城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)互聯(lián)互通車載設(shè)備接口應(yīng)用淺析*

□ 楊 錦，施正強，杜洪偉

(1.四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611732；2.重慶市軌道交通有限公司，重慶 401120)

1 城市軌道交通線網(wǎng)間互聯(lián)互通的背景及意義

1.1 互聯(lián)互通的背景

由于城市的快速發(fā)展，軌道交通由原有的單線運營到多線運營，并逐步發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化運營。隨著線網(wǎng)的不斷增多，現(xiàn)有的運營組織方式存在著諸多問題。例如：核心城區(qū)的客流量大導(dǎo)致運能不足，換乘客流占比升高，換乘站運營組織壓力增大，線網(wǎng)間的車輛、信號等資源無法實現(xiàn)高度共享，而同一時段的城郊地區(qū)客流量小線路列車使用率不足，這就導(dǎo)致了運能資源的浪費。這些問題都嚴重制約了軌道交通的運營效率，增大了運營的成本。支持列車跨線運營、減少旅客換乘、提高出行效率、降低能耗是目前城市軌道交通運營中普遍關(guān)心的的問題。為了化解目前城市軌道交通的上述問題，借鑒域外城市軌道交通發(fā)展中的經(jīng)驗與教訓(xùn)，以網(wǎng)絡(luò)化運營設(shè)計為基礎(chǔ)的互聯(lián)互通理念得以形成。

1.2 互聯(lián)互通的意義

互聯(lián)互通是指對于不同線路的設(shè)施設(shè)備，采用統(tǒng)一的技術(shù)標準和運營組織方式，實現(xiàn)不同線路之間或不同軌道交通形式之間的聯(lián)通聯(lián)運。通俗來說，就是列車可以“讀懂”其他線路的信號，從A線路行駛到B線路。在確保列車安全高效運行的前提下，實現(xiàn)不同型號的信號系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)列車不降級不降速的跨線運營，可以提高線路和設(shè)備利用率，節(jié)能優(yōu)化，資源共享。

1.3 城市軌道交通線互聯(lián)互通現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)許多城市軌道交通線路已經(jīng)呈網(wǎng)絡(luò)化趨勢了，但普遍還是單線獨立運營，以下城市做了一些信號系統(tǒng)互聯(lián)互通的探索。

①北京房山線的互聯(lián)互通僅限于不同設(shè)備的混合運營，其方式主要是將TRANA-VI和Urbalis888這兩個系統(tǒng)互聯(lián)互通以及相關(guān)設(shè)備的兼容互認。

②上海地鐵3、4號線其中的9座車站線路采用同一供應(yīng)商的信號系統(tǒng)實現(xiàn)了共線運行。

③廣州地鐵14號線與知識城支線在規(guī)劃建設(shè)時同期設(shè)計和實施，開行了基于主線和支線的快慢車，實現(xiàn)了聯(lián)通聯(lián)運。

④北京地鐵八通線為實現(xiàn)國產(chǎn)LCF-100超速防護車載設(shè)備與英國西屋提供的地面信號系統(tǒng)的兼容，采用通用式機車信號。

⑤呼和浩特市城市軌道交通1、2號線信號系統(tǒng)互聯(lián)互通共線試運行及跨線現(xiàn)場測試方案通過專家評審。

⑥由于重慶軌道交通環(huán)線、4號線、5號線和10號線的CBTC信號系統(tǒng)從招標到施工階段均是按互聯(lián)互通的統(tǒng)一標準實施的，所以在技術(shù)層面上，這些線路的跨線接口、車地通信接口以及車地通信制式等能夠?qū)崿F(xiàn)信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2 信號系統(tǒng)車載設(shè)備互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)

