CBTC系统不能满足远期预测客流需求（宝山路站-虹桥路站下行36对/h）；采用TACS系统能满足初、近、远期预测客流需求，且保有运能储备量。

表1 上海3号线全线现阶段及设计年限的开行需求对数

表2 3种信号制式系统能力

上海3号线信号系统的改造升级应着眼于未来长期的运营及维护需求，保证长期持续提供高水平的运营服务质量。TACS系统是轨道交通信号系统中技术较为先进的系统制式，是下一代列控系统技术的发展方向，完全符合3号线的信号系统改造需求。

3 结论

综合分析，TACS系统能够解决上海3号线既有信号系统的缺陷，同时可提升3号线信号系统性能，实现长期为市民的便利出行提供高水平的运营服务质量。因此，上海轨道交通3号线信号系统的升级改造建议采用TACS系统方案。与此同时，持续关注TACS系统的技术发展和国内、外运行业绩，为3号线未来功能的拓展、服务水平的提升，预留更多的发展空间。