城市軌道交通CBTC互聯互通網絡化運營研究

樂 梅，王寧寧，楊 婧

（重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶 401121）

1 引言

根據中華人民共和國交通運輸部發布情況，截至2022年2月，全國（不含港澳臺）共有51個城市開通運營城市軌道交通線路272條，運營里程8 819 km。其中北京、上海、廣州城市軌道交通發展迅猛，且北京已投入運營線路27條。重慶作為西部唯一直轄市，截至2022年2月已有運營線路共10條，運營里程401.79 km，位居全國第八位。

隨著城市軌道交通線網規模持續擴大，城市軌道交通呈現出制式多元化、客流巨量化、信息海量化、銜接多樣化等特點；與此同時，也出現了線路運能不均衡、乘客出行需求多樣化、換乘壓力大、資源共享率低等運輸組織管理的問題。

國外方面，日本東京城市軌道交通采用市區與郊區直通的方式，通過對城市軌道交通網絡進一步改造來解決以上問題。由于日本東京城市軌道交通發展較早且由政府、私人分別經營，所以改造難度較高，耗費成本較大。而國內方面，重慶市軌道交通（集團）有限公司（以下簡稱“重慶市軌道集團”）則在4號、5 號、10號線及環線等第二輪城市軌道交通線路規劃建設之初，提出基于通信的列車運行控制系統（CBTC）互聯互通網絡化運營理念，以期進一步完善城市軌道交通運營組織，提高資源共享率，提升運營服務水平，更好地發揮城市軌道交通的社會效益。

為實現互聯互通的實施，前期已進行線路條件、車輛制式、通信設備、供電系統等基礎條件的統一。重慶市軌道交通第二輪建設線路車輛統一使用適用山地城市的As型車；線路采用相同的限界條件，并在相關站點設置用于跨線或越行的配線；通信采用兼容的無線列調系統；供電采用直流1 500 V架空接觸網的牽引供電制式。

2 CBTC 信號互聯互通關鍵技術

由于傳統城市軌道交通均采取單線運營模式，所以各線路信號系統間存在系統架構不統一、接口不開放、通信接口協議內容差異大等問題。因此，信號的互聯互通是互聯互通網絡化運營實施的技術突破點所在。信號的互聯互通能夠實現線路設備與車載信號相互兼容，滿足車載信號與地面信號相互識別、交換及控制，實現互聯互通列車在不同線路上的安全運營。

通過對國內外現有信號互聯互通方法的調研，總結對比各城市軌道交通信號系統的信號互聯互通方式（表 1），根據重慶的實際情況，重慶市軌道交通選取采用基于同一標準的CBTC互聯互通系統。

表1 現有信號互聯互通方法

2.1 制定整套信號系統互聯互通技術標準

信號系統接口包括區域控制器之間接口（ZC-ZC）、區域控制器與車載信號接口（ZC-VOBC）、列車自動監控系統與車載信號接口（ATS-VOBC）、聯鎖之間接口（CI-CI）、聯鎖與車載信號接口（CI-VOBC）等，由于各信號廠家的接口內容不一致，導致列車在其他線路運行時無法與地面設備進行通信。因此重慶市軌道集團通過制定整套信號系統互聯互通技術標準方式來實現信號接口內容的統一，形成互聯互通接口標準以及互聯互通運行場景規范，為參與互聯互通的線路信號系統開發提供依據。

2.2 搭建支持多廠家互聯互通的通信架構

重慶市軌道交通互聯互通線路車-地通信模式遵循《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）規范》，核心網間數據接口總體架構符合《LTE-M系統總體架構及系統功能規范》（CZJS/T 0062-2016）要求，即有互聯互通需求的多條線路共用同一個歸屬用戶服務器（HSS）。HSS方案解決搭載不同LTE廠家設備列車在跨線時無線信號切換和跨線后無線網絡注冊問題，實現跨線列車在CBTC模式下不降級、不停車運行至其他線路，攻克車-地通信方式及接口通信協議兼容技術，統一車-地間接口信息。

