城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)與思考

朱震

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)與思考

朱震

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

通過(guò)分析城市軌道交通車輛共享、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、公平競(jìng)爭(zhēng)等方面對(duì)互聯(lián)互通的需求，論證了城市軌道交通互聯(lián)互通的可實(shí)施性，并主要介紹歐洲MODURBAN樣板工程的實(shí)施情況，在借鑒國(guó)外互聯(lián)互通項(xiàng)目成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出城市軌道交通互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方案。

互聯(lián)互通；CBTC系統(tǒng)；MODURBAN；城市軌道交通

截止目前，我國(guó)已有36個(gè)城市的軌道交通規(guī)劃獲得批復(fù)，線路總里程達(dá)到6 000 km。其中，已有17個(gè)城市開(kāi)通軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)里程總計(jì)約2 100 km。預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)將有50個(gè)城市布局軌道交通，城市軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)化、智能化的趨勢(shì)將愈加明顯。在我國(guó)已開(kāi)通軌道交通的城市中，各線路間尚不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，各線路間資源不能共享，不能完全實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的需求，給線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了不便，同時(shí)，極大增加了城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本。本文以某國(guó)外地鐵為例，探索和分析我國(guó)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的需求和設(shè)計(jì)思路，為今后的城市軌道交通建設(shè)提供借鑒。

1 城市軌道交通實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的必要性分析

根據(jù)我國(guó)目前城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)來(lái)看，若不同線路列車能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)通聯(lián)運(yùn)，通過(guò)同一個(gè)控制中心統(tǒng)一調(diào)度，增加調(diào)度靈活性，體現(xiàn)人性化地鐵理念，將有利于軌道交通的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)，減少地鐵運(yùn)營(yíng)成本。在車輛方面，可合理調(diào)配線路間現(xiàn)有車輛，提高車輛的利用率，減少車輛配置數(shù)，檢修車、備用車可統(tǒng)一配備。同時(shí)，可縮短車輛供貨周期，確保新線試運(yùn)營(yíng)需要的車輛，減少車輛檢修設(shè)備的投入，提高設(shè)備的利用率。

在停車場(chǎng)、車輛段建設(shè)方面，車輛架大修、定修資源共享，可減少?gòu)S房及設(shè)備投資。段場(chǎng)合建資源共享，取消部分試車線，將極大減少投資和占用土地。信號(hào)設(shè)備綜合維修基地、培訓(xùn)中心可實(shí)現(xiàn)資源共享和最大范圍的備品備件共享，降低人員培訓(xùn)成本。車輛零部件、車載設(shè)備實(shí)施通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，使維修設(shè)備的利用率最大化。

我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)已逐漸走出外商壟斷局面，但在既有開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路延伸出二期、三期等遠(yuǎn)期工程時(shí)，通常受一期信號(hào)系統(tǒng)供貨商制約較大。在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通后，業(yè)主可以選擇多家供貨商或多種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)延伸線其他信號(hào)供貨商提供的CBTC設(shè)備與既有線CBTC系統(tǒng)之間兼容，并構(gòu)成完整統(tǒng)一CBTC系統(tǒng)，從而避免壟斷，實(shí)現(xiàn)公平競(jìng)爭(zhēng)。

總之，網(wǎng)絡(luò)化和互聯(lián)互通是當(dāng)前我國(guó)城市軌道交通發(fā)展面臨的重大課題，新建線路在建設(shè)之初，就要考慮到建成后的網(wǎng)絡(luò)化和互聯(lián)互通。在我國(guó)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的互聯(lián)互通是十分必要和緊迫的。

2 城市軌道交通實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通可實(shí)施性分析

城市軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車和磁懸浮列車等多種制式，這些不同軌道交通制式相互之間不能聯(lián)通。不同線路上運(yùn)行的列車信號(hào)制式不同,固定閉塞、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞或基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)，由于各供貨商都是獨(dú)立研制的產(chǎn)品，其關(guān)鍵的傳輸信息代碼、設(shè)計(jì)方法、接口協(xié)議等均不開(kāi)放，不同供貨商的系統(tǒng)間無(wú)法做到線路間列車運(yùn)營(yíng)的互聯(lián)互通。

