强约束下的津滨轻轨信号系统更新改造优化设计

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第6期

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张小磊1, 2，吴晶晶1，刘帅1，吴秋颜2，郭博迪1

我国城轨交通经过多年发展，多条线路陆续进入设备更新周期，信号系统作为指挥列车运行的核心控制系统，已然步入到期(限)更新改造以及功能提升改造的高峰期[1]，如何高质量地开展信号系统提质改造，成为当前的研究热点。目前，很多学者对此进行了研究，吴杰[2]从提升车地通信质量、线路折返能力和线路自动化程度3方面提出了既有线基于通信的列车控制(communicationbasedtraincontrol，CBTC)系统大修改造更新技术方案；储海平等[3]阐述了信号机、计轴设备、道岔转辙机及通信网络设备的倒接方案；孙磊[4]详细介绍了上海轨道交通2号线信号改造的具体实施方案，包括技术、信号倒接和大修后CBTC的开通方案；罗运真等[5]结合既有车载设备情况及国内主流型号车载设备冗余配置方式，确定深圳地铁3号线信号系统车载设备改造方案。以上研究多聚焦具体的设备改造、过渡倒切设计和实施方案，较少分析既有线固有的外部强约束条件与信号改造设计间的冲突，并提出具体优化措施以适应约束并消除冲突。本文以津滨轻轨9号线信号系统改造为例，研究适应强约束下的城轨交通信号系统更新改造优化设计，在站前交替折返设计、列检库内近距离停车、机房设备配置等方面进行了创新，以期在约束中找到最优解决方案。

1约束分析

强约束指必须严格满足的约束条件，通常为不可违反的硬性限制，工程设计中多通过创新设计、技术改进等方法实现有效优化，以期在满足约束的前提下达成项目目标。津滨轻轨9号线开通运营超过20年，目前已将进口准移动闭塞系统信号设备全线替换为国产化CBTC信号系统。同时为进一步提高自动化水平，降低运营人员劳动强度，CBTC信号系统正在进一步升级，新增列车自动出入车辆段、休眠唤醒等全自动运行(fullyautomaticoperation，FAO)功能。9号线建设之时，尚处于国内轨道交通行业发展的前期，在折返站型设计、停车库线长度、机房面积等方面，未对远期CBTC/FAO改造升级所需的线路、站场等资源做充分预留，常规改造难以满足日益增长的运营需求。这些强约束(终点站站前折返限制、列检库长度过短、机房面积紧张)与改造设计目标间形成了冲突，需在信号系统设计层面做出相应改进和技术创新。

1.1站前折返约束

天津站为线路西段终端折返站，配置站前交叉渡线，东海路为线路东段终端折返站，采用站后双存车线折返配置，所有渡线道岔均按双动设计。站前折返时，前车出站过程中需完全出清渡线道岔区段后，后车才能征用道岔资源并建立进站进路，而站后折返时，前车折返作业不影响后车正常进站，故站前折返间隔远大于站后折返，天津站站前折返能力决定了整个线路的最小运营间隔[6]。图1为天津站典型的信号设备布置，JZ1、JZ4为站台区段兼1#和4#道岔岔前计轴磁头，JZ2、JZ3为2#和3#道岔岔前计轴磁头。《地铁设计规范》[7]规定，系统设计远期最大能力应满足行车密度不小于30对/h的要求，故改造后线路的最小设计折返间隔应达到2min。考虑采用充分利用两侧轨道的交替折返方式，压缩站前折返间隔，使用牵引计算软件进行交替折返间隔仿真，计算时序见图2。图2中，tr为进路排列时间，取通用值13s，t1n为第n列车从干扰点至出清岔前计轴磁头JZ1/JZ4的运行时间，干扰点为当后车进站信号开放时刚好处于不受前车影响的降速干扰点位置。t2n为第n列车从出清JZ1/JZ4至运行至上/下行站台停稳的时间，t3n为第n列车在上/下行站台停站时间(不含出站进路排列时间tr)，t4n为第n列车从上/下行站台发车至出清岔区计轴点JZ3的时间，n取值1，2，3，4。交替折返间隔计算场景如下：①列车1直进出清1#道岔岔前计轴磁头JZ1完全占用站台区段后，恰好办理列车2侧进至天津站下行站台的进路；②列车1侧出出清3#道岔岔前计轴磁头JZ3后，恰好办理列车3直进至天津站上行站台的进路；列车3直进天津站上行站台的进路与列车2直出下行站台的进路为平行进路，可同时作业；③列车2直出出清JZ3后，恰好办理列车4侧进至天津站下行站台的进路，依次循环。交替折返间隔时间的计算式为

