城市轨道交通信号系统互联互通工程应用关键技术浅析

赵 青

0 引言

目前，国际上较通用的列车控制系统中，欧洲的ETCS（European Train Control System，欧洲列车控制系统）应用已较为成熟，得到了欧洲各国铁路公司和供货商的广泛认可，欧洲铁路已经有部分线路成功实现了互联互通；美国纽约市采取3 家企业（西门子、阿尔卡特、阿尔斯通）合作的形式搭建列车控制系统，但至今未达到互联互通的投运条件；日本东京轨道交通线路基本实现互联互通，但由于未统一标准，列车加装多套信号车载设备，需由人工手动切换。

在国内，为保证各地铁线路的列车安全可靠运行，所有线路均采用单线运营，本线路的车辆及其车载信号系统只能与本线路的地面信号系统进行“交流”，乘客通过步行换乘不同线路列车。随着国内轨道交通事业的快速发展，人们对公共交通便利性的要求越来越高，城市轨道交通线网的互联互通研究成为热点。

1 互联互通现状

轨道交通运营商基于多方面探索实现不同线路互联互通的途径和技术：

（1）采用同一厂商相同制式的信号系统。如上海地铁在六、七、八、九号线4 条线路设计时，提出进行4 条线捆绑招标。

（2）在地面加装多套信号设备。如香港将军澳线，基于SACEM 系统，在保证车载设备不改造的情况下，采用在地面安装多套轨旁设备实现线路间的互联互通。

（3）采用通用的信号车载设备。如北京地铁八通线采用通用式机车信号，实现国产LCF-100（DT）车载设备与英国西屋地面信号系统的兼容。

（4）重庆轨道交通互联互通应用工程基于统一的、规范的、标准的信号系统互联互通设备配置，实现了真正意义上的信号系统互联互通，乘客无需通过换乘就可以到达目的地，实现“大站快车”运营模式，从而便利乘客出行，缩短出行时间[1]。

2 信号系统互联互通关键技术

重庆轨道交通自主信号系统项目示范应用工程实施主要由4 家集成商、3 家安全认证单位、2家LTE 厂商和骨干网厂商组成。

该项目共设置4 处联络线，分别是重庆西站（5号线、环线）、民安大道站（4 号线、环线）、南湖站（10 号线、环线）和重庆北站（4 号线、10 号线）。各集成商的系统架构设计、功能实现方式等有所不同，对已发布的城市轨道交通技术规范或标准理解也存在偏差；各认证单位在安全分析、安全管理及危害处理等方面存在差异，这也就从不同方面增加了实现“互联互通”的难度。下文将对重庆市轨道交通“互联互通”工程的几项关键技术进行分析。

2.1 统一互联互通信号系统的需求及系统架构

统一的信号系统架构是实现互联互通的基础，统一的系统需求又是统一系统架构的前提。典型的信号系统由CI（联锁系统）、ATS（列车自动监控系统）、ATP/ATO（列车自动防护/驾驶系统）及DCS（数据通信系统）等子系统组成，由于不同线路需求和各厂商的子系统功能实现方法不同，设计的原则也不同，因此系统总体架构和功能分配也不相同。通过多方面调研，确定了本工程的互联互通信号系统架构（图1）和网络架构（图2）。

图1 重庆市轨道交通互联互通信号系统架构

图2 重庆市轨道交通互联互通网络架构

在系统功能分配方面，制定了《CBTC 互联互通系统总体需求规格说明书》、《CBTC 互联互通系统功能需求分配技术要求》及各子系统需求规格说明书，识别了CBTC（基于通信的列车自动控制系统）下所有系统和子系统的互联互通需求，并对功能分配进行了定义，解决了功能需求差异的问题。

2.2 统一设计原则

不同的设计原则制约着功能的实现，统一的工程设计原则在信号系统互联互通中起着至关重要的作用[2]。

通过收集汇总对比各方设计原则，形成各方适配的统一设计原则等，包括站台精确停车应答器设计原则、信号机配套应答器设计原则、区间应答器布置原则、填充应答器布置原则、信号机布置原则、计轴设备布置原则。根据各方车辆和各条线路的最差情况计算设计参数，包括保护区段长度、接近区段长度、触发区段长度、列车进路延时解锁时间、保护区段计时解锁时间、MA 安全防护距离等。强制性要求了车载无线天线（移动授权）、应答器天线的安装位置及应答器的安装高度等，保证不同列车在不同线路上与应答器的通信正常。

2.3 统一接口设计

CBTC 互联互通必须满足配备不同车载设备的列车可以跨线运行，与其他线路的地面设备正常进行指令传输，并能够提供完整的列车自动防护和驾驶功能，这就要求所有车载设备和地面设备具有统一的接口设计，保证通信协议的一致性。

在本工程中制定了统一的功能需求和实施方案，统一了车载设备-联锁设备（VOBC-CI）、车载设备-区域控制器（VOBC-ZC）、车载设备-ATS系统（VOBC-ATS）、CI-CI、ZC-ZC、ATS-ATS 6 个互联互通接口功能。6 个互联互通接口及其对应功能如表1 所示[1]。

