重慶都市快軌運營控制系統構想

劉皓瑋，劉實秋，易志剛

為了促進形成以重慶為核心的大都市區空間結構，重慶市提出了軌道交通一體化發展戰略，構建干線鐵路、都市快軌、地鐵等多網合一的軌道交通網絡體系。通過建設都市快軌運營控制系統，協調軌道交通路網運營，與多種交通形式協作，提升主城內部、主城與外圍核心功能組團間出行效率和能力。由于運營控制系統與運營組織模式、信號系統等密切相關，同時新技術、新裝備日趨成熟可靠，既有的鐵路、地鐵等控制系統方案無法生搬硬套到重慶都市快軌，因此有必要提出一種先進、適用的運營控制系統方案。

1 都市快軌需求特征分析

都市快軌交通主要承擔中心城區與周邊城市間的快速聯系［1］，交通服務范圍介于國鐵干線與城市軌道交通之間。

1）運營需求與基礎設施條件。都市快軌線路運營里程較長，主城區線路平均站間距約5 km，設計速度為120～160 km/h，外圍線路平均站間距約10 km，設計速度為120～200 km/h。擬采用基于LTE 技術的無線通信系統，兼容普速鐵路信號制式。

2）運營組織模式。都市快軌通勤客流占比較大，最小追蹤間隔5 min，以客流為導向，在線網內組織交路。都市快軌與城市軌道、高速鐵路在主城區鐵路站點、江北國際機場、重點開發區域等處，實現客流換乘的網絡化銜接。為了提高旅客出行的便利性，都市快軌與普速鐵路可貫通運營。

3）城市軌道信息互通。都市快軌與城市軌道銜接緊密，主城區每條線路考慮每個站點與1～3條城市軌道線路換乘，通過以行車計劃為核心的行車信息共享，實現協調運營、聯合互動和聯合應急。

4）公共信息融合互動。都市快軌不單考慮軌道交通路網提供的交通服務，還應及時掌握氣象、重大社會活動等相關狀態，以及與地鐵、鐵路、民航、水運、公交巴士等旅客交通的銜接問題。

5）集中化運營管控體系。為了更好地滿足都市快軌、干線鐵路、城市軌道三網融合的需要，形成高效銜接、快慢組合的大都市區軌道交通一體化網絡。都市快軌擬采用“三層管理、三級控制”管理控制模式，物理布局采用集中式，將線網指揮中心和線路控制中心合設于都市快軌運營控制系統內，同步建設災備中心。運營控制系統內設置6 大功能中心：線路控制中心（OCC）、線網指揮中心（TCC）、應急指揮中心（ETC）、票務清分中心（ACC）、信息編播中心（ICC）和數據分析中心（DIC），其中OCC、TCC、ETC 合設于中央控制室，實現業務整合。

2 運營控制系統方案分析

2.1 國家鐵路運營調度系統

國家鐵路運營調度系統采用3級調度指揮架構，包括總公司調度指揮中心、調度所和基層站段，從形式上相對獨立，內容上又充分體現體系化特征［2］。運營調度系統由列車調度指揮系統與調度集中系統（TDCS/CTC）、運營調度管理系統（TDMS）、電力監控系統（PSCADA）構成，采用互聯集成方式實現信息共享。TDCS/CTC 系統負責列車運行監督、列車運行計劃調整等調度指揮功能；TDMS系統實現營銷計劃編制、車輛調度、維修調度、供電調度、客服調度和貨運調度等管理功能；PSCADA 系統實現牽引供電和電力配電設施監視及控制等功能。

該運營調度系統經過二十多年的建設，不斷升級完善，能夠滿足我國鐵路網客貨混行的運輸需要，為各專業提供了業務應用系統。但各業務應用系統為柱狀結構，相互獨立、自成體系。同時，各業務應用系統出于信息安全保護考慮，以及受系統架構、信息語義、編碼等限制，形成信息孤島，嚴重影響各業務應用系統間的連通性和互操作性，制約了業務協調和管理創新，在應對各類突發事件時，造成信息交流與指令傳輸不暢。運營調度系統受制于龐大的規模，信息互通、業務互動困難，在系統整體結構上存在先天不足。