重慶市軌道交通第二輪建設線路4號、5號、10號線及環線在信號互聯互通時，均使用4號線的HSS，同時環線HSS作為備用，當4號線AB網HSS全部故障后，可通過人工方式將4條線路所有數據遷移至環線HSS。核心網通信構架如圖1所示。

為實現列車跨線時車-地能夠正常通信，不僅需要保證本線運營數據流向正常，同時需保證跨線列車數據流向正常。

本線運營區域控制器（ZC）的數據流：Ⅰ線的分組數據網網關（PGW）→ⅠⅡ線的服務網關（SGW）→Ⅰ線基站（I eNodeB）→車載控制器（VOBC），本線運營業務數據流如圖2所示。

跨線運營ZC的數據流：Ⅰ線的分組數據網網關（PGW）→Ⅱ的服務網關（SGW）→Ⅱ線基站（Ⅱ eNodeB）→車載控制器（VOBC），跨線運營業務數據流如圖3所示。

2.3 搭建互聯互通CBTC系統測試平臺

為滿足重慶市軌道交通互聯互通項目共線和跨線的測試需求，以確保現場信號系統能夠安全可靠的運行，首次搭建符合標準化要求的互聯互通CBTC系統測試平臺車載適配系統，系統結構如圖4所示。

為保障跨線列車按圖有序運行及便于對線網列車運營組織統籌安排，同時搭建全局調度系統，實現全網行車信息收集與技術共享、網絡化運行圖編制與管理、線路間運營統籌與協調調度。

3 互聯互通網絡化運營組織方案

3.1 列車開行方案

互聯互通開行方案的制定依據是客流規模、出行規律以及出行需求，需保持對服務范圍內乘客的吸引力，保障互聯互通運營組織方案具有良好的社會、經濟效益。為保障互聯互通交路行車間隔的均勻性，跨線交路行車間隔應滿足最小公倍數規律以及周期性規律，行車間隔關系如圖5所示。

圖5中S1、S2、S3為 線 路L1的 車 站，S4、S5、S6、S7為線路L2的車站，其中S2、S6為避讓站，S3、S5為跨線站。假設線路L1及線路L2為均勻行車間隔，其中線路L1的行車間隔為t1，線路L2的行車間隔為t2，跨線交路行車間隔為th，各參數之間存在如下關系。

（1）公倍數規律。跨線交路行車間隔為跨線前線路、跨線后線路行車間隔公倍數的正整數倍。即跨線交路列車為均勻行車間隔條件下，跨線交路行車間隔應為交出線行車間隔的正整數倍，具體關系為：

跨線交路列車為均勻行車間隔條件下，跨線交路行車間隔應為接入線行車間隔的正整數倍，具體關系為：

因此，跨線交路行車間隔為交出線、接入線本線行車間隔公倍數的正整數倍，具體關系為：

其中，n，m，x均為正整數。

（2）周期性規律。跨線交路全周轉時間為交出線、接入線本線行車間隔公倍數的正整數倍。即跨線交路在列車運行交路運行1周的全周轉時間為t3，那么運行1周的全周轉時間t3為跨線交路最小行車間隔的正整數倍，即

其中，w，x，y均為正整數。

3.2 運行圖編制方案

互聯互通列車運行圖涉及與其相互銜接的其他線路的運行圖，是運營組織及各項工作開展的基礎。互聯互通列車運行圖的編制存在一定挑戰，具體包括：互聯互通列車運行圖的編制需協調交出線運行計劃、跨線車運行計劃、接入線運行計劃；互聯互通快車越行和跨線時，存在行車間隔變化情況，故運行圖中行車間隔必須滿足追蹤間隔要求；存在不同行車交路列車在同一車站折返情況，須保障折返能力滿足折返需求。除此以外，為便于運營管理以及乘客記憶，運行圖應保證跨線車的行車間隔相對均勻且盡可能呈周期性變化。鑒于以上原因，提出基于全局運行圖編輯系統的2種編制方法。

（1）替換法。維持起點站行車間隔不變，用跨線車替換原本車輛，簡稱替換法，如圖6所示。采用跨線車替換原時刻運行的本線列車，行車間隔能夠滿足線路通過能力限制條件，同時方案無需新增新的上線列車數。但因互聯互通跨線列車的交路覆蓋區段、停站方案等與原方案中有所不同，因此部分車站會出現行車間隔擴大、運輸能力減弱的現象。

