机电设备技术融合和信号系统总承包的探析

仲晓辉

（新誉庞巴迪信号系统有限公司，江苏常州 213166）

1 概述

传统的城市轨道交通机电设备包括通风空调与供暖系统，给水与排水系统，供电系统（变电所、牵引网、动力与照明、电力监控等），信号系统，自动售检票系统，火灾自动报警系统，综合监控系统，环境与设备监控系统，乘客信息系统，门禁系统，站台门系统，自动扶梯及电梯等。各专业专注于自身系统，积极引导城市轨道交通技术及管理的纵向发展，但横向发展缺少一定的经验积累及模式探索。设备接口较少，交互功能单一，招标发包专业多，乘客体验欠佳，建设运维任务重。因此在城市轨道交通线路快速发展的当下，如何建设、运维众多的机电设备专业，打破资源壁垒，优化设备接口，增强乘客舒适度，提升运维效率，保证运营安全，是当前城市轨道交通行业所面临的众多问题。尤其在各个城市全自动运行线路快速部署的今天，乙方总承包基于自身核心功能及接口开放实现系统技术融合，做好多专业一致性协调，大系统级的安全认证工作，是本文探析的目的。旨在推动落实城市轨道交通利用新型信息技术和深度融合的发展战略，实现城市轨道交通多专业机电设备的一体化、智慧化。

2 多专业机电设备系统技术融合

《城市轨道交通发展战略与“十四五”发展思路研究报告》提出了新一代智能地铁列车多系统融合控制方案的要求。考虑到全自动运行线路高可靠性、高安全性的要求及人性化、智慧化场景的应用，由信号系统集成商作为机电设备采购及服务总承包方，融合或者整合下述系统以适应城市轨道交通机电设备系统技术发展的趋势。

2.1 列车运行控制系统

目前的城市轨道交通领域，列车运行控制功能主要由基于通信的列车控制系统（Communication Based Train Control，CBTC） 及 车 辆 的 列 车控制管理系统（Train Control Management System，TCMS）来实现。该方案通过信号系统车载列车自动控制子系统（Vehicle Automatic Train Operation，VATO）与TCMS 车辆控制单元（Vehicle Control Unit，VCU）的交互实现目标功能所需的接口信息，从而使列车非安全架构较为庞杂，设备分布化设置，运营维护成本高，信息延时大，控制精度低，动态响应效果差。因此融合VATO 与TCMS，是形成列车运行控制系统一体化、智慧化突破性的一步。结合《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》提出的基于系统容量大、传输时延低、可靠性高的以太网络，开发列车多子系统融合的一体化平台要求，可以实现由信号系统直接发送牵引制动有关指令给车辆；信号系统直接管理电空混合制动；信号系统直接管理车辆相关子系统；信号系统与TCMS 司机显示界面融合一体等功能，如图1 所示。

图1 列车双端车载平台架构Fig.1 Double-end onboard platform architecture

融合后的列车运行控制系统将基于以太网实时 数 据 协 议（Train Real-time Data Protocol，TRDP），考虑到城市轨道交通对于列车运行控制系统相关的制动系统、牵引系统、信号系统及车门控制系统均有安全完整性等级（Safety Integrity Level，SIL）的要求，因此该协议须支持此类安全数据的传输，安全数据传输协议（Safe Data Transmission version 2，SDTV2）将完成此类安全数据的交互，从而实现数据的准确性、实时性、可靠性及安全性。列车级网络按照双归属环网布局，单个车辆设置2 台1 000 M 交换机并与车辆级终端设备连接，如图2 所示。

图2 列车车载网络架构Fig.2 Train onboard network architecture

本方案融合后将形成新一代列车运行控制系统，使牵引制动系统的响应与信号系统的ATO 控车曲线更加贴合，最大限度地考虑乘客舒适度。同时本方案为后续车辆其他系统和信号系统的融合探索了方向，如信号系统、制动系统与牵引系统的速度传感器融合等。

