一種基于車載標準化的列車互通方案研究*

喬志遠

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上海∥工程師)

在上海的城市軌道交通線網中，既有線路的列車上線數和配屬數分布不均勻，不同線路間列車集中下線開展車輛架修和大修的情況經常發生，存在著需通過列車的互通運營來調節不同線路間列車資源配屬的需求。“十四五”期間，上海有多條城市軌道交通線路將陸續啟動信號的大修更新改造工作。本輪改造需結合功能優化和運能提升，以及與既有系統兼容、改造期間盡量避免影響正常運營等方面因素，統籌考慮列車在不同線路間互通的可行性，以實現線網內列車資源的集約化管理。

1 列車互通方案現狀分析

目前行業主流的互通方案為“基于通信列車運行控制系統互聯互通”。該方案基于統一的規范、協議，使裝備了不同信號廠家車載設備的列車可以在裝備了不同信號廠家軌旁設備的1條軌道交通線路或多條軌道交通線路上實現無縫互通、安全可靠運營。信號統一協議架構如圖1所示。

注：ATS——列車自動監控；Balise——應答器；CI——計算機聯鎖；DCS——數據通信子系統；DSU——數據存儲單元；VOBC——車載控制器；ZC——區域控制器。

互聯互通的實現，一方面需完善頂層規劃，確保軌道、供電、車輛、信號、導乘、無線調度、綜合監控等與行車相關的專業支持列車具備在不同線路間跨線運營的基礎條件；另一方面，不同信號系統間需統一系統功能劃分、子系統接口、安全分析、工程設計(如軌旁設備和信標天線安裝位置、數據庫設備編碼規則等)、測試驗證、軟件升級管理和安全驗證原則，以保證列車在不同線路間跨線運營的安全、高效。

《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》明確2025年列車智能運行的目標：與其他信號制式軌道交通的區域互聯互通取得突破性進展。重慶軌道交通4號線、5號線、10號線、環線等4條線路的CBTC(基于通信的列車控制)互聯互通的國家示范工程已完成結題，并成功開通了4號線至環線在平峰時段的大站車運行班次。中國城市軌道交通協會在“CBTC互聯互通的國家示范工程”實施的基礎上制定了17個CBTC互聯互通團體規范，并且將互聯互通CBTC納入了第1批的《城軌產品認證目錄》。基于此，國內多個城市新建的城市軌道交通工程也以實現互聯互通作為建設的目標之一。

2 上海城市軌道交通線網互聯互通的可行性分析

2.1 基于通信的互聯互通方案

2016年6月，上海市科學技術委員會將《軌道交通互聯互通CBTC系統關鍵技術及核心裝備研制》立項，在張江試驗線的3站2區間內完成了卡斯柯公司生產的軌旁設備與電氣泰雷茲生產的車載設備的共線測試工作，該項目于2019年7月完成驗收。同時，基于該項目進度，同步制定了編制32個上海市地方標準的工作計劃，目前已有24個標準的編制工作已完成，且具備了在城市軌道交通新線路中實施開展基于通信的互聯互通的前提條件。

2.2 基于“車載標準化”的互通方案

上海的城市軌道交通線路建設起步較早，其中的1號線南段于1993年開通試運營，至今運營已達28年。既有線路早期設計時未充分考慮、匹配“基于通信的互聯互通方案”的線路設計、規劃。既有線路間設立聯絡線的目的是為了實現列車/工程車的轉線。只有部分線路之間設有聯絡線，且這些聯絡線多為單線設計，在不進行土建專業大規模改造的情況下無法支持線路間的互聯互通運營。上海城市軌道交通線網聯絡線情況如表1所示。

表1 上海城市軌道交通線網聯絡線一覽表

城市軌道交通的既有線路改造采用DTO(有人值守的列車自動運行)運營模式更具經濟性。DTO不但具備了與UTO(無人值守的列車自動運行)相當的高效運行能力，同時其應急能力更高，是當前城市軌道交通項目建設不錯的選擇。尤其對于舊線改造，DTO在原有ATO(列車自動運行)線路基礎上增加的功能較少，現場調試時間較短，功能變化較小，改造方案的優勢更為明顯。