2.2 地鐵運營控制系統

地鐵運營控制系統采用線網中心、線路中心和車站3 層分布式結構，線網中心運營控制系統和線路中心運營控制系統分別設置。同時地鐵運營控制系統的設置需根據軌道交通線網規模和建設時序等因素不斷調整，以滿足不同階段的運營指揮要求［3］。線網中心運營控制系統可以滿足調度指揮協調、乘客服務監察，以及機電設備、防災和安全監督等運營管理需求，為安全行車和調度指揮提供應急處置方案及信息服務。但目前地鐵線網中心運營控制系統只對線路進行調度協調，不能干預線路具體的調度指揮，無法做到各條線路的聯動控制，在一定程度上降低了整體網絡管理效率。

線路中心運營控制系統對通信、信號、供電、機電設備系統進行集中控制，保障乘客的安全和列車運行計劃，提高對軌道交通的服務質量和綜合運營效率，實現線路的運營目標和運營安全。通過信息共享、信息互通，實現系統之間的業務關聯與事件聯動，實現線路級的應急預案調用和系統間協調，提高對事件的反應能力和速度。但線路中心運營控制系統僅能對每條線路做單獨的調度協調，無法從整體軌道交通網絡全局進行最優化管理，降低了運輸效率。

2.3 市域軌道交通控制系統

市域軌道交通通常將線網中心與線路中心在控制中心合并設置，采用控制中心和車站2 級控制模式。控制系統采用調度集中系統（CTC），信號系統采用CTCS2+ATO，滿足市域軌道交通的運營速度和運營密度等需求。控制系統獨立設置，集成度不高，信息共享不暢。

控制中心合并設置既有利于同時實現路網協調和線路控制，提高協同效率，也有利于應急指揮路網級的協調和應急資源的調配。市域軌道交通基本都已考慮應急情況下的線網協調控制問題，但目前采取的在控制中心分設應急指揮中心和災備中心的方式投資大、經濟性較差，如果將應急指揮中心和災備中心合設，雖經濟性方面略有提高，卻無法解決異地問題。因此，如何更好地解決緊急情況下整體系統的控制管理問題，應在設計運營控制系統構架之初就給予考慮。

對比分析國家鐵路運營調度系統、地鐵運營控制系統，以及市域軌道交通控制系統的體系架構，發現現有的運營控制系統在結構、效率和關聯度等方面都存在問題，無法適應重慶都市快軌的發展需求。因此，需要構建一種適用于重慶都市快軌的運營控制系統。

3 重慶都市快軌管理架構

重慶都市快軌擬采用“三層管理、三級控制”的管理控制模式，見圖1。三層管理包括線網指揮中心TCC、線路控制中心OCC 及車站控制層，三級控制包括控制中心層、車站控制層及現場執行層［4］。重慶都市快軌運營控制系統區別于以往軌道交通之處，是在運營控制中心可同時實現線路運營控制、線網運營協調和應急指揮的功能。

圖1 重慶都市快軌管理控制模式

3.1 線路運營控制功能

都市快軌運營的基本原則是安全、高效地完成客流的集散。線路級的運營控制主要負責單條線路的運營控制，包括指揮調度、設備監控、突發事件應急、數據交換管理等功能，具有較高的可靠性和較快的響應性。在正常運營情況下，負責列車運行的調度指揮和各個系統運行狀況的監控；在非正常運營情況下，負責協調各個系統聯動運作，從而及時響應突發事件。

1）負責協調本線路的組織運營，實現基本日常調度，包括行車調度、電力調度、環控調度、維修調度等。

2）實現對本線路用電設備運行狀況的監控。各設備負責收集自身的工作狀態等數據，并傳送給運營單位的設備管理人員及時掌握。同時，為了保障相關系統各類設備正常有效的運營，應根據現場的實際運營情況，對各類不同的設備進行實時、全方位的監視、控制。

