市域（郊）鐵路CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通方案研究

寧詠梅、劉暢

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

我國京津冀、粵港澳大灣區(qū)、長(zhǎng)三角、成渝、長(zhǎng)江中游等地區(qū)正在通過市域（郊）鐵路建設(shè)打造1 小時(shí)通勤圈，連接都市圈中心城市城區(qū)和周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)，為通勤客流提供速度快、大運(yùn)量、公交化運(yùn)輸服務(wù)。目前，國內(nèi)采用市域（郊）鐵路列車運(yùn)行速度多處于100～160km/h 范圍內(nèi)，部分地區(qū)市域（郊）鐵路信號(hào)系統(tǒng)采用基于通信的移動(dòng)閉塞列車自動(dòng)控制CBTC系統(tǒng)。隨著市域（郊）線網(wǎng)建設(shè)的完善，不同線路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的需求日益凸顯，只有CBTC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通才能滿足市域（郊）鐵路整體網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營、降低綜合運(yùn)營成本。因此，有必要重點(diǎn)對(duì)國內(nèi)典型的市域（郊）鐵路CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通方案進(jìn)行研究。

1 國內(nèi)市域（郊）鐵路信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通的發(fā)展

1.1 國內(nèi)市域（郊）鐵路互聯(lián)互通需求分析

市域（郊）鐵路車站間距較大，列車運(yùn)行速度較快，獨(dú)立運(yùn)行的線路車輛基地、機(jī)電設(shè)備等無法實(shí)現(xiàn)資源共享，乘客跨線出行時(shí)需中途多次換乘才能到達(dá)目的地，這些都會(huì)造成時(shí)間成本及線網(wǎng)資源的巨大浪費(fèi)。近期，國內(nèi)推進(jìn)“國鐵干線、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通”四網(wǎng)融合，需要研究建立一體化建設(shè)運(yùn)營機(jī)制。其中，市域（郊）鐵路網(wǎng)互聯(lián)互通的主要需求如下：第一，統(tǒng)一規(guī)劃本地區(qū)市域（郊）鐵路列車共線或跨線網(wǎng)絡(luò)化布局。第二，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)。第三，建立滿足一體化運(yùn)營要求的管理體系、管理規(guī)則、協(xié)調(diào)機(jī)制。

CBTC 作為市域（郊）鐵路信號(hào)系統(tǒng)的主流制式，是基于通信的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)。中國城市軌道交通協(xié)會(huì)牽頭編制頒布的CBTC 互聯(lián)互通系列規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)文件，對(duì)CBTC 系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求、接口規(guī)范和報(bào)文規(guī)范等進(jìn)行明確定義，為不同信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，適用于新建、更新改造及擴(kuò)建線路的CBTC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備招標(biāo)及工程建設(shè)[1]。

CBTC 能夠利用高精度的列車定位、雙向連續(xù)的車地?cái)?shù)據(jù)通信和地面、車載安全功能處理器完成自動(dòng)、連續(xù)的列車運(yùn)行控制[2]。實(shí)現(xiàn)CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通的難點(diǎn)主要包括以下幾方面。

第一，互聯(lián)互通運(yùn)營場(chǎng)景梳理。互聯(lián)互通市域（郊）鐵路全日完整運(yùn)營過程復(fù)雜，從中提煉出CBTC共線運(yùn)行場(chǎng)景、跨線運(yùn)行場(chǎng)景也相對(duì)復(fù)雜。需要按照時(shí)間順序描述互聯(lián)互通軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營過程，分析CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通需求、系統(tǒng)及子系統(tǒng)功能需求和安全需求、人員及設(shè)備配置，通過系統(tǒng)試驗(yàn)逐個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，將關(guān)鍵場(chǎng)景作為互通的運(yùn)營場(chǎng)景。

第二，信號(hào)技術(shù)限制。由于實(shí)際情況中各CBTC系統(tǒng)廠家安全設(shè)計(jì)理念不盡相同，其系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)功能模塊存在較大差異，CBTC 系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)完全兼容或完全互聯(lián)互通。一是不同廠家的信號(hào)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一線路拓?fù)涿枋?。二是不同廠家的信號(hào)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一接口形式與規(guī)范。三是不同廠家的信號(hào)系統(tǒng)功能與架構(gòu)分配不一致。四是不同廠家的信號(hào)系統(tǒng)車地通信方式與遵循的通信協(xié)議不一致。五是不同廠家的信號(hào)系統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不互認(rèn)。

第三，不同廠家CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通有待驗(yàn)證。

第四，系統(tǒng)認(rèn)證復(fù)雜。由于不同CBTC 系統(tǒng)存在系統(tǒng)架構(gòu)差異和功能差異，對(duì)于不同CBTC 系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的共線安全認(rèn)證、跨線安全認(rèn)證、交叉測(cè)試驗(yàn)證的實(shí)施難度大，缺乏成熟完備的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

