中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通研究及應(yīng)用

馮浩楠，馬曉姣，董成文，4，李 娜，王云霞

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081； 2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081； 3.中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100081； 4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

引言

CBTC(Communication based on train control)系統(tǒng)具有安全可靠性高、追蹤間隔短等優(yōu)點(diǎn)，成為地鐵等城市軌道控制系統(tǒng)的首選方案[1]。

IEEE1474.1(2004)作為CBTC系統(tǒng)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，沒有定義系統(tǒng)中的子系統(tǒng)(設(shè)備)之間的協(xié)議，因此無法支持CBTC系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，也不支持無人駕駛等功能[2]。地鐵運(yùn)營(yíng)商為了減少系統(tǒng)接口、降低系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中維護(hù)量等需求，需要不同線路之間的CBTC系統(tǒng)具備互聯(lián)互通功能[3]。基于本國(guó)實(shí)際運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，中國(guó)韓國(guó)制定了適合本國(guó)國(guó)情的CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通協(xié)議，CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通成為城市軌道交通控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

1 中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通研究歷程

2014年，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)推動(dòng)實(shí)施城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)的互聯(lián)互通，2018年底編制并發(fā)布中國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通接口規(guī)范，包括4組17部分，涵蓋系統(tǒng)、接口、測(cè)試和工程的關(guān)鍵領(lǐng)域[4]。基于此標(biāo)準(zhǔn)，4家中國(guó)CBTC集成廠商，將重慶軌道交通4號(hào)線、5號(hào)線、10號(hào)線和環(huán)線4條新建地鐵作為中國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通示范工程。

2010年起，韓國(guó)運(yùn)營(yíng)商為了實(shí)現(xiàn)國(guó)外引進(jìn)的CBTC系統(tǒng)能夠互聯(lián)互通，在CBTC系統(tǒng)的功能需求和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，重新定義CBTC子系統(tǒng)之間的協(xié)議，韓國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)(KRS)成為指導(dǎo)韓國(guó)各條運(yùn)營(yíng)路線互聯(lián)互通操作的重要標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)韓國(guó)無線通信列車控制系統(tǒng)(KRTCS)完成性能評(píng)估和安全評(píng)估[5]。KRTCS系統(tǒng)支持互聯(lián)互通和無人駕駛功能，在釜山、龍仁等輕軌線路應(yīng)用[6]。

中國(guó)和韓國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通指導(dǎo)文件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)開發(fā)、接口和測(cè)試等階段，從系統(tǒng)總體需求、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)接口、系統(tǒng)測(cè)試和工程應(yīng)用6個(gè)方面對(duì)中韓兩國(guó)CBTC互聯(lián)互通的研究進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比分析，為中國(guó)自主化的CBTC廠商走向世界提供借鑒意義，同時(shí)為下一步中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)的發(fā)展指明方向。

2 中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通對(duì)比

2.1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通總體需求對(duì)比

中國(guó)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)和韓國(guó)KRS標(biāo)準(zhǔn)在制定CBTC系統(tǒng)時(shí)，都遵循IEC62290-1， IEEE 802.3，IEEE1474.1和IEEE 1474.3等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1 設(shè)計(jì)安全原理

中韓CBTC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念都遵循故障安全原則，即系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)部件或模塊發(fā)生故障，或輸入信號(hào)丟失、計(jì)算錯(cuò)誤、軟件錯(cuò)誤等情況下，系統(tǒng)不應(yīng)該發(fā)生危險(xiǎn)的輸出或影響列車運(yùn)行安全。

2.1.2 系統(tǒng)功能需求劃分

CBTC系統(tǒng)的功能劃分為車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，具體包括ATP(Automatic train protection)功能、ATO(Automatic train operation)功能、ATS(Automatic train supervision)功能和CI(Computer interlocking)功能，如表1所示[7]。

表1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通功能需求

2.1.3 系統(tǒng)運(yùn)行模式

中國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通中定義列車具有的運(yùn)行模式包括：列車自動(dòng)駕駛模式(AM)；受控人工駕駛(CM)；限制人工駕駛(RM)，非限制人工駕駛模式(EUM)，其中AM和CM為列車正常運(yùn)行模式[7]。