（2）插入法。維持本線車起點站行車間隔不變，將跨線車插入原本行車方案，簡稱為插入法，如圖7所示。采用跨線列車插入本線列車之間運行，原有開行方案的運輸能力不受影響，相反跨線列車交路覆蓋的車站運輸能力得到提升，但需新增列車上線，新增上線列車數量決定跨線交路的行車間隔。

3.3 行車調度方案

3.3.1 列車跨線運行調度原則

CBTC互聯互通行車調度基于全局調度系統，并配置全局調度員，負責監控互聯互通列車運行狀態、跨線列車運營時線路之間的協調、互聯互通列車運行圖調整以及計劃下達和跟蹤工作，不直接對跨線列車司機、車站值班員下達命令，所有跨線列車的調度指令均由線路行車調度員代為下達。此外，各線路之間分界點明確，所屬調度權單一，當車輛頭部越過分界點后自動轉換至相應線路的通信系統、信號系統及所屬調度管轄權。

3.3.2 CBTC 互聯互通故障處置原則

全局調度系統故障時，全局調度員需將互聯互通調度權轉換至單線調度員，由單線調度員指揮，全局調度員負責統一協調，維持跨線運營。

聯絡線進路不能自動觸發時，由跨線列車交出線行車調度員向接入線行車調度員申請進路，待接入線行車調度員確認接入車進路準備妥當后，方可排列跨線列車發車進路，維持跨線運營。

跨線列車在正線發生故障，且短時間運營秩序無法恢復時，由全局調度員發布停止跨線運營的調度命令，待故障列車故障處理完成或救援至故障車停留線后恢復跨線運營。

交出線或接入線行車設備（信號、通信、接觸網、車輛等）故障，中斷運營或需調整列車交路時、全線車站乘客信息系統（PIS）或廣播發生故障不能正確引導乘客乘坐時、發生恐怖襲擊及其他公共安全類事件時、聯絡線發生故障不滿足行車條件時，應由全局調度員發布停止跨線運營的調度命令，待故障處理完成后恢復跨線運營。

跨線列車故障不具備上線條件時，應停止本次跨線列車運營，并通知車場調度員準備備車頂替運行。

3.4 車輛管理與共享

傳統運營模式下，運營結束后列車均需回到各自所在原車輛段，導致大量的空駛浪費。互聯互通模式下，可采用異地停放及檢修的方式：互聯互通列車正常運營結束時，就近回段，減少列車空駛里程；遇到運行圖調整或車輛故障情況時，需安排列車到就近車場進行檢修或者故障處理。

車輛異地停放及檢修主要需考慮車輛基地停放能力、車輛檢修能力限制問題。為解決該問題，重慶市軌道交通建立設備設施檢修信息化管理系統，車輛異地檢修時，只需在車輛檢修系統中進行授權即可建立相關的檢修記錄。當本線車輛基地存在停放能力富余時，可安排部分其他線路常態化停放本線，并安排相應的車輛檢修人員常駐辦公，實現異地檢修。當互聯互通線路車輛基地列車停放數量均已經達到停放能力時，可通過“交換”列車的方式，實現異地檢修，為滿足交換后車輛檢修對車輛基地檢修能力的要求，盡可能保障預“交換”的列車檢修狀態相同。

3.5 客運組織

為避免發生乘客坐反車、坐錯車等情況，應在客運組織方面加強宣傳引導工作，盡可能確保乘客正確選擇所需乘坐列車。可采用的宣傳方式有：互聯互通運營前，通過新聞、報紙、廣播等多種媒體宣傳；互聯互通運營中，加強乘客引導，通過貼圖、PIS互聯互通列車信息顯示、地面引導標識、車站及列車廣播、站務員引導等多種方式引導乘客乘車。在加強宣傳力度的基礎上，通過升級改造乘客服務系統，提高乘車服務信息準確性，盡可能降低乘客誤乘率。