式中，t接车1为车1办理直进进路至车2办理弯进进路的时间间隔；t接车2为车2办理弯进进路至车3办理直进进路的时间间隔；t接车3为车3办理直进进路至车4办理弯进进路的时间间隔。根据图2，t接车1=6t接车2=136s，在站前折返站型的强约束限制下，常规设计难以满足2min折返间隔的要求。

1.2列检库长度约束

津滨轻轨9号线车长79.35m，车辆段列检库全长186m，含双列位，有效轨道长度(车挡至库门)仅181m，改造前司机凭地面调车信号人工驾驶出入库。列检库布局如图3所示。

信号系统更新改造不涉及列检库扩建，需利用既有库线长度和轨道安装条件开展自动化场段库内信号设计，常规的信号设备布置如图4所示。

基于列检库现状的常规信号设计要点如下：①A轨、B轨区段为停车股道，新系统停车点与既有停车点保持一致，确保检修人员可正常上下检查坑阶梯踏步；②库内划分为A轨、B轨、C轨3个计轴区段，A轨区段终端计轴磁头设置在库门外方；③A轨、B轨之间设置C轨，用于B轨列车唤醒后的快速筛选以及作为A轨列车停车的保护区段。根据轨道长度并结合计轴磁头安装条件，C轨区段长度设置为8m；④在应答器传输模块(balisetransfermodule，BTM)天线正下方设置休眠唤醒应答器(dormancybalise，DB)，用于列车唤醒后的重定位，精确停车应答器(fixedbalise，FB)参考站台精确停车应答器布置方式布置。B轨列车精准停车后，车钩距离尽头车挡3.8m。在既有列检库长度约束下，该设计存在以下问题，难以实现FAO出入库和B轨精确停车功能：①C轨长度仅8m，小于B2型列车两转向架间距12.6m，无法正常监控列车占用和出清。按联锁占用出清判断逻辑，在列车驶入驶出C轨过程中，C轨状态会在占用、出清间来回切换，不能保证相邻连续计轴区段正常的占用出清顺序，导致进路故障。②B轨列车停放时，车钩距离边界计轴磁头仅0.85m，B轨列车唤醒建立定位升级为CBTC/FAO模式后，列车安全包络(初始定位误差)为2m，列车安全包络同时占用B轨和出B轨进路内方区段C轨，导致出B库进路信号无法开放。③列车在B轨停车点停车后车钩距离尽头车挡(保护区段)仅3.8m，而理论计算的保护区段至少为7.58m，保护距离过短，列车自动驾驶(automatictrainoperation，ATO)系统无法控制列车在B轨精准停车。常规设计以ATO模式入库停车曲线为参考曲线，从该参考曲线上任意一点以最大的加速度按照安全制动模型计算撞线后列车的走行距离，得到的列车真正停车点和运营停车点的距离差值最大值即为保护区段[8-9]。通用的安全制动模型和保护距离计算原理如保护区段delta的计算式为

