機(jī)電設(shè)備技術(shù)融合和信號(hào)系統(tǒng)總承包的探析

仲曉輝

（新譽(yù)龐巴迪信號(hào)系統(tǒng)有限公司，江蘇常州 213166）

1 概述

傳統(tǒng)的城市軌道交通機(jī)電設(shè)備包括通風(fēng)空調(diào)與供暖系統(tǒng)，給水與排水系統(tǒng)，供電系統(tǒng)（變電所、牽引網(wǎng)、動(dòng)力與照明、電力監(jiān)控等），信號(hào)系統(tǒng)，自動(dòng)售檢票系統(tǒng)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)，站臺(tái)門系統(tǒng)，自動(dòng)扶梯及電梯等。各專業(yè)專注于自身系統(tǒng)，積極引導(dǎo)城市軌道交通技術(shù)及管理的縱向發(fā)展，但橫向發(fā)展缺少一定的經(jīng)驗(yàn)積累及模式探索。設(shè)備接口較少，交互功能單一，招標(biāo)發(fā)包專業(yè)多，乘客體驗(yàn)欠佳，建設(shè)運(yùn)維任務(wù)重。因此在城市軌道交通線路快速發(fā)展的當(dāng)下，如何建設(shè)、運(yùn)維眾多的機(jī)電設(shè)備專業(yè)，打破資源壁壘，優(yōu)化設(shè)備接口，增強(qiáng)乘客舒適度，提升運(yùn)維效率，保證運(yùn)營(yíng)安全，是當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)所面臨的眾多問題。尤其在各個(gè)城市全自動(dòng)運(yùn)行線路快速部署的今天，乙方總承包基于自身核心功能及接口開放實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)融合，做好多專業(yè)一致性協(xié)調(diào)，大系統(tǒng)級(jí)的安全認(rèn)證工作，是本文探析的目的。旨在推動(dòng)落實(shí)城市軌道交通利用新型信息技術(shù)和深度融合的發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通多專業(yè)機(jī)電設(shè)備的一體化、智慧化。

2 多專業(yè)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)融合

《城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略與“十四五”發(fā)展思路研究報(bào)告》提出了新一代智能地鐵列車多系統(tǒng)融合控制方案的要求。考慮到全自動(dòng)運(yùn)行線路高可靠性、高安全性的要求及人性化、智慧化場(chǎng)景的應(yīng)用，由信號(hào)系統(tǒng)集成商作為機(jī)電設(shè)備采購(gòu)及服務(wù)總承包方，融合或者整合下述系統(tǒng)以適應(yīng)城市軌道交通機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

2.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

目前的城市軌道交通領(lǐng)域，列車運(yùn)行控制功能主要由基于通信的列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control，CBTC） 及 車 輛 的 列 車控制管理系統(tǒng)（Train Control Management System，TCMS）來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案通過信號(hào)系統(tǒng)車載列車自動(dòng)控制子系統(tǒng)（Vehicle Automatic Train Operation，VATO）與TCMS 車輛控制單元（Vehicle Control Unit，VCU）的交互實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能所需的接口信息，從而使列車非安全架構(gòu)較為龐雜，設(shè)備分布化設(shè)置，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高，信息延時(shí)大，控制精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果差。因此融合VATO 與TCMS，是形成列車運(yùn)行控制系統(tǒng)一體化、智慧化突破性的一步。結(jié)合《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出的基于系統(tǒng)容量大、傳輸時(shí)延低、可靠性高的以太網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)列車多子系統(tǒng)融合的一體化平臺(tái)要求，可以實(shí)現(xiàn)由信號(hào)系統(tǒng)直接發(fā)送牽引制動(dòng)有關(guān)指令給車輛；信號(hào)系統(tǒng)直接管理電空混合制動(dòng)；信號(hào)系統(tǒng)直接管理車輛相關(guān)子系統(tǒng)；信號(hào)系統(tǒng)與TCMS 司機(jī)顯示界面融合一體等功能，如圖1 所示。

圖1 列車雙端車載平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Double-end onboard platform architecture

