市域（郊）鐵路CBTC系統互聯互通方案研究

寧詠梅、劉暢

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

我國京津冀、粵港澳大灣區、長三角、成渝、長江中游等地區正在通過市域（郊）鐵路建設打造1 小時通勤圈，連接都市圈中心城市城區和周邊城鎮組團，為通勤客流提供速度快、大運量、公交化運輸服務。目前，國內采用市域（郊）鐵路列車運行速度多處于100～160km/h 范圍內，部分地區市域（郊）鐵路信號系統采用基于通信的移動閉塞列車自動控制CBTC系統。隨著市域（郊）線網建設的完善，不同線路實現互聯互通的需求日益凸顯，只有CBTC 系統實現互聯互通才能滿足市域（郊）鐵路整體網絡化運營、降低綜合運營成本。因此，有必要重點對國內典型的市域（郊）鐵路CBTC 系統互聯互通方案進行研究。

1 國內市域（郊）鐵路信號系統互聯互通的發展

1.1 國內市域（郊）鐵路互聯互通需求分析

市域（郊）鐵路車站間距較大，列車運行速度較快，獨立運行的線路車輛基地、機電設備等無法實現資源共享，乘客跨線出行時需中途多次換乘才能到達目的地，這些都會造成時間成本及線網資源的巨大浪費。近期，國內推進“國鐵干線、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通”四網融合，需要研究建立一體化建設運營機制。其中，市域（郊）鐵路網互聯互通的主要需求如下：第一，統一規劃本地區市域（郊）鐵路列車共線或跨線網絡化布局。第二，統一技術標準、工程標準、維護標準、服務標準、運營標準。第三，建立滿足一體化運營要求的管理體系、管理規則、協調機制。

CBTC 作為市域（郊）鐵路信號系統的主流制式，是基于通信的移動閉塞列車控制系統。中國城市軌道交通協會牽頭編制頒布的CBTC 互聯互通系列規范及標準文件，對CBTC 系統架構、功能需求、接口規范和報文規范等進行明確定義，為不同信號系統實現互聯互通提供技術標準依據，適用于新建、更新改造及擴建線路的CBTC 系統設計、設備招標及工程建設[1]。

CBTC 能夠利用高精度的列車定位、雙向連續的車地數據通信和地面、車載安全功能處理器完成自動、連續的列車運行控制[2]。實現CBTC 系統互聯互通的難點主要包括以下幾方面。

第一，互聯互通運營場景梳理。互聯互通市域（郊）鐵路全日完整運營過程復雜，從中提煉出CBTC共線運行場景、跨線運行場景也相對復雜。需要按照時間順序描述互聯互通軌道交通系統運營過程，分析CBTC 系統互聯互通需求、系統及子系統功能需求和安全需求、人員及設備配置，通過系統試驗逐個場景進行測試和驗證，將關鍵場景作為互通的運營場景。

第二，信號技術限制。由于實際情況中各CBTC系統廠家安全設計理念不盡相同，其系統架構、子系統功能模塊存在較大差異，CBTC 系統難以實現完全兼容或完全互聯互通。一是不同廠家的信號系統缺乏統一線路拓撲描述。二是不同廠家的信號系統缺乏統一接口形式與規范。三是不同廠家的信號系統功能與架構分配不一致。四是不同廠家的信號系統車地通信方式與遵循的通信協議不一致。五是不同廠家的信號系統有線網絡協議不互認。

第三，不同廠家CBTC 系統互聯互通有待驗證。

第四，系統認證復雜。由于不同CBTC 系統存在系統架構差異和功能差異，對于不同CBTC 系統的各子系統的共線安全認證、跨線安全認證、交叉測試驗證的實施難度大，缺乏成熟完備的認證標準。

第五，跨線運營維護。不同CBTC 系統實現互聯互通，產生跨線運營維護及統一調度指揮相關需求，跨線集中調度需要統籌整合相關資源，建立健全調度管理體系，制訂相關維護管理制度。

1.2 市域（郊）鐵路CBTC 系統互聯互通發展現狀

傳統的單線運營方式下各條市域（郊）鐵路相互獨立，旅客需要下車進行換乘實現線路更換，據不完全統計，近年來國內已實現或擬實現CBTC 系統互聯互通的市域（郊）鐵路有京津冀地區—大興新機場線、雄安至大興機場快線，重慶地區—跳磴至江津線、5 號線，成都地區—成都至眉山線、成都至德陽線，粵港澳大灣區—深大城際、深惠城際、南珠中城際、佛廣莞城際、芳村至白云機場城際，廣州東至天貴城際等。