韓國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行模式包括：全自動(dòng)駕駛模式，自動(dòng)駕駛模式，手動(dòng)駕駛模式，緊急駕駛模式，基本駕駛模式，無人模式，待機(jī)模式和關(guān)閉模式，最后3種模式與用戶要求相關(guān)[5]。

2.1.4 系統(tǒng)性能要求

中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通協(xié)議在列車位置測(cè)量精度、列車速度測(cè)量的精度、車地通信時(shí)延、列車回退等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都進(jìn)行規(guī)定，對(duì)比如表2所示[5，7]。

此外，中國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性和可用性指標(biāo)進(jìn)行定義，如表3所示[7]。

表2 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)性能

表3 中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)子系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性、可用性技術(shù)指標(biāo)

2.2 互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比

CBTC系統(tǒng)的基本架構(gòu)按照地理位置分為兩大類：軌旁設(shè)備和車載設(shè)備，前者包含軌旁ATP(ZC)，CI，ATS、PSD(Platform screen door)、LEU和應(yīng)答器；后者包括車載ATP和車載ATO。地面設(shè)備與車載設(shè)備通過數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)DCS(Digital communication system)系統(tǒng)進(jìn)行通信，DCS系統(tǒng)選用W-LAN或者LTE-R實(shí)現(xiàn)通信。互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中實(shí)線的接口1～5在中韓互聯(lián)互通協(xié)議中都進(jìn)行了規(guī)定；點(diǎn)劃線接口6僅在韓國(guó)互聯(lián)互通協(xié)議中進(jìn)行了規(guī)定；虛線接口7～12僅在中國(guó)互聯(lián)互通協(xié)議中進(jìn)行了規(guī)定。

2.3 互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)功能對(duì)比

中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)的功能對(duì)比如表4所示。

2.4 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通接口對(duì)比

雖然中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)架構(gòu)存在區(qū)別，但是包含的關(guān)鍵子系統(tǒng)之間信息安全交互流程基本相同，通信傳輸過程分為3個(gè)層次：鏈路層、安全數(shù)據(jù)層和用戶數(shù)據(jù)層，其安全傳輸通信模型如圖2所示[8]。

表4 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)功能

圖2 互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)通信傳輸框架

2.4.1 鏈路層

一般來說，可靠和安全的重要設(shè)備在設(shè)備之間的接口鏈路配置使用TCP/IP協(xié)議，中國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通方案中，車地通信采用TCP/IP協(xié)議，地面設(shè)備之間的通信采用UDP/IP通信協(xié)議。中國(guó)與韓國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)設(shè)備間應(yīng)用層通信協(xié)議對(duì)比如表5所示。

2.4.2 安全數(shù)據(jù)層

安全數(shù)據(jù)層的作用是應(yīng)對(duì)傳輸過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，完成對(duì)用戶數(shù)據(jù)的保護(hù)，滿足CBTC系統(tǒng)的功能要求[9]。中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通安全數(shù)據(jù)層對(duì)比如表6所示。

表5 中韓互聯(lián)互通CBTC中關(guān)鍵子系統(tǒng)(設(shè)備)間應(yīng)用層通信協(xié)議

表6 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)(設(shè)備)安全數(shù)據(jù)層

2.4.3 用戶數(shù)據(jù)層

(1)用戶數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通協(xié)議的用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均為可變長(zhǎng)度，由子系統(tǒng)間傳輸信息量決定，為通用字段和特殊字段組成。通用字段信息屬于安全防護(hù)范圍，主要保證信息時(shí)效性和有效性；特殊字段由相互聯(lián)通的設(shè)備提供商溝通確定，確保各個(gè)廠家的設(shè)備在使用過程中發(fā)送和接收信息能夠被充分有效使用[8]。韓國(guó)的通用字段包括消息ID、消息總長(zhǎng)度和發(fā)送和接收方標(biāo)識(shí)信息；特殊字段的報(bào)文內(nèi)容由變量或者數(shù)據(jù)包組成[5]，如表7所示。

(2)用戶信息的互聯(lián)互通內(nèi)容

由圖1可知，韓國(guó)的互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)接口有6類，這6類的中國(guó)和韓國(guó)的用戶信息比較如表8所示。