基于上海城市軌道交通既有線路的現狀，可基于車載設備的標準化，即在允許不同信號供應商采用不同的“車載大腦”的情況下，對車載相關的信號-車輛接口、定位系統、測速系統、車地通信等進行標準化的設計和定義，最終實現通過簡單更換部分信號車載核心設備即可達到列車換線互通運營的目標。車載的標準化方案如圖2所示。

圖2 車載標準化方案框架圖

3 基于車載標準化的列車互通技術方案設計

3.1 列車定位系統標準化

列車的定位功能是保證安全的關鍵功能，列車定位的準度和精度直接關系到ATP(列車自動防護)系統的安全性。目前上海采用CBTC的城市軌道交通線路均采用基于RFID(射頻識別)技術的查詢機-信標系統。該系統由地面應答器和車載查詢器組成，如圖3所示。

地面應答器通常位于軌道的中心位置，車載查詢器位于列車的車頭和車尾的底部。地理位置信息會事先存儲在地面應答器內部。當車載查詢器通過時，可以通過讀取存儲在地面應答器中的存儲數據來獲得列車在軌道上的確切位置。

注：BTM——應答器傳輸單元。

列車定位功能由車載查詢器與地面應答器成對實現，地面應答器根據線路條件固定位置鋪設且基本不變，而列車會根據運營需求轉換至不同的線路中運營。基于上述場景，車載標準化方案需要對車載信標天線的安裝接口及安裝位置、列車定位系統的制式、車地傳輸協議報文等進行研究。

3.1.1 車載信標天線安裝接口

為避免列車換線運營時對車載信標天線進行拆裝作業，減少不必要的維護工作量，車載標準化方案需要對車載信標天線的安裝接口進行統一規定。車載信標天線設備簡單，條件允許時應考慮采用同一型號。

3.1.2 列車定位系統制式

車載標準化方案的實施需對列車定位系統的制式進行統一。上海的城市軌道交通線路中，其信號系統的定位制式有歐標系統和美標系統2種，其中：3號線、4號線、10號線、12號線、13號線、15號線、16號線、17號線、18號線使用了歐標定位系統；5號線、6號線、7號線、8號線、9號線、11號線以及在建的14號線采用了美標定位系統。這2種系統具有不同的技術特點：

1) 歐標定位系統的車載查詢器采用中高頻段RFID技術，車載定位天線的發射功率較大，作用距離較遠；軌旁無源應答器采取電感耦合方式，識別距離小于1 m，以此來保證列車讀取應答器的準確性。

2) 美標定位系統的車載查詢機采用超高頻段RFID技術，車載定位天線的發射功率很小，作用距離較近；無源信標采取電磁反向散射耦合方式，識別距離大于1 m，在實際應用中需要嚴格控制相鄰信標之間的距離，否則在道岔區域內容易發生列車同時讀取到正線和側線信標的情況。

相較于美標定位系統，歐標定位系統的定位精度更高，可為信號系統提供更高的靈活性。而且，歐標定位系統的發射功率更大，受外界環境干擾影響較小，更適合在既有線路信號改造工程項目中應用。

3.1.3 車地傳輸協議報文

為支持列車在線路間跨線運行，在地面應答器不更換的情況下，不同列車的信號系統通過車載查詢器正確獲得地面應答器的有效報文信息，實現統一的定位方案，需對全線網歐式定位系統的車地通信結構及接口連接方式、應答器報文結構及應答器發包等報文編碼規則等進行規范定義。CBTC系統應通過車載查詢器和地面應答器傳輸報文實現建立列車定位、校正列車位置、傳輸點式移動授權、監控應答器通信狀態等功能。具體要求可參照T/CAMET 04011.1—2018《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(CBTC)互聯互通接口規范 第1部分:應答器報文》，本文不再贅述。

