城市軌道交通信號系統互聯互通的研究

李兆齡

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

城市軌道交通信號系統互聯互通的研究

李兆齡1，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

互聯互通已成為國內城市軌道交通信號系統新的發展方向，信號系統通過規范系統總體架構、通信協議、工程設計標準等，在信號系統層面實現CBTC及降級模式下的互通互換及聯通聯運。

城市軌道交通；信號系統；CBTC；互聯互通

1 概述

城市軌道交通信號系統通常采用基于通信的CBTC系統，CBTC系統具有追蹤密度小的特點，能夠極大的發揮線路運能。我國城市軌道交通CBTC系統主要依賴于進口，各供貨商出于各自利益的考慮，CBTC系統未能實現統一的接口標準，各供貨商之間的系統無法互聯互通，因此，城市軌道交通線路長期以來大多采用獨立運營、跨線降級方式運行，乘客經過多條線路時需進行換乘。

隨著我國城鎮化建設步伐的加快，城市規模逐漸擴大，城市區域范圍通勤和城市交通擁堵問題，已越來越成為各大城市在快速發展過程中迫切需要解決的問題，城市軌道交通迎來了新的一輪建設高潮。在這一輪建設高潮中，對信號系統提出節約重復投資、實現網絡化運營的新要求，城市軌道交通信號系統互聯互通成為今后技術發展的趨勢。近幾年國家對技術裝備產業的發展進行了大力支持，國內部分頂尖的供貨商也逐步掌握了信號CBTC系統的核心技術，國產化信號CBTC系統在城市軌道交通領域開始嶄露頭角，目前具備了實現互聯互通的技術基礎。

城市軌道交通互聯互通是一個系統性工程，除涉及信號系統自身的系統總體架構、通信協議、通信接口、工程設計標準外，還涉及線路、限界、車輛、牽引供電、運營管理體制等外部條件。

2 互聯互通的層級

互聯互通的實現可分為兩個層級，層級一為互通互換，層級二為聯通聯運。

2.1 互通互換

互通互換以節約投資為出發點，實現車輛及不同地域地面設備的互通互換。

車輛互通互換是指不同線路列車可在同一條線路上以CBTC及降級模式運營，例如，A線的列車可以在B線運營，B線的列車亦可在A線運營，剝離同一供貨商車載與地面的一一對應關系，從而在以下方面節約了投資：

1）互聯互通線路之間的配屬列車可以統籌考慮，即根據互聯互通的客流情況，統一考慮運營列車、備用列車及檢修列車的配屬數量，從而減少可能的車輛重復投資。

2）線路開通后的車載設備增購，可不局限于單一的車載供方，采購方可以在實現互聯互通廠家內進行多種選擇。

地面互通互換是指同一條線路的不同區域可以采用不同廠家提供的信號設備。地面互通互換在延伸線工程、共軌運營線工程、預留拆解線路工程上有著明顯的優勢，這些項目的實施可以采用不同廠家的信號設備，從而減少不必要的額外投資，控制投資成本，便于項目推進。

2.2 聯通聯運

聯通聯運是互聯互通的最終目標。聯通聯運以網絡化運營為出發點，根據客流需求，實現列車跨線聯通聯運，以減少乘客線間換乘，提高服務質量。

3 互聯互通的外部條件

信號系統互聯互通離不開外部條件的支撐，這些外部條件需要在項目建設之初統籌規劃，互聯互通關鍵的外部條件包括以下幾個方面。

1）線路：互聯互通線路上的線路最大設計坡度、站臺及存車線長度等需進行統一規劃，線路的最大坡度與信號系統安全防護距離相關，站臺及存車線長度決定跨線列車能否在互聯互通線路上正常運營。

2）限界：互聯互通線路的限界標準需統一。

3）車輛：需確定互聯互通車輛牽引/制動響應時間的最低標準，以便計算信號系統安全防護距離。此外，互聯互通車輛的車門位置、列車報站等與乘客服務相關的設計應統一。

4）牽引供電：互聯互通線路正線及場/段的牽引供電制式需統一，如采用接觸網供電方式或三軌供電方式。

4 信號系統互聯互通的關鍵技術點

中國城市軌道交通協會（中城協）正在組織信號系統互聯互通標準規范的編制，目前信號互聯互通工作已進入產業化實施階段，互聯互通需要解決的技術關鍵點包括統一系統總體架構及功能分配、通信協議、電子地圖描述方式、軌旁設備設計原則、設備安裝方式等。

