城市軌道交通信號系統互聯互通技術應用探討

曹啟濱

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

1 概述

城市軌道交通通常是以線路為獨立單元的封閉系統，每一條線有其獨享的車輛、信號及各相關專業系統，各線路配屬的車輛只能供本線運營使用，無法實現列車跨線投入運營，此種封閉體系在很大程度上制約了車輛、設備資源的跨線間的統籌利用，也極大地增加了軌道交通系統車輛、設備的投資，對軌道交通高經濟價值資產的應用尚不夠靈活。

當前新一輪城軌建設發展中，提出列車互聯互通、列車跨線運營以及“區域軌道交通一體化共享”的概念。實現軌道交通車輛、設備資源的統籌共享，首先要求同一線路的列車可以跨線越入他線投運，同一條線路載客服務列車可由不同配屬線路的列車混合擔當。

在北京市軌道交通新一輪規劃建設中，信號系統將大規模推廣互聯互通的技術方案，北京地鐵3號線、12號線按照共用車輛段、正線車站具備接駁貫通配線的互聯互通設計實施，本文對該場景中信號系統相關設計、技術應用和運營使用展開討論。

2 信號系統對列車跨線運營的識別與控制

以北京3號線、12號線互聯互通為例，列車跨線運營存在兩種途徑，一是共用車輛段內跨線；二是在正線車站利用正線貫通配線（聯絡線）過軌。

2.1 共用車輛段內跨線

列車從本線車庫出車跨線至對方線路的轉換軌，在轉換軌識別對方正線區域控制器（ZC）授權信息，進入對方正線。該兩條線信號系統最高配置是全自動運行（FAO）等級，段內列車可以自動休眠喚醒、自動出庫，自動運行到轉換軌進入正線。

跨線交叉發車時，雙線段場信號樓協作辦理進路，列車可以按時刻表或根據進路實現出入段，經段場內聯絡線道岔由甲線車庫跨入乙線轉換軌，車輛段ZC與正線ZC具備的移動授權交接，兩條線的段場區分別有各自的ZC轄區，并在交接點實現跨線跨集成商間的ZC聯通，實現列車跨界走行時CBTC移動授權的平穩無縫交接權。

跨庫出入段的方式，一方面節省備用列車，一組電客車可以同時為兩條線路“運營而需、備車而存”，提升電客車資源的使用效率；另一方面提升共用車輛段停車股道資源的和車輛維檢修資源的有效利用率。

2.2 正線貫通配線跨線

北京地鐵3號線、12號線在正線的東風橋車站具備正線貫通配線聯絡線（按照地鐵行車業務定義，“聯絡線”一般指線路間的非載客用途的調車聯絡線路，在本文中所述貫通配線、聯絡線按具備載客功能設計，特說明）。3號線在東風站有繼續延長開通的區段，未來的東風橋站是雙線匯合、分叉的Y型線路交匯點，如圖1所示。

圖1 北京3-12號線東風橋站正線貫通配線結構Fig.1 Through wiring structure diagram for main line of Dongfengqiao station of Beijing Metro Line 3 and Line 12

在信號系統正線設計中，交匯點跨線的貫通配線道岔在聯鎖上具備照查條件，并且可以根據ATS指令辦理人工、自動觸發跨線進路。雙線的ZC在跨界位置的進路排通后，具備跨線轉交、接續移動授權的功能，正線列車在貫通配線內不降級載客過軌。

3 信號系統在互聯互通應用中需要研究的新增功能需求

傳統CBTC移動閉塞列車自動控制系統按照設備安裝位置一般分為地面軌旁設備、車載設備和中心調度設備3部分。在互聯互通中，從安全列控功能、差異化列車的適配、中心調度指揮均有較大的新增功能需求和使用場景。

3.1 計算機聯鎖子系統

互聯互通的計算機聯鎖（CI）的基礎是與傳統獨立線路功能和技術方案一致的基于“燈、岔、路”的控制。通常CI是獨立于列控系統獨立工作，CBTC是基于聯鎖基礎上的移動閉塞，移動授權是建立在聯鎖進路構成的基礎上生成的。

互聯互通中，CI單線獨立工作，在涉及貫通配線交匯點時需要著重做好交匯點處聯鎖信息的一致性。主要包括但不囿于進路觸發原則、進路鎖閉與解鎖策略、接近區段和保護區段布置原則、照查原則等。跨區域的不同集成商的聯鎖共管區域系統通信協議、解譯一致。