式中，V4为紧急制动触发速度；Verr为测速误差；V3为考虑测速误差后的紧急制动触发速度；t1为列车自动防护(automatictrainprotection，ATP)系统监测到列车超速开始至输出紧急制动指令、车辆接收到紧急制动指令到完全切除牵引的时间，列车在该时间段内具有最大牵引加速度a1；t2为车辆切除牵引后到车辆开始施加紧急制动的惰行时间，列车在该时间段具有加速度a2；t3为车辆从紧急制动开始施加到制动力施加到100%大小所需时间，列车在该时间段具有减速度a3；a4为可保证的列车紧急制动率(guaranteedemergencybrakingrate，GEBR)；s为以某一固定速度触发紧急制动，根据安全制动模型计算后的最不利情况下的紧急制动距离；d为该速度下正常的停车制动距离；a0为ATO制动减速度。津滨轻轨9号线车辆接收到紧急制动命令后，切除牵引和紧急制动施加同时进行，且切除牵引延时时间大于紧急制动延时施加时间，故不存在惰行时间，因此t2=0。以ATO制动前库内最高运行速度5km/h时触发紧急制动计算保护区段长度，参数取值为V4=5km/h，Verr=0.6km/h，a1=0.92m/s2，t1=1.14s，a3=0.4m/s2，t3=1.46s，a4=0.8m/s2(平直干燥轨道损失2个转向架制动力)，a0=0.56m/s2，代入式(2)计算可得delta=6.58m。另考虑定位设备安装误差1m作为安全余量，停车保护距离至少需要7.58m。综上，在列检库线长度仅186m的强约束下，常规改造设计方案不能实现FAO出入库和ATO精准停车。需通过设计和技术创新，消除设计方案与约束条件之间的冲突。

1.3设备机房安装空间不足约束

1.3.1设备集中站

设备集中站新旧设备改造倒切过渡期间共用信号设备房，且设备用房面积偏小。根据文献[10]要求：集中站电源设备采用UPS、双母线设计。以30kW电源容量的设备集中站为例，电源系统所需机柜数量如表1所示。

电源设备机柜数量多，占地面积大，既有机房在倒切开通后拆除既有设备前，无足够的新设备安装空间。

1.3.2非设备集中站

新建线非设备集中站一般配套有40m2左右的信号设备用房，用于安装车站列车自动监控系统(automatictrainsupervision，ATS)、电源屏、UPS、蓄电池、交换机、分线柜等相关设备。津滨轻轨9号线建成年限较久，非集中站无单独信号设备用房，因此需利用既有车控室房间合理设计非集中站设备配置，以适配非集中站无设备用房的强约束。

2优化设计方案

2.1交替折返设计优化

根据1.1可知，折返间隔的瓶颈在于t接车2，若能缩短车2办理弯进进路至车3办理直进进路的时间间隔，即可提升折返能力，提高整条线路的运能。t接车2的计算式为

式中，tr1为车2进站进路排列时间；tr2为车1出站进路排列时间。

2.1.1缩短侧入时间

t1只要车2侧入进站过程中出清交叉渡线道岔区段后，系统即可为车1排列直出进路，而天津站站前道岔岔尖距离站台边缘约110m，故可在1#、4#道岔前各增设一个岔前计轴点，提前释放道岔资源，缩短t1时间。调整后的轨旁设备布置如图6所示。调整后t1耗时为从干扰点至出清JZ6的时间(常规方案需出清JZ4)，节约了JZ6至JZ4间的走行时间，经仿真计算t1时间可减少14s。

2.1.2缩短侧入时间减少进路排列时间

tr1、tr2常规设计渡线道岔为双动控制逻辑，以排列弯进站台进路为例，联锁下达双动道岔2/4#反操命令后，2/4#道岔转辙机动作电路控制转辙机先将第一动道岔2#扳动到反位，再将第二动道岔4#扳动至反位。为缩短道岔转换时间，新系统将渡线道岔设计为单动控制，每组道岔设置单独的道岔控制电路，进路排列时联锁并行下达道岔2#和道岔4#的转换命令，两组道岔的转辙机动作电路分别控制对应的转辙机启动，道岔2#和道岔4#同时转换，以节省道岔转换时间，从而缩短了进路排列至开放的耗时。经测算，道岔控制由双动改为单动控制后，进出站进路排列时间由13s缩短为9s。