2.2 站台门控制系统

站台门系统作为城市轨道交通安全相关系统，时刻影响着运营的效率及安全。传统的站台门系统（机械设备和控制系统）作为单独的机电设备招标采购，与信号系统计算机联锁（Computer Based Interlocking，CBI）子系统的接口设计功能单一，响应速度迟延，故障定位较难，运维专业联动性差。尤其在全自动运行系统的城市轨道交通线路中，站台门系统如何更好地与信号系统接口，是未来提升运营效率、保证安全以及响应大容量复杂场景应用的瓶颈。本方案将从信号系统整合站台门接口方式及相应功能为着眼点，由安全完整性等级SIL4 的信号系统对传统站台门接口功能进行总体把控，通过设置的门控柜，信号系统车载设备与轨旁站台门系统直接通信并传输数据，有效减少传统站台门系统接口信息存在的时延，减少开/关门时间，提高列车运行效率，如图3 所示。

图3 信号系统与站台门系统接口Fig.3 The interface between signalling system and platform door system

本方案整合后，信号系统可以安全可靠地实现站台滑动门关门受阻后，列车门和站台门在可配置次数内的再联动开/关门以及该措施失效后，信号系统对于站台门再打开或者再关闭命令的应用；信号系统可以安全可靠地实现对于单个滑动门的联动控制、岛式站台两侧站台门开/关门与站停时间的联动、不同编组不同泊位按照不同时序开/关站台门等复杂场景的应用。进一步地，本方案为未来信号系统与站台门控制系统的融合探索了方向，如信号系统轨旁CBI 或者列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）子系统完全实现对于站台门机械设备的目标控制；站台门监控设备融合至列车自动监控（Automatic Train Supervision，ATS）子系统或者行车综合自动化系统，以更好地为全自动运行线路智慧化场景服务等。

2.3 车辆智慧运维管理系统

目前，城市轨道交通的运维按照不同专业设置，对于接口功能或者跨专业联动功能的控制管理及运营维护带来诸多不便。本方案将基于前述列车运行控制系统的融合及信号维护支持系统的横向开发，融合车辆各个专业有关运维信息，如牵引系统、制动系统、车门系统及暖通与空调系统等，形成一体化、智慧化的车辆智慧运维管理系统，如图4 所示。

图4 车辆智慧运维管理系统Fig.4 Vehicle intelligent operation and maintenance management system

本方案融合后，车辆的智慧运维数据将持续不断地通过车- 地无线通信系统发送给轨旁运维服务器，运维服务器利用大数据算法，完成数据分析、处理、存储及统计等任务，通过车辆智慧运维工作站显示预测的车辆运维信息，提示运维工作人员及时做出响应。车辆智慧运维工作站还可作为全自动运行系统线路中的远程驾驶台，监视和控制车辆相关系统，如远程照明控制、远程暖通及空调控制、远程紧急制动或常用制动、远程车辆故障复位等。更为重要的，该系统可以快速定位跨专业的盲点故障并及时解决。本方案为车辆相关专业运维设备从软件功能到硬件设备的融合探索了发展方向。随着全自动运行系统运营线路的逐步增多，一体化、智慧化的车辆运维系统作为综合性运维系统，对于城市轨道交通行业运营维护效率的提升是显而易见的。

2.4 其他

信号系统ATS 子系统与综合监控系统（Integrated Supervision Control System，ISCS）融合形成的行车综合自动化系统技术成熟，国内部分城市轨道交通线路已顺利实施。随着云平台技术的逐步成熟，在统一云平台内，可以实现城市轨道交通众多机电设备专业的融合，如电力综合监控系统、环境与设备监控系统、综合监控系统、门禁系统、安防系统、火灾自动报警系统、乘客信息系统、视屏监控系统、自动售检票系统及列车自动监控系统等。该方案不仅可以建立本线路高效的联动机制，还可以将多条线路的数据部署在同一云平台内，从而实现线网级不同厂家同类系统间的调度管控及更多的联动功能，如本线路同站台换乘站的ATS 将时刻表信息发送到其他线路的ATS，从而使时刻表与乘客的乘车计划更为贴合，提高运营舒适度；同样，在故障列车救援和火灾救援等应急场景下，利于运维人员快速响应，进一步实现一体化、智慧化的城市轨道交通应用场景。

