城市軌道交通信號系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)應(yīng)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(tǒng)，每一條線有其獨享的車輛、信號及各相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)，各線路配屬的車輛只能供本線運營使用，無法實現(xiàn)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(shè)備資源的跨線間的統(tǒng)籌利用，也極大地增加了軌道交通系統(tǒng)車輛、設(shè)備的投資，對軌道交通高經(jīng)濟價值資產(chǎn)的應(yīng)用尚不夠靈活。

當前新一輪城軌建設(shè)發(fā)展中，提出列車互聯(lián)互通、列車跨線運營以及“區(qū)域軌道交通一體化共享”的概念。實現(xiàn)軌道交通車輛、設(shè)備資源的統(tǒng)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(wù)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(guī)劃建設(shè)中，信號系統(tǒng)將大規(guī)模推廣互聯(lián)互通的技術(shù)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(lián)互通設(shè)計實施，本文對該場景中信號系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計、技術(shù)應(yīng)用和運營使用展開討論。

2 信號系統(tǒng)對列車跨線運營的識別與控制

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

2.1 共用車輛段內(nèi)跨線

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

跨線交叉發(fā)車時，雙線段場信號樓協(xié)作辦理進路，列車可以按時刻表或根據(jù)進路實現(xiàn)出入段，經(jīng)段場內(nèi)聯(lián)絡(luò)線道岔由甲線車庫跨入乙線轉(zhuǎn)換軌，車輛段ZC與正線ZC具備的移動授權(quán)交接，兩條線的段場區(qū)分別有各自的ZC轄區(qū)，并在交接點實現(xiàn)跨線跨集成商間的ZC聯(lián)通，實現(xiàn)列車跨界走行時CBTC移動授權(quán)的平穩(wěn)無縫交接權(quán)。

跨庫出入段的方式，一方面節(jié)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(lián)絡(luò)線（按照地鐵行車業(yè)務(wù)定義，“聯(lián)絡(luò)線”一般指線路間的非載客用途的調(diào)車聯(lián)絡(luò)線路，在本文中所述貫通配線、聯(lián)絡(luò)線按具備載客功能設(shè)計，特說明）。3號線在東風站有繼續(xù)延長開通的區(qū)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(jié)構(gòu)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(tǒng)正線設(shè)計中，交匯點跨線的貫通配線道岔在聯(lián)鎖上具備照查條件，并且可以根據(jù)ATS指令辦理人工、自動觸發(fā)跨線進路。雙線的ZC在跨界位置的進路排通后，具備跨線轉(zhuǎn)交、接續(xù)移動授權(quán)的功能，正線列車在貫通配線內(nèi)不降級載客過軌。

3 信號系統(tǒng)在互聯(lián)互通應(yīng)用中需要研究的新增功能需求

傳統(tǒng)CBTC移動閉塞列車自動控制系統(tǒng)按照設(shè)備安裝位置一般分為地面軌旁設(shè)備、車載設(shè)備和中心調(diào)度設(shè)備3部分。在互聯(lián)互通中，從安全列控功能、差異化列車的適配、中心調(diào)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(lián)鎖子系統(tǒng)

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

互聯(lián)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(lián)鎖信息的一致性。主要包括但不囿于進路觸發(fā)原則、進路鎖閉與解鎖策略、接近區(qū)段和保護區(qū)段布置原則、照查原則等?？鐓^(qū)域的不同集成商的聯(lián)鎖共管區(qū)域系統(tǒng)通信協(xié)議、解譯一致。

互聯(lián)互通的接口中需要兼容不同廠家產(chǎn)品特點，內(nèi)部控制邏輯在占用狀態(tài)（如使用邏輯區(qū)段或物理區(qū)段）須保持一致，為實現(xiàn)相鄰聯(lián)鎖集中區(qū)站場狀態(tài)顯示一致，應(yīng)同時借助ZC向CI發(fā)送物理區(qū)段和邏輯區(qū)段占用、鎖閉、解鎖信息；將處理后的邏輯區(qū)段占用狀態(tài)發(fā)送給對方，發(fā)送方保證發(fā)送的狀態(tài)應(yīng)與本方人機界面顯示狀態(tài)一致。接收方可直接用于人機界面顯示相鄰線路復(fù)示區(qū)域內(nèi)（一般至少包含到接近及觸發(fā)區(qū)段）邏輯區(qū)段狀態(tài)。