第五，跨線運(yùn)營維護(hù)。不同CBTC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，產(chǎn)生跨線運(yùn)營維護(hù)及統(tǒng)一調(diào)度指揮相關(guān)需求，跨線集中調(diào)度需要統(tǒng)籌整合相關(guān)資源，建立健全調(diào)度管理體系，制訂相關(guān)維護(hù)管理制度。

1.2 市域（郊）鐵路CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的單線運(yùn)營方式下各條市域（郊）鐵路相互獨(dú)立，旅客需要下車進(jìn)行換乘實(shí)現(xiàn)線路更換，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)或擬實(shí)現(xiàn)CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通的市域（郊）鐵路有京津冀地區(qū)—大興新機(jī)場(chǎng)線、雄安至大興機(jī)場(chǎng)快線，重慶地區(qū)—跳磴至江津線、5 號(hào)線，成都地區(qū)—成都至眉山線、成都至德陽線，粵港澳大灣區(qū)—深大城際、深惠城際、南珠中城際、佛廣莞城際、芳村至白云機(jī)場(chǎng)城際，廣州東至天貴城際等。

1.3 重要性

只有CBTC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通才能滿足市域（郊）鐵路整體網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，結(jié)合統(tǒng)一市域車型、牽引供電制式等，列車在不停車和不改變駕駛模式的情況下，通過跨線或越行配線直接運(yùn)行到相鄰線路上，能實(shí)現(xiàn)從“人換乘”到“車換線”的轉(zhuǎn)變，從而提高旅客出行效率、降低綜合運(yùn)營成本、發(fā)揮市域（郊）鐵路承上啟下的運(yùn)輸效能。

2 市域（郊）鐵路CBTC 系統(tǒng)的互聯(lián)互通方案研究

CBTC 系統(tǒng)劃分為中心層、車載層以及軌旁層三部分，包括列車調(diào)度監(jiān)控ATS、軌旁、車載以及數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）。

2.1 按互聯(lián)互通系列規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)文件統(tǒng)一CBTC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以CBTC 互聯(lián)互通系列規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)文件為依據(jù)，統(tǒng)一CBTC 系統(tǒng)需求、系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求、接口、測(cè)試、工程設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議、報(bào)文等的定義和設(shè)計(jì)原則，不同廠家CBTC 軌旁、車載、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與ATS等子系統(tǒng)之間的接口按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)、方案制訂和產(chǎn)品研發(fā)，統(tǒng)一軌旁設(shè)備安裝等外部條件。

2.2 統(tǒng)一列車運(yùn)行控制級(jí)別

列車選型在滿足互聯(lián)互通條件的前提下，需能在連續(xù)式列車控制級(jí)別和降級(jí)下均實(shí)現(xiàn)貫通運(yùn)行。車載信號(hào)ATP/ATO 設(shè)備實(shí)時(shí)與對(duì)應(yīng)的列車調(diào)度監(jiān)控ATS 子系統(tǒng)、軌旁區(qū)域控制器ZC、聯(lián)鎖CI 子系統(tǒng)進(jìn)行通信。不同線路之間相應(yīng)設(shè)置移交邊界和移交重疊區(qū)，CBTC 系統(tǒng)的車載和軌旁設(shè)備根據(jù)管轄范圍的不同，分別存儲(chǔ)所在線路范圍的電子地圖。

當(dāng)列車從本線駛?cè)胂噜従€時(shí)，如果兩線處于相同的列車運(yùn)行控制級(jí)別，要確保列車目前所處的列控級(jí)別及駕駛模式不降級(jí)；當(dāng)從低列控級(jí)別線路進(jìn)入高級(jí)別線路時(shí)，運(yùn)營列車滿足升級(jí)條件時(shí)可升級(jí)為高列控級(jí)別及駕駛模式；當(dāng)從高列控級(jí)別線路進(jìn)入低級(jí)別線路時(shí)，CBTC 系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)線路邊界信息提前向司機(jī)發(fā)出相應(yīng)指示，經(jīng)司機(jī)確認(rèn)后，列車轉(zhuǎn)入RM 模式運(yùn)行，在收到即將進(jìn)入線路的有效控制信息并滿足升級(jí)條件時(shí)，進(jìn)行列控級(jí)別和駕駛模式轉(zhuǎn)換。除非運(yùn)營需要，裝備列車應(yīng)能不停車跨線運(yùn)行。