表1 接口统一功能

上述接口功能中，ZC 切换功能为制约本工程的一个技术难点。因为各厂商ZC 内部使用的信号机状态不一致，且受传统联锁接口影响，较难统一；联锁关系中“或空闲”、“与占用”逻辑不同，导致基于相同的轨旁设备状态跨线2 个ZC 计算的移动授权不同；ZC 内部ARB（Always Report Blocking，自动判断计轴故障占用）判定状态理解不一致（有的认为通过计轴区段ARB 状态判断后续CBTC 列车MA 是否可越过该区段，有的认为通过列车序列等状态判断后续CBTC 列车MA 是否可越过该区段）。通过多次研讨，最终确定移动授权的方案如图3 所示。当列车位于ZC1 控制区域内（未进入ZC 重叠区），MA 授权到ZC1 和ZC2 的分界点；当列车进入ZC 重叠区后，同时接收ZC1 和ZC2的移动授权信息，列车的MA 延长至图中MA_ZC1+ZC2 处。

图3 Z C 重叠区MA 授权示意图

2.4 统一通信方式

本工程采用了基于CBTC 线路的LTE 互联互通综合业务承载网，车载设备-地面设备无线通信统一采用1.8 GHz 的LTE 技术，1 785～1 790 MHz、1 800～1 805 MHz 频段是信号互联互通车辆和地面无线通信专用频段。互联互通LTE 系统结构如图4 所示。

图4 互联互通LTE 系统结构

LTE 系统需要互联互通的接口包括Uu 接口、S10 接口、S5 接口、S6a 接口。Uu 接口是数据终端与LTE 基站之间的接口；S5 接口是S-GW（Serving GateWay，服务网关）与P-GW（PDN GateWay，PDN 网关）间的接口，提供S-GW 和P-GW 间用户的隧道管理功能；S10 接口是MME间的接口，用于MME 间传送控制信息；S6a 接口是MME 和HSS 间的接口，用于传输用户相关数据及鉴权信息。

设备之间通过A、B 双网（包括无线和有线网络）实现冗余通信，其中A 网和B 网相互独立且互为热备，提高设备间通信的可用性。双网冗余连接如图5 所示。

图5 双网冗余连接

为确保数据通信的安全可靠性，数据通信采用安全通信协议：车-地设备之间通信使用RSSP-2 安全协议；地-地设备之间通信使用RSSP-1 安全协议，且设备连接方式兼容。RSSP-1 和RSSP-2 系统通信模型如图6 所示[4]。

图6 RSSP -1 和RSSP-2 型系统通信模型

2.5 统一电子地图描述方式

电子地图是存储在车载设备中的线路图[5]。车载ATP/ATO设备向地面ZC设备报告列车位置，地面ZC设备计算列车移动授权（MA）并将其发送给车载ATP/ATO，车载ATP/ATO根据存储的电子地图对MA的有效性进行检查，从而判断MA是否在ATP/ATO所识别的范围内。

在传统的CBTC 系统中，车载设备仅存储本线路的电子地图，但在互联互通工程中列车需要跨线运行，这就要求车载设备必须存储所有互联互通线路的电子地图，因此要求所有互联互通的线路区域应采用统一的电子地图描述方式。

线路的电子地图描述方式包括使用计轴区段描述、使用公里标描述、使用虚拟区段描述等方式，在本项目中统一使用虚拟区段描述。

线路信息主要包括轨道区段、应答器、道岔、信号机、站台、折返区域、坡度等信息，这些信息构成了电子地图的主要描述元素。本工程编制了统一的车载电子地图规范，对这些元素进行定义，如信号机可划分的种类、应答器的种类及相应用途等，并提取重叠区域共用的进路、保护区段、逻辑区段、物理区段、接近区段、触发区段，形成统一的地面重叠区电子地图。

本工程规定了电子地图采用统一的平台录入数据，规定了数据录入的信息。

较以前电子地图，本工程的电子地图补充了各线IP 规划表、各线列车加速度、地面设备间通信参数、相邻线路上重叠区域范围内的ZC、ATS、DCU 设备编号，保证跨线运营时车载设备能正常与地面设备通信。

2.6 其他技术

为实现车辆在不同线路上的互联互通，不仅需要依靠信号系统的控制，还需要采用相应的运营组织和管理模式作为保障。本工程统一了跨线、共线运营组织和管理模式，建立全网的行车信息统一监视系统，编制全网统一运行图，调整跨线运行图，完善全局应急处理和指挥突发事件预案等，保证全线网的互联互通及跨线共线运营。

3 结语

重庆市轨道交通信号系统互联互通示范应用工程在市政府、协会和各集成商及安全认证单位等各方的努力下，采用自主化技术攻克多个技术难题，实现不同装配列车的跨线运行--互联互通，有力提升了我国城市轨道交通信号系统装备技术水平，增强了国际竞争力和影响力，为今后我国城市轨道交通、高速铁路信号系统互联互通的技术发展和工程应用研究奠定了基础，提供了借鉴。