3.2 ATP列控安全子系統(tǒng)

1）地面ATP-ZC：基于通信的移動閉塞列控系統(tǒng)（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(tǒng)，非本線列車無法兼容本線車地通訊及授權(quán)識別、解譯?；ヂ?lián)互通就是要在安全基礎(chǔ)上，打破封閉系統(tǒng)制約，將兩條以上線路車輛共融到統(tǒng)一平臺。兩條線為不同的信號集成單位，實現(xiàn)ZC對不同車載ATP的安全協(xié)議互通互認、授權(quán)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(tǒng)一的CBTC控制系統(tǒng)，即便存在分叉線路也是由同一套信號系統(tǒng)構(gòu)成，在道岔區(qū)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(qū)域?？缇€時關(guān)鍵是不同集成商的ZC交匯重疊區(qū)的處理，ZC間互傳的列車位置信息應(yīng)為車載控制器（VOBC）向ZC發(fā)送的列車位置，但若VOBC發(fā)送的列車安全包絡(luò)覆蓋ZC重疊區(qū)邊界點，則發(fā)送方ZC應(yīng)對列車位置信息進行處理，使發(fā)送的列車位置信息中的列車安全包絡(luò)完全處于重疊區(qū)內(nèi)。

如圖2所示，當列車1由左側(cè)向右側(cè)方向行駛，根據(jù)進路觸發(fā)機制，請求了ZC1向ZC3方向的（直股）進路，VOBC將預(yù)接近區(qū)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(quán)向ZC3建立安全通訊并轉(zhuǎn)交移動授權(quán)MA-1，ZC3開始接受達到請求，并預(yù)先為列車1計算和發(fā)布接管后在ZC3內(nèi)的授權(quán)MA-3。

圖2 列車在跨線越過過程中ZC跨區(qū)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(qū)范圍后（列車1剛進入?yún)^(qū)段1時），應(yīng)主動向ZC2注銷，避免占用非達到線路區(qū)段的授權(quán)計算及通訊資源。

這一步移動授權(quán)的跨線注冊是不降級跨線互聯(lián)的技術(shù)關(guān)鍵。圖2上將分歧線路道岔劃分在ZC1-CI1的控制區(qū)域，越過道岔后變?yōu)榉制缇€路，在兩線各自配有ZC的分界點，與對應(yīng)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(xié)議和解譯原則。

2) ATP-車載VOBC：車載VOBC讀取不同線路上地面應(yīng)答器信息，應(yīng)答器報文及對應(yīng)電子地圖數(shù)據(jù)互聯(lián)互通；車載VOBC與地面軌旁無線建立數(shù)據(jù)收發(fā)，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(shù)據(jù)、安全包絡(luò)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(fā)起方，CI作為跟隨方也作為解除通信的發(fā)起方?；ヂ?lián)互通中CI將VOBC請求的信號機狀態(tài)發(fā)送給車載VOBC。點式級別和CBTC級別下的VOBC均應(yīng)與CI通信，均可以實現(xiàn)跨集成商交叉搭配。

在車載信號設(shè)備硬件方面：VOBC和車輛控制設(shè)備間的接口內(nèi)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(xù)和點式）應(yīng)答器（信標）天線等設(shè)備的安裝位置等。要求相互間控制及表示信息內(nèi)容、接口一致，車載ATP實現(xiàn)與車輛制動裝置的可靠接口，保證安全和對列車實施連續(xù)有效的控制。由于車載VOBC不同集成商、車輛系統(tǒng)的牽引、制動、列車控制網(wǎng)絡(luò)、車門等關(guān)鍵子系統(tǒng)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(lián)互通控車的安全可靠，列車制動力的建立響應(yīng)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(zhuǎn)/打滑的防護、高壓牽引諧波及其他對車載設(shè)備產(chǎn)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(jīng)歷從有人駕駛調(diào)試階段逐步過渡到無人干預(yù)的全自動運行階段的迭代升級過程?？缇€運營中，乘務(wù)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(yīng)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(wù)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(dǎo)致車載信號系統(tǒng)的換端操作時乘務(wù)員的動作順序幾乎存在顛覆性差異，駕乘單線的乘務(wù)員可以僅按照一種規(guī)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(fā)車載降級。類似問題在車輛控制邏輯、信號系統(tǒng)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(shè)備實現(xiàn)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(xù)有效的控制。車載ATO設(shè)備向車輛監(jiān)控設(shè)備提供控制車輛牽引及制動信號執(zhí)行終端的監(jiān)控接口?？缇€運行中由于車輛構(gòu)造、供貨制造廠商也不相同，車輛的響應(yīng)配合有一定差異，因此有必要根據(jù)不同配屬車輛行車ATO控車數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)本線、跨線牽引制動性能。牽引-惰性-制動特性，一方面影響區(qū)間走行時間、旅行速度和周轉(zhuǎn)時間等技術(shù)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(tǒng)、不同車輛系統(tǒng)，要達到控制指標的一致，會有不同的ATO控車策略對應(yīng)不同的車輛參數(shù)，最終達到控車結(jié)果的完全一致。

3.4 應(yīng)答器布置

軌旁應(yīng)答器實現(xiàn)列車精確矯正位置，是ATP安全控車的關(guān)鍵部件，應(yīng)答器按照線路行車能力，結(jié)合信號機、道岔、區(qū)間通過能力核算，按照各線單獨布置，與傳統(tǒng)線路一致，但不同集成商應(yīng)當在車載應(yīng)答器天線及車載主機的數(shù)據(jù)讀取和識別上做到數(shù)據(jù)一致、接口一致、報文解譯一致。