3.1.4 車載查詢器安裝位置

車載查詢器安裝位置(中心點至車鉤端面的距離)作為信號最為重要的ATP參數之一，參與信號的ATP/ATO核心運算。在線路地面應答器位置固定的情況下，需統一車載查詢器的安裝位置，以實現列車的安全包絡計算、精確停車等功能。

3.2 測速系統標準化

測速系統作為信號系統的關鍵安全設備，通過連續測量并整合列車的瞬時行駛速度獲得列車的行駛距離。上海城市軌道交通線網中，應用的測速設備有2種：泰雷茲信號系統的霍爾式速度傳感器和卡斯柯信號系統的光電式編碼里程計。這2種測速設備都安裝在車軸上，其功能的實現與軌旁設備無關聯。為減少維護工作量，實現列車換線時不更換測速設備的目標，測速設備需統一型號。不同信號供應商需要在同一硬件的基礎上開發與之相匹配的軟件，以實現列車速度測試的相關功能。

霍爾式速度傳感器和光電式編碼里程計都是安裝于車軸，測速信息準確與否主要依賴車輪轉動的準確性。當軌道濕滑時，黏著系數下降，輪對會出現打滑現象，此時安裝于車軸的測速設備采集到的速度波動較大，若超過一定閾值則會導致模式丟失。近年來，測速設備融合技術發展較快，通過對多種測速設備(如速度傳感器、加速度計、多普勒雷達、組合導航等)進行數據及算法融合，可提高測速精度。車載標準化方案可考慮測速設備后續的技術升級方向，降低對車軸的依賴，并進一步簡化、統一測速系統與信號ATP/ATO系統的接口。

3.3 車地通信標準化

上海城市軌道交通線網中，除1號線、2號線、3號線、4號線外，其余的線路在建設時均采用了CBTC技術；此后，2號線、3號線、4號線經信號大修改造后目前也使用了CBTC信號系統。CBTC依托于先進的列車定位和無線通信技術，將基于軌道電路的信息傳輸向基于無線的信息傳輸轉化，將普遍使用的單向信息傳輸轉變為雙向、不間斷的信息傳輸，支持列車更安全、更高效的運行。為實現車載標準化方案，車地通信也需要進行標準化設計。

3.3.1 統一網絡制式

目前，上海軌道交通6號線、7號線、8號線、9號線、11號線、12號線、13號線、16號線、17號線都使用了以 Wi-Fi(無線保真)技術為主的車地通信系統。Wi-Fi技術在經濟性、高速率等方面具有一定的優勢，但其網絡開放性容易發生外部設備干擾城市軌道交通車地無線通信系統的情況。

近年來，LTE(長期演進)技術憑著傳輸速率高、抗干擾性強等優點發展迅速，LTE-M(城市軌道交通用長期演進)是基于長期演進技術的城市軌道交通車地綜合通信系統，《上海軌道交通LTE-M系統建設指導意見》明確規定：既有線改造時應遵照此指導意見實施。同時，在《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(CBTC)互聯互通接口規范》第2部分——CBTC系統車地連續通信協議中，也要求各信號子系統間的通信基于LTE-M制式。上海軌道交通2號線、5號線的CBTC改造項目，以及14號線、15號線、18號線3條全自動運行線路建設項目均已使用LTE技術來承載車地通信業務。

為提高DCS(數據通信子系統)的可靠性和可用性，同時預留后期DCS向新技術(如5G(第5代移動通信技術)/6G(第6代移動通信技術))演進的可能，車載標準化方案在保留2.4 GHz Wi-Fi制式的基礎上，增加了LTE-M制式，采用雙模冗余的架構，最大程度降低外界單頻干擾對城市軌道交通信號系統的影響。

3.3.2 共用DCS車載設備

除TAU(車載接入單元)、加密設備等需配置數據的部分DCS設備由供應商根據自身架構進行定制設計外，其他DCS相關附屬設備(如天線、合路器、濾波器等)均統一參數，支持不同信號系統間共用。圖4為DCS車載設備的標準化方案。其中：

