城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的設(shè)想

趙 巖

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

目前，我國(guó)各城市軌道交通現(xiàn)狀從單一線路建設(shè)逐步走向多線路并向建設(shè)，并初步形成線網(wǎng)軌道交通格局，具備了線網(wǎng)間聯(lián)通聯(lián)運(yùn)的基礎(chǔ)條件。信號(hào)系統(tǒng)作為控車的關(guān)鍵設(shè)備隨著通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和列控技術(shù)的不斷發(fā)展，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用，由于CBTC不依賴于軌道電路，從而為實(shí)現(xiàn)聯(lián)通聯(lián)運(yùn)提供了條件。為此根據(jù)各地軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的要求，為提高軌道交通的整體效率和效益，提高軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化率，有必要加快制定信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

本文從互聯(lián)互通的目的入手，重點(diǎn)對(duì)CBTC特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面提出設(shè)想，期望對(duì)信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通提供相關(guān)依據(jù)。

1 信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的目的

能夠提供CBTC系統(tǒng)統(tǒng)一的性能和功能要求。為最終實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通目標(biāo)規(guī)定基本要求。

（1）實(shí)現(xiàn)不同線路、不同信號(hào)供貨商提供的CBTC系統(tǒng)之間車輛的聯(lián)通聯(lián)運(yùn)。

（2）實(shí)現(xiàn)延伸線其他信號(hào)供貨商提供的CBTC設(shè)備與既有線CBTC系統(tǒng)之間兼容，即實(shí)現(xiàn)延伸線其他信號(hào)供貨商提供的車載設(shè)備、軌旁設(shè)備與既有線CBTC系統(tǒng)設(shè)備的兼容，并構(gòu)成一個(gè)完整、統(tǒng)一的CBTC系統(tǒng)。

2 CBTC系統(tǒng)的特性

CBTC基本特性包括以下方面。

*具有安全功能的高精度列車定位系統(tǒng)。

*連續(xù)、高容量的車－地雙向數(shù)據(jù)通信。

*車載和軌旁的處理器執(zhí)行安全功能。

CBTC系統(tǒng)的等級(jí)根據(jù)特定的要求，CBTC系統(tǒng)可有不同配置。

*提供列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）功能，無(wú)列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）功能。

*提供ATP、ATS功能，配套提供ATO功能。

*在應(yīng)用中作為唯一的列車控制系統(tǒng)，也可以與其他輔助軌旁系統(tǒng)結(jié)合使用。

CBTC系統(tǒng)的功能，如圖1所示。

3 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的技術(shù)要求

通過(guò)上述CBTC系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，可以看出實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通主要體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求

CBTC系統(tǒng)可分為4個(gè)主要的子系統(tǒng)：CBTC軌旁子系統(tǒng)、CBTC車載控制器（CC）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）CBTC軌旁子系統(tǒng)

軌旁設(shè)備支持兩種配置，一個(gè)軌道區(qū)段可同時(shí)受方式A，即ZC（不含聯(lián)鎖功能）和分開(kāi)的聯(lián)鎖IL共同控制，或受方式B，即包含聯(lián)鎖功能的ZC單獨(dú)控制。

1）方式A

軌旁的ZC容納了在其區(qū)域內(nèi)所有列車送來(lái)的位置信息，它負(fù)責(zé)根據(jù)已知所有障礙物的位置，確定所有在其區(qū)域內(nèi)列車的移動(dòng)授權(quán)。這些障礙物包括列車、封鎖的區(qū)域、失去表示的道岔，或侵限設(shè)備。ZC也響應(yīng)來(lái)自相鄰ZC的移動(dòng)授權(quán)請(qǐng)求。

ZC通過(guò)聯(lián)鎖CI與軌旁設(shè)備接口（如道岔/站臺(tái)屏蔽門等）。CI根據(jù)收到的ATS進(jìn)路請(qǐng)求來(lái)控制道岔。

2）方式B

軌旁的ZC容納了在其區(qū)域內(nèi)所有列車送來(lái)的位置信息，它負(fù)責(zé)根據(jù)已知所有障礙物的位置，確定所有在其區(qū)域內(nèi)列車的移動(dòng)授權(quán)。這些障礙物包括列車、封鎖的區(qū)域、失去表示的道岔，或侵限設(shè)備。ZC也響應(yīng)來(lái)自相鄰ZC的移動(dòng)授權(quán)請(qǐng)求。

ZC包含聯(lián)鎖功能，ZC直接與道岔和屏蔽門等接口，并根據(jù)從ATS接收到的進(jìn)路請(qǐng)求，由ZC控制道岔完成聯(lián)鎖功能。

（2）CBTC車載控制器

CC位于車上，管理列車控制模式（ATO、ATPM和RM等），并依據(jù)ZC提供的信息對(duì)列車進(jìn)行控制。

車載控制器由以下方面組成。

執(zhí)行安全和非安全功能的車載控制單元（OBCU）；速度、位移傳感器；用于列車定位的查詢應(yīng)答器及天線（TIA）；顯示必要駕駛信息、CBTC狀態(tài)和報(bào)警的司機(jī)操作單元（TOD）以及用以列車位置初始化和提高列車位置測(cè)量精確度的軌旁應(yīng)答器。

（3）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

DCS提供不同CBTC單元之間的通信。DCS為所有CBTC單元提供IEEE 802.3（以太網(wǎng)）接口。DCS對(duì)所有CBTC單元均透明，并符合時(shí)限和流通量的要求。接入安全保密功能也由DCS完成。

