城市轨道交通CBTC互联互通网络化运营研究

乐 梅，王宁宁，杨 婧

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401121）

1 引言

根据中华人民共和国交通运输部发布情况，截至2022年2月，全国（不含港澳台）共有51个城市开通运营城市轨道交通线路272条，运营里程8 819 km。其中北京、上海、广州城市轨道交通发展迅猛，且北京已投入运营线路27条。重庆作为西部唯一直辖市，截至2022年2月已有运营线路共10条，运营里程401.79 km，位居全国第八位。

随着城市轨道交通线网规模持续扩大，城市轨道交通呈现出制式多元化、客流巨量化、信息海量化、衔接多样化等特点；与此同时，也出现了线路运能不均衡、乘客出行需求多样化、换乘压力大、资源共享率低等运输组织管理的问题。

国外方面，日本东京城市轨道交通采用市区与郊区直通的方式，通过对城市轨道交通网络进一步改造来解决以上问题。由于日本东京城市轨道交通发展较早且由政府、私人分别经营，所以改造难度较高，耗费成本较大。而国内方面，重庆市轨道交通（集团）有限公司（以下简称“重庆市轨道集团”）则在4号、5 号、10号线及环线等第二轮城市轨道交通线路规划建设之初，提出基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通网络化运营理念，以期进一步完善城市轨道交通运营组织，提高资源共享率，提升运营服务水平，更好地发挥城市轨道交通的社会效益。

为实现互联互通的实施，前期已进行线路条件、车辆制式、通信设备、供电系统等基础条件的统一。重庆市轨道交通第二轮建设线路车辆统一使用适用山地城市的As型车；线路采用相同的限界条件，并在相关站点设置用于跨线或越行的配线；通信采用兼容的无线列调系统；供电采用直流1 500 V架空接触网的牵引供电制式。

2 CBTC 信号互联互通关键技术

由于传统城市轨道交通均采取单线运营模式，所以各线路信号系统间存在系统架构不统一、接口不开放、通信接口协议内容差异大等问题。因此，信号的互联互通是互联互通网络化运营实施的技术突破点所在。信号的互联互通能够实现线路设备与车载信号相互兼容，满足车载信号与地面信号相互识别、交换及控制，实现互联互通列车在不同线路上的安全运营。

通过对国内外现有信号互联互通方法的调研，总结对比各城市轨道交通信号系统的信号互联互通方式（表 1），根据重庆的实际情况，重庆市轨道交通选取采用基于同一标准的CBTC互联互通系统。

表1 现有信号互联互通方法

2.1 制定整套信号系统互联互通技术标准

信号系统接口包括区域控制器之间接口（ZC-ZC）、区域控制器与车载信号接口（ZC-VOBC）、列车自动监控系统与车载信号接口（ATS-VOBC）、联锁之间接口（CI-CI）、联锁与车载信号接口（CI-VOBC）等，由于各信号厂家的接口内容不一致，导致列车在其他线路运行时无法与地面设备进行通信。因此重庆市轨道集团通过制定整套信号系统互联互通技术标准方式来实现信号接口内容的统一，形成互联互通接口标准以及互联互通运行场景规范，为参与互联互通的线路信号系统开发提供依据。

2.2 搭建支持多厂家互联互通的通信架构

重庆市轨道交通互联互通线路车-地通信模式遵循《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》，核心网间数据接口总体架构符合《LTE-M系统总体架构及系统功能规范》（CZJS/T 0062-2016）要求，即有互联互通需求的多条线路共用同一个归属用户服务器（HSS）。HSS方案解决搭载不同LTE厂家设备列车在跨线时无线信号切换和跨线后无线网络注册问题，实现跨线列车在CBTC模式下不降级、不停车运行至其他线路，攻克车-地通信方式及接口通信协议兼容技术，统一车-地间接口信息。

重庆市轨道交通第二轮建设线路4号、5号、10号线及环线在信号互联互通时，均使用4号线的HSS，同时环线HSS作为备用，当4号线AB网HSS全部故障后，可通过人工方式将4条线路所有数据迁移至环线HSS。核心网通信构架如图1所示。

