城市軌道交通信號系統(tǒng)互聯(lián)互通工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)淺析

趙 青

0 引言

目前，國際上較通用的列車控制系統(tǒng)中，歐洲的ETCS（European Train Control System，歐洲列車控制系統(tǒng)）應(yīng)用已較為成熟，得到了歐洲各國鐵路公司和供貨商的廣泛認(rèn)可，歐洲鐵路已經(jīng)有部分線路成功實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通；美國紐約市采取3 家企業(yè)（西門子、阿爾卡特、阿爾斯通）合作的形式搭建列車控制系統(tǒng)，但至今未達(dá)到互聯(lián)互通的投運(yùn)條件；日本東京軌道交通線路基本實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，但由于未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，列車加裝多套信號車載設(shè)備，需由人工手動切換。

在國內(nèi)，為保證各地鐵線路的列車安全可靠運(yùn)行，所有線路均采用單線運(yùn)營，本線路的車輛及其車載信號系統(tǒng)只能與本線路的地面信號系統(tǒng)進(jìn)行“交流”，乘客通過步行換乘不同線路列車。隨著國內(nèi)軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，人們對公共交通便利性的要求越來越高，城市軌道交通線網(wǎng)的互聯(lián)互通研究成為熱點(diǎn)。

1 互聯(lián)互通現(xiàn)狀

軌道交通運(yùn)營商基于多方面探索實(shí)現(xiàn)不同線路互聯(lián)互通的途徑和技術(shù)：

（1）采用同一廠商相同制式的信號系統(tǒng)。如上海地鐵在六、七、八、九號線4 條線路設(shè)計(jì)時，提出進(jìn)行4 條線捆綁招標(biāo)。

（2）在地面加裝多套信號設(shè)備。如香港將軍澳線，基于SACEM 系統(tǒng)，在保證車載設(shè)備不改造的情況下，采用在地面安裝多套軌旁設(shè)備實(shí)現(xiàn)線路間的互聯(lián)互通。

（3）采用通用的信號車載設(shè)備。如北京地鐵八通線采用通用式機(jī)車信號，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)LCF-100（DT）車載設(shè)備與英國西屋地面信號系統(tǒng)的兼容。

（4）重慶軌道交通互聯(lián)互通應(yīng)用工程基于統(tǒng)一的、規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的信號系統(tǒng)互聯(lián)互通設(shè)備配置，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的信號系統(tǒng)互聯(lián)互通，乘客無需通過換乘就可以到達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)“大站快車”運(yùn)營模式，從而便利乘客出行，縮短出行時間[1]。

2 信號系統(tǒng)互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)

重慶軌道交通自主信號系統(tǒng)項(xiàng)目示范應(yīng)用工程實(shí)施主要由4 家集成商、3 家安全認(rèn)證單位、2家LTE 廠商和骨干網(wǎng)廠商組成。

該項(xiàng)目共設(shè)置4 處聯(lián)絡(luò)線，分別是重慶西站（5號線、環(huán)線）、民安大道站（4 號線、環(huán)線）、南湖站（10 號線、環(huán)線）和重慶北站（4 號線、10 號線）。各集成商的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)方式等有所不同，對已發(fā)布的城市軌道交通技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)理解也存在偏差；各認(rèn)證單位在安全分析、安全管理及危害處理等方面存在差異，這也就從不同方面增加了實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)互通”的難度。下文將對重慶市軌道交通“互聯(lián)互通”工程的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 統(tǒng)一互聯(lián)互通信號系統(tǒng)的需求及系統(tǒng)架構(gòu)

統(tǒng)一的信號系統(tǒng)架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，統(tǒng)一的系統(tǒng)需求又是統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)的前提。典型的信號系統(tǒng)由CI（聯(lián)鎖系統(tǒng)）、ATS（列車自動監(jiān)控系統(tǒng)）、ATP/ATO（列車自動防護(hù)/駕駛系統(tǒng)）及DCS（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）等子系統(tǒng)組成，由于不同線路需求和各廠商的子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方法不同，設(shè)計(jì)的原則也不同，因此系統(tǒng)總體架構(gòu)和功能分配也不相同。通過多方面調(diào)研，確定了本工程的互聯(lián)互通信號系統(tǒng)架構(gòu)（圖1）和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖2）。

圖1 重慶市軌道交通互聯(lián)互通信號系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 重慶市軌道交通互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在系統(tǒng)功能分配方面，制定了《CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)總體需求規(guī)格說明書》、《CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)功能需求分配技術(shù)要求》及各子系統(tǒng)需求規(guī)格說明書，識別了CBTC（基于通信的列車自動控制系統(tǒng)）下所有系統(tǒng)和子系統(tǒng)的互聯(lián)互通需求，并對功能分配進(jìn)行了定義，解決了功能需求差異的問題。