4.1 系統總體架構及功能分配

統一系統總體架構及功能分配是實現互聯互通的基礎。

典型的信號系統由ATS、聯鎖、軌旁ATP/ ATO、車載ATP/ATO及DCS等設備組成，由于各廠家的系統實現方式不同，因此，系統的總體架構及功能分配不盡相同，例如，聯鎖與車載ATP/ ATO可以直接通信，也可通過軌旁ATP/ATO轉發，在不同的系統架構下實現互聯互通的技術難度較大。為減少實現互聯互通的難度，需統一系統總體架構，目前，互聯互通統一的系統架構按照典型信號系統的配置設置子系統設備，ATS、聯鎖、軌旁ATP/ATO與車載軌旁ATP/ATO直接通過無線傳輸信息，互聯互通信號系統總體架構如圖1所示。

圖1 互聯互通信號系統總體架構示意圖

在系統功能分配方面，CBTC各子系統的功能各廠家實現方式不同，或多或少存在功能分配上的差異，互聯互通標準對ATP、ATO、ATS、聯鎖功能分配進行了定義。

4.2 通信協議

為實現互通互換及聯通聯運目標，需對車-地及地-地接口進行規范。車-地接口包括ATS、聯鎖、軌旁ATP/ATO與車載ATP/ATO的接口，以及軌旁應答器與車載ATP/ATO的接口；地-地接口包括ATS之間、聯鎖之間、軌旁ATP/ATO（區域控制器ZC）之間的接口。互聯互通需規范的通信接口如圖2所示。

圖2 互聯互通規苑的通信接口示意圖

互聯互通需要規范上述接口的對話“語言”和“語法”，即安全通信協議及應用層通信協議。

在安全通信協議方面， ATS、聯鎖、軌旁ATP/ATO與車載ATP/ATO接口采用適用于開放環境的RSSP-II型鐵路專用安全通信協議，聯鎖之間、軌旁ATP/ATO之間采用適用于封閉環境的RSSP-I型鐵路專用安全通信協議。

在應用層通信協議方面，包括統一應答器報文、統一車-地接口協議、統一地-地接口協議。車載ATP與應答器的通信機制、物理接口、電氣接口均符合歐標應答器和應答器傳輸系統規范Subset-036，根據ETCS應答器報文標準，結合互聯互通的功能要求，對ETCS-44號用戶自定義包進行定義，形成應答器報文規范。互聯互通規范對ATS、聯鎖、軌旁ATP/ATO與車載ATP/ATO接口，以及線間相鄰設備間ATS之間、聯鎖之間、軌旁ATP/ ATO之間的應用層通信協議進行了統一。

4.3 電子地圖描述方式

電子地圖是車載ATP向地面ZC報告列車位置、地面ZC向車載計算移動授權的基礎。移動授權作為安全命令，車載ATP需對移動授權的有效性進行檢查，即判斷移動授權是否在車載ATP所識別的范圍內。在傳統的CBTC工程中，車載ATP僅存儲本線的電子地圖，為了使列車能夠跨線運行，需車載ATP存儲所有互聯互通線路的電子地圖，這就需要統一互聯互通線路電子地圖的描述方式及輸出格式。

1）統一電子地圖的描述方式，使互聯互通線路之間的電子地圖可以相互識別。

2）統一電子地圖的輸出格式，例如A線的電子地圖可通過一定的格式輸出，通過倒入到B線的電子地圖生成工具后，自動生成A、B兩條線路的電子地圖。

4.4 軌旁設備設計原則

統一軌旁設備的布置原則是實現互聯互通的工程基礎，只有按照統一的設計原則進行工程實施，才能實現列車跨線運行。軌旁設備的布置原則主要包括應答器布置原則、信號機布置原則、計軸布置原則、延時解鎖時間的計算原則等。