1.3 重要性

只有CBTC 系統實現互聯互通才能滿足市域（郊）鐵路整體網絡化運營，結合統一市域車型、牽引供電制式等，列車在不停車和不改變駕駛模式的情況下，通過跨線或越行配線直接運行到相鄰線路上，能實現從“人換乘”到“車換線”的轉變，從而提高旅客出行效率、降低綜合運營成本、發揮市域（郊）鐵路承上啟下的運輸效能。

2 市域（郊）鐵路CBTC 系統的互聯互通方案研究

CBTC 系統劃分為中心層、車載層以及軌旁層三部分，包括列車調度監控ATS、軌旁、車載以及數據通信子系統（DCS）。

2.1 按互聯互通系列規范及標準文件統一CBTC 系統設計

以CBTC 互聯互通系列規范及標準文件為依據，統一CBTC 系統需求、系統架構、功能需求、接口、測試、工程設計以及通信協議、報文等的定義和設計原則，不同廠家CBTC 軌旁、車載、數據傳輸系統與ATS等子系統之間的接口按照統一的標準協議規定進行頂層設計、方案制訂和產品研發，統一軌旁設備安裝等外部條件。

2.2 統一列車運行控制級別

列車選型在滿足互聯互通條件的前提下，需能在連續式列車控制級別和降級下均實現貫通運行。車載信號ATP/ATO 設備實時與對應的列車調度監控ATS 子系統、軌旁區域控制器ZC、聯鎖CI 子系統進行通信。不同線路之間相應設置移交邊界和移交重疊區，CBTC 系統的車載和軌旁設備根據管轄范圍的不同，分別存儲所在線路范圍的電子地圖。

當列車從本線駛入相鄰線時，如果兩線處于相同的列車運行控制級別，要確保列車目前所處的列控級別及駕駛模式不降級；當從低列控級別線路進入高級別線路時，運營列車滿足升級條件時可升級為高列控級別及駕駛模式；當從高列控級別線路進入低級別線路時，CBTC 系統應根據線路邊界信息提前向司機發出相應指示，經司機確認后，列車轉入RM 模式運行，在收到即將進入線路的有效控制信息并滿足升級條件時，進行列控級別和駕駛模式轉換。除非運營需要，裝備列車應能不停車跨線運行。

2.3 統一調度運營模式

為實現不同線路CBTC 系統互聯互通，建議頂層設置一套線網綜合調度指揮系統，各線信號ATS 子系統相應調整管轄范圍，增加ATS 與綜合調度指揮系統的接口，各線貫通運營后由綜合調度指揮系統統一進行調度管理。不同設備廠商的ATS 子系統調度命令管理、列車狀態信息、行車監督、應急指揮、安全監控、運行圖、報警信息等應盡量統一標準，確保全線網列車調度指揮系統安全、高效運行，為信號系統互聯互通提供統一的調度指揮控制。

2.4 合理劃分軌旁及車載設備管轄范圍

2.4.1 軌旁設備

軌旁設備主要包括區域控制器ZC、數據庫存儲單元以及對象控制器，區域控制器可以獲取市域鐵路的全部列車相關信息，然后根據障礙物信息，對列車的移動進行授權。區域控制器的響應在工作中可以對相鄰的區域控制器所發出的移動授權請求進行響應。在進行軌旁子系統的設計時，工作人員可以對設備進行合理的配置，一種方式是在一個軌道區段內，可以接受區域控制器和計算機連鎖的同時控制，區域控制器可以通過計算機聯鎖接收道岔信息，而計算機聯鎖能夠和軌旁設備直接連接，接收ATS 的信號，從而對道岔進行控制。另一種方式是區域控制器發揮聯鎖功能對列車移動授權進行單獨控制，區域控制器直接連接屏蔽門和道岔的接口，通過ATS 發出的信號，對道岔進行控制，從而實現聯鎖操作。

2.4.2 車載設備

車載設備主要包括控制單元、位移和速度傳感器、查詢應答器、天線、司機操作單元以及信標等。查詢應答器主要用于對列車進行定位；司機操作單元可以顯示CBTC 系統狀態、駕駛信息、報警信息；信標可以進行列車位置的初始化，并提升列車位置測量的精度；控制器是子系統的核心部件，通過和位移和速度傳感器以及查詢應答器進行連接，可以精確地找到列車的運行的實際位置，通過和司機操作單元連接，可以確定駕駛和設備的情況，并在出現異常情況時向司機發出報警信號。