2.2 統(tǒng)一設(shè)計(jì)原則

不同的設(shè)計(jì)原則制約著功能的實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)原則在信號系統(tǒng)互聯(lián)互通中起著至關(guān)重要的作用[2]。

通過收集匯總對比各方設(shè)計(jì)原則，形成各方適配的統(tǒng)一設(shè)計(jì)原則等，包括站臺精確停車應(yīng)答器設(shè)計(jì)原則、信號機(jī)配套應(yīng)答器設(shè)計(jì)原則、區(qū)間應(yīng)答器布置原則、填充應(yīng)答器布置原則、信號機(jī)布置原則、計(jì)軸設(shè)備布置原則。根據(jù)各方車輛和各條線路的最差情況計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)，包括保護(hù)區(qū)段長度、接近區(qū)段長度、觸發(fā)區(qū)段長度、列車進(jìn)路延時解鎖時間、保護(hù)區(qū)段計(jì)時解鎖時間、MA 安全防護(hù)距離等。強(qiáng)制性要求了車載無線天線（移動授權(quán)）、應(yīng)答器天線的安裝位置及應(yīng)答器的安裝高度等，保證不同列車在不同線路上與應(yīng)答器的通信正常。

2.3 統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)

CBTC 互聯(lián)互通必須滿足配備不同車載設(shè)備的列車可以跨線運(yùn)行，與其他線路的地面設(shè)備正常進(jìn)行指令傳輸，并能夠提供完整的列車自動防護(hù)和駕駛功能，這就要求所有車載設(shè)備和地面設(shè)備具有統(tǒng)一的接口設(shè)計(jì)，保證通信協(xié)議的一致性。

在本工程中制定了統(tǒng)一的功能需求和實(shí)施方案，統(tǒng)一了車載設(shè)備-聯(lián)鎖設(shè)備（VOBC-CI）、車載設(shè)備-區(qū)域控制器（VOBC-ZC）、車載設(shè)備-ATS系統(tǒng)（VOBC-ATS）、CI-CI、ZC-ZC、ATS-ATS 6 個互聯(lián)互通接口功能。6 個互聯(lián)互通接口及其對應(yīng)功能如表1 所示[1]。

表1 接口統(tǒng)一功能

上述接口功能中，ZC 切換功能為制約本工程的一個技術(shù)難點(diǎn)。因?yàn)楦鲝S商ZC 內(nèi)部使用的信號機(jī)狀態(tài)不一致，且受傳統(tǒng)聯(lián)鎖接口影響，較難統(tǒng)一；聯(lián)鎖關(guān)系中“或空閑”、“與占用”邏輯不同，導(dǎo)致基于相同的軌旁設(shè)備狀態(tài)跨線2 個ZC 計(jì)算的移動授權(quán)不同；ZC 內(nèi)部ARB（Always Report Blocking，自動判斷計(jì)軸故障占用）判定狀態(tài)理解不一致（有的認(rèn)為通過計(jì)軸區(qū)段ARB 狀態(tài)判斷后續(xù)CBTC 列車MA 是否可越過該區(qū)段，有的認(rèn)為通過列車序列等狀態(tài)判斷后續(xù)CBTC 列車MA 是否可越過該區(qū)段）。通過多次研討，最終確定移動授權(quán)的方案如圖3 所示。當(dāng)列車位于ZC1 控制區(qū)域內(nèi)（未進(jìn)入ZC 重疊區(qū)），MA 授權(quán)到ZC1 和ZC2 的分界點(diǎn)；當(dāng)列車進(jìn)入ZC 重疊區(qū)后，同時接收ZC1 和ZC2的移動授權(quán)信息，列車的MA 延長至圖中MA_ZC1+ZC2 處。

圖3 Z C 重疊區(qū)MA 授權(quán)示意圖

2.4 統(tǒng)一通信方式

本工程采用了基于CBTC 線路的LTE 互聯(lián)互通綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)，車載設(shè)備-地面設(shè)備無線通信統(tǒng)一采用1.8 GHz 的LTE 技術(shù)，1 785～1 790 MHz、1 800～1 805 MHz 頻段是信號互聯(lián)互通車輛和地面無線通信專用頻段?；ヂ?lián)互通LTE 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 互聯(lián)互通LTE 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LTE 系統(tǒng)需要互聯(lián)互通的接口包括Uu 接口、S10 接口、S5 接口、S6a 接口。Uu 接口是數(shù)據(jù)終端與LTE 基站之間的接口；S5 接口是S-GW（Serving GateWay，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）與P-GW（PDN GateWay，PDN 網(wǎng)關(guān)）間的接口，提供S-GW 和P-GW 間用戶的隧道管理功能；S10 接口是MME間的接口，用于MME 間傳送控制信息；S6a 接口是MME 和HSS 間的接口，用于傳輸用戶相關(guān)數(shù)據(jù)及鑒權(quán)信息。

