城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設計與思考

朱震

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設計與思考

朱震

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

通過分析城市軌道交通車輛共享、運營維護、公平競爭等方面對互聯(lián)互通的需求，論證了城市軌道交通互聯(lián)互通的可實施性，并主要介紹歐洲MODURBAN樣板工程的實施情況，在借鑒國外互聯(lián)互通項目成功實施的經(jīng)驗基礎上，提出城市軌道交通互聯(lián)互通的設計要求和設計方案。

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

截止目前，我國已有36個城市的軌道交通規(guī)劃獲得批復，線路總里程達到6 000 km。其中，已有17個城市開通軌道交通線路，運營里程總計約2 100 km。預計到2020年，全國將有50個城市布局軌道交通，城市軌道交通線路網(wǎng)絡化、智能化的趨勢將愈加明顯。在我國已開通軌道交通的城市中，各線路間尚不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，各線路間資源不能共享，不能完全實現(xiàn)網(wǎng)絡化運營的需求，給線網(wǎng)運營帶來了不便，同時，極大增加了城市軌道交通的運營成本。本文以某國外地鐵為例，探索和分析我國城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通的需求和設計思路，為今后的城市軌道交通建設提供借鑒。

1 城市軌道交通實現(xiàn)互聯(lián)互通的必要性分析

根據(jù)我國目前城市軌道交通線網(wǎng)建設來看，若不同線路列車能夠實現(xiàn)聯(lián)通聯(lián)運，通過同一個控制中心統(tǒng)一調度，增加調度靈活性，體現(xiàn)人性化地鐵理念，將有利于軌道交通的運營、維護，減少地鐵運營成本。在車輛方面，可合理調配線路間現(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，可縮短車輛供貨周期，確保新線試運營需要的車輛，減少車輛檢修設備的投入，提高設備的利用率。

在停車場、車輛段建設方面，車輛架大修、定修資源共享，可減少廠房及設備投資。段場合建資源共享，取消部分試車線，將極大減少投資和占用土地。信號設備綜合維修基地、培訓中心可實現(xiàn)資源共享和最大范圍的備品備件共享，降低人員培訓成本。車輛零部件、車載設備實施通用化、標準化，使維修設備的利用率最大化。

我國城市軌道交通信號系統(tǒng)已逐漸走出外商壟斷局面，但在既有開通運營線路延伸出二期、三期等遠期工程時，通常受一期信號系統(tǒng)供貨商制約較大。在實現(xiàn)互聯(lián)互通后，業(yè)主可以選擇多家供貨商或多種設備，實現(xiàn)延伸線其他信號供貨商提供的CBTC設備與既有線CBTC系統(tǒng)之間兼容，并構成完整統(tǒng)一CBTC系統(tǒng)，從而避免壟斷，實現(xiàn)公平競爭。

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

2 城市軌道交通實現(xiàn)互聯(lián)互通可實施性分析

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。不同線路上運行的列車信號制式不同,固定閉塞、準移動閉塞或基于交叉感應環(huán)線的移動閉塞ATC系統(tǒng)，由于各供貨商都是獨立研制的產(chǎn)品，其關鍵的傳輸信息代碼、設計方法、接口協(xié)議等均不開放，不同供貨商的系統(tǒng)間無法做到線路間列車運營的互聯(lián)互通。

基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）采用當今世界有線通信、無線通信、以太網(wǎng)和局域網(wǎng)的相關標準，這些標準都是公開、公平的，只需對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)一到一個標準上，就能實現(xiàn)真正意義上的兼容。因此，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）是最易實現(xiàn)的。

通過對城市新建軌道交通工程信號制式的選擇和標準化，并借鑒國外實施互聯(lián)互通的成功案例,同制式信號CBTC系統(tǒng)能夠解決國內城市軌道交通互聯(lián)互通的問題，互聯(lián)互通具備可實施性。

3 國外城市軌道交通實現(xiàn)互聯(lián)互通實例分析

2009年作為歐洲MODURBAN樣板工程在馬德里地鐵網(wǎng)絡通過測試和驗證。MODURBAN項目的主要目標是設計、開發(fā)和測試一個創(chuàng)新和開放的共同核心系統(tǒng)架構及其關鍵接口。MODURBAN可用于幾乎所有城市線(新的或升級)，可以簡化招標流程，采用獨立、透明和容錯傳輸新技術和方法，解決越來越多乘客的期望，減少投放商業(yè)化運營的時間，使運營商和供應商達到雙贏。MODURBAN合作研究的過程中共有8大系統(tǒng)供應商，8個主要子系統(tǒng)供應商，10個城市鐵路運營商，8個學術伙伴和UTIFE,UITP參與這個項目,并在馬德里地鐵網(wǎng)絡通過測試和驗證。

MODURBAN項目的起點在于實現(xiàn)供應商和運營商之間的持續(xù)合作，并確定必要的功能需求和物理接口,并要求對過程進行測試和驗證，這些將會形成一個可供參考的可互換模塊的設計和開發(fā)工作。在項目的最后,不同供應商將共享這些開放標準的接口。MODURBAN系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 MODURBAN系統(tǒng)結構圖

1）車載智能接口（MODONBOARD）

MODURBAN對車載設備做了如下工作：定義車載ATP子系統(tǒng)的設計；定義標準化的接口（車載ATP-路旁的ATP，車載ATP-傳輸子系統(tǒng)）；改進列車控制技術（如加速/減速,速度與距離控制，并設計正確的校正命令）；使用一些歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)（ERTMS）標準模塊,并對它進行修改以滿足軌道交通的要求。