互聯互通的接口中需要兼容不同廠家產品特點，內部控制邏輯在占用狀態（如使用邏輯區段或物理區段）須保持一致，為實現相鄰聯鎖集中區站場狀態顯示一致，應同時借助ZC向CI發送物理區段和邏輯區段占用、鎖閉、解鎖信息；將處理后的邏輯區段占用狀態發送給對方，發送方保證發送的狀態應與本方人機界面顯示狀態一致。接收方可直接用于人機界面顯示相鄰線路復示區域內（一般至少包含到接近及觸發區段）邏輯區段狀態。

3.2 ATP列控安全子系統

1）地面ATP-ZC：基于通信的移動閉塞列控系統（CBTC）安全核心是ZC，用于移動閉塞計算；也正是ZC的安全性要求使每條地鐵線成為獨立封閉系統，非本線列車無法兼容本線車地通訊及授權識別、解譯。互聯互通就是要在安全基礎上，打破封閉系統制約，將兩條以上線路車輛共融到統一平臺。兩條線為不同的信號集成單位，實現ZC對不同車載ATP的安全協議互通互認、授權信息、安全指令的可靠識別，同時對本線列車跨出、外線列車跨入都有明確的捕獲辨別。

單一線路封閉統一的CBTC控制系統，即便存在分叉線路也是由同一套信號系統構成，在道岔區域是由同一套CI和ZC管轄。跨線運營時，越過交匯點將迎來不同集成商ZC的交接區域。跨線時關鍵是不同集成商的ZC交匯重疊區的處理，ZC間互傳的列車位置信息應為車載控制器（VOBC）向ZC發送的列車位置，但若VOBC發送的列車安全包絡覆蓋ZC重疊區邊界點，則發送方ZC應對列車位置信息進行處理，使發送的列車位置信息中的列車安全包絡完全處于重疊區內。

如圖2所示，當列車1由左側向右側方向行駛，根據進路觸發機制，請求了ZC1向ZC3方向的（直股）進路，VOBC將預接近區域3的CI通信，ZC1也將列車1在位置1的位置信息及移動授權向ZC3建立安全通訊并轉交移動授權MA-1，ZC3開始接受達到請求，并預先為列車1計算和發布接管后在ZC3內的授權MA-3。

圖2 列車在跨線越過過程中ZC跨區交接過程示意Fig.2 Schematic diagram of EC cross-zone handover in the process of train crossing the line

列車1由ZC1向ZC3運行時，若已向ZC2注冊，則當列車1超出ZC2識別的重疊區范圍后（列車1剛進入區段1時），應主動向ZC2注銷，避免占用非達到線路區段的授權計算及通訊資源。

這一步移動授權的跨線注冊是不降級跨線互聯的技術關鍵。圖2上將分歧線路道岔劃分在ZC1-CI1的控制區域，越過道岔后變為分歧線路，在兩線各自配有ZC的分界點，與對應線路銜接。ZC2與ZC3分屬不同的集成供貨商，它們同ZC1都要建立同樣的通信信令、安全協議和解譯原則。

2) ATP-車載VOBC：車載VOBC讀取不同線路上地面應答器信息，應答器報文及對應電子地圖數據互聯互通；車載VOBC與地面軌旁無線建立數據收發，ZC與VOBC之間在跨集成商交叉通訊時，要求生成一致性的安全控車數據、安全包絡模型。

目前CBTC要求具備VOBC與地面CI的直連通訊，VOBC與CI通信接口中，以VOBC作為建立和解除通信的主動發起方，CI作為跟隨方也作為解除通信的發起方。互聯互通中CI將VOBC請求的信號機狀態發送給車載VOBC。點式級別和CBTC級別下的VOBC均應與CI通信，均可以實現跨集成商交叉搭配。