不同市域（郊）線貫通后可能屬于不同的運營公司管理，為明確線路的管理和調度界面，各線ZC 之間通過傳遞移交狀態信息、移交列車信息、列車位置信息、列車順序信息等實現互聯互通。建議按信號系統確定兩線的分界處信號設備與對應的站控區由同一個ATP 控制區域管轄，以便于明確調度管理權限，各線列車調度權均屬于本線調度。各線ZC 設備軟件結合注冊跨線列車的車組號等信息，車載ATP/ATO 設備軟件和電子地圖等按互聯互通后的線網編寫，互聯互通線路的列車混跑后，各線列車車載設備相應進行軟件升級和電子地圖等的更新。

對于互聯互通線路，地面重疊區的設置宜能保證列車的無縫切換，應分別計算各線的列車控制重疊區長度，取最大值為實際的移交列車控制重疊區長度；重疊區的長度應不小于進路觸發區段的長度。

2.5 聯鎖子系統

各線的聯鎖CI 子系統按照互聯互通標準和規范的要求，其內部安全功能模塊和通信功能模塊通過周期發送的方式進行通信。各線CI 向鄰線傳輸本聯鎖管轄范圍的設備狀態，同時接收對方線路CI 發來的道岔狀態、物理區段狀態、邏輯區段狀態、信號機狀態、站臺門狀態、ESB 按鈕、臨時限速等信息。

2.6 維護監測MSS 子系統

信號設備及信號與車輛、站臺門、綜合監控、通信、供電等外部系統存在多個接口，建立全線網維護監測系統，對各線信號設備進行實時監測、數據采集和分析，維修中心的MSS 系統和各車站級MSS 設備按照互聯互通標準進行連接，為列車跨線運行和車輛調配提供信息支撐。

2.7 培訓子系統方案

由于互聯互通市域（郊）鐵路存在快慢車混跑越行、跨線運行等運營需求，相關系統復雜度升高、設備數量相應增加，各線培訓中心的模擬培訓設備也需提供統一的調度管理、維護管理和操作培訓功能，適應互聯互通線路的培訓要求。

2.8 數據通信DCS 子系統

DCS 是CBTC 互聯互通能夠實現的關鍵部分，可以在不同的子系統之間進行報文的傳輸，并且DCS 可以移動[3]。DCS 是單獨的網絡，傳送報文更加安全和透明，能夠進行實時傳輸，傳輸量較大，屬于可靠性較高的數據傳輸系統。在運行中，DCS 利用存在接口和開放標準協議的商用設備，可以實現CBTC 系統的互聯互通。DCS 包括有線部分和無線部分，有線部分利用以太網標準和UDP/IP 協議進行報文的傳輸，同時利用IPSec 協議對網絡進行保密，提高數據傳輸的安全性。在CBTC 系統中，冗余光纖骨干網將不同的子系統連接在一起，構成軌旁網絡，并沿著線路進行延伸，且局域網構成了ATS 網絡，能夠通過交換機將其連接到骨干網中。

2.9 互聯互通安全認證

以A 線和B 線為實現互聯互通的兩條線路為例，A 線、B 線在完成本線信號軌旁設備和車載設備安全評估和認證工作的基礎上，A 線需對跨入本線的共線列車的車載設備互聯互通功能進行第三方獨立安全評估和認證，而A 線的線路數據作為被B 線評估的源數據，也要通過本線安全評估和認證。B 線將A 線源數據進行轉化，再結合B 線需要進行數據測試、安全評估和認證[4]。B 線列車進入A 線，B 線評估方要出具允許B 線列車跨入A 線的安全授權，A 線評估方應出具A 線信號設備具備共線或跨線調試、試運營及試運行的安全授權，安全授權包含所有A 線涉及的系統集成商的車載設備。

3 市域（郊）鐵路CBTC 系統互聯互通的功能

互聯互通CBTC 系統的軌旁和車載設備通過數據通信網進行連接，各信號設備廠家按照互聯互通標準實施接口，相互驗證線路工程數據的準確性，能實現不同線路之間CBTC 系統的相互兼容，實現不同市域（郊）線路列車共線或跨線運行，為市域（郊）鐵路規模化和網絡化運營提供技術保障，減少旅客換乘次數、提高出行的便捷性。

4 結論

第一，市域（郊）鐵路CBTC 系統互聯互通方案對車地通信方式、信息幀格式、系統信息交換形式、接口形式、通信網絡等標準和協議進行統一，能確保CBTC 系統互聯互通的安全性和穩定性。第二，不同線路采用相同廠家的同型號CBTC 系統共線或跨線的列車只需裝設一套車載設備即可實現CBTC 模式下的貫通運營。若采用不同廠家的CBTC 系統，相關各廠家設備均需滿足互聯互通標準的要求，同時對ATS、ATP/ATO、CI 等各信號子系統與相關系統接口進行統一規定，且先期建設線路應預留后續接入線路的相關系統容量和接入條件。