表7 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表8 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)(設(shè)備)間應(yīng)用層通信協(xié)議

此外，由圖1可知，中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)接口協(xié)議還定義了ATS-ATS之間[11]、CI-CI之間[12]、應(yīng)答器報(bào)文規(guī)范[13]、各個(gè)信號(hào)子系統(tǒng)與MSS(Maintenance support system)系統(tǒng)之間[14]、ATP/ATO系統(tǒng)與車輛的接口[15]、車載人機(jī)界面[16]的技術(shù)要求。

2.5 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比2.5.1 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)供應(yīng)廠商

在互聯(lián)互通測(cè)試方面，中國(guó)的4家CBTC供應(yīng)商為每條新建線路單獨(dú)提供一套完整的CBTC系統(tǒng)，不同廠家的列車在不同線路上交叉運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通性能驗(yàn)證測(cè)試。韓國(guó)的設(shè)備供應(yīng)商提供子系統(tǒng)組成一套完整的CBTC系統(tǒng)，對(duì)一條既有線路進(jìn)行升級(jí)改造，跑車試驗(yàn)驗(yàn)證互聯(lián)互通性能。中國(guó)和韓國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)的系統(tǒng)(設(shè)備)供應(yīng)商及產(chǎn)品信息如表9，表10所示[17]。

表9 中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)(設(shè)備)供應(yīng)商

表10 韓國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)(設(shè)備)供應(yīng)商

2.5.2 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)試驗(yàn)

中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)測(cè)試包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試兩個(gè)階段。4家中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)供應(yīng)商，采用真實(shí)系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)結(jié)合的方式，在重慶龍鳳溪搭建集成測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)的功能，如圖3所示[3]。

圖3 中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)集成測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

KRTCS的性能和互聯(lián)互通功能測(cè)試在既有線路——莫克波附近的大佛線(伊洛站到大堡站，11.25 km)作為實(shí)驗(yàn)線路，線路如圖4所示，站場(chǎng)平面如圖5所示。在5個(gè)地方臨時(shí)安裝WLAN和LTE-R，用于列車控制系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。伊洛站安裝了ATS系統(tǒng)、軌旁ATP系統(tǒng)、CI系統(tǒng)；大佛站安裝CI系統(tǒng)、道岔、信號(hào)機(jī)和PSD，驗(yàn)證軌道占用控制功能和無人駕駛功能。軌道每隔200 m安裝1組應(yīng)答器，糾正ATP計(jì)算的列車位置誤差。測(cè)試列車的前部和后部分別配備了1套車載ATP/ATO系統(tǒng)。同時(shí)，安裝TCMS(列車控制與監(jiān)控系統(tǒng))和相關(guān)的TGIS(列車圖形信息系統(tǒng))監(jiān)控列車運(yùn)行狀況[18-20]。

圖4 KRTCS系統(tǒng)測(cè)試線路

圖5 KRTCS測(cè)試線站場(chǎng)平面

2.5.3 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容

中國(guó)互聯(lián)互通測(cè)試規(guī)范中定義的測(cè)試內(nèi)容包括的CBTC系統(tǒng)的74個(gè)功能點(diǎn)，分為共線和跨線，其中共線的接口/功能和數(shù)據(jù)測(cè)試組合有12種；跨線接口/功能和數(shù)據(jù)測(cè)試組合共6種，測(cè)試分3個(gè)階段進(jìn)行測(cè)試：(1)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段，由廠商內(nèi)部獨(dú)立測(cè)試；(2)室內(nèi)平臺(tái)測(cè)試階段，各個(gè)廠家在互聯(lián)互通實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試；(3)試驗(yàn)線階段，各廠家的車輛進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容分為6部分：(1)與設(shè)備安全相關(guān)；(2)與車輛接口相關(guān)；(3)與線路相關(guān)的列車運(yùn)行功能；(4)與繼電接口相關(guān)功能；(5)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能；(6)運(yùn)營(yíng)相關(guān)功能。中國(guó)互聯(lián)互通測(cè)試規(guī)范對(duì)74個(gè)系統(tǒng)功能點(diǎn)的測(cè)試方法、測(cè)試階段等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定[21-22]。