为实现列车跨线时车-地能够正常通信，不仅需要保证本线运营数据流向正常，同时需保证跨线列车数据流向正常。

本线运营区域控制器（ZC）的数据流：Ⅰ线的分组数据网网关（PGW）→ⅠⅡ线的服务网关（SGW）→Ⅰ线基站（I eNodeB）→车载控制器（VOBC），本线运营业务数据流如图2所示。

跨线运营ZC的数据流：Ⅰ线的分组数据网网关（PGW）→Ⅱ的服务网关（SGW）→Ⅱ线基站（Ⅱ eNodeB）→车载控制器（VOBC），跨线运营业务数据流如图3所示。

2.3 搭建互联互通CBTC系统测试平台

为满足重庆市轨道交通互联互通项目共线和跨线的测试需求，以确保现场信号系统能够安全可靠的运行，首次搭建符合标准化要求的互联互通CBTC系统测试平台车载适配系统，系统结构如图4所示。

为保障跨线列车按图有序运行及便于对线网列车运营组织统筹安排，同时搭建全局调度系统，实现全网行车信息收集与技术共享、网络化运行图编制与管理、线路间运营统筹与协调调度。

3 互联互通网络化运营组织方案

3.1 列车开行方案

互联互通开行方案的制定依据是客流规模、出行规律以及出行需求，需保持对服务范围内乘客的吸引力，保障互联互通运营组织方案具有良好的社会、经济效益。为保障互联互通交路行车间隔的均匀性，跨线交路行车间隔应满足最小公倍数规律以及周期性规律，行车间隔关系如图5所示。

图5中S1、S2、S3为 线 路L1的 车 站，S4、S5、S6、S7为线路L2的车站，其中S2、S6为避让站，S3、S5为跨线站。假设线路L1及线路L2为均匀行车间隔，其中线路L1的行车间隔为t1，线路L2的行车间隔为t2，跨线交路行车间隔为th，各参数之间存在如下关系。

（1）公倍数规律。跨线交路行车间隔为跨线前线路、跨线后线路行车间隔公倍数的正整数倍。即跨线交路列车为均匀行车间隔条件下，跨线交路行车间隔应为交出线行车间隔的正整数倍，具体关系为：

跨线交路列车为均匀行车间隔条件下，跨线交路行车间隔应为接入线行车间隔的正整数倍，具体关系为：

因此，跨线交路行车间隔为交出线、接入线本线行车间隔公倍数的正整数倍，具体关系为：

其中，n，m，x均为正整数。

（2）周期性规律。跨线交路全周转时间为交出线、接入线本线行车间隔公倍数的正整数倍。即跨线交路在列车运行交路运行1周的全周转时间为t3，那么运行1周的全周转时间t3为跨线交路最小行车间隔的正整数倍，即

其中，w，x，y均为正整数。

3.2 运行图编制方案

互联互通列车运行图涉及与其相互衔接的其他线路的运行图，是运营组织及各项工作开展的基础。互联互通列车运行图的编制存在一定挑战，具体包括：互联互通列车运行图的编制需协调交出线运行计划、跨线车运行计划、接入线运行计划；互联互通快车越行和跨线时，存在行车间隔变化情况，故运行图中行车间隔必须满足追踪间隔要求；存在不同行车交路列车在同一车站折返情况，须保障折返能力满足折返需求。除此以外，为便于运营管理以及乘客记忆，运行图应保证跨线车的行车间隔相对均匀且尽可能呈周期性变化。鉴于以上原因，提出基于全局运行图编辑系统的2种编制方法。

（1）替换法。维持起点站行车间隔不变，用跨线车替换原本车辆，简称替换法，如图6所示。采用跨线车替换原时刻运行的本线列车，行车间隔能够满足线路通过能力限制条件，同时方案无需新增新的上线列车数。但因互联互通跨线列车的交路覆盖区段、停站方案等与原方案中有所不同，因此部分车站会出现行车间隔扩大、运输能力减弱的现象。