融合后的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)將基于以太網(wǎng)實(shí)時(shí) 數(shù) 據(jù) 協(xié) 議（Train Real-time Data Protocol，TRDP），考慮到城市軌道交通對(duì)于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)相關(guān)的制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)及車門控制系統(tǒng)均有安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level，SIL）的要求，因此該協(xié)議須支持此類安全數(shù)據(jù)的傳輸，安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（Safe Data Transmission version 2，SDTV2）將完成此類安全數(shù)據(jù)的交互，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性及安全性。列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)按照雙歸屬環(huán)網(wǎng)布局，單個(gè)車輛設(shè)置2 臺(tái)1 000 M 交換機(jī)并與車輛級(jí)終端設(shè)備連接，如圖2 所示。

圖2 列車車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Train onboard network architecture

本方案融合后將形成新一代列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，使?fàn)恳苿?dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)與信號(hào)系統(tǒng)的ATO 控車曲線更加貼合，最大限度地考慮乘客舒適度。同時(shí)本方案為后續(xù)車輛其他系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的融合探索了方向，如信號(hào)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的速度傳感器融合等。

2.2 站臺(tái)門控制系統(tǒng)

站臺(tái)門系統(tǒng)作為城市軌道交通安全相關(guān)系統(tǒng)，時(shí)刻影響著運(yùn)營(yíng)的效率及安全。傳統(tǒng)的站臺(tái)門系統(tǒng)（機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)）作為單獨(dú)的機(jī)電設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)，與信號(hào)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（Computer Based Interlocking，CBI）子系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)功能單一，響應(yīng)速度遲延，故障定位較難，運(yùn)維專業(yè)聯(lián)動(dòng)性差。尤其在全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的城市軌道交通線路中，站臺(tái)門系統(tǒng)如何更好地與信號(hào)系統(tǒng)接口，是未來(lái)提升運(yùn)營(yíng)效率、保證安全以及響應(yīng)大容量復(fù)雜場(chǎng)景應(yīng)用的瓶頸。本方案將從信號(hào)系統(tǒng)整合站臺(tái)門接口方式及相應(yīng)功能為著眼點(diǎn)，由安全完整性等級(jí)SIL4 的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)站臺(tái)門接口功能進(jìn)行總體把控，通過設(shè)置的門控柜，信號(hào)系統(tǒng)車載設(shè)備與軌旁站臺(tái)門系統(tǒng)直接通信并傳輸數(shù)據(jù)，有效減少傳統(tǒng)站臺(tái)門系統(tǒng)接口信息存在的時(shí)延，減少開/關(guān)門時(shí)間，提高列車運(yùn)行效率，如圖3 所示。

圖3 信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)接口Fig.3 The interface between signalling system and platform door system

本方案整合后，信號(hào)系統(tǒng)可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)站臺(tái)滑動(dòng)門關(guān)門受阻后，列車門和站臺(tái)門在可配置次數(shù)內(nèi)的再聯(lián)動(dòng)開/關(guān)門以及該措施失效后，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于站臺(tái)門再打開或者再關(guān)閉命令的應(yīng)用；信號(hào)系統(tǒng)可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)于單個(gè)滑動(dòng)門的聯(lián)動(dòng)控制、島式站臺(tái)兩側(cè)站臺(tái)門開/關(guān)門與站停時(shí)間的聯(lián)動(dòng)、不同編組不同泊位按照不同時(shí)序開/關(guān)站臺(tái)門等復(fù)雜場(chǎng)景的應(yīng)用。進(jìn)一步地，本方案為未來(lái)信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門控制系統(tǒng)的融合探索了方向，如信號(hào)系統(tǒng)軌旁CBI 或者列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）子系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)對(duì)于站臺(tái)門機(jī)械設(shè)備的目標(biāo)控制；站臺(tái)門監(jiān)控設(shè)備融合至列車自動(dòng)監(jiān)控（Automatic Train Supervision，ATS）子系統(tǒng)或者行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以更好地為全自動(dòng)運(yùn)行線路智慧化場(chǎng)景服務(wù)等。

2.3 車輛智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)