DCS的基本目的是在各CBTC單元間傳遞ATC信息，其中有些CBTC單元是移動(dòng)的。DCS是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，信息傳送是透明的，ATC應(yīng)用不需要知道任何DCS操作，反過(guò)來(lái)DCS也不需要知道任何ATC應(yīng)用。雖然通過(guò)DCS傳送安全的列車控制信息。但DCS自身不是一個(gè)安全系統(tǒng)，它只是一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

DCS的無(wú)線通信，應(yīng)采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11）等，并負(fù)責(zé)移動(dòng)通信的控制功能。DCS至少應(yīng)滿足下列技術(shù)要求。

當(dāng)接收和發(fā)送200 B的IP信息時(shí)，DCS應(yīng)支持200 kb/s的雙向數(shù)據(jù)流量的應(yīng)用；特別是能支持連接到DCS的任何兩個(gè)子系統(tǒng)之間的任一方向100 kb/s數(shù)據(jù)的傳輸。

當(dāng)列車以120 km/s速度行駛時(shí)，DCS的無(wú)線鏈路以上面所定義的數(shù)據(jù)流量發(fā)送和接收200 B的IP數(shù)據(jù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)丟失率應(yīng)不超過(guò)1%。此發(fā)送和接收還包括車載無(wú)線從一個(gè)軌旁無(wú)線單元切換到另一個(gè)軌旁無(wú)線單元的過(guò)程。

（4）列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

ATS是監(jiān)測(cè)控制CBTC單元和與外部接口的子系統(tǒng)。

ATS的控制方式：分散與集中控制方式。

控制中心ATS通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化功能，確保高效地鐵運(yùn)營(yíng)，保證從聯(lián)鎖系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控到列車自動(dòng)跟蹤直至自動(dòng)進(jìn)路排列及自動(dòng)列車調(diào)整。

控制ATS將整個(gè)“控制系統(tǒng)”的任務(wù)劃分成功能模塊，并且能隨意地在硬件上分布。相當(dāng)部分的功能可以同步執(zhí)行，從而大大提高了處理速度。在線路延伸或要求更高級(jí)別的自動(dòng)化時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)添加硬件和軟件來(lái)擴(kuò)展。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

（1）互聯(lián)互通需求

互聯(lián)互通是關(guān)于由不同廠商提供的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的不同車載和軌旁子系統(tǒng)之間，不同ATS和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)之間的接口規(guī)范。這些子系統(tǒng)必須符合統(tǒng)一的ATC性能，尤如一家供應(yīng)商所提供。

互聯(lián)互通需求包括：不同廠商提供的子系統(tǒng)執(zhí)行相同的功能；設(shè)計(jì)子系統(tǒng)接口，以便不同供應(yīng)商的子系統(tǒng)之間能相互工作；各子系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)信息必須一致；線路數(shù)據(jù)庫(kù)必須能被所有供應(yīng)商的子系統(tǒng)識(shí)別。

互聯(lián)互通是指以下幾個(gè)方面。

*車載控制器和軌旁區(qū)域控制器互聯(lián)互通，即裝載CBTC控制器的列車可以在其他供應(yīng)商供應(yīng)的軌旁子系統(tǒng)裝備的線路上運(yùn)行。

*不同廠商提供的相鄰軌旁區(qū)域控制器在延伸線邊界可以互聯(lián)互通。

* ATS和軌旁區(qū)域控制器的互聯(lián)互通。

* ATS和車載控制器的互聯(lián)互通。

*數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和相關(guān)子系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)為互聯(lián)互通提供相應(yīng)的條件，包括如下方面。

*信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮列控方式的標(biāo)準(zhǔn)化。

*信號(hào)各子系統(tǒng)執(zhí)行的功能應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

*信號(hào)各子系統(tǒng)的接口應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議、接口類型等。

*信號(hào)系統(tǒng)的車-地通信內(nèi)容應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化；

*所有子系統(tǒng)間的通信連接應(yīng)使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，相互間交換的數(shù)據(jù)信息應(yīng)一致，以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的信息透明傳輸。

所有需要考慮的互聯(lián)互通因素，如圖2所示。互聯(lián)互通的界面，如圖3所示。

（2）安全需求

根據(jù)業(yè)主需求和判定為安全的部分，每個(gè)供應(yīng)商必須對(duì)關(guān)系到其子系統(tǒng)的安全和安全測(cè)試負(fù)責(zé)。

互聯(lián)互通說(shuō)明必須指出哪些數(shù)據(jù)是安全的，哪些不是。

互聯(lián)互通安全條款關(guān)系到安全接口，必須確保。其基于以下3點(diǎn)原則。

*子系統(tǒng)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須編碼，以防被破壞。

*子系統(tǒng)必須被正確地編址，使子系統(tǒng)不會(huì)使用本應(yīng)為另一輛車收發(fā)的報(bào)文。這可以通過(guò)子系統(tǒng)信息安全認(rèn)證來(lái)實(shí)現(xiàn)。

*安全時(shí)間標(biāo)記可指明信息的詳盡時(shí)間,避免系統(tǒng)使用過(guò)時(shí)的信息。

所有的系統(tǒng)安全作為一個(gè)整體，必須通過(guò)互聯(lián)互通來(lái)加以確保。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述僅是從信號(hào)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面對(duì)CBTC實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通提出要求設(shè)想，實(shí)際上城市軌道交通互聯(lián)互通是系統(tǒng)工程，還需要車輛（含牽引制動(dòng)）、供電、行車組織、軌道、安全門/屏蔽門、土建等多個(gè)專業(yè)協(xié)同配合才能實(shí)現(xiàn)。鑒于目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏相應(yīng)的職能部門監(jiān)管，因此盡快制定互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)只是第一步，真正實(shí)現(xiàn)城市軌道交通聯(lián)通聯(lián)運(yùn)還任重道遠(yuǎn)。