KRS標(biāo)準(zhǔn)按照地面設(shè)備和車載設(shè)備，對(duì)其測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試步驟進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)系統(tǒng)(設(shè)備)的型式試驗(yàn)包括外觀檢查、功率波動(dòng)測(cè)試、低溫測(cè)試、高溫測(cè)試、溫度循環(huán)測(cè)試、高溫高濕測(cè)試、EMC測(cè)試、絕緣測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、沖擊測(cè)試、防水防塵測(cè)試和組合測(cè)試[5]。KRTCS系統(tǒng)的綜合性能測(cè)試如表11所示。

表11 KRTCS系統(tǒng)綜合性能測(cè)試列表

2.6 中韓互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)工程應(yīng)用

中國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)示范工程選取4條重慶新建線路，線路如圖6所示，其線路信息如表12所示。

韓國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通線路Shin-lim輕軌7.76 km，設(shè)計(jì)支持無人駕駛，最短運(yùn)行時(shí)間為2 min。為了將KRTCS系統(tǒng)應(yīng)用于此線，對(duì)Shin-lim輕軌信號(hào)進(jìn)行升級(jí)改造，在站臺(tái)上安裝PSD和緊急停車按鈕等安全設(shè)備，互聯(lián)互通協(xié)議定義了ATO和PSD之間的控制操作；站臺(tái)緊急停止信號(hào)可與KRTCS系統(tǒng)的軌旁ATP系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，在緊急情況下可以禁止列車進(jìn)入站臺(tái)。Shin-lim輕軌現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)如表13所示[17]。

圖6 中國(guó)CBTC互聯(lián)互通示范工程線路

表12 中國(guó)CBTC互聯(lián)互通示范工程線路信息

表13 Shin-lim輕軌線路信號(hào)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

中韓兩國(guó)通過示范工程，證明了各自的CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的可行性。通過對(duì)CBTC系統(tǒng)中子系統(tǒng)間接口的標(biāo)準(zhǔn)定義和配置，實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通和標(biāo)準(zhǔn)化，擴(kuò)大系統(tǒng)的適用性。此外，CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通增強(qiáng)了信號(hào)系統(tǒng)(設(shè)備)制造商之間的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)，降低系統(tǒng)建設(shè)成本和維護(hù)成本，擴(kuò)大了信號(hào)系統(tǒng)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模。中韓CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通存在主要差異如下。

(1)韓國(guó)互聯(lián)互通的CBTC系統(tǒng)應(yīng)用于既有線路改造中，對(duì)既有線路升級(jí)的過渡方案進(jìn)行了探索研究；中國(guó)的CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通示范工程的4條線路均為新建線路，沒有既有線路改造帶來的問題。隨著中國(guó)其他城市軌道交通升級(jí)改造，如何將既有線路的信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)為互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)仍需進(jìn)一步研究。

(2)韓國(guó)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)支持全自動(dòng)駕駛操作，中國(guó)互聯(lián)互通示范工程暫時(shí)無此項(xiàng)需求。隨著FAO系統(tǒng)在中國(guó)地鐵中的廣泛應(yīng)用，后續(xù)支持全自動(dòng)駕駛操作的互聯(lián)互通研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

(3)中國(guó)互聯(lián)互通方案是基于系統(tǒng)級(jí)，系統(tǒng)(設(shè)備)供應(yīng)商為一條地鐵線路提供一整套完整的CBTC系統(tǒng)，通過在車地接口的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)列車共線混跑，因此CI與地面ATP系統(tǒng)(ZC)間的接口為供應(yīng)商內(nèi)部自行定義；韓國(guó)互聯(lián)互通方案是基于子系統(tǒng)級(jí)，通過對(duì)CBTC系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的替換。

(4)韓國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通規(guī)范KRS內(nèi)容涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接口和測(cè)試等環(huán)節(jié)。與韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比，中國(guó)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通規(guī)范涉及范圍更廣泛，涉及系統(tǒng)全生命周期，除了系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)外，還對(duì)工程設(shè)計(jì)[23]、安全評(píng)估[24]和交付條件[25]等施工過程也做了詳細(xì)規(guī)定，利于工程實(shí)現(xiàn)。