（2）插入法。维持本线车起点站行车间隔不变，将跨线车插入原本行车方案，简称为插入法，如图7所示。采用跨线列车插入本线列车之间运行，原有开行方案的运输能力不受影响，相反跨线列车交路覆盖的车站运输能力得到提升，但需新增列车上线，新增上线列车数量决定跨线交路的行车间隔。

3.3 行车调度方案

3.3.1 列车跨线运行调度原则

CBTC互联互通行车调度基于全局调度系统，并配置全局调度员，负责监控互联互通列车运行状态、跨线列车运营时线路之间的协调、互联互通列车运行图调整以及计划下达和跟踪工作，不直接对跨线列车司机、车站值班员下达命令，所有跨线列车的调度指令均由线路行车调度员代为下达。此外，各线路之间分界点明确，所属调度权单一，当车辆头部越过分界点后自动转换至相应线路的通信系统、信号系统及所属调度管辖权。

3.3.2 CBTC 互联互通故障处置原则

全局调度系统故障时，全局调度员需将互联互通调度权转换至单线调度员，由单线调度员指挥，全局调度员负责统一协调，维持跨线运营。

联络线进路不能自动触发时，由跨线列车交出线行车调度员向接入线行车调度员申请进路，待接入线行车调度员确认接入车进路准备妥当后，方可排列跨线列车发车进路，维持跨线运营。

跨线列车在正线发生故障，且短时间运营秩序无法恢复时，由全局调度员发布停止跨线运营的调度命令，待故障列车故障处理完成或救援至故障车停留线后恢复跨线运营。

交出线或接入线行车设备（信号、通信、接触网、车辆等）故障，中断运营或需调整列车交路时、全线车站乘客信息系统（PIS）或广播发生故障不能正确引导乘客乘坐时、发生恐怖袭击及其他公共安全类事件时、联络线发生故障不满足行车条件时，应由全局调度员发布停止跨线运营的调度命令，待故障处理完成后恢复跨线运营。

跨线列车故障不具备上线条件时，应停止本次跨线列车运营，并通知车场调度员准备备车顶替运行。

3.4 车辆管理与共享

传统运营模式下，运营结束后列车均需回到各自所在原车辆段，导致大量的空驶浪费。互联互通模式下，可采用异地停放及检修的方式：互联互通列车正常运营结束时，就近回段，减少列车空驶里程；遇到运行图调整或车辆故障情况时，需安排列车到就近车场进行检修或者故障处理。

车辆异地停放及检修主要需考虑车辆基地停放能力、车辆检修能力限制问题。为解决该问题，重庆市轨道交通建立设备设施检修信息化管理系统，车辆异地检修时，只需在车辆检修系统中进行授权即可建立相关的检修记录。当本线车辆基地存在停放能力富余时，可安排部分其他线路常态化停放本线，并安排相应的车辆检修人员常驻办公，实现异地检修。当互联互通线路车辆基地列车停放数量均已经达到停放能力时，可通过“交换”列车的方式，实现异地检修，为满足交换后车辆检修对车辆基地检修能力的要求，尽可能保障预“交换”的列车检修状态相同。

3.5 客运组织

为避免发生乘客坐反车、坐错车等情况，应在客运组织方面加强宣传引导工作，尽可能确保乘客正确选择所需乘坐列车。可采用的宣传方式有：互联互通运营前，通过新闻、报纸、广播等多种媒体宣传；互联互通运营中，加强乘客引导，通过贴图、PIS互联互通列车信息显示、地面引导标识、车站及列车广播、站务员引导等多种方式引导乘客乘车。在加强宣传力度的基础上，通过升级改造乘客服务系统，提高乘车服务信息准确性，尽可能降低乘客误乘率。