1) 核心設備包括ATC(列車自動控制)機柜、主動定位機柜和網絡調制設備，集軟件、參數配置功能，在列車換線運行時需更換。

2) 附屬設備包括車內2.4 GHz天線、車頂LTE天線、車底LTE天線、合路器、濾波器、中繼器等，采用統一的技術規格參數，支持不同信號系統使用。

3) 車載DCS設備考慮預留RADIO(無線電)、綜合承載系統。

4) 所有線纜均需預埋預留充分，支持不同的信號系統。

3.4 信號-車輛接口

為提高城市軌道交通線路運營的安全性、高效性，全自動運行模式是新線建設及既有線信號系統改造的首選。根據自動化等級不同，全自動運行模式由2種差異較大的運營模式組成：DTO和UTO。既有線改造項目中，綜合線路客觀情況(如土建、供電、車輛等)、運營模式需求和成本差異等因素，更推薦采用DTO模式。上海軌道交通5號線和2號線信號系統CBTC改造后，運營模式均采用DTO模式。本文研究基于DTO運營模式改造方案相關功能的信號-車輛接口標準化。

信號與車輛的接口包括模擬量接口、ATC-TCMS(列車控制與管理系統)通信接口、輸入輸出接口。車載標準化需對上述接口進行詳細考慮，設計確認唯一的信號-車輛接口界面，以支持所有列車都能匹配不同的信號系統。

注：TC1——拖車1；Mp1——帶受電弓的動車1；M1——動車1；M2——動車2；Mp2——帶受電弓的動車2；TC2——拖車2。

1) 模擬量接口是車輛執行信號控車請求接口，可影響列車在自動駕駛情況下的控車穩定性和停站精度，其接口形式和數據定義都需要唯一明確。上海城市軌道交通線網中，模擬量接口的主要形式為電流環，通過恒定電流源發送4～20 mA的電流(依據不同的項目電流范圍略有差異)來表示信號極位請求，穩定性較強；部分線路(如16號線、15號線、18號線)嘗試采用了MVB(多功能車輛總線)網絡接口形式。這2種接口形式都是成熟技術，考慮到既有線路改造項目中車輛專業各子系統的既有架構限制，建議車載標準化方案2種接口形式共存，明確接口定義。在項目執行時，車輛可根據信號的約定輸出選擇相應的接口形式。

2) ATC-TCMS通信接口是信號與車輛的數據交互接口，上海城市軌道交通線網中，有RS485串口形式和MVB網絡2種接口形式。目前MVB網絡形式憑借其通信的可靠性、實時性成為了城市軌道交通車輛TCMS的主流總線形式，也是上海城市軌道交通既有線路車輛專業TCMS更新改造的方向。如果ATC-TCMS接口采用RS485接口，車輛專業需增加MVB轉RS485的功能模塊，進而增加信息傳輸延時。同時，考慮到信號模擬量控車信號通過ATC-TCMS接口傳輸，車載標準化方案建議ATC-TCMS接口形式匹配車輛總線形式，因而推薦采用MVB接口。

3) 輸入輸出接口是信號-車輛最重要的接口，通過列車線信號輸出各種控制命令，并采集車輛設備、狀態的反饋信息。不同信號系統的輸入輸出接口差異較大。車載標準化方案需根據信號側的功能需求求同存異，最終形成統一的、車輛側可執行的、能匹配不同信號系統的輸入輸出接口定義。

綜上所述，車載標準化方案需結合所有的信號設備安裝需求，以及模擬量、ATC-TCMS與輸入輸出等接口需求，形成統一的信號-車輛接口定義。

4 結語

基于車載標準化的列車互通方案通過統一約束信號與車輛的接口、車載與軌旁(定位系統、車地通信)的接口，期望通過采用簡易更換信號車載設備的方式實現列車在不同線路間的互通運行。該方案在邊界條件限制較多的既有線路信號系統改造中具有很強的實際操作性。此外，車載標準化方案也基本實現了信號外圍設備(如信標天線、DCS天線線纜等)的型號統一，為上海城市軌道交通后續實施基于通信的互聯互通開展了設備統一型號的嘗試，具有一定的參考意義。