在車載信號設備硬件方面：VOBC和車輛控制設備間的接口內容主要包括車載信號主機柜、操作及表示單元（DMI）、編碼里程計、測速雷達、（連續和點式）應答器（信標）天線等設備的安裝位置等。要求相互間控制及表示信息內容、接口一致，車載ATP實現與車輛制動裝置的可靠接口，保證安全和對列車實施連續有效的控制。由于車載VOBC不同集成商、車輛系統的牽引、制動、列車控制網絡、車門等關鍵子系統也分屬不同供貨來源，存在機械、電氣性能及控制指令延時等差異，為保障互聯互通控車的安全可靠，列車制動力的建立響應時間、制動力的線性指標（特別是低速情況下制動力）、電制動匹配特性、測速及測距偏差空轉/打滑的防護、高壓牽引諧波及其他對車載設備產生干擾的電磁波屏蔽抗擾等級都要同步考慮。

車載信號顯示單元（DMI）方面:新階段軌道交通全面進入FAO全自動運行時代，但列車依然需要有人值守運營并經歷從有人駕駛調試階段逐步過渡到無人干預的全自動運行階段的迭代升級過程。跨線運營中，乘務員存在輪乘的情況，因此車載信號顯示屏VOBC-DMI標識，以及各種操作按鈕、操作動作應盡可能弱化差異，特別是目標-距離示意、異常報警提示操作等方面，避免給乘務員增加識別難度和出差錯的機會。尤其是列車折返換端操作這一典型步驟，由于不同信號集成商車載頭尾冗余特性不同，導致車載信號系統的換端操作時乘務員的動作順序幾乎存在顛覆性差異，駕乘單線的乘務員可以僅按照一種規則嚴格操作并無大礙，而跨線運營時不同集成廠家的列車混跑，此種差異極可能增加人為操作失誤，誘發車載降級。類似問題在車輛控制邏輯、信號系統操作上均要細致羅列梳理，加以辨識。

3.3 ATO列車自動運行

車載ATO設備實現與車輛制動裝置的可靠接口，保證行車安全和對列車實施連續有效的控制。車載ATO設備向車輛監控設備提供控制車輛牽引及制動信號執行終端的監控接口。跨線運行中由于車輛構造、供貨制造廠商也不相同，車輛的響應配合有一定差異，因此有必要根據不同配屬車輛行車ATO控車數據，以實現本線、跨線牽引制動性能。牽引-惰性-制動特性，一方面影響區間走行時間、旅行速度和周轉時間等技術指標，如果車輛性能存在偏差，將造成運營圖兌圖偏離；另一方面，制動性能可能會影響到ATO自動駕駛進站精準停車。

在ATO控車方面，跨線運營對于不同信號系統、不同車輛系統，要達到控制指標的一致，會有不同的ATO控車策略對應不同的車輛參數，最終達到控車結果的完全一致。

3.4 應答器布置

軌旁應答器實現列車精確矯正位置，是ATP安全控車的關鍵部件，應答器按照線路行車能力，結合信號機、道岔、區間通過能力核算，按照各線單獨布置，與傳統線路一致，但不同集成商應當在車載應答器天線及車載主機的數據讀取和識別上做到數據一致、接口一致、報文解譯一致。

3.5 行車監控調度指揮系統ATS

傳統單線運營的線路中，行車監控調度指揮ATS子系統也是封閉獨立的控制系統，只顯示和控制本線車站及列車信息，表征本線列車在運、在庫、在修列車總數固定，調度指揮的一切資源均在本線內。互聯互通跨線，有外線列車轉入和本線列車跨出，行車組織、調度指揮在操作和技術配置上的變化明顯增加。

1）正線車次號、車組號顯示方面

ATS捕捉本線正線運營列車，識別車組、表單計劃號按圖分配車次，接受本線行車調度的指揮。

單線管理中，列車是相同屬性，跨線時，需要增加了解列車來源、配屬，關鍵是車組編號的識別。根據中華人民共和國交通運輸部關于城軌車輛編號規則相關規定，各線車輛應獨立按順序編號，對于互聯互通的跨線車組顯示需要特別研究：按照“線路編號+車組號”的形式，如圖3所示，例如“03-001”、“12-005”等，ATS上的車組顯示數位較多，再疊加回段、跳停、計劃車次等信息，且該兩條線具備4/8編組靈活編掛功能，顯示車組編號偏長，不便于觀察；如果采用兩條線車組大排序，則部分列車的系統顯示車號與實體列車噴漆號碼不同，不利于運營管理。因此需要運營單位針對互聯互通使用習慣，特別是調度員指揮習慣，確認ATS顯示設計原則。