重慶軌道交通互聯(lián)互通的CBTC系統(tǒng)示范應(yīng)用項目依托于第二輪規(guī)劃建設(shè)的4、5、10號線及環(huán)線，共有4家不同的信號設(shè)備供應(yīng)商，具體內(nèi)容如表1所示。各供應(yīng)商的信號CBTC系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、功能實現(xiàn)方式等有所不同，為設(shè)計能兼容相異互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)接口的標準，實現(xiàn)搭載不同供應(yīng)商車載設(shè)備列車的跨線運營，我國城市軌道交通協(xié)會制定了成系統(tǒng)的CBTC互聯(lián)互通行業(yè)標準，這些標準對CBTC系統(tǒng)的架構(gòu)、功能需求、車載設(shè)備的接口以及各子系統(tǒng)間的接口進行了規(guī)范，使得不同供應(yīng)商在實現(xiàn)信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通時有據(jù)可依。但由于系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方式的差異，各供應(yīng)商對已發(fā)布的城市軌道交通技術(shù)規(guī)范或標準的理解各有不同，這對實現(xiàn)互聯(lián)互通而言是個巨大的挑戰(zhàn)。下文將結(jié)合重慶市軌道交通互聯(lián)互通示范工程中車載設(shè)備應(yīng)用的幾項關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

表1 重慶軌道交通二期工程信號系統(tǒng)供應(yīng)商

2.1 統(tǒng)一CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的功能需求及系統(tǒng)架構(gòu)

由我國城市軌道交通協(xié)會牽頭及4家信號設(shè)備供應(yīng)商(表1)共同磋商，聯(lián)合制定了重慶軌道交通互聯(lián)互通型CBTC系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)主要由ATS設(shè)備、CBTC軌旁設(shè)備、ZC區(qū)域控制器、CI計算機聯(lián)鎖、VOBC車載設(shè)備和數(shù)據(jù)通信傳輸設(shè)備DCS等組成，如圖1所示。互聯(lián)互通型CBTC系統(tǒng)與普通CBTC系統(tǒng)相比，系統(tǒng)架構(gòu)基本相同，但在物理接口和功能接口方面增加了與鄰線車地間設(shè)備的接口，以及各線間地面設(shè)備間的接口。

因各信號系統(tǒng)供應(yīng)商在功能設(shè)計與實現(xiàn)方面各有差異，故在實現(xiàn)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)前，首先應(yīng)對整個CBTC系統(tǒng)的功能需求分析進行統(tǒng)一，再將功能需求細化，然后通過整個信號系統(tǒng)的功能變成各子系統(tǒng)的功能，最后，在得到統(tǒng)一的系統(tǒng)需求以后，對系統(tǒng)間的接口進行詳細定義。CBTC系統(tǒng)地面設(shè)備與車載設(shè)備的互聯(lián)互通體現(xiàn)在車載設(shè)備能夠自動“讀懂”其他線地面設(shè)備發(fā)送的控制指令，在不改變駕駛模式的情況下跨線運營，車載設(shè)備的互聯(lián)互通就是各廠家通過接口的統(tǒng)一實現(xiàn)傳統(tǒng)車載設(shè)備的所有功能。

圖1 互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 統(tǒng)一LTE專用頻段

CBTC系統(tǒng)的車地?zé)o線通信方式主要有基于無線電臺的WLAN技術(shù)、漏泄同軸電纜技術(shù)、裂縫波導(dǎo)管技術(shù)和LTE技術(shù)等。采用的傳輸協(xié)議類型也呈現(xiàn)出多樣化的特點，如采用UDP協(xié)議、采用TCP協(xié)議建立點對點通信連接、采用多播模式等。在安全協(xié)議通信方面，多個CBTC系統(tǒng)各有特點，不盡相同。

CBTC信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通是通過建立統(tǒng)一的車地通信規(guī)范和標準，使地面設(shè)備與車載設(shè)備的通信接口一致實現(xiàn)的。為確保車地雙向連續(xù)大容量的通信，工信部建議采用1785-1805MHz頻段時分雙工(TDD)方式接入的LTE技術(shù)作為CBTC系統(tǒng)車地通信的專用頻段。重慶軌道交通采用1800MHz的TD-LTE技術(shù)作為CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通車地通信的解決方案，保證列車可靠高效地運行。

2.3 規(guī)范互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)的地面和車載設(shè)備的接口