目前，城市軌道交通的運(yùn)維按照不同專業(yè)設(shè)置，對(duì)于接口功能或者跨專業(yè)聯(lián)動(dòng)功能的控制管理及運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)諸多不便。本方案將基于前述列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的融合及信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)的橫向開發(fā)，融合車輛各個(gè)專業(yè)有關(guān)運(yùn)維信息，如牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)及暖通與空調(diào)系統(tǒng)等，形成一體化、智慧化的車輛智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 車輛智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)Fig.4 Vehicle intelligent operation and maintenance management system

本方案融合后，車輛的智慧運(yùn)維數(shù)據(jù)將持續(xù)不斷地通過車- 地?zé)o線通信系統(tǒng)發(fā)送給軌旁運(yùn)維服務(wù)器，運(yùn)維服務(wù)器利用大數(shù)據(jù)算法，完成數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)等任務(wù)，通過車輛智慧運(yùn)維工作站顯示預(yù)測(cè)的車輛運(yùn)維信息，提示運(yùn)維工作人員及時(shí)做出響應(yīng)。車輛智慧運(yùn)維工作站還可作為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)線路中的遠(yuǎn)程駕駛臺(tái)，監(jiān)視和控制車輛相關(guān)系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程照明控制、遠(yuǎn)程暖通及空調(diào)控制、遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)或常用制動(dòng)、遠(yuǎn)程車輛故障復(fù)位等。更為重要的，該系統(tǒng)可以快速定位跨專業(yè)的盲點(diǎn)故障并及時(shí)解決。本方案為車輛相關(guān)專業(yè)運(yùn)維設(shè)備從軟件功能到硬件設(shè)備的融合探索了發(fā)展方向。隨著全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)線路的逐步增多，一體化、智慧化的車輛運(yùn)維系統(tǒng)作為綜合性運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)于城市軌道交通行業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率的提升是顯而易見的。

2.4 其他

信號(hào)系統(tǒng)ATS 子系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（Integrated Supervision Control System，ISCS）融合形成的行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)部分城市軌道交通線路已順利實(shí)施。隨著云平臺(tái)技術(shù)的逐步成熟，在統(tǒng)一云平臺(tái)內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)城市軌道交通眾多機(jī)電設(shè)備專業(yè)的融合，如電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、視屏監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)及列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)等。該方案不僅可以建立本線路高效的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，還可以將多條線路的數(shù)據(jù)部署在同一云平臺(tái)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)級(jí)不同廠家同類系統(tǒng)間的調(diào)度管控及更多的聯(lián)動(dòng)功能，如本線路同站臺(tái)換乘站的ATS 將時(shí)刻表信息發(fā)送到其他線路的ATS，從而使時(shí)刻表與乘客的乘車計(jì)劃更為貼合，提高運(yùn)營(yíng)舒適度；同樣，在故障列車救援和火災(zāi)救援等應(yīng)急場(chǎng)景下，利于運(yùn)維人員快速響應(yīng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)一體化、智慧化的城市軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景。

自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（Automatic Fare Collection，AFC）可融合至信號(hào)系統(tǒng)，如AFC 系統(tǒng)利用統(tǒng)一云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)算法，篩選出乘客通行時(shí)間的峰谷值并遠(yuǎn)程打開或關(guān)閉售票設(shè)備、安檢設(shè)備及票檢設(shè)備，同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)對(duì)來(lái)自AFC 系統(tǒng)的客流信息進(jìn)行定義，匹配列車時(shí)刻表和列車編組信息，開發(fā)實(shí)現(xiàn)4/6/8 編組列車運(yùn)營(yíng)混跑的機(jī)制判斷、突發(fā)應(yīng)急事件的行車控制、快慢車計(jì)劃的干預(yù)、時(shí)刻表預(yù)先編制及列車數(shù)量?jī)?yōu)先安排等功能。而當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)跳停本站或者故障列車影響載客時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)可以發(fā)送關(guān)閉AFC 系統(tǒng)的售票設(shè)備、安檢設(shè)備及票檢設(shè)備的命令，提高乘客的人機(jī)交互體驗(yàn)感。實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，一體化、智慧化運(yùn)營(yíng)的目的。