3）完成突發事件的指揮及恢復工作。在突發事件發生后，各級管理人員可掌握緊急事件的變化情況以及當前的行車信息，及時下發行車命令，保障乘客人身和財產安全。

4）實現與上級管理部門及外部單位之間的數據交換和資源引入。將電力系統的主要狀態數據反饋給城市電力調度中心，火災報警系統需與城市消防系統進行數據交換和聯動。

5）實現運營部門與乘客之間的信息交流。通過車內廣播、線路標識、自動售檢票系統、乘客信息系統、手機客戶端、服務熱線電話等，實現乘客與運營部門之間的信息共享與交流。

3.2 線網運營協調功能

都市快軌控制中心是為適應網絡化運營條件下的多線路運輸協調需求，以及在突發情況下對各線路處置而設置的控制中心機構。由于在傳統運營管理模式下，各站點、各線路之間信息相對閉塞，因此很難發現潛在的故障并做出防控，最終導致事態朝著更嚴重的方向發展［5］。線網運營協調是從整體線網角度出發，協調不同線路的統一運作，方便各個線路和諧運營，使各個線路的運營成本最低而運營效率最高，合理分配各個效率的運輸力量；同時指揮處理各類突發事件，降低事故損失，并且連通城市軌道與相關管理部門，加大運營監督力度，提高整個城市軌道系統的運營管理能力和服務水平。

1）監督管理功能。監視各運營線路列車的運行、服務水平以及客流狀況，確保列車安全準時運行，保障運營服務水平。

2）運營管理功能。實現各系統功能的統一管理，包括運營計劃安排、行車調度、客流組織與設備維護等內容。同時，實現與政府平臺、其他市政交通指揮系統、氣象系統的接口互通，滿足運營管理所需的各項服務指標。在突發事件和大客流情況下，實現不同運營主體的協同處置。

3.3 應急指揮功能

運營控制中心的應急指揮功能遵循“平戰結合”的原則，日常情況下能夠對各條線路主要運營信息進行實時采集，監視各線運營情況；當發生重大緊急事件時，可隨時進行各線路的協調指揮及應急處置。

在日常正常運營情況下，應急指揮不參與各線路的控制及運營管理，對各線路的運營控制情況只監視不控制。在突發事件情況達到一定響應級別后，按照應急處置預案，對相關各線路發出協調指令或指揮指令，通過系統平臺，監視、管理各個線路的運營，集中指揮與協調，對外部系統實現信息溝通、信息共享。

4 運營控制系統實現方式

由于重慶都市快軌具有客流密度高、潮汐性強等特點，運營控制系統對信息化提出了很高的要求，因此結合運營控制系統需求及功能分析，將整體運營控制系統搭建在云平臺上是最高效的實現方式。基于云平臺建立運營控制系統有助于節約運營成本、提高運營控制效率及信息共享程度。劉海建［6］等提出了基于云平臺的線網云平臺方案，孔立志［7］提出了建立在云平臺之上的鐵路綜合視頻監控系統，這些都對重慶都市快軌運營控制系統云平臺的搭建具有指導意義。

CTC 系統與城市軌道交通綜合監控系統（ISCS）等以集成方式，構成行車綜合自動化系統（TIAS）。TIAS 不僅可以實現都市快軌各條線路的運營控制功能，還可從整體線網角度進行統一的協調管理，并且將ISCS 與CTC 數據進一步融合后，可在緊急情況下做出及時處理，實現系統應急指揮功能。TIAS 系統主要由中心級系統、車站級系統、網絡管理系統（NMS）、設備維護管理系統（DMS）、仿真培訓系統（TMS）等構成。TIAS中心級系統位于都市快軌運營控制中心（主用）和災備中心（備用），主要為都市快軌OCC線路調度人員（主要包括行調、電調、環調、維調、總調、車輛調、乘調）、TCC 線網指揮人員、ETC 應急指揮人員服務。

TIAS系統提高了不同系統、不同專業的信息共享程度，為行調人員提供各相關專業，如城市軌道交通自動售檢票系統（AFC）及閉路電視監控系統（CCTV）等方面的信息，為電調和環調人員提供各線路的列車運行狀態及報警信息。同時，增強各業務間的聯動，便于總調人員根據獲得的“綜合”信息，以行車指揮為核心，處理各工種的調度信息［8］。

4.1 TIAS不同集成方案

TIAS 集成了信號、機電、通信等不同業務的應用功能，提供了統一的人機界面，具有豐富的跨系統聯動功能，極大提高了調度的工作效率［9］。CTC系統與ISCS系統等集成存在以下幾種方式。