規(guī)范互聯(lián)互通CBTC的車地接口，就是保持地面設(shè)備與車載設(shè)備接口之間的協(xié)議一致。重慶的互聯(lián)互通工程根據(jù)車載設(shè)備與地面設(shè)備的功能需求，制定了車載設(shè)備互聯(lián)互通接口實施方案:對車載設(shè)備VOBC-ATS系統(tǒng)、車載設(shè)備VOBC-聯(lián)鎖設(shè)備CI、車載設(shè)備VOBC-區(qū)域控制器ZC的接口進行規(guī)范，保持一致。

2.3.1 統(tǒng)一車地通用接口

車載設(shè)備VOBC與地面設(shè)備之間的通信僅能由車載設(shè)備VOBC發(fā)起安全連接的建立過程，通信雙方均采用大端字節(jié)序進行數(shù)據(jù)傳輸，采用周期發(fā)送和消息觸發(fā)的方式進行通信。地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的通信化分為四個層次：物理層、通信層、安全協(xié)議層及應(yīng)用層。物理層采用標準協(xié)議，地面設(shè)備與車載設(shè)備之間采用冗余網(wǎng)絡(luò)進行通信；網(wǎng)絡(luò)層采用IPV4；傳輸層使用TCP；安全通信協(xié)議層采用RSSP-II鐵路信號安全通信協(xié)議。地面設(shè)備與車載設(shè)備無線通信層次結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。

圖2 地面設(shè)備與車載設(shè)備通信層次結(jié)構(gòu)

車載設(shè)備VOBC將ATS、ZC、CI等地面設(shè)備的應(yīng)用信息組成通用GAL信息包，進行周期交互傳輸，每周期最多發(fā)送1個GAL信息包且總長不得超過1000字節(jié)，若不足1000字節(jié)按0補齊。

2.3.2 車載設(shè)備VOBC與ATS之間接口

ATS與VOBC之間相互通信接口均采用雙網(wǎng)冗余方式進行通信,兩個A網(wǎng)、B網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)是獨立的鏈路相連，互為備用，任何一個單網(wǎng)的故障都不會影響系統(tǒng)的正常使用。

ATS主要向VOBC發(fā)送下列ATO控制命令信息：線路編號、下一ZC的地址、下一CI的地址、下一ATS的地址、車組所屬線路號、車組號、源線路號、車次號、目的地線路號、目的地號、計劃運行方向、跳停站臺ID、下一站停車站臺ID、站停信息、下一站跳停命令、區(qū)間運行調(diào)整命令、扣車命令，扣車站臺ID、折返命令、回段指示等，通過發(fā)送這些信息實現(xiàn)對列車的自動調(diào)整功能。

VOBC向ATS發(fā)送的信息主要為列車信息和ATO狀態(tài)信息。列車信息包括：列車識別號VID、線路編號、車尾估計位置所在區(qū)段ID、車頭/車尾估計位置所在區(qū)段偏移量、過讀/欠讀測距誤差、車載ATP模式、列車速度信息、車門狀態(tài)、列車停穩(wěn)狀態(tài)、停車保證狀態(tài)、無人折返狀態(tài)、預(yù)選模式、緊急制動原因、安全防護點軌道區(qū)段ID/軌道區(qū)段偏移量等，用來實現(xiàn)對列車的識別和跟蹤。ATO狀態(tài)信息包括：服務(wù)號/表號、線路編號、車組所屬線路號/車組號、目的地線路號/目的地號、司機號、ATO工作模式、區(qū)間運行調(diào)整命令、跳停狀態(tài)、扣車狀態(tài)、下一停車站臺ID等，以及車載設(shè)備報警信息、車載設(shè)備日檢狀態(tài)信息，通過這些信息的“互通”，列車不斷把列車狀態(tài)信息發(fā)送給ATS，ATS也對列車狀態(tài)進行實時監(jiān)控并顯示。