2.3 統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)營模式

為實(shí)現(xiàn)不同線路CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通，建議頂層設(shè)置一套線網(wǎng)綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)，各線信號(hào)ATS 子系統(tǒng)相應(yīng)調(diào)整管轄范圍，增加ATS 與綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)的接口，各線貫通運(yùn)營后由綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度管理。不同設(shè)備廠商的ATS 子系統(tǒng)調(diào)度命令管理、列車狀態(tài)信息、行車監(jiān)督、應(yīng)急指揮、安全監(jiān)控、運(yùn)行圖、報(bào)警信息等應(yīng)盡量統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確保全線網(wǎng)列車調(diào)度指揮系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行，為信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通提供統(tǒng)一的調(diào)度指揮控制。

2.4 合理劃分軌旁及車載設(shè)備管轄范圍

2.4.1 軌旁設(shè)備

軌旁設(shè)備主要包括區(qū)域控制器ZC、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)單元以及對(duì)象控制器，區(qū)域控制器可以獲取市域鐵路的全部列車相關(guān)信息，然后根據(jù)障礙物信息，對(duì)列車的移動(dòng)進(jìn)行授權(quán)。區(qū)域控制器的響應(yīng)在工作中可以對(duì)相鄰的區(qū)域控制器所發(fā)出的移動(dòng)授權(quán)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。在進(jìn)行軌旁子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理的配置，一種方式是在一個(gè)軌道區(qū)段內(nèi)，可以接受區(qū)域控制器和計(jì)算機(jī)連鎖的同時(shí)控制，區(qū)域控制器可以通過計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接收道岔信息，而計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖能夠和軌旁設(shè)備直接連接，接收ATS 的信號(hào)，從而對(duì)道岔進(jìn)行控制。另一種方式是區(qū)域控制器發(fā)揮聯(lián)鎖功能對(duì)列車移動(dòng)授權(quán)進(jìn)行單獨(dú)控制，區(qū)域控制器直接連接屏蔽門和道岔的接口，通過ATS 發(fā)出的信號(hào)，對(duì)道岔進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖操作。

2.4.2 車載設(shè)備

車載設(shè)備主要包括控制單元、位移和速度傳感器、查詢應(yīng)答器、天線、司機(jī)操作單元以及信標(biāo)等。查詢應(yīng)答器主要用于對(duì)列車進(jìn)行定位；司機(jī)操作單元可以顯示CBTC 系統(tǒng)狀態(tài)、駕駛信息、報(bào)警信息；信標(biāo)可以進(jìn)行列車位置的初始化，并提升列車位置測(cè)量的精度；控制器是子系統(tǒng)的核心部件，通過和位移和速度傳感器以及查詢應(yīng)答器進(jìn)行連接，可以精確地找到列車的運(yùn)行的實(shí)際位置，通過和司機(jī)操作單元連接，可以確定駕駛和設(shè)備的情況，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)向司機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

不同市域（郊）線貫通后可能屬于不同的運(yùn)營公司管理，為明確線路的管理和調(diào)度界面，各線ZC 之間通過傳遞移交狀態(tài)信息、移交列車信息、列車位置信息、列車順序信息等實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。建議按信號(hào)系統(tǒng)確定兩線的分界處信號(hào)設(shè)備與對(duì)應(yīng)的站控區(qū)由同一個(gè)ATP 控制區(qū)域管轄，以便于明確調(diào)度管理權(quán)限，各線列車調(diào)度權(quán)均屬于本線調(diào)度。各線ZC 設(shè)備軟件結(jié)合注冊(cè)跨線列車的車組號(hào)等信息，車載ATP/ATO 設(shè)備軟件和電子地圖等按互聯(lián)互通后的線網(wǎng)編寫，互聯(lián)互通線路的列車混跑后，各線列車車載設(shè)備相應(yīng)進(jìn)行軟件升級(jí)和電子地圖等的更新。

對(duì)于互聯(lián)互通線路，地面重疊區(qū)的設(shè)置宜能保證列車的無縫切換，應(yīng)分別計(jì)算各線的列車控制重疊區(qū)長(zhǎng)度，取最大值為實(shí)際的移交列車控制重疊區(qū)長(zhǎng)度；重疊區(qū)的長(zhǎng)度應(yīng)不小于進(jìn)路觸發(fā)區(qū)段的長(zhǎng)度。

2.5 聯(lián)鎖子系統(tǒng)

各線的聯(lián)鎖CI 子系統(tǒng)按照互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，其內(nèi)部安全功能模塊和通信功能模塊通過周期發(fā)送的方式進(jìn)行通信。各線CI 向鄰線傳輸本聯(lián)鎖管轄范圍的設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)接收對(duì)方線路CI 發(fā)來的道岔狀態(tài)、物理區(qū)段狀態(tài)、邏輯區(qū)段狀態(tài)、信號(hào)機(jī)狀態(tài)、站臺(tái)門狀態(tài)、ESB 按鈕、臨時(shí)限速等信息。

