中韓CBTC系統互聯互通研究及應用

馮浩楠，馬曉姣，董成文，4，李 娜，王云霞

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，北京 100081； 3.中鐵檢驗認證中心有限公司，北京 100081； 4.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081)

引言

CBTC(Communication based on train control)系統具有安全可靠性高、追蹤間隔短等優點，成為地鐵等城市軌道控制系統的首選方案[1]。

IEEE1474.1(2004)作為CBTC系統的指導標準，沒有定義系統中的子系統(設備)之間的協議，因此無法支持CBTC系統之間的互聯互通，也不支持無人駕駛等功能[2]。地鐵運營商為了減少系統接口、降低系統實際應用中維護量等需求，需要不同線路之間的CBTC系統具備互聯互通功能[3]?；诒緡鴮嶋H運營特點，中國韓國制定了適合本國國情的CBTC系統互聯互通協議，CBTC系統的互聯互通成為城市軌道交通控制系統的重要發展方向。

1 中韓CBTC系統互聯互通研究歷程

2014年，中國城市軌道交通協會推動實施城市軌道交通信號系統建設的互聯互通，2018年底編制并發布中國CBTC系統互聯互通接口規范，包括4組17部分，涵蓋系統、接口、測試和工程的關鍵領域[4]。基于此標準，4家中國CBTC集成廠商，將重慶軌道交通4號線、5號線、10號線和環線4條新建地鐵作為中國CBTC系統互聯互通示范工程。

2010年起，韓國運營商為了實現國外引進的CBTC系統能夠互聯互通，在CBTC系統的功能需求和國際標準的基礎上，重新定義CBTC子系統之間的協議，韓國鐵路標準(KRS)成為指導韓國各條運營路線互聯互通操作的重要標準，指導韓國無線通信列車控制系統(KRTCS)完成性能評估和安全評估[5]。KRTCS系統支持互聯互通和無人駕駛功能，在釜山、龍仁等輕軌線路應用[6]。

中國和韓國CBTC系統互聯互通指導文件及相關標準，涵蓋系統需求、設計開發、接口和測試等階段，從系統總體需求、系統架構、系統功能、系統接口、系統測試和工程應用6個方面對中韓兩國CBTC互聯互通的研究進展進行對比分析，為中國自主化的CBTC廠商走向世界提供借鑒意義，同時為下一步中國互聯互通CBTC系統的發展指明方向。

2 中韓CBTC系統互聯互通對比

2.1 CBTC系統互聯互通總體需求對比

中國互聯互通標準和韓國KRS標準在制定CBTC系統時，都遵循IEC62290-1， IEEE 802.3，IEEE1474.1和IEEE 1474.3等國際標準。

2.1.1 設計安全原理

中韓CBTC系統的設計理念都遵循故障安全原則，即系統的一個或多個部件或模塊發生故障，或輸入信號丟失、計算錯誤、軟件錯誤等情況下，系統不應該發生危險的輸出或影響列車運行安全。

2.1.2 系統功能需求劃分

CBTC系統的功能劃分為車載系統和地面系統，具體包括ATP(Automatic train protection)功能、ATO(Automatic train operation)功能、ATS(Automatic train supervision)功能和CI(Computer interlocking)功能，如表1所示[7]。

表1 CBTC系統互聯互通功能需求

2.1.3 系統運行模式

中國CBTC系統互聯互通中定義列車具有的運行模式包括：列車自動駕駛模式(AM)；受控人工駕駛(CM)；限制人工駕駛(RM)，非限制人工駕駛模式(EUM)，其中AM和CM為列車正常運行模式[7]。

韓國互聯互通CBTC系統的列車運行模式包括：全自動駕駛模式，自動駕駛模式，手動駕駛模式，緊急駕駛模式，基本駕駛模式，無人模式，待機模式和關閉模式，最后3種模式與用戶要求相關[5]。

2.1.4 系統性能要求

中韓CBTC系統互聯互通協議在列車位置測量精度、列車速度測量的精度、車地通信時延、列車回退等關鍵技術指標都進行規定，對比如表2所示[5，7]。

此外，中國CBTC系統互聯互通標準對系統的安全性、可靠性、可維護性和可用性指標進行定義，如表3所示[7]。

表2 中韓互聯互通CBTC系統性能

表3 中國互聯互通CBTC系統子系統的安全性、可靠性、可維護性、可用性技術指標

2.2 互聯互通CBTC系統架構對比

CBTC系統的基本架構按照地理位置分為兩大類：軌旁設備和車載設備，前者包含軌旁ATP(ZC)，CI，ATS、PSD(Platform screen door)、LEU和應答器；后者包括車載ATP和車載ATO。地面設備與車載設備通過數字通信網絡DCS(Digital communication system)系統進行通信，DCS系統選用W-LAN或者LTE-R實現通信?；ヂ摶ネ–BTC系統架構如圖1所示。