3.5 行車監(jiān)控調(diào)度指揮系統(tǒng)ATS

傳統(tǒng)單線運營的線路中，行車監(jiān)控調(diào)度指揮ATS子系統(tǒng)也是封閉獨立的控制系統(tǒng)，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(shù)固定，調(diào)度指揮的一切資源均在本線內(nèi)?；ヂ?lián)互通跨線，有外線列車轉(zhuǎn)入和本線列車跨出，行車組織、調(diào)度指揮在操作和技術(shù)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(diào)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(guān)鍵是車組編號的識別。根據(jù)中華人民共和國交通運輸部關(guān)于城軌車輛編號規(guī)則相關(guān)規(guī)定，各線車輛應(yīng)獨立按順序編號，對于互聯(lián)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(shù)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(tǒng)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(lián)互通使用習(xí)慣，特別是調(diào)度員指揮習(xí)慣，確認ATS顯示設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)，在東風車站實現(xiàn)Y型分叉匯合，相當于一條線路的列車在本線ATS控區(qū)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(yīng)當依據(jù)調(diào)度員操作習(xí)慣，復(fù)顯對方線路到發(fā)列車狀態(tài)信息，雙線ZC具備跨線移交授權(quán)功能，因此ATS復(fù)示對方到發(fā)列車的最高模式級別的詳細狀態(tài)。

另一方面，在運行圖工作站設(shè)計上，跨線列車將從線路中途貫通聯(lián)絡(luò)道岔的位置越入、越出本線。計劃圖設(shè)計需要考慮在兩條不同集成商提供的ATS產(chǎn)品基礎(chǔ)上，依據(jù)運營計劃時刻表協(xié)調(diào)出圖，并在貫通聯(lián)絡(luò)道岔的接駁點越區(qū)實現(xiàn)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(tǒng)計和實跡圖兌圖。

3）大屏幕顯示方面

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

在大屏幕設(shè)計時，按照兩條線各自同屏分區(qū)域顯示，包括信號系統(tǒng)ATS行車指揮、綜合監(jiān)控、車輛調(diào)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(lián)互通時，便于觀察雙線分叉、匯合點的運營狀態(tài)。

4）ATS（TIAS綜合監(jiān)控）及車輛調(diào)度工作站告警信息方面

信號系統(tǒng)ATS與綜合監(jiān)控進行深度集成整合設(shè)置為TIAS子系統(tǒng)，正線行車調(diào)度員需要掌握在線信號系統(tǒng)及綜合監(jiān)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(tài)通過滾屏、彈窗告知本線行車調(diào)度員用于決策。

行車業(yè)務(wù)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(diào)度員掌控，并用于本線自動化聯(lián)動處置及調(diào)度員人工決策干預(yù)，如信號系統(tǒng)ATP/FAO設(shè)備故障、系統(tǒng)冗余丟失、系統(tǒng)部件完整性異常，如區(qū)間煙感FAS/BAS告警，以及列車出現(xiàn)的門異常、空調(diào)故障、廣播故障等服務(wù)設(shè)施異常。部分場景由本線TIAS、FAO自動化聯(lián)動場景完成，必要時需要調(diào)度員會同車站、乘務(wù)員干預(yù)，不論列車是否為本線配屬列車，此時的告警、聯(lián)動、干預(yù)的處置旨在盡快處置本線運營影響。

同時，跨線列車應(yīng)將其車載信號系統(tǒng)、列車故障通過本線ATS告警信息、車輛調(diào)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(yù)期的籌劃故障處置相關(guān)方案。

4 相關(guān)接口專業(yè)的配合

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

1）車輛方面：車輛的機械性能、牽引制動響應(yīng)、列車電氣和網(wǎng)絡(luò)邏輯時序一致，能夠使信號系統(tǒng)利用同樣的安全包絡(luò)控車曲線實現(xiàn)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(yīng)保持一致。如車輛的整車、牽引制動、列車網(wǎng)絡(luò)等為不同供貨商時，ATP、ATO、FAO相關(guān)控制策略要相應(yīng)調(diào)整，保證整車響應(yīng)性能最終一致。

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

5 總結(jié)

本文主要結(jié)合北京3號線、12號線互聯(lián)互通場景設(shè)計，探討了信號系統(tǒng)與傳統(tǒng)單線CBTC列控系統(tǒng)的在設(shè)備系統(tǒng)、功能的主要差異，以及在技術(shù)設(shè)計、運營使用上需要著重討論的問題，作為一項新技術(shù)應(yīng)用需要在總體設(shè)計、專業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、運營使用需求上進一步強化統(tǒng)籌一致，不斷完善和迭代系統(tǒng)功能。該課題的研究為未來城市軌道交通的互聯(lián)互通、靈活跨線運營，車輛和設(shè)備系統(tǒng)共享融合、資源整合利用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為軌道交通行業(yè)的未來“四網(wǎng)融合”、不同制式的混跑運營提供實施的技術(shù)思路。