圖3 ATS車組號顯示Fig.3 Train unit number display of ATS

2）跨線貫通顯示與控制方面

兩條線具備獨立的ATS行車監控系統，在東風車站實現Y型分叉匯合，相當于一條線路的列車在本線ATS控區終端“消失”，從另一線顯示界面越出。一方面是接口部分的ATS顯示，應當依據調度員操作習慣，復顯對方線路到發列車狀態信息，雙線ZC具備跨線移交授權功能，因此ATS復示對方到發列車的最高模式級別的詳細狀態。

另一方面，在運行圖工作站設計上，跨線列車將從線路中途貫通聯絡道岔的位置越入、越出本線。計劃圖設計需要考慮在兩條不同集成商提供的ATS產品基礎上，依據運營計劃時刻表協調出圖，并在貫通聯絡道岔的接駁點越區實現跨線車次的自動識別。可以考慮在跨線道岔位置增加時刻表取點線，用于記錄列車跨線移交時間，便于統計和實跡圖兌圖。

3）大屏幕顯示方面

按照北京軌道交通統一規劃，未來線路采用中心調度合屏合臺的運營指揮，將多線部署在同一調度域、共用調度操作臺和顯示大屏。該兩條線部署在同一調度域，調度員具備合臺辦公指揮的條件。

在大屏幕設計時，按照兩條線各自同屏分區域顯示，包括信號系統ATS行車指揮、綜合監控、車輛調度等界面，具備單線放大投屏的功能，可以靈活滿足跨線互聯互通時，便于觀察雙線分叉、匯合點的運營狀態。

4）ATS（TIAS綜合監控）及車輛調度工作站告警信息方面

信號系統ATS與綜合監控進行深度集成整合設置為TIAS子系統，正線行車調度員需要掌握在線信號系統及綜合監控的告警信息，對于跨線列車通過所在運營線將故障、重要異常狀態通過滾屏、彈窗告知本線行車調度員用于決策。

行車業務主要將涉及本線正線運營資源中的各類故障、異常情況于第一時間推送本線行車調度員掌控，并用于本線自動化聯動處置及調度員人工決策干預，如信號系統ATP/FAO設備故障、系統冗余丟失、系統部件完整性異常，如區間煙感FAS/BAS告警，以及列車出現的門異常、空調故障、廣播故障等服務設施異常。部分場景由本線TIAS、FAO自動化聯動場景完成，必要時需要調度員會同車站、乘務員干預，不論列車是否為本線配屬列車，此時的告警、聯動、干預的處置旨在盡快處置本線運營影響。

同時，跨線列車應將其車載信號系統、列車故障通過本線ATS告警信息、車輛調度平臺同傳至車輛配屬線路的平臺終端，用于其配屬線有預期的籌劃故障處置相關方案。

4 相關接口專業的配合

跨線運營、互聯互通是軌道交通運營資源整合共享節省投資的有效手段，互聯互通不僅是信號系統實現開放接口，跨線兼容，還需要車輛、通信、綜合監控、站臺門、故障檢測等多系統、多平臺的統籌一致。

1）車輛方面：車輛的機械性能、牽引制動響應、列車電氣和網絡邏輯時序一致，能夠使信號系統利用同樣的安全包絡控車曲線實現不同制造商、不能牽引制動組合的精確匹配，特別是ATO精準停車、列車折返能力、舒適性方面應保持一致。如車輛的整車、牽引制動、列車網絡等為不同供貨商時，ATP、ATO、FAO相關控制策略要相應調整，保證整車響應性能最終一致。

2）通信系統涉及的車內廣播、PIS報站信息，站臺到站信息，特別是乘務員與調度員聯系的無線Radio列調電臺同ATS位置接口是一個全新的課題，需要信號系統ATS同通信專業細致研究功能需求。

5 總結

本文主要結合北京3號線、12號線互聯互通場景設計，探討了信號系統與傳統單線CBTC列控系統的在設備系統、功能的主要差異，以及在技術設計、運營使用上需要著重討論的問題，作為一項新技術應用需要在總體設計、專業產品設計、運營使用需求上進一步強化統籌一致，不斷完善和迭代系統功能。該課題的研究為未來城市軌道交通的互聯互通、靈活跨線運營，車輛和設備系統共享融合、資源整合利用提供了關鍵技術支撐，也為軌道交通行業的未來“四網融合”、不同制式的混跑運營提供實施的技術思路。