城市軌道交通信號系統互聯互通工程應用關鍵技術淺析

趙 青

0 引言

目前，國際上較通用的列車控制系統中，歐洲的ETCS（European Train Control System，歐洲列車控制系統）應用已較為成熟，得到了歐洲各國鐵路公司和供貨商的廣泛認可，歐洲鐵路已經有部分線路成功實現了互聯互通；美國紐約市采取3 家企業（西門子、阿爾卡特、阿爾斯通）合作的形式搭建列車控制系統，但至今未達到互聯互通的投運條件；日本東京軌道交通線路基本實現互聯互通，但由于未統一標準，列車加裝多套信號車載設備，需由人工手動切換。

在國內，為保證各地鐵線路的列車安全可靠運行，所有線路均采用單線運營，本線路的車輛及其車載信號系統只能與本線路的地面信號系統進行“交流”，乘客通過步行換乘不同線路列車。隨著國內軌道交通事業的快速發展，人們對公共交通便利性的要求越來越高，城市軌道交通線網的互聯互通研究成為熱點。

1 互聯互通現狀

軌道交通運營商基于多方面探索實現不同線路互聯互通的途徑和技術：

（1）采用同一廠商相同制式的信號系統。如上海地鐵在六、七、八、九號線4 條線路設計時，提出進行4 條線捆綁招標。

（2）在地面加裝多套信號設備。如香港將軍澳線，基于SACEM 系統，在保證車載設備不改造的情況下，采用在地面安裝多套軌旁設備實現線路間的互聯互通。

（3）采用通用的信號車載設備。如北京地鐵八通線采用通用式機車信號，實現國產LCF-100（DT）車載設備與英國西屋地面信號系統的兼容。

（4）重慶軌道交通互聯互通應用工程基于統一的、規范的、標準的信號系統互聯互通設備配置，實現了真正意義上的信號系統互聯互通，乘客無需通過換乘就可以到達目的地，實現“大站快車”運營模式，從而便利乘客出行，縮短出行時間[1]。

2 信號系統互聯互通關鍵技術

重慶軌道交通自主信號系統項目示范應用工程實施主要由4 家集成商、3 家安全認證單位、2家LTE 廠商和骨干網廠商組成。

該項目共設置4 處聯絡線，分別是重慶西站（5號線、環線）、民安大道站（4 號線、環線）、南湖站（10 號線、環線）和重慶北站（4 號線、10 號線）。各集成商的系統架構設計、功能實現方式等有所不同，對已發布的城市軌道交通技術規范或標準理解也存在偏差；各認證單位在安全分析、安全管理及危害處理等方面存在差異，這也就從不同方面增加了實現“互聯互通”的難度。下文將對重慶市軌道交通“互聯互通”工程的幾項關鍵技術進行分析。

2.1 統一互聯互通信號系統的需求及系統架構

統一的信號系統架構是實現互聯互通的基礎，統一的系統需求又是統一系統架構的前提。典型的信號系統由CI（聯鎖系統）、ATS（列車自動監控系統）、ATP/ATO（列車自動防護/駕駛系統）及DCS（數據通信系統）等子系統組成，由于不同線路需求和各廠商的子系統功能實現方法不同，設計的原則也不同，因此系統總體架構和功能分配也不相同。通過多方面調研，確定了本工程的互聯互通信號系統架構（圖1）和網絡架構（圖2）。

圖1 重慶市軌道交通互聯互通信號系統架構

圖2 重慶市軌道交通互聯互通網絡架構

在系統功能分配方面，制定了《CBTC 互聯互通系統總體需求規格說明書》、《CBTC 互聯互通系統功能需求分配技術要求》及各子系統需求規格說明書，識別了CBTC（基于通信的列車自動控制系統）下所有系統和子系統的互聯互通需求，并對功能分配進行了定義，解決了功能需求差異的問題。

2.2 統一設計原則

不同的設計原則制約著功能的實現，統一的工程設計原則在信號系統互聯互通中起著至關重要的作用[2]。

通過收集匯總對比各方設計原則，形成各方適配的統一設計原則等，包括站臺精確停車應答器設計原則、信號機配套應答器設計原則、區間應答器布置原則、填充應答器布置原則、信號機布置原則、計軸設備布置原則。根據各方車輛和各條線路的最差情況計算設計參數，包括保護區段長度、接近區段長度、觸發區段長度、列車進路延時解鎖時間、保護區段計時解鎖時間、MA 安全防護距離等。強制性要求了車載無線天線（移動授權）、應答器天線的安裝位置及應答器的安裝高度等，保證不同列車在不同線路上與應答器的通信正常。

2.3 統一接口設計

CBTC 互聯互通必須滿足配備不同車載設備的列車可以跨線運行，與其他線路的地面設備正常進行指令傳輸，并能夠提供完整的列車自動防護和駕駛功能，這就要求所有車載設備和地面設備具有統一的接口設計，保證通信協議的一致性。

在本工程中制定了統一的功能需求和實施方案，統一了車載設備-聯鎖設備（VOBC-CI）、車載設備-區域控制器（VOBC-ZC）、車載設備-ATS系統（VOBC-ATS）、CI-CI、ZC-ZC、ATS-ATS 6 個互聯互通接口功能。6 個互聯互通接口及其對應功能如表1 所示[1]。