4 互聯互通網絡化運營實例

重慶市軌道集團已于2021年12月28日實現重慶市軌道交通4號線-環線- 5號線（以下簡稱“4 號線、環線、5號線”）互聯互通跨線運營。4號線一期起于唐家沱，終于民安大道，全長15.657 km，設站8 座，含黑石子避讓站，全天列車行車間隔為10 min。環線全長50.8 km，設站33座，含南橋寺、涂山、華龍避讓站，高峰時段列車行車間隔為5 min，平峰時段為6 min。5號線起于跳蹬，終于園博中心，全長35.02 km，設站22座，含中梁山、巴山、湖霞街避讓站，南北段采用分段獨立運營方式，高峰時段列車行車間隔為6 min，平峰時段為10 min。4 號線與環線在民安大道設置跨線點，5號線與環線在重慶西站設置跨線點，線路圖如圖8所示。

4.1 列車開行方案

綜合考慮客流、配線條件、車輛等因素，確定4號線-環線- 5號線跨線運營交路為唐家沱至跳蹬大交路，跨線點為民安大道和重慶西站。停站方面，采取非站站停的方案，如圖9所示。根據避讓站設置位置、行車間隔、車站客流情況等，結合互聯互通交路停站數量與避讓站位置關系，最終確定4號線唐家沱、頭塘、重慶北站北廣場、民安大道，環線冉家壩、沙坪壩、重慶圖書館、上橋，5號線重慶西站、金建路、華巖中心、跳磴為互聯互通交路停靠站點，確定南橋寺、黑石子為快車越行普通列車的避讓車站。

行車間隔方面，由于4號線-環線- 5號線互聯互通全天實施，4號線全天列車行車間隔為10 min；環線高峰時段行車間隔為5 min，平峰時段行車間隔為6 min；5 號線高峰時段行車間隔為6 min，平峰時段行車間隔為10 min；確定跨線快車行車間隔為30 min，滿足公倍數和周期性規律，如圖10所示。

4.2 列車運行圖編制方案

考慮因4號線-環線-5號線互聯互通方案中快車只停靠部分站點，且快車在環線運行區段僅為民安大道至上橋區段，若采用替換法編制跨線運行圖會導致4號線、環線、5號線普通車行車間隔過大，服務水平大幅下降，因此在保證普通列車運輸能力不變前提下，用插入法編制跨線快車運行圖。

4.3 乘客導向標識

在實施4號線 - 環線 - 5號線互聯互通方案前采取新聞、報紙、廣告牌等多種媒體宣傳，開始實施后采取在車站張貼列車線路圖以及時刻表、PIS屏播放以及屏蔽門大屏顯示列車相關信息、APP推廣、人工引導等多種方式幫助乘客了解互聯互通列車相關信息，提醒乘客合理安排出行，避免誤乘，導向標識展示如圖11、圖12所示。

4號線、環線、5號線跨線車工作日開行52列次，雙休日開行52列次，運營時段乘坐跨線車乘客比例為25%。跨線車采用“車換乘”代替“人換乘”、部分車站不停靠的運營模式，單程節約19 min（不含換乘時間），可有效節約乘客出行時間，提升乘客出行體驗，強化組團與組團之間、市郊與市區之間的聯系，推進城市軌道交通網絡化運營水平再上新臺階，對于促進運能與需求匹配，引導城市人口布局有著重要意義。

5 結語

本文首次提出并采用基于同一標準的CBTC互聯互通系統的方式實現信號互聯互通，保障不同信號系統列車在不同線路上安全可靠運行，對互聯互通運營組織的列車開行方案、運行圖編制、行車調度、車輛管理、客運組織等關鍵問題進行研究，并應用于重慶市軌道交通4號線-環線 -5號線，解決軌道交通線網資源共享效率不高、運營組織靈活性較差等問題，填補國內城市軌道交通跨線運營的空白，為其他城市軌道交通企業開展互聯互通跨線運營工作提供寶貴經驗，更為國內城市軌道交通的發展拓展新方向，提供新思路。但由于重慶市軌道交通第二輪規劃線路并未全部開通，部分聯絡線暫不具備跨線運營條件，故互聯互通網絡化運營還處于探索階段，未來多線路跨線運營條件下的運營組織管理還需進一步研究。