2）軌旁智能接口（MODWAYSIDE）

MODURBAN為滿足正式化運營商的需求和供應商輸入數(shù)據(jù)要求，在以下領域定義了通用規(guī)范和正式的標準語言(使用UML和RailML)：具體操作要求；地理追蹤布局；專用信號規(guī)則；基于“圖形對象”的OCC人機界面設計。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采用先進的數(shù)據(jù)通信標準，通過評估現(xiàn)有無線系統(tǒng)及正在發(fā)展中的無線標準，確定合適的無線通信技術，并測試了3種無線通信技術IEEE，802.16e and 802.11a，802.11g and 802.11h。

4）系統(tǒng)功能、技術規(guī)格和全球風險評估（MODSYSTEM）

MODURBAN為協(xié)調不同的子項目，定義了標準的功能需求、技術規(guī)范和風險評估方法。其中技術規(guī)范的定義包括架構、功能配置、性能、可互換的模塊和其接口。

5）與乘客相關系統(tǒng)接口（MODACCESS）

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

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 我國城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設計思路

實現(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，其主要特點就是系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化，業(yè)主對系統(tǒng)擁有更多的主動權。目前，國內外CBTC系統(tǒng)供貨商有很多，各供貨商采用的技術標準不盡相同，要實現(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)一的技術規(guī)范。業(yè)主可指定某一供貨商為牽頭方，承擔系統(tǒng)集成商的責任，統(tǒng)一功能需求及接口規(guī)范，通過示范線或試驗段進行互聯(lián)互通系統(tǒng)的驗證。

4.1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的設計需求

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，需在設計層面統(tǒng)一需求，系統(tǒng)應至少滿足如下幾個方面的需求。

*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)互通的設備；

*各供貨商系統(tǒng)之間的接口需進行標準化，而其各自的技術方案可以是相互獨立的；*數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的功能和技術方案間相互獨立；*在子系統(tǒng)層面產(chǎn)生競爭，更有利于控制成本；*系統(tǒng)應實現(xiàn)參數(shù)化設計，便于日后運營維護及系統(tǒng)升級，可實現(xiàn)維護的一體化；

*符合EN50126、EN50128、EN50129安全標準（SIL4級)；

圖2 典型互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)結構

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

4.2 互聯(lián)互通的CBTC的設計解決方案

若兩條城市軌道交通線路M1、M2采用不同供貨商提供的CBTC信號設備，典型的互聯(lián)互通系統(tǒng)結構如圖2所示。

如圖2所示，M1、M2線CBTC系統(tǒng)結構從地域和功能上可劃分為控制中心設備、現(xiàn)場網(wǎng)絡設備、車站設備、軌旁設備、車載設備幾大部分。

1）控制中心設備

在控制中心，兩條線實現(xiàn)互聯(lián)互通后，調度工作需要統(tǒng)一操作。調度大廳大屏顯示需滿足2條線的顯示，同時編制更加完善的時刻表，指引旅客乘車的旅客向導信息需統(tǒng)一考慮。各線信標（包括動態(tài)和靜態(tài)信標）的ID、各線車站ID、各線設備IP地址和車輛ID均必須是唯一的。列車的車組號PVID、目的地號DID、時刻表編輯以及車載控制器CC信息識別等基礎數(shù)據(jù)都需納入各條線路的系統(tǒng)內。2條線統(tǒng)一設計規(guī)劃，每個不同的運行交路和服務必須有唯一的目的地號DID。同時，需要考慮M1、M2號線互聯(lián)互通后的運行沖突，能修改時刻表編輯軟件；ATS需根據(jù)每條線統(tǒng)一配置的CC識別號修改ATS數(shù)據(jù)配置。

2）現(xiàn)場網(wǎng)絡設備

確定了合適的無線通信技術，工業(yè)廠商根據(jù)共同互聯(lián)互通技術規(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，使其能夠識別2條線號線的列車。

3）車站設備

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

4）軌旁設備

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

5）車載設備

車輛上固定的線路信息需統(tǒng)一修改。根據(jù)2號線車輛的具體參數(shù)，如牽引、制動、加速率、減速率、命令響應時間等，并結合1號線車輛情況綜合調整各種參數(shù)的取值，以進一步修改車載控制器CC軟件，并更新加入2號線的線路地圖；2號線車輛同樣如此。CC配置數(shù)據(jù)能夠識別M1、M2線所有的ZC，并與之進行信息交換。車載無線通信設備需統(tǒng)一配置標準接口，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)）將會包含2條線的所有車站ID。通過CC發(fā)送車站ID到TOD，TOD能夠顯示準確的車站信息。車輛TMS將會包含2條線的所有車站ID。TMS能夠基于來自CC的車站ID，傳輸準確的車站信息至PIS。車輛PIS將會包含2條線所有車站ID，并能夠基于來自TMS的車站ID，顯示準確的車站信息。M1、M2線的車門和車載查詢天線TIA的相對位置是相同的。

在考慮互聯(lián)互通后，不同供貨商的車載和軌旁設備根據(jù)標準接口和協(xié)議不可避免地要進行修改，需要在2條線執(zhí)行現(xiàn)場調試，以確認信標讀取、車站停車等功能能夠正常實現(xiàn)，并最終進行系統(tǒng)集成測試。

5 結束語

根據(jù)以上分析，通過使用成熟技術、可靠設備和冗余結構，可以設計并實施滿足業(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)，能夠對新舊信號系統(tǒng)臨時混合運營進行管理，并對采購、運營和維修成本優(yōu)化，使系統(tǒng)易于升級、具備標準化的接口，減少能耗，實現(xiàn)車輛共享及輔助維護一體化，有利于CBTC子系統(tǒng)的技術轉讓。因此，CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通是現(xiàn)代網(wǎng)絡化、智能化城市軌道交通領域的一個重要發(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）