2.6 維護(hù)監(jiān)測(cè)MSS 子系統(tǒng)

信號(hào)設(shè)備及信號(hào)與車輛、站臺(tái)門、綜合監(jiān)控、通信、供電等外部系統(tǒng)存在多個(gè)接口，建立全線網(wǎng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各線信號(hào)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和分析，維修中心的MSS 系統(tǒng)和各車站級(jí)MSS 設(shè)備按照互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接，為列車跨線運(yùn)行和車輛調(diào)配提供信息支撐。

2.7 培訓(xùn)子系統(tǒng)方案

由于互聯(lián)互通市域（郊）鐵路存在快慢車混跑越行、跨線運(yùn)行等運(yùn)營需求，相關(guān)系統(tǒng)復(fù)雜度升高、設(shè)備數(shù)量相應(yīng)增加，各線培訓(xùn)中心的模擬培訓(xùn)設(shè)備也需提供統(tǒng)一的調(diào)度管理、維護(hù)管理和操作培訓(xùn)功能，適應(yīng)互聯(lián)互通線路的培訓(xùn)要求。

2.8 數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)

DCS 是CBTC 互聯(lián)互通能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵部分，可以在不同的子系統(tǒng)之間進(jìn)行報(bào)文的傳輸，并且DCS 可以移動(dòng)[3]。DCS 是單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，傳送報(bào)文更加安全和透明，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，傳輸量較大，屬于可靠性較高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在運(yùn)行中，DCS 利用存在接口和開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的商用設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)CBTC 系統(tǒng)的互聯(lián)互通。DCS 包括有線部分和無線部分，有線部分利用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和UDP/IP 協(xié)議進(jìn)行報(bào)文的傳輸，同時(shí)利用IPSec 協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。在CBTC 系統(tǒng)中，冗余光纖骨干網(wǎng)將不同的子系統(tǒng)連接在一起，構(gòu)成軌旁網(wǎng)絡(luò)，并沿著線路進(jìn)行延伸，且局域網(wǎng)構(gòu)成了ATS 網(wǎng)絡(luò)，能夠通過交換機(jī)將其連接到骨干網(wǎng)中。

2.9 互聯(lián)互通安全認(rèn)證

以A 線和B 線為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的兩條線路為例，A 線、B 線在完成本線信號(hào)軌旁設(shè)備和車載設(shè)備安全評(píng)估和認(rèn)證工作的基礎(chǔ)上，A 線需對(duì)跨入本線的共線列車的車載設(shè)備互聯(lián)互通功能進(jìn)行第三方獨(dú)立安全評(píng)估和認(rèn)證，而A 線的線路數(shù)據(jù)作為被B 線評(píng)估的源數(shù)據(jù)，也要通過本線安全評(píng)估和認(rèn)證。B 線將A 線源數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再結(jié)合B 線需要進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試、安全評(píng)估和認(rèn)證[4]。B 線列車進(jìn)入A 線，B 線評(píng)估方要出具允許B 線列車跨入A 線的安全授權(quán)，A 線評(píng)估方應(yīng)出具A 線信號(hào)設(shè)備具備共線或跨線調(diào)試、試運(yùn)營及試運(yùn)行的安全授權(quán)，安全授權(quán)包含所有A 線涉及的系統(tǒng)集成商的車載設(shè)備。

3 市域（郊）鐵路CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通的功能

互聯(lián)互通CBTC 系統(tǒng)的軌旁和車載設(shè)備通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進(jìn)行連接，各信號(hào)設(shè)備廠家按照互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施接口，相互驗(yàn)證線路工程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能實(shí)現(xiàn)不同線路之間CBTC 系統(tǒng)的相互兼容，實(shí)現(xiàn)不同市域（郊）線路列車共線或跨線運(yùn)行，為市域（郊）鐵路規(guī)?；途W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營提供技術(shù)保障，減少旅客換乘次數(shù)、提高出行的便捷性。

4 結(jié)論

第一，市域（郊）鐵路CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通方案對(duì)車地通信方式、信息幀格式、系統(tǒng)信息交換形式、接口形式、通信網(wǎng)絡(luò)等標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一，能確保CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通的安全性和穩(wěn)定性。第二，不同線路采用相同廠家的同型號(hào)CBTC 系統(tǒng)共線或跨線的列車只需裝設(shè)一套車載設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)CBTC 模式下的貫通運(yùn)營。若采用不同廠家的CBTC 系統(tǒng)，相關(guān)各廠家設(shè)備均需滿足互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)對(duì)ATS、ATP/ATO、CI 等各信號(hào)子系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)接口進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，且先期建設(shè)線路應(yīng)預(yù)留后續(xù)接入線路的相關(guān)系統(tǒng)容量和接入條件。