1）界面集成。即ISCS 與CTC 系統的操作工作站集成，后臺服務器、網絡等依然各自獨立，在CTC 系統中顯示ISCS 與信號的接口界面，界面集成后構成TIAS。界面集成僅給用戶提供了一個統一的用戶界面，ISCS 系統與CTC 系統關系相對獨立，其實質是集成后TIAS 與各系統間的信息互聯，對都市快軌運營整體的提升作用不大，無法為各系統間快速聯動和快速反應、機電系統綜合維修等提供新的功能和手段。

2）內嵌集成。由TIAS提供統一的硬件、統一的人機界面和統一的基礎數據平臺，ISCS 以及CTC 內核軟件均嵌入到TIAS 中，TIAS 系統和信號系統的物理接口界面在各設備集中站，邏輯界面在CTC系統內部的接口模塊，TIAS可直接與城際鐵路列車控制系統（URTC）系統接口。內嵌集成的基本思路是盡量保持CTC系統的完整性，提高都市快軌的運輸和管理效率。在實施過程中要充分考慮集成系統接口和功能界面的劃分，以及新的TIAS系統與URTC系統的接口和功能界面的劃分。內嵌集成方式工程實施難度較低，軟件方面不需要大量的二次開發，整體開發周期在可控范圍內。TIAS 統一提供的硬件和數據平臺還可在一定程度上降低各系統的采購成本，降低整體系統造價。

3）完全集成。即ISCS與CTC系統的軟硬件平臺完全一體化，深度集成為TIAS 系統，ISCS 與CTC只是作為TIAS的一個功能模塊而非獨立系統，各功能模塊之間可實現直接通信。TIAS系統可直接在各信號系統設備集中站與URTC系統接口。完全集成要求CTC與ISCS在硬件和軟件上都完全納入TIAS系統，真正做到CTC系統與ISCS系統集成為一個整體的TIAS系統。但需要在ISCS系統平臺上實現CTC 系統的全部功能，或在CTC 系統平臺上全面實現ISCS功能，這都將面臨大量的軟件重新開發工作，工程耗時較長且實施難度最大。

因此，從技術先進性要求和系統的發展趨勢，以及工程實際實施情況出發，都市快軌行車綜合自動化系統應采用內嵌集成方案。

4.2 整體云平臺方案

基于云平臺的重慶都市快軌TIAS 系統分為線網中心云平臺和實際車站層云平臺2 級物理架構，線路中心控制系統虛擬在線網中心云平臺，管理信息系統宜采用中心集中處理架構。運營生產各應用系統的服務器可通過云平臺，虛擬化部署在云計算資源池中，應用系統在車站級可采用瘦終端及云桌面；重要應用系統可在車站級部署硬件資源，作為車站降級處理使用。

在對CTC 和ISCS 系統進行集成后，具備ISCS功能的TIAS，不僅可直接實現對城市軌道交通機電設備的分層監控，而且可直接對各線路行車進行管控，在發生特殊事件時，可從整體線網層面進行各線路的協調控制。同時，TIAS 包含了集成的內部子系統與其他獨立子系統的互聯，真正實現了系統間的信息共享、系統協調、系統聯動。

現階段，多地已經積極開展ISCS“云”業務的嘗試應用，云ISCS 通過使用中心云資源池的服務云、桌面云統一替代傳統ISCS 服務器和所有工作站，以達到集中部署設備、優化系統資源的目的［10］；而CTC 還未完成云平臺的開發及搭建。采用內嵌集成方案，TIAS 可直接在目前ISCS 云架構的基礎上進一步研發，同時實現對CTC 的云平臺操作。基于云平臺構建的TIAS 可實現各類設備在云端的集中管理，便于設備日常維護，硬件資源共享，降低系統投入成本。而云TIAS 對系統網絡的要求較高，為保障不同系統在集成互聯后的邊界清晰，提高整體系統的安全性能，降低相關設備的部署難度，提高云平臺TIAS 的數據穩定性，應在中心和車站保留傳統物理前置處理器（FEP），在網絡層實現對集成、互聯系統的隔離。

5 結論

重慶都市快軌既不同于鐵路，也不同于地鐵，是滿足一類運營需求特征的定制化軌道交通，其運營控制系統通過TIAS 集成以及云平臺部署，能夠提高系統集成度和調度業務的聯動性，確保重慶都市快軌安全、高效運行。目前，該方案已納入重慶市都市快軌設計規范之中。