應答器布置需要確定以下原則。

1）精確停車應答器的布置原則，例如布置多少個應答器，每個應答器安裝在什么位置。

2）區間位置校正應答器的布置原則，例如為實現列車區間位置校正，在丟失一個應答器的情況下保證列車定位的精確度，需要每隔多少米布置1個應答器。

3）輪徑校準應答器的布置驗證，例如為實現輪徑自動校準，需要在什么樣的線路條件及位置布置應答器，布置幾個應答器，以及輪徑校準應答器之間的距離要求。

4）有源應答器的安裝原則，包括有源應答器距其對應的信號機、計軸的距離。

信號機布置原則需要確定轉換軌出入段信號機、出站信號機、道岔防護信號機、區間間隔信號機、終端阻攔信號機的布置位置，以便確定配套的應答器及計軸的安裝位置。區間間隔信號機的安裝位置應根據牽引計算確定，在進行牽引計算前，應根據車載設備的處理方式（如列車啟動控制策略及對應的平均加速度、列車制動控制策略及對應的加速度、固定限速下對應的列車最高允許速度等）確定計算原則。

計軸布置原則包括出轉換軌、車站、區間、道岔區域等區域的布置，計軸的布置除考慮計軸距信號機的距離、轉換軌長度、站臺區長度、存車線長度外，還需根據線路特性等因素確定的安全余量、最不利情況下信號系統車載設備響應時間、最不利情況下車輛響應時間、列車牽引制動特性等因素，計算保護區段的長度，以確保保護區段的長度滿足所有互聯互通列車的運行要求。

延時解鎖時間包括進路的延時解鎖時間及保護區段的延時解鎖時間，延時解鎖時間的計算需結合列車運行速度、系統及司機的反應時間等綜合考慮。4.5 設備安裝方式

互聯互通項目中應特別關注與列車定位、車地通信等相關的設備安裝方式，包括應答器、車載應答器接收（BTM）天線、車-地無線傳輸設備、車載無線天線等。

互聯互通線路中所采用的歐標應答器安裝要求應符合subset-036的相關規定，subset-036中規定應答器與應答器接收天線之間的距離應為220～460 mm，互聯互通線路應根據該要求確定應答器至軌面距離，以及軌面至應答器接收天線的距離。此外，由于BTM天線在列車上的安裝位置與地面精確停車、信號機處的主應答器等應答器的布置息息相關，因此，互聯互通項目中需要統一車載BTM天線在列車上的安裝位置。

互聯互通線路中的地面無線傳輸設備（自由波天線、漏纜或波導管）的安裝位置需統一，并在列車上安裝與地面無線傳輸設備對應的車載天線，以保證車-地無線能夠穩定可靠的支持互聯互通車輛跨線運行。

5 結束

互聯互通的層級包括互通互換及聯通聯運，互通互換是互聯互通最易于實現的目標，其目的是節約投資，對延伸線工程、共軌運營線工程、預留拆解線路工程項目執行有著明顯的優勢。聯通聯運是互聯互通的最終目標，目的在于減少換乘，提高服務質量，聯通聯運除CBTC系統支持外，還需要一系列的運營管理體系支撐，并且在現有的出行習慣基礎上得到乘客的接收和認可。

重慶軌道交通第二輪建設規劃中的4號線一期、5號線一期、10號線一期和環線工程已列入國家戰略性新興產業示范工程，以實現重慶軌道交通網絡化運營，其中5號線一期、10號線一期和環線工程列車控制系統已完成招標，重慶將成為CBTC互聯互通的試點城市。

隨著中城協互聯互通標準制定工作的穩步推進，CBTC系統的互聯互通勢必將成為今后城市軌道交通信號系統的建設目標，對信號系統的國產化起到一定的推動作用。

［1］中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會.CZJS/T 0033-2015 城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統（CBTC）接口規范—互聯互通接口規范［S］.2015.

［2］朱翔.實現基于通信的列車控制互聯互通的若干思考［J］.城市軌道交通研究，2006， 9（9）：6-8.

［3］ UNISIG.SUBSET-036 FFFIS for Eurobalise［S］.2012.

The interoperability is the developing trend in domestic urban rail transit industry. Through regulating the overall system structure， telecom protocol and engineering design specification， the interoperability and cross line operation can be realized on the signal system level under CBTC and its degraded mode.

urban rail transit； signal system； CBTC； interoperability

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.014

（2016-04-26）