2.3.3 車載設(shè)備VOBC與ZC之間接口

ZC發(fā)送至VOBC的信息主要有列車控制信息、列車特殊控制信息、注冊請求信息、注銷回復(fù)信息和VOBC城市/VOBC廠商自定義信息。列車控制信息包括：下一ZC的ID地址碼、MA信息(MA移動授權(quán)信息長度、MA移動授權(quán)方向、停車保證信息、MA移動授權(quán)起點、安全防護點/障礙點位置、保護區(qū)段、路徑信息(道岔ID、道岔信息個數(shù)、道岔狀態(tài))、PSD屏蔽門狀態(tài)、ESB緊急停車狀態(tài)、無人折返按鈕狀態(tài)、臨時限速。列車特殊控制信息包括：緊急制動命令、列車頭端篩選狀態(tài)、列車信息錯誤、折返過程尾端安全連接保持等。

VOBC向ZC發(fā)送的信息主要有列車位置信息、列車運行方向信息(有效駕駛端的方向、車頭估計位置為基準判斷方向)、列車包絡(luò)線信息、激活端信息、列車運行控制等級、車輛狀態(tài)、車載駕駛模式、列車速度和距離的信息、受控ZC和信號機的ID。列車在ZC分界線移交過程中車載設(shè)備VOBC同時與負責(zé)移交、接管的兩個ZC進行通信，在此過程中生成內(nèi)容相同的列車信息并將這些信息發(fā)送給上述ZC，以確保列車跨線運行不發(fā)生降級或者緊急制動，如圖3所示。

圖3 ZC在列車跨線運行切換原理圖

2.3.4 車載設(shè)備VOBC與CI之間接口

VOBC和CI之間也采用雙網(wǎng)冗余方式進行通信，CI和VOBC間的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)通過兩個獨立物理鏈路的A網(wǎng)、B網(wǎng)相連，互為備用。VOBC發(fā)送到CI的信息有：VOBC心跳信息、VOBC控制信息(列車運行方向、ATP區(qū)段占用狀態(tài)、保護區(qū)段解鎖命令和PSD控制命令)、VOBC城市/VOBC廠商自定義信息、VOBC注銷請求信息。CI發(fā)送到VOBC的信息有：CI狀態(tài)信息(信號機狀態(tài)和PSD狀態(tài))、CI城市/CI廠商自定義信息、CI注銷回復(fù)信息。

2.4 規(guī)范互聯(lián)互通車載電子地圖

車載VOBC中的車載電子地圖包含車輛參數(shù)(列車車長、應(yīng)答器天線位置等)和線路信息(應(yīng)答器位置、信號機位置、站臺區(qū)域等)的數(shù)據(jù)。車載設(shè)備VOBC讀取線路電子地圖數(shù)據(jù)報告列車位置,分析來自地面的控制命令。由于各線供應(yīng)商車載設(shè)備電子地圖的不同，需采用統(tǒng)一格式的電子地圖實現(xiàn)。

重慶軌道交通制定了基于互聯(lián)互通的車載電子地圖規(guī)范，將電子地圖數(shù)據(jù)劃分為軌道區(qū)段數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)、軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)和安全通信協(xié)議。為統(tǒng)一車載電子地圖格式，對軌道區(qū)段及其劃分原則、電子地圖方向、坐標位置、CRC(循環(huán)冗余校驗)、道岔區(qū)域、道岔方向進行了約定，同時對電子地圖元素數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行了約定。各設(shè)備供應(yīng)商遵照此規(guī)范進行了電子地圖的制作。

3 結(jié)語

城市軌道交通信號系統(tǒng)互聯(lián)互通是軌道交通技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。實現(xiàn)各供應(yīng)商CBTC信號系統(tǒng)間互聯(lián)互通，其本質(zhì)就是統(tǒng)一接口。本文依托重慶軌道交通互聯(lián)互通示范工程對CBTC信號系統(tǒng)的車載設(shè)備接口應(yīng)用進行了分析。信號系統(tǒng)互聯(lián)互通工程采用國產(chǎn)自主化技術(shù)，打破了國外壟斷的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)裝配不同列車的共線及跨線運行，促進了我國該領(lǐng)域的工程化、本土化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提升了我國在城市軌道交通技術(shù)裝備領(lǐng)域的國際地位，對我國尚處于軌道交通互聯(lián)互通規(guī)劃和建設(shè)階段的其他城市而言具有較好的推廣和指導(dǎo)意義。