圖1 互聯互通CBTC系統架構

圖1中實線的接口1～5在中韓互聯互通協議中都進行了規定；點劃線接口6僅在韓國互聯互通協議中進行了規定；虛線接口7～12僅在中國互聯互通協議中進行了規定。

2.3 互聯互通CBTC系統功能對比

中韓互聯互通CBTC系統中的關鍵子系統的功能對比如表4所示。

2.4 CBTC系統互聯互通接口對比

雖然中韓互聯互通CBTC系統架構存在區別，但是包含的關鍵子系統之間信息安全交互流程基本相同，通信傳輸過程分為3個層次：鏈路層、安全數據層和用戶數據層，其安全傳輸通信模型如圖2所示[8]。

表4 中韓互聯互通CBTC系統中關鍵子系統功能

圖2 互聯互通CBTC系統通信傳輸框架

2.4.1 鏈路層

一般來說，可靠和安全的重要設備在設備之間的接口鏈路配置使用TCP/IP協議，中國CBTC系統互聯互通方案中，車地通信采用TCP/IP協議，地面設備之間的通信采用UDP/IP通信協議。中國與韓國互聯互通CBTC系統設備間應用層通信協議對比如表5所示。

2.4.2 安全數據層

安全數據層的作用是應對傳輸過程中可能出現的風險，完成對用戶數據的保護，滿足CBTC系統的功能要求[9]。中韓CBTC系統互聯互通安全數據層對比如表6所示。

表5 中韓互聯互通CBTC中關鍵子系統(設備)間應用層通信協議

表6 中韓互聯互通CBTC系統中關鍵子系統(設備)安全數據層

2.4.3 用戶數據層

(1)用戶數據層數據結構

中韓CBTC系統互聯互通協議的用戶數據結構均為可變長度，由子系統間傳輸信息量決定，為通用字段和特殊字段組成。通用字段信息屬于安全防護范圍，主要保證信息時效性和有效性；特殊字段由相互聯通的設備提供商溝通確定，確保各個廠家的設備在使用過程中發送和接收信息能夠被充分有效使用[8]。韓國的通用字段包括消息ID、消息總長度和發送和接收方標識信息；特殊字段的報文內容由變量或者數據包組成[5]，如表7所示。

(2)用戶信息的互聯互通內容

由圖1可知，韓國的互聯互通CBTC系統中的關鍵子系統接口有6類，這6類的中國和韓國的用戶信息比較如表8所示。

表7 中韓互聯互通CBTC系統中關鍵子系統用戶數據結構

表8 中韓互聯互通CBTC系統中關鍵子系統(設備)間應用層通信協議

此外，由圖1可知，中國互聯互通CBTC系統中關鍵子系統接口協議還定義了ATS-ATS之間[11]、CI-CI之間[12]、應答器報文規范[13]、各個信號子系統與MSS(Maintenance support system)系統之間[14]、ATP/ATO系統與車輛的接口[15]、車載人機界面[16]的技術要求。

2.5 中韓互聯互通CBTC系統測試對比2.5.1 中韓互聯互通CBTC系統供應廠商

在互聯互通測試方面，中國的4家CBTC供應商為每條新建線路單獨提供一套完整的CBTC系統，不同廠家的列車在不同線路上交叉運行，實現互聯互通性能驗證測試。韓國的設備供應商提供子系統組成一套完整的CBTC系統，對一條既有線路進行升級改造，跑車試驗驗證互聯互通性能。中國和韓國互聯互通CBTC系統的系統(設備)供應商及產品信息如表9，表10所示[17]。

表9 中國互聯互通CBTC系統(設備)供應商

表10 韓國互聯互通CBTC系統(設備)供應商

2.5.2 中韓互聯互通CBTC系統試驗

中國互聯互通CBTC系統測試包括實驗室測試和現場測試兩個階段。4家中國互聯互通CBTC系統供應商，采用真實系統與仿真系統結合的方式，在重慶龍鳳溪搭建集成測試實驗室，驗證互聯互通CBTC系統的功能，如圖3所示[3]。

圖3 中國互聯互通CBTC系統集成測試實驗室

KRTCS的性能和互聯互通功能測試在既有線路——莫克波附近的大佛線(伊洛站到大堡站，11.25 km)作為實驗線路，線路如圖4所示，站場平面如圖5所示。在5個地方臨時安裝WLAN和LTE-R，用于列車控制系統的無線通信網絡。伊洛站安裝了ATS系統、軌旁ATP系統、CI系統；大佛站安裝CI系統、道岔、信號機和PSD，驗證軌道占用控制功能和無人駕駛功能。軌道每隔200 m安裝1組應答器，糾正ATP計算的列車位置誤差。測試列車的前部和后部分別配備了1套車載ATP/ATO系統。同時，安裝TCMS(列車控制與監控系統)和相關的TGIS(列車圖形信息系統)監控列車運行狀況[18-20]。