2.1.3计算数据

优化后的交替折返间隔仿真计算时序如图7所示。接车间隔2共缩短22s，最小折返间隔达到114s，经现场动车测试验证，通过了6列车2min交替折返能力测试，满足120s的最小折返间隔要求。

2.2自动化列检库优化方案

2.2.1缩短停车保护距离

1)优化安全制动模型。在B轨停车制动前一定距离由ATP提前切除牵引，ATO控制列车惰行和制动停车。故惰行和停车制动阶段的紧急制动过程实际上是无切除牵引延时阶段的加速运行过程，即式(2)中t1=0，仅包含紧急制动施加延时阶段的惰行和紧急制动施加后的制动过程。据此可对入库运行时的安全制动模型进行优化，以减少理论计算所需的紧急制动距离。优化后的入库停车阶段安全制动模型和保护区段计算原理见图8。保护区段delta的计算式为：

式中，t2为ATP监测到列车超速至车辆开始施加紧急制动的惰行时间；列车在该时间段具有加速度a2。

2)理论计算。根据津滨轻轨9号线车辆供货商提供的数据，车辆在平直干燥轨道损失2个转向架制动力时的紧急制动减速度为0.8m/s2，在无任何制动故障、黏着系数为0.096时的湿轨紧急制动减速度为0.6m/s2，分别代入式(4)，得到的计算结果如表2所示。

其他参数取值为Verr=0.6km/h，t2=1s(ATP紧急制动指令输出最大延时+车辆接收到紧急命令至开始施加紧急制动最大延时)，t3=1.6s，a2=0，a0=0.56m/s2。9号线列检库为封闭式厂房结构，轮轨黏着系数受雨、雪、冰、霜等的影响较小。根据表2计算结果，入B库运行阶段ATO控制列车运行速度由5km/h降低至3km/h，GEBR=0.8m/s2时，计算的保护距离为1.6m，GEBR=0.6m/s2时，保护距离为1.9m。实际现场预留的保护距离为3.8m，理论上无冲撞车挡风险，满足近距离停车要求。设计优化项点如下：1)为避免B轨列车安全包络占用C轨，导致出B轨信号无法开放，将出B轨信号机和入B轨信号机设置方式由差置改为并置，C轨作为出B库信号机的外方接近区段，包络占用C轨不影响出B库进路的锁闭与开放；2)受限于B轨长度，FAO列车停放B轨时，列车包络占用C轨，通过修改联锁配置，库内C轨包络占用但计轴区段为出清状态时，进B库进路保护区段(C轨)可正常锁闭，进B库进路信号可正常开放。通过以上优化设计，可在适配186m库线长度的强约束下，安全高效实现ATO库内近距离停放和FAO休眠唤醒、自动出入库功能，有效降低改造成本和难度。

2.3电源方案优化

2.3.1设备集中站

弱约束为有一定弹性的约束条件，可通过调整资源、时间、范围等方式适度放宽，允许阶段性松弛，但长期仍需尽量满足，以确保项目整体目标。正线集中站双UPS、双母线供电设计方案为弱约束，而既有

2.2.2优化C轨联锁处理逻辑

对C轨联锁逻辑处理进行优化，保证C轨计轴区段正常占用出清以及进路功能正常。优化逻辑如下；1)出B轨进路接近锁闭时，检测到C轨计轴占用后，只有B轨和C轨均出清，C轨才能判定出清，保证相邻区段的占用出清正常顺序；2)入B轨进路接近锁闭时，检测到C轨计轴占用后，只有A轨和C轨均出清，C轨才能判定出清。