基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）采用當(dāng)今世界有線通信、無(wú)線通信、以太網(wǎng)和局域網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都是公開(kāi)、公平的，只需對(duì)ATC系統(tǒng)安全信息的頻率、編碼格式、碼的含義、傳輸速率、接口協(xié)議等統(tǒng)一到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上，就能實(shí)現(xiàn)真正意義上的兼容。因此，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）是最易實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)對(duì)城市新建軌道交通工程信號(hào)制式的選擇和標(biāo)準(zhǔn)化，并借鑒國(guó)外實(shí)施互聯(lián)互通的成功案例,同制式信號(hào)CBTC系統(tǒng)能夠解決國(guó)內(nèi)城市軌道交通互聯(lián)互通的問(wèn)題，互聯(lián)互通具備可實(shí)施性。

3 國(guó)外城市軌道交通實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通實(shí)例分析

2009年作為歐洲MODURBAN樣板工程在馬德里地鐵網(wǎng)絡(luò)通過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證。MODURBAN項(xiàng)目的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試一個(gè)創(chuàng)新和開(kāi)放的共同核心系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵接口。MODURBAN可用于幾乎所有城市線(新的或升級(jí))，可以簡(jiǎn)化招標(biāo)流程，采用獨(dú)立、透明和容錯(cuò)傳輸新技術(shù)和方法，解決越來(lái)越多乘客的期望，減少投放商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的時(shí)間，使運(yùn)營(yíng)商和供應(yīng)商達(dá)到雙贏。MODURBAN合作研究的過(guò)程中共有8大系統(tǒng)供應(yīng)商，8個(gè)主要子系統(tǒng)供應(yīng)商，10個(gè)城市鐵路運(yùn)營(yíng)商，8個(gè)學(xué)術(shù)伙伴和UTIFE,UITP參與這個(gè)項(xiàng)目,并在馬德里地鐵網(wǎng)絡(luò)通過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證。

MODURBAN項(xiàng)目的起點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)商之間的持續(xù)合作，并確定必要的功能需求和物理接口,并要求對(duì)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，這些將會(huì)形成一個(gè)可供參考的可互換模塊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。在項(xiàng)目的最后,不同供應(yīng)商將共享這些開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的接口。MODURBAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MODURBAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）車載智能接口（MODONBOARD）

MODURBAN對(duì)車載設(shè)備做了如下工作：定義車載ATP子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；定義標(biāo)準(zhǔn)化的接口（車載ATP-路旁的ATP，車載ATP-傳輸子系統(tǒng)）；改進(jìn)列車控制技術(shù)（如加速/減速,速度與距離控制，并設(shè)計(jì)正確的校正命令）；使用一些歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)（ERTMS）標(biāo)準(zhǔn)模塊,并對(duì)它進(jìn)行修改以滿足軌道交通的要求。

2）軌旁智能接口（MODWAYSIDE）

MODURBAN為滿足正式化運(yùn)營(yíng)商的需求和供應(yīng)商輸入數(shù)據(jù)要求，在以下領(lǐng)域定義了通用規(guī)范和正式的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言(使用UML和RailML)：具體操作要求；地理追蹤布局；專用信號(hào)規(guī)則；基于“圖形對(duì)象”的OCC人機(jī)界面設(shè)計(jì)。在軌旁，使用通用數(shù)據(jù)模型和規(guī)范數(shù)據(jù)接口以改善由不同供應(yīng)商提供的不同系統(tǒng)之間的互操作性。

3）通信系統(tǒng)（MODCOMM）

MODURBAN采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)評(píng)估現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)及正在發(fā)展中的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，確定合適的無(wú)線通信技術(shù)，并測(cè)試了3種無(wú)線通信技術(shù)IEEE，802.16e and 802.11a，802.11g and 802.11h。

4）系統(tǒng)功能、技術(shù)規(guī)格和全球風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（MODSYSTEM）