自动售检票系统（Automatic Fare Collection，AFC）可融合至信号系统，如AFC 系统利用统一云平台和大数据算法，筛选出乘客通行时间的峰谷值并远程打开或关闭售票设备、安检设备及票检设备，同时信号系统对来自AFC 系统的客流信息进行定义，匹配列车时刻表和列车编组信息，开发实现4/6/8 编组列车运营混跑的机制判断、突发应急事件的行车控制、快慢车计划的干预、时刻表预先编制及列车数量优先安排等功能。而当信号系统跳停本站或者故障列车影响载客时，信号系统可以发送关闭AFC 系统的售票设备、安检设备及票检设备的命令，提高乘客的人机交互体验感。实现节能环保，一体化、智慧化运营的目的。

乘客信息显示系统（Passenger Information System，PIS）可融合至信号系统，目前PIS 系统可部署在统一云平台内，融合后的系统利用前述章节的列车运行控制系统和车辆智慧运维管理系统将更好地为乘客提供便捷、安全、舒适的服务。涉及列车到站时间、时刻表信息、火灾阻塞、紧急疏散、区间通风、视屏监控及紧急呼叫等联动场景功能的应用，如区间火灾，信号系统根据监测信息智慧选择列车越过区间火灾区域或者返回前站站台紧急疏散。融合后PIS 系统将及时地与乘客交互信息，安抚乘客情绪，做好个人安全防护。

3 机电设备招标管理优化

目前，轨道交通机电设备专业分类较多，对甲方业主来说，在承发包阶段，考虑各专业工作接口界面较多，不利于建设管理；在设计开发阶段，随着全自动运行系统线路的发展，一体化、智慧化的运营场景需求在增加，各专业机电设备功能的可靠性、安全性要求在提高，安全评估需求在增加；在项目执行阶段，多专业接口功能和运营联动场景需要一致性协调方参与协调管理；在运营维护阶段，对于接口问题的故障处理难以准确定位，投入人力资源成本多。

综上所述，各专业机电设备采购及服务招标方式由单独招标优化为总承包管理后，由SIL4 的信号系统作为总承包方进行一体化管理，将减轻甲方业主的建设管理压力，利于建设项目的顺利执行。经过调研，已有部分城市的招标由信号系统集成商总承包管理多专业机电设备采购及服务，如兰州地铁2 号线将专用通信系统、公安通信系统、技术防范系统、PIS 系统、信号系统、ISCS 系统以及AFC系统共同招标；厦门地铁4 号线和6 号线将信号系统、ISCS 系统、线网云平台共同招标。

鉴于本方案前述第2 章节各专业机电设备融合或整合项点，乙方总承包方信号系统进行管理后，推荐的基本招标范围包括信号系统、列车运行控制系统、站台门控制系统、车辆智慧运维管理系统、综合监控系统、AFC 及PIS，也可根据甲方业主的需求灵活调整。

4 结语

本文探析多专业机电设备系统技术融合与机电设备招标管理优化，城市轨道交通多专业机电设备系统发展将更好地符合国家一体化、智慧化的发展战略。

随着5G 通信、人工智能、云平台及大数据算法等新型技术将不断地从非关键系统向关键系统应用到城市轨道交通行业，信号系统作为关键SIL4 系统，不断契合及发展自身很有必要。从软件技术、硬件技术及网络技术3 个维度和信息安全角度，考虑与其他机电设备系统的融合或整合，信号系统融合多专业机电设备一体化未来还有很大的发展空间。