設(shè)備之間通過A、B 雙網(wǎng)（包括無線和有線網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)冗余通信，其中A 網(wǎng)和B 網(wǎng)相互獨(dú)立且互為熱備，提高設(shè)備間通信的可用性。雙網(wǎng)冗余連接如圖5 所示。

圖5 雙網(wǎng)冗余連接

為確保數(shù)據(jù)通信的安全可靠性，數(shù)據(jù)通信采用安全通信協(xié)議：車-地設(shè)備之間通信使用RSSP-2 安全協(xié)議；地-地設(shè)備之間通信使用RSSP-1 安全協(xié)議，且設(shè)備連接方式兼容。RSSP-1 和RSSP-2 系統(tǒng)通信模型如圖6 所示[4]。

圖6 RSSP -1 和RSSP-2 型系統(tǒng)通信模型

2.5 統(tǒng)一電子地圖描述方式

電子地圖是存儲在車載設(shè)備中的線路圖[5]。車載ATP/ATO設(shè)備向地面ZC設(shè)備報告列車位置，地面ZC設(shè)備計(jì)算列車移動授權(quán)（MA）并將其發(fā)送給車載ATP/ATO，車載ATP/ATO根據(jù)存儲的電子地圖對MA的有效性進(jìn)行檢查，從而判斷MA是否在ATP/ATO所識別的范圍內(nèi)。

在傳統(tǒng)的CBTC 系統(tǒng)中，車載設(shè)備僅存儲本線路的電子地圖，但在互聯(lián)互通工程中列車需要跨線運(yùn)行，這就要求車載設(shè)備必須存儲所有互聯(lián)互通線路的電子地圖，因此要求所有互聯(lián)互通的線路區(qū)域應(yīng)采用統(tǒng)一的電子地圖描述方式。

線路的電子地圖描述方式包括使用計(jì)軸區(qū)段描述、使用公里標(biāo)描述、使用虛擬區(qū)段描述等方式，在本項(xiàng)目中統(tǒng)一使用虛擬區(qū)段描述。

線路信息主要包括軌道區(qū)段、應(yīng)答器、道岔、信號機(jī)、站臺、折返區(qū)域、坡度等信息，這些信息構(gòu)成了電子地圖的主要描述元素。本工程編制了統(tǒng)一的車載電子地圖規(guī)范，對這些元素進(jìn)行定義，如信號機(jī)可劃分的種類、應(yīng)答器的種類及相應(yīng)用途等，并提取重疊區(qū)域共用的進(jìn)路、保護(hù)區(qū)段、邏輯區(qū)段、物理區(qū)段、接近區(qū)段、觸發(fā)區(qū)段，形成統(tǒng)一的地面重疊區(qū)電子地圖。

本工程規(guī)定了電子地圖采用統(tǒng)一的平臺錄入數(shù)據(jù)，規(guī)定了數(shù)據(jù)錄入的信息。

較以前電子地圖，本工程的電子地圖補(bǔ)充了各線IP 規(guī)劃表、各線列車加速度、地面設(shè)備間通信參數(shù)、相鄰線路上重疊區(qū)域范圍內(nèi)的ZC、ATS、DCU 設(shè)備編號，保證跨線運(yùn)營時車載設(shè)備能正常與地面設(shè)備通信。

2.6 其他技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)車輛在不同線路上的互聯(lián)互通，不僅需要依靠信號系統(tǒng)的控制，還需要采用相應(yīng)的運(yùn)營組織和管理模式作為保障。本工程統(tǒng)一了跨線、共線運(yùn)營組織和管理模式，建立全網(wǎng)的行車信息統(tǒng)一監(jiān)視系統(tǒng)，編制全網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)行圖，調(diào)整跨線運(yùn)行圖，完善全局應(yīng)急處理和指揮突發(fā)事件預(yù)案等，保證全線網(wǎng)的互聯(lián)互通及跨線共線運(yùn)營。

3 結(jié)語

重慶市軌道交通信號系統(tǒng)互聯(lián)互通示范應(yīng)用工程在市政府、協(xié)會和各集成商及安全認(rèn)證單位等各方的努力下，采用自主化技術(shù)攻克多個技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)不同裝配列車的跨線運(yùn)行--互聯(lián)互通，有力提升了我國城市軌道交通信號系統(tǒng)裝備技術(shù)水平，增強(qiáng)了國際競爭力和影響力，為今后我國城市軌道交通、高速鐵路信號系統(tǒng)互聯(lián)互通的技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)，提供了借鑒。