2.2.3系统设计

根据以上策略，结合列检库实际长度、库内道口等情况，轨旁信号设备布置如图9所示。

机房安装空间紧张是倒切开通拆旧前的阶段性强约束，故在此阶段可暂时松弛弱约束，待强约束解除后恢复。优化方案为在开通前仅安装电源屏，开通后待拆除既有设备空余足够安装空间后，逐步进场UPS、蓄电池。过渡开通期间电源屏采用双母线分散稳压方案，确保外电两路切换过程中后端负载设备不会断电。在倒切开通至安装新系统UPS和蓄电池前，为确保在电源屏两路外电出现同时断电的短时故障时，列车停车后仍能保持既有运行模式不丢定位，且供电正常后系统能瞬时恢复运营，对集中站的联锁、区域控制器(zonecontroller，ZC)、ATS、数据通信系统(datacommunicationsystem，DCS)和计轴设备的其中一路供电电源临时加装一台小型后备式UPS，当外电网双路断电时，由后备式UPS供电关键系统设备，使得正线关键信号设备能正常工作，大幅降低故障影响。后备式UPS容量选取1kVA，尺寸为130mm×336mm×215mm(长×宽×高)，体积较小，可安装于负载机柜附近，占用机房空间少。UPS安装连接示意如图10所示。

经测试，后备式UPS供电时，联锁机柜工作时间为40min，ZC机柜工作时间为33min，ATS机柜工作时间为21min，DCS机柜工作时间为30min，计轴机柜工作时间为10min，满足短时供电需求。

2.3.2非设备集中站

取消非集中站的电源屏、UPS、蓄电池、稳压器设备，由所属集中站电源屏远程供电。非集中站仅在车控室安装ATS监视工作站及综合设备机柜，综合柜内集成了网络通信和分线设备。系统配置如图11所示。

为减少远距离供电压降，保证设备正常工作，采6mm2规格电缆，相较常规的2.5mm2电缆，电阻由6.8Ω/km降低到3.08Ω/km，并将远端集中站电源屏端综合柜供电模块配置为220V可调电源。压降∆U的计算式为

式中，P为机柜功率；U为电压；cosθ是功率因素；ρ为导体电阻率；L为线路长度；S为线缆标称截面。本项目最长站间距3.36km，综合柜功率800W，标准电压220V，功率因素取通用值0.8，代入式(5)计算压降∆U约为54V，故电源屏非集中站模块设计时应满足最大274V的可调范围。此设计方案满足非集中站无设备用房的强约束限制。

3结论

本文研究了强约束下的既有线改造信号系统优化设计，采取的优化方案和措施符合用户对信号系统改造的预期，已应用于津滨轻轨9号线改造项目，得出的主要结论如下：1)增设站台与交叉渡线间计轴点位、采用道岔单动控制逻辑，可有效缩短站前交替折返间隔；2)库内B轨ATO运行速度由5km/h调整为3km/h，提前切除牵引优化安全制动模型的策略能显著减少停车保护距离；3)优化库内C轨占用出清逻辑避免了小于两转向架距离轨道区段的异常占用出清，A/B库间信号机设置由差置改为并置，解决了B轨停放列车包络占用C轨引起的出B库进路无法开放问题；4)集中站UPS、蓄电池待倒切开通拆除既有设备后进场，非集中站车控室设置综合柜并采取远程供电设计，解决了集中站/非集中站机房安装空间不足的问题。目前城市轨道交通已由新建线路逐渐转向既有运营设备更新改造，本文剖析的约束限制条件和改造设计目标间的冲突在既有线路改造中具有一定的普遍性，提出的优化设计措施可以为其他类似线路信号系统更新改造提供方法借鉴。为给用户带来更高效、更智能、更节约的城轨信号改造体验，后续可进一步研究道岔资源精细化控制、全电子联锁、列控一体化、云信号等新技术在改造项目中的应用设计。