圖4 KRTCS系統測試線路

圖5 KRTCS測試線站場平面

2.5.3 中韓互聯互通CBTC系統測試內容

中國互聯互通測試規范中定義的測試內容包括的CBTC系統的74個功能點，分為共線和跨線，其中共線的接口/功能和數據測試組合有12種；跨線接口/功能和數據測試組合共6種，測試分3個階段進行測試：(1)設計與實現階段，由廠商內部獨立測試；(2)室內平臺測試階段，各個廠家在互聯互通實驗室平臺進行測試；(3)試驗線階段，各廠家的車輛進行現場測試。測試內容分為6部分：(1)與設備安全相關；(2)與車輛接口相關；(3)與線路相關的列車運行功能；(4)與繼電接口相關功能；(5)網絡相關功能；(6)運營相關功能。中國互聯互通測試規范對74個系統功能點的測試方法、測試階段等內容進行了詳細規定[21-22]。

KRS標準按照地面設備和車載設備，對其測試內容、測試標準、測試步驟進行了規定。對系統(設備)的型式試驗包括外觀檢查、功率波動測試、低溫測試、高溫測試、溫度循環測試、高溫高濕測試、EMC測試、絕緣測試、振動測試、沖擊測試、防水防塵測試和組合測試[5]。KRTCS系統的綜合性能測試如表11所示。

表11 KRTCS系統綜合性能測試列表

2.6 中韓互聯互通CBTC系統工程應用

中國互聯互通CBTC系統示范工程選取4條重慶新建線路，線路如圖6所示，其線路信息如表12所示。

韓國CBTC系統互聯互通線路Shin-lim輕軌7.76 km，設計支持無人駕駛，最短運行時間為2 min。為了將KRTCS系統應用于此線，對Shin-lim輕軌信號進行升級改造，在站臺上安裝PSD和緊急停車按鈕等安全設備，互聯互通協議定義了ATO和PSD之間的控制操作；站臺緊急停止信號可與KRTCS系統的軌旁ATP系統關聯，在緊急情況下可以禁止列車進入站臺。Shin-lim輕軌現場系統詳細設計如表13所示[17]。

圖6 中國CBTC互聯互通示范工程線路

表12 中國CBTC互聯互通示范工程線路信息

表13 Shin-lim輕軌線路信號系統詳細設計

3 結論

中韓兩國通過示范工程，證明了各自的CBTC系統互聯互通的可行性。通過對CBTC系統中子系統間接口的標準定義和配置，實現CBTC系統的互聯互通和標準化，擴大系統的適用性。此外，CBTC系統的互聯互通增強了信號系統(設備)制造商之間的市場競爭，通過一個標準化的平臺，降低系統建設成本和維護成本，擴大了信號系統的市場經濟規模。中韓CBTC系統互聯互通存在主要差異如下。

(1)韓國互聯互通的CBTC系統應用于既有線路改造中，對既有線路升級的過渡方案進行了探索研究；中國的CBTC系統互聯互通示范工程的4條線路均為新建線路，沒有既有線路改造帶來的問題。隨著中國其他城市軌道交通升級改造，如何將既有線路的信號系統升級為互聯互通CBTC系統仍需進一步研究。

(2)韓國互聯互通CBTC系統支持全自動駕駛操作，中國互聯互通示范工程暫時無此項需求。隨著FAO系統在中國地鐵中的廣泛應用，后續支持全自動駕駛操作的互聯互通研究仍需進一步加強。

(3)中國互聯互通方案是基于系統級，系統(設備)供應商為一條地鐵線路提供一整套完整的CBTC系統，通過在車地接口的互聯互通，實現列車共線混跑，因此CI與地面ATP系統(ZC)間的接口為供應商內部自行定義；韓國互聯互通方案是基于子系統級，通過對CBTC系統中各個關鍵子系統接口的標準化，實現不同廠家設備的替換。

(4)韓國CBTC系統互聯互通規范KRS內容涉及系統設計、接口和測試等環節。與韓國標準相比，中國CBTC系統互聯互通規范涉及范圍更廣泛，涉及系統全生命周期，除了系統設計開發、系統結構和試驗外，還對工程設計[23]、安全評估[24]和交付條件[25]等施工過程也做了詳細規定，利于工程實現。