乘客信息顯示系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）可融合至信號(hào)系統(tǒng)，目前PIS 系統(tǒng)可部署在統(tǒng)一云平臺(tái)內(nèi)，融合后的系統(tǒng)利用前述章節(jié)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和車輛智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)將更好地為乘客提供便捷、安全、舒適的服務(wù)。涉及列車到站時(shí)間、時(shí)刻表信息、火災(zāi)阻塞、緊急疏散、區(qū)間通風(fēng)、視屏監(jiān)控及緊急呼叫等聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景功能的應(yīng)用，如區(qū)間火災(zāi)，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息智慧選擇列車越過區(qū)間火災(zāi)區(qū)域或者返回前站站臺(tái)緊急疏散。融合后PIS 系統(tǒng)將及時(shí)地與乘客交互信息，安撫乘客情緒，做好個(gè)人安全防護(hù)。

3 機(jī)電設(shè)備招標(biāo)管理優(yōu)化

目前，軌道交通機(jī)電設(shè)備專業(yè)分類較多，對(duì)甲方業(yè)主來(lái)說(shuō)，在承發(fā)包階段，考慮各專業(yè)工作接口界面較多，不利于建設(shè)管理；在設(shè)計(jì)開發(fā)階段，隨著全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)線路的發(fā)展，一體化、智慧化的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求在增加，各專業(yè)機(jī)電設(shè)備功能的可靠性、安全性要求在提高，安全評(píng)估需求在增加；在項(xiàng)目執(zhí)行階段，多專業(yè)接口功能和運(yùn)營(yíng)聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景需要一致性協(xié)調(diào)方參與協(xié)調(diào)管理；在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，對(duì)于接口問題的故障處理難以準(zhǔn)確定位，投入人力資源成本多。

綜上所述，各專業(yè)機(jī)電設(shè)備采購(gòu)及服務(wù)招標(biāo)方式由單獨(dú)招標(biāo)優(yōu)化為總承包管理后，由SIL4 的信號(hào)系統(tǒng)作為總承包方進(jìn)行一體化管理，將減輕甲方業(yè)主的建設(shè)管理壓力，利于建設(shè)項(xiàng)目的順利執(zhí)行。經(jīng)過調(diào)研，已有部分城市的招標(biāo)由信號(hào)系統(tǒng)集成商總承包管理多專業(yè)機(jī)電設(shè)備采購(gòu)及服務(wù)，如蘭州地鐵2 號(hào)線將專用通信系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、技術(shù)防范系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、ISCS 系統(tǒng)以及AFC系統(tǒng)共同招標(biāo)；廈門地鐵4 號(hào)線和6 號(hào)線將信號(hào)系統(tǒng)、ISCS 系統(tǒng)、線網(wǎng)云平臺(tái)共同招標(biāo)。

鑒于本方案前述第2 章節(jié)各專業(yè)機(jī)電設(shè)備融合或整合項(xiàng)點(diǎn)，乙方總承包方信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行管理后，推薦的基本招標(biāo)范圍包括信號(hào)系統(tǒng)、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、站臺(tái)門控制系統(tǒng)、車輛智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、AFC 及PIS，也可根據(jù)甲方業(yè)主的需求靈活調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探析多專業(yè)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)融合與機(jī)電設(shè)備招標(biāo)管理優(yōu)化，城市軌道交通多專業(yè)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)發(fā)展將更好地符合國(guó)家一體化、智慧化的發(fā)展戰(zhàn)略。

隨著5G 通信、人工智能、云平臺(tái)及大數(shù)據(jù)算法等新型技術(shù)將不斷地從非關(guān)鍵系統(tǒng)向關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)用到城市軌道交通行業(yè)，信號(hào)系統(tǒng)作為關(guān)鍵SIL4 系統(tǒng)，不斷契合及發(fā)展自身很有必要。從軟件技術(shù)、硬件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3 個(gè)維度和信息安全角度，考慮與其他機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的融合或整合，信號(hào)系統(tǒng)融合多專業(yè)機(jī)電設(shè)備一體化未來(lái)還有很大的發(fā)展空間。