《探索交通》城市轨道交通可持续发展的中国实践
《探索交通》城市轨道交通可持续发展的中国实践
2024年1月26日深夜，上海轨交线网中的骨干线路地铁2号线，空旷的车站里，最后一班地铁已经结束运营，工程师们终于迎来了一天中难得的窗口期，几个小时后，这条线路即将迎来大修改造工程中的关键性时刻：“双卡双待”方案中的新增系统CBTC（Communication Based Train Control System）正式上线，用更高效能的控制方式助力上海地铁流量之王开启一番新局面。
轨旁系统准备就绪，请车载确认状态
车载设备工作正常，具备割接条件，请开始系统切换
收到，进行系统切换
车载已切换到CBTC模式，开始动车
今天这个故事发生在中国，中国城市轨道交通建设起步较晚，新中国成立后建设者从零开始，在短短不到60年时间里建成排名全球第一的运营网络，与此同时，客流的指数级激增也对效率、安全产生更强烈的需求，而这些均与列车的“大脑”信号系统息息相关，随着运营年限的增长，部分线路信号系统已经不堪重负，必须通过改造使其适合新的形势，这不仅是线路运营能力的提升，更包含着建设者对可持续发展的思考。
卡斯柯城轨产品中心 总经理 汪小勇：
咱们知道整个可持续轨道交通的要求就是安全、高效、便捷、经济、韧性、包容、绿色这些特定的指标要求，现在我们做的其实就是朝这个方向去发展，在这一轮改造以后，提升它的安全性，提供更多的运能、更高的旅速、更灵活的便捷的服务，它们是一脉相承的。
在现代社会发展中，城市轨道交通方便了人们出行，连通着区域，甚至成为全球城市化进程中的重要推动力，因此，如何科学地改造显得格外重要，中国人的选择是“一线一案”，在深刻理解线路运营需求的基础上因地制宜地设计改造方案。
上海地铁2号线是连接上海两大机场的重要线路，途经的一众人流密集区域与多线换乘让2号线日均客流位于全路网之首，应对大客流最好的办法就是提高发车密度，目前2分30秒左右的发车间隔已无法支撑线路完成高效运输，需要通过改造进一步缩短列车运行间隔至2分钟，看似只有30秒的改变，却需要信号系统做出本质上的升级。
2号线既有信号系统为90年代国外基于轨道电路的列车控制系统TBTC（Track Circuit Based Train Control），因为运营机制不够灵活不适合当代轨道交通发展而渐渐退出历史舞台，然而在这一次改造中，一个特殊的原因让它保留了下来。
自2000年一期工程开通后，2号线在十年里先后三次东西向延伸，导致全线设备服役时间不等，这意味着如果采取CBTC全新替代的方法必然造成资源的极大浪费，工程师们需要找到合适的解决之道。
困境激发出创新，一个大胆而新颖的想法就此诞生：多模列控系统，让2号线信号系统实现TBTC和CBTC的“双卡双待”，他们的计划是：首先安装调试可兼容TBTC的CBTC车载系统，保障线路实现增能目标的同时，也要支持未来TBTC系统作为备用模式随时接管列车运行，之后开始轨旁系统的调试与现场验证，最后完成CBTC全线割接和既有系统的功能升级,这样的方法将车载与轨旁的改造剥离，解除两者之间的制约关系，缩短了改造周期，只需要替换到达使用年限的设备，最大程度上保证资源不被浪费，而且在双系统模式下，若其中一套系统发生故障，可实时无缝切换至另一系统，保障线路日常运营不受影响。不过，这种“双卡双待”方案拥有巨大优势的同时，挑战也隐藏其中。
目前我们在TBTC和CBTC的运行方向功能上，兼容性出现了一些困难，既有系统的信号机只是在道岔处设置，联锁只对这一段轨道进行间隔防护，其余的是区间由轨旁的ATC来防护，在CBTC系统里面我们每个站台都会有一个出站信号机，同向信号机之间构成一条列车进路，联锁也会对这些列车进路进行防护，那么这样的话两个系统之间存在着功能的冲突点。
让列车适应两种不同制式的信号系统就仿佛一个人学习两种语言，需要解决不同的文化、地域、习惯等问题。
卡斯柯城轨产品中心 产品副总监 徐烨：
首先要研究既有系统的一些功能，把它进行分解，然后再对比我们CBTC系统里面的功能，看看哪些是一样的，哪些是有区别的，哪些是可以兼容的，那么这样我们一项一项的功能进行罗列，然后再应用到我们的系统开发中，实现最终的一个兼容融合。