MODURBAN為協(xié)調(diào)不同的子項(xiàng)目，定義了標(biāo)準(zhǔn)的功能需求、技術(shù)規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。其中技術(shù)規(guī)范的定義包括架構(gòu)、功能配置、性能、可互換的模塊和其接口。

5）與乘客相關(guān)系統(tǒng)接口（MODACCESS）

優(yōu)化與乘客信息系統(tǒng)(PIS)、站臺(tái)安全門(PSD)等系統(tǒng)的接口，為乘客提供更方便、舒適的服務(wù)。

6）節(jié)能專題（MODENERGY）

優(yōu)化列車控制系統(tǒng)，提供可行的方案減少城市鐵路的能源消耗。

4 我國(guó)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)思路

實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通后的CBTC系統(tǒng)能夠最大限度滿足業(yè)主的需求，其主要特點(diǎn)就是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化，業(yè)主對(duì)系統(tǒng)擁有更多的主動(dòng)權(quán)。目前，國(guó)內(nèi)外CBTC系統(tǒng)供貨商有很多，各供貨商采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，要實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通，則必須由不同供貨商及業(yè)主合作，共同制定出統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。業(yè)主可指定某一供貨商為牽頭方，承擔(dān)系統(tǒng)集成商的責(zé)任，統(tǒng)一功能需求及接口規(guī)范，通過(guò)示范線或試驗(yàn)段進(jìn)行互聯(lián)互通系統(tǒng)的驗(yàn)證。

4.1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)需求

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，需在設(shè)計(jì)層面統(tǒng)一需求，系統(tǒng)應(yīng)至少滿足如下幾個(gè)方面的需求。

*確保系統(tǒng)持久有效，可以選擇多家供貨商或多種可互聯(lián)互通的設(shè)備；

*各供貨商系統(tǒng)之間的接口需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而其各自的技術(shù)方案可以是相互獨(dú)立的；*數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的功能和技術(shù)方案間相互獨(dú)立；*在子系統(tǒng)層面產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，更有利于控制成本；*系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，便于日后運(yùn)營(yíng)維護(hù)及系統(tǒng)升級(jí)，可實(shí)現(xiàn)維護(hù)的一體化；

*符合EN50126、EN50128、EN50129安全標(biāo)準(zhǔn)（SIL4級(jí))；

圖2 典型互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

*遵守基于通信的列控標(biāo)準(zhǔn)（CBTC）性能和功能要求(IEEE1474.1)。

4.2 互聯(lián)互通的CBTC的設(shè)計(jì)解決方案

若兩條城市軌道交通線路M1、M2采用不同供貨商提供的CBTC信號(hào)設(shè)備，典型的互聯(lián)互通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，M1、M2線CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從地域和功能上可劃分為控制中心設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備幾大部分。

1）控制中心設(shè)備

在控制中心，兩條線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通后，調(diào)度工作需要統(tǒng)一操作。調(diào)度大廳大屏顯示需滿足2條線的顯示，同時(shí)編制更加完善的時(shí)刻表，指引旅客乘車的旅客向?qū)畔⑿杞y(tǒng)一考慮。各線信標(biāo)（包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信標(biāo)）的ID、各線車站ID、各線設(shè)備IP地址和車輛ID均必須是唯一的。列車的車組號(hào)PVID、目的地號(hào)DID、時(shí)刻表編輯以及車載控制器CC信息識(shí)別等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都需納入各條線路的系統(tǒng)內(nèi)。2條線統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)劃，每個(gè)不同的運(yùn)行交路和服務(wù)必須有唯一的目的地號(hào)DID。同時(shí)，需要考慮M1、M2號(hào)線互聯(lián)互通后的運(yùn)行沖突，能修改時(shí)刻表編輯軟件；ATS需根據(jù)每條線統(tǒng)一配置的CC識(shí)別號(hào)修改ATS數(shù)據(jù)配置。

2）現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

確定了合適的無(wú)線通信技術(shù)，工業(yè)廠商根據(jù)共同互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范指定信息傳送格式，統(tǒng)一規(guī)劃車載控制器的地址分配，使其能夠識(shí)別2條線號(hào)線的列車。