表1 接口統一功能

上述接口功能中，ZC 切換功能為制約本工程的一個技術難點。因為各廠商ZC 內部使用的信號機狀態不一致，且受傳統聯鎖接口影響，較難統一；聯鎖關系中“或空閑”、“與占用”邏輯不同，導致基于相同的軌旁設備狀態跨線2 個ZC 計算的移動授權不同；ZC 內部ARB（Always Report Blocking，自動判斷計軸故障占用）判定狀態理解不一致（有的認為通過計軸區段ARB 狀態判斷后續CBTC 列車MA 是否可越過該區段，有的認為通過列車序列等狀態判斷后續CBTC 列車MA 是否可越過該區段）。通過多次研討，最終確定移動授權的方案如圖3 所示。當列車位于ZC1 控制區域內（未進入ZC 重疊區），MA 授權到ZC1 和ZC2 的分界點；當列車進入ZC 重疊區后，同時接收ZC1 和ZC2的移動授權信息，列車的MA 延長至圖中MA_ZC1+ZC2 處。

圖3 Z C 重疊區MA 授權示意圖

2.4 統一通信方式

本工程采用了基于CBTC 線路的LTE 互聯互通綜合業務承載網，車載設備-地面設備無線通信統一采用1.8 GHz 的LTE 技術，1 785～1 790 MHz、1 800～1 805 MHz 頻段是信號互聯互通車輛和地面無線通信專用頻段。互聯互通LTE 系統結構如圖4 所示。

圖4 互聯互通LTE 系統結構

LTE 系統需要互聯互通的接口包括Uu 接口、S10 接口、S5 接口、S6a 接口。Uu 接口是數據終端與LTE 基站之間的接口；S5 接口是S-GW（Serving GateWay，服務網關）與P-GW（PDN GateWay，PDN 網關）間的接口，提供S-GW 和P-GW 間用戶的隧道管理功能；S10 接口是MME間的接口，用于MME 間傳送控制信息；S6a 接口是MME 和HSS 間的接口，用于傳輸用戶相關數據及鑒權信息。

設備之間通過A、B 雙網（包括無線和有線網絡）實現冗余通信，其中A 網和B 網相互獨立且互為熱備，提高設備間通信的可用性。雙網冗余連接如圖5 所示。

圖5 雙網冗余連接

為確保數據通信的安全可靠性，數據通信采用安全通信協議：車-地設備之間通信使用RSSP-2 安全協議；地-地設備之間通信使用RSSP-1 安全協議，且設備連接方式兼容。RSSP-1 和RSSP-2 系統通信模型如圖6 所示[4]。

圖6 RSSP -1 和RSSP-2 型系統通信模型

2.5 統一電子地圖描述方式

電子地圖是存儲在車載設備中的線路圖[5]。車載ATP/ATO設備向地面ZC設備報告列車位置，地面ZC設備計算列車移動授權（MA）并將其發送給車載ATP/ATO，車載ATP/ATO根據存儲的電子地圖對MA的有效性進行檢查，從而判斷MA是否在ATP/ATO所識別的范圍內。

在傳統的CBTC 系統中，車載設備僅存儲本線路的電子地圖，但在互聯互通工程中列車需要跨線運行，這就要求車載設備必須存儲所有互聯互通線路的電子地圖，因此要求所有互聯互通的線路區域應采用統一的電子地圖描述方式。

線路的電子地圖描述方式包括使用計軸區段描述、使用公里標描述、使用虛擬區段描述等方式，在本項目中統一使用虛擬區段描述。

線路信息主要包括軌道區段、應答器、道岔、信號機、站臺、折返區域、坡度等信息，這些信息構成了電子地圖的主要描述元素。本工程編制了統一的車載電子地圖規范，對這些元素進行定義，如信號機可劃分的種類、應答器的種類及相應用途等，并提取重疊區域共用的進路、保護區段、邏輯區段、物理區段、接近區段、觸發區段，形成統一的地面重疊區電子地圖。

本工程規定了電子地圖采用統一的平臺錄入數據，規定了數據錄入的信息。

較以前電子地圖，本工程的電子地圖補充了各線IP 規劃表、各線列車加速度、地面設備間通信參數、相鄰線路上重疊區域范圍內的ZC、ATS、DCU 設備編號，保證跨線運營時車載設備能正常與地面設備通信。

2.6 其他技術

為實現車輛在不同線路上的互聯互通，不僅需要依靠信號系統的控制，還需要采用相應的運營組織和管理模式作為保障。本工程統一了跨線、共線運營組織和管理模式，建立全網的行車信息統一監視系統，編制全網統一運行圖，調整跨線運行圖，完善全局應急處理和指揮突發事件預案等，保證全線網的互聯互通及跨線共線運營。

3 結語

重慶市軌道交通信號系統互聯互通示范應用工程在市政府、協會和各集成商及安全認證單位等各方的努力下，采用自主化技術攻克多個技術難題，實現不同裝配列車的跨線運行--互聯互通，有力提升了我國城市軌道交通信號系統裝備技術水平，增強了國際競爭力和影響力，為今后我國城市軌道交通、高速鐵路信號系統互聯互通的技術發展和工程應用研究奠定了基礎，提供了借鑒。