4 互联互通网络化运营实例

重庆市轨道集团已于2021年12月28日实现重庆市轨道交通4号线-环线- 5号线（以下简称“4 号线、环线、5号线”）互联互通跨线运营。4号线一期起于唐家沱，终于民安大道，全长15.657 km，设站8 座，含黑石子避让站，全天列车行车间隔为10 min。环线全长50.8 km，设站33座，含南桥寺、涂山、华龙避让站，高峰时段列车行车间隔为5 min，平峰时段为6 min。5号线起于跳蹬，终于园博中心，全长35.02 km，设站22座，含中梁山、巴山、湖霞街避让站，南北段采用分段独立运营方式，高峰时段列车行车间隔为6 min，平峰时段为10 min。4 号线与环线在民安大道设置跨线点，5号线与环线在重庆西站设置跨线点，线路图如图8所示。

4.1 列车开行方案

综合考虑客流、配线条件、车辆等因素，确定4号线-环线- 5号线跨线运营交路为唐家沱至跳蹬大交路，跨线点为民安大道和重庆西站。停站方面，采取非站站停的方案，如图9所示。根据避让站设置位置、行车间隔、车站客流情况等，结合互联互通交路停站数量与避让站位置关系，最终确定4号线唐家沱、头塘、重庆北站北广场、民安大道，环线冉家坝、沙坪坝、重庆图书馆、上桥，5号线重庆西站、金建路、华岩中心、跳磴为互联互通交路停靠站点，确定南桥寺、黑石子为快车越行普通列车的避让车站。

行车间隔方面，由于4号线-环线- 5号线互联互通全天实施，4号线全天列车行车间隔为10 min；环线高峰时段行车间隔为5 min，平峰时段行车间隔为6 min；5 号线高峰时段行车间隔为6 min，平峰时段行车间隔为10 min；确定跨线快车行车间隔为30 min，满足公倍数和周期性规律，如图10所示。

4.2 列车运行图编制方案

考虑因4号线-环线-5号线互联互通方案中快车只停靠部分站点，且快车在环线运行区段仅为民安大道至上桥区段，若采用替换法编制跨线运行图会导致4号线、环线、5号线普通车行车间隔过大，服务水平大幅下降，因此在保证普通列车运输能力不变前提下，用插入法编制跨线快车运行图。

4.3 乘客导向标识

在实施4号线 - 环线 - 5号线互联互通方案前采取新闻、报纸、广告牌等多种媒体宣传，开始实施后采取在车站张贴列车线路图以及时刻表、PIS屏播放以及屏蔽门大屏显示列车相关信息、APP推广、人工引导等多种方式帮助乘客了解互联互通列车相关信息，提醒乘客合理安排出行，避免误乘，导向标识展示如图11、图12所示。

4号线、环线、5号线跨线车工作日开行52列次，双休日开行52列次，运营时段乘坐跨线车乘客比例为25%。跨线车采用“车换乘”代替“人换乘”、部分车站不停靠的运营模式，单程节约19 min（不含换乘时间），可有效节约乘客出行时间，提升乘客出行体验，强化组团与组团之间、市郊与市区之间的联系，推进城市轨道交通网络化运营水平再上新台阶，对于促进运能与需求匹配，引导城市人口布局有着重要意义。

5 结语

本文首次提出并采用基于同一标准的CBTC互联互通系统的方式实现信号互联互通，保障不同信号系统列车在不同线路上安全可靠运行，对互联互通运营组织的列车开行方案、运行图编制、行车调度、车辆管理、客运组织等关键问题进行研究，并应用于重庆市轨道交通4号线-环线 -5号线，解决轨道交通线网资源共享效率不高、运营组织灵活性较差等问题，填补国内城市轨道交通跨线运营的空白，为其他城市轨道交通企业开展互联互通跨线运营工作提供宝贵经验，更为国内城市轨道交通的发展拓展新方向，提供新思路。但由于重庆市轨道交通第二轮规划线路并未全部开通，部分联络线暂不具备跨线运营条件，故互联互通网络化运营还处于探索阶段，未来多线路跨线运营条件下的运营组织管理还需进一步研究。