经过一夜的忙碌后，27日清晨，搭载全新CBTC系统的2号线如往常一样开始工作，乘客们没有感受到昨晚紧张的氛围，却已经享受到更畅达、舒适的出行，伴随着后续既有系统的升级，多模列控系统正在帮助这条穿越大半个上海的繁忙动脉朝着期待的样子逐渐形成，同时，这场技术创新也影响了“多网融合”背景下列控系统的融合发展。
凭借着勇于创新的精神，中国城市轨道交通发展按下加速键，已经稳居世界一流前列，不过中国人从未停止过尝试，他们为代表着中国研发实力的前沿技术找到了一处尽显才华的新舞台，基于车车通信的列车自主运行系统TACS（Train Autonomous Control System）将让上海地铁3、4号线的运行效率提升到前所未有的高度，这也是中国首条采用TACS系统实施改造的地铁线路。
仔细看眼前的线路图我们发现，地铁3号线与4号线有相当长的一段线路是共用的重合线路。
卡斯柯城轨产品中心 TACS技术经理 陈绍文：
上海3号线和4号线在上海线网里面是两条比较特殊的线路，上海3号线是一条南北向的线路，而4号线是一条环线，其中有10公里左右的共线段，这也是为什么我们3号线和4号线这两条线路同时改造的一个原因。
不同于普通的换乘站，在宝山路站至虹桥路站共线段上，3、4号线列车要共用同一段轨道，这就说明，这一段的运营水平直接影响着上海两条重要线路，随着客流不断攀升，线路运输压力剧增，共线段需满足近期每小时开行33对列车、远期每小时开行36对列车的目标，而目前既有信号系统即使在开行24对列车的情况下也会力所不及，最好的解决办法就是用全新的信号系统代替旧系统。
工程师们在仿真平台对两种方案进行了比对：目前行业主流、应用占比达到80%以上的CBTC系统，以及他们花费十年精心研制的新一代高效能信号系统启骥TACS，结果显示，CBTC替代方案最大仅能满足每小时30对列车的运量，而启骥TACS最大能满足每小时开行36对列车，因为在平台设计、系统架构、资源管理方面的创新突破，能够轻松应对制约效率的最大难题：多车驶向共线段时的交汇能力。与道路交通不同，信号系统控制列车是一个极其复杂的过程，并且由于列车制动距离长，在行进过程中需要锁定一部分线路资源防止后续列车进入以此保证安全，然而过多或过少都不利于列车运行，因此，合理设计车与车的间隔成为信号系统迭代的核心焦点，这一点在共线段变得尤其重要。
卡斯柯城轨产品中心 TACS技术经理 陈绍文：
新系统由于改变了这种资源管理的方式，通过列车自主申请资源，相当于把资源更精细化，对于整个运动的提升就有很大帮助，也就是说列车（3号线）只有在到达道岔前一定的距离才会锁定这个道岔资源，在没到达之前，道岔资源实际上可以被其他4号线的列车去用，这样的话对于道岔的利用效率就更高了，也就是说它的交汇能力也就更高。
不仅如此，TACS系统具备更简单的操作性，节约了机房占地面积，进一步深化了可持续发展理念，最重要的是，这套系统全部由中国人自主研发，而工程师们还希望在软件自研之上实现硬件的国产化替代，他们已经付诸实践。
凌晨，3、4号线的动车调试进入尾声，为了不影响线路日间正常运营，改造往往在每天0点到3点的窗口期进行，这就是一线工作者的工作环境，他们熟悉这样的夜晚，不仅仅是上海，在首都北京、园林之城苏州、经济特区深圳，都有这个被统称为“卡斯柯人”的身影，从ATO（Automatic Train Operation）到无人驾驶，从 CBTC到TACS，从单一系统到多模列控，在不断的探索与尝试中，他们创造出全国乃至全球第一，为海内外最有难度的10条地铁线路提供改造服务，为公众安全、便捷出行贡献着自己的智慧和汗水。
卡斯柯城轨产品中心 总经理 汪小勇：
卡斯柯希望凭借自己多年的经验积累，能够为中国的城市轨道交通可持续的发展贡献自己的力量，也朝着全球化的方向，服务于我们全球的轨道交通。
站在2024年这个特殊的时刻，中国城市轨道交通正步入一个关键时期，中国人希望通过即将迎来的既有线路信号系统大修改造高潮推动城市轨道交通焕发出新的生命力，向世界展示可持续交通发展的“中国方案”，未来，中国交通建设者也将带着勇气和智慧持续创新，为城市轨道交通发展创造更璀璨耀眼的宏伟蓝图。
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投稿→ ：tougao@tsjt.org.cn
选题→ ：xuanti@tsjt.org.cn
本文原文来自澎湃新闻