3）車站設(shè)備

車站設(shè)備包括聯(lián)鎖設(shè)備、本地ATS設(shè)備、輸入輸出設(shè)備等，2條線的車站設(shè)備均配備與屏蔽門系統(tǒng)的接口，接口規(guī)格應(yīng)保持一致。

4）軌旁設(shè)備

軌旁區(qū)域控制器ZC需要能夠識(shí)別2條線的所有列車；反之,M1、M2號(hào)線的列車也要能夠識(shí)別每條線的ZC。兩條線ZC和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元將包含全部的車載控制器的ID。信標(biāo)的布置需綜合考慮2條線的列車性能參數(shù)、信標(biāo)天線的安裝位置等因素。

5）車載設(shè)備

車輛上固定的線路信息需統(tǒng)一修改。根據(jù)2號(hào)線車輛的具體參數(shù)，如牽引、制動(dòng)、加速率、減速率、命令響應(yīng)時(shí)間等，并結(jié)合1號(hào)線車輛情況綜合調(diào)整各種參數(shù)的取值，以進(jìn)一步修改車載控制器CC軟件，并更新加入2號(hào)線的線路地圖；2號(hào)線車輛同樣如此。CC配置數(shù)據(jù)能夠識(shí)別M1、M2線所有的ZC，并與之進(jìn)行信息交換。車載無(wú)線通信設(shè)備需統(tǒng)一配置標(biāo)準(zhǔn)接口，使其能夠接入共享的DCS子系統(tǒng)。TOD、車輛TMS（列車管理系統(tǒng)）將會(huì)包含2條線的所有車站ID。通過(guò)CC發(fā)送車站ID到TOD，TOD能夠顯示準(zhǔn)確的車站信息。車輛TMS將會(huì)包含2條線的所有車站ID。TMS能夠基于來(lái)自CC的車站ID，傳輸準(zhǔn)確的車站信息至PIS。車輛PIS將會(huì)包含2條線所有車站ID，并能夠基于來(lái)自TMS的車站ID，顯示準(zhǔn)確的車站信息。M1、M2線的車門和車載查詢天線TIA的相對(duì)位置是相同的。

在考慮互聯(lián)互通后，不同供貨商的車載和軌旁設(shè)備根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議不可避免地要進(jìn)行修改，需要在2條線執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，以確認(rèn)信標(biāo)讀取、車站停車等功能能夠正常實(shí)現(xiàn)，并最終進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上分析，通過(guò)使用成熟技術(shù)、可靠設(shè)備和冗余結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)并實(shí)施滿足業(yè)主需求的、具備互聯(lián)互通功能的CBTC系統(tǒng)。信號(hào)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的解決方案能夠在新線或要改造的線路上方便地使用模塊化、緊湊的系統(tǒng)，能夠?qū)π屡f信號(hào)系統(tǒng)臨時(shí)混合運(yùn)營(yíng)進(jìn)行管理，并對(duì)采購(gòu)、運(yùn)營(yíng)和維修成本優(yōu)化，使系統(tǒng)易于升級(jí)、具備標(biāo)準(zhǔn)化的接口，減少能耗，實(shí)現(xiàn)車輛共享及輔助維護(hù)一體化，有利于CBTC子系統(tǒng)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。因此，CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化、智能化城市軌道交通領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

[1]ANSI.IEEE1474.1 2004 Communications-Based Train Control（CBTC）Performance and Functional Requirements[S].

[2]朱翔.實(shí)現(xiàn)基于通信的列車控制互聯(lián)互通的若干思考[J].城市軌道交通研究，2006（10）：6-8.

Through the analysis of interoperability requirements in such aspects as shared vehicles, operation and maintenance and fair competition in urban rail transit, the paper discusses the interoperability executable in urban rail transit. It mainly introduces implementation conditions of European MODURBAN sample projects, and puts forward the design requirements and schemes of the interoperability on the basis of successful implementation of the interoperability projects abroad.

interoperability; CBTC system; MODURBAN; urban rail transit

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.016

2015-01-14）