城市轨道交通信号系统互联互通技术应用探讨
时间：2023-02-24 11:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
曹启滨
（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）
城市轨道交通通常是以线路为独立单元的封闭系统，每一条线有其独享的车辆、信号及各相关专业系统，各线路配属的车辆只能供本线运营使用，无法实现列车跨线投入运营，此种封闭体系在很大程度上制约了车辆、设备资源的跨线间的统筹利用，也极大地增加了轨道交通系统车辆、设备的投资，对轨道交通高经济价值资产的应用尚不够灵活。
当前新一轮城轨建设发展中，提出列车互联互通、列车跨线运营以及“区域轨道交通一体化共享”的概念。实现轨道交通车辆、设备资源的统筹共享，首先要求同一线路的列车可以跨线越入他线投运，同一条线路载客服务列车可由不同配属线路的列车混合担当。
在北京市轨道交通新一轮规划建设中，信号系统将大规模推广互联互通的技术方案，北京地铁3号线、12号线按照共用车辆段、正线车站具备接驳贯通配线的互联互通设计实施，本文对该场景中信号系统相关设计、技术应用和运营使用展开讨论。
以北京3号线、12号线互联互通为例，列车跨线运营存在两种途径，一是共用车辆段内跨线；
二是在正线车站利用正线贯通配线（联络线）过轨。
2.1 共用车辆段内跨线
列车从本线车库出车跨线至对方线路的转换轨，在转换轨识别对方正线区域控制器（ZC）授权信息，进入对方正线。该两条线信号系统最高配置是全自动运行（FAO）等级，段内列车可以自动休眠唤醒、自动出库，自动运行到转换轨进入正线。
跨线交叉发车时，双线段场信号楼协作办理进路，列车可以按时刻表或根据进路实现出入段，经段场内联络线道岔由甲线车库跨入乙线转换轨，车辆段ZC与正线ZC具备的移动授权交接，两条线的段场区分别有各自的ZC辖区，并在交接点实现跨线跨集成商间的ZC联通，实现列车跨界走行时CBTC移动授权的平稳无缝交接权。
跨库出入段的方式，一方面节省备用列车，一组电客车可以同时为两条线路“运营而需、备车而存”，提升电客车资源的使用效率；
另一方面提升共用车辆段停车股道资源的和车辆维检修资源的有效利用率。
2.2 正线贯通配线跨线
北京地铁3号线、12号线在正线的东风桥车站具备正线贯通配线联络线（按照地铁行车业务定义，“联络线”一般指线路间的非载客用途的调车联络线路，在本文中所述贯通配线、联络线按具备载客功能设计，特说明）。3号线在东风站有继续延长开通的区段，未来的东风桥站是双线汇合、分叉的Y型线路交汇点，如图1所示。
图1 北京3-12号线东风桥站正线贯通配线结构Fig.1 Through wiring structure diagram for main line of Dongfengqiao station of Beijing Metro Line 3 and Line 12
在信号系统正线设计中，交汇点跨线的贯通配线道岔在联锁上具备照查条件，并且可以根据ATS指令办理人工、自动触发跨线进路。双线的ZC在跨界位置的进路排通后，具备跨线转交、接续移动授权的功能，正线列车在贯通配线内不降级载客过轨。
传统CBTC移动闭塞列车自动控制系统按照设备安装位置一般分为地面轨旁设备、车载设备和中心调度设备3部分。在互联互通中，从安全列控功能、差异化列车的适配、中心调度指挥均有较大的新增功能需求和使用场景。
3.1 计算机联锁子系统
互联互通的计算机联锁（CI）的基础是与传统独立线路功能和技术方案一致的基于“灯、岔、路”的控制。通常CI是独立于列控系统独立工作，CBTC是基于联锁基础上的移动闭塞，移动授权是建立在联锁进路构成的基础上生成的。
互联互通中，CI单线独立工作，在涉及贯通配线交汇点时需要着重做好交汇点处联锁信息的一致性。主要包括但不囿于进路触发原则、进路锁闭与解锁策略、接近区段和保护区段布置原则、照查原则等。跨区域的不同集成商的联锁共管区域系统通信协议、解译一致。
互联互通的接口中需要兼容不同厂家产品特点，内部控制逻辑在占用状态（如使用逻辑区段或物理区段）须保持一致，为实现相邻联锁集中区站场状态显示一致，应同时借助ZC向CI发送物理区段和逻辑区段占用、锁闭、解锁信息；
将处理后的逻辑区段占用状态发送给对方，发送方保证发送的状态应与本方人机界面显示状态一致。接收方可直接用于人机界面显示相邻线路复示区域内（一般至少包含到接近及触发区段）逻辑区段状态。
3.2 ATP列控安全子系统
1）地面ATP-ZC：基于通信的移动闭塞列控系统（CBTC）安全核心是ZC，用于移动闭塞计算；
也正是ZC的安全性要求使每条地铁线成为独立封闭系统，非本线列车无法兼容本线车地通讯及授权识别、解译。互联互通就是要在安全基础上，打破封闭系统制约，将两条以上线路车辆共融到统一平台。两条线为不同的信号集成单位，实现ZC对不同车载ATP的安全协议互通互认、授权信息、安全指令的可靠识别，同时对本线列车跨出、外线列车跨入都有明确的捕获辨别。
单一线路封闭统一的CBTC控制系统，即便存在分叉线路也是由同一套信号系统构成，在道岔区域是由同一套CI和ZC管辖。跨线运营时，越过交汇点将迎来不同集成商ZC的交接区域。跨线时关键是不同集成商的ZC交汇重叠区的处理，ZC间互传的列车位置信息应为车载控制器（VOBC）向ZC发送的列车位置，但若VOBC发送的列车安全包络覆盖ZC重叠区边界点，则发送方ZC应对列车位置信息进行处理，使发送的列车位置信息中的列车安全包络完全处于重叠区内。
如图2所示，当列车1由左侧向右侧方向行驶，根据进路触发机制，请求了ZC1向ZC3方向的（直股）进路，VOBC将预接近区域3的CI通信，ZC1也将列车1在位置1的位置信息及移动授权向ZC3建立安全通讯并转交移动授权MA-1，ZC3开始接受达到请求，并预先为列车1计算和发布接管后在ZC3内的授权MA-3。
图2 列车在跨线越过过程中ZC跨区交接过程示意Fig.2 Schematic diagram of EC cross-zone handover in the process of train crossing the line
列车1由ZC1向ZC3运行时，若已向ZC2注册，则当列车1超出ZC2识别的重叠区范围后（列车1刚进入区段1时），应主动向ZC2注销，避免占用非达到线路区段的授权计算及通讯资源。
这一步移动授权的跨线注册是不降级跨线互联的技术关键。图2上将分歧线路道岔划分在ZC1-CI1的控制区域，越过道岔后变为分歧线路，在两线各自配有ZC的分界点，与对应线路衔接。ZC2与ZC3分属不同的集成供货商，它们同ZC1都要建立同样的通信信令、安全协议和解译原则。
2) ATP-车载VOBC：车载VOBC读取不同线路上地面应答器信息，应答器报文及对应电子地图数据互联互通；
车载VOBC与地面轨旁无线建立数据收发，ZC与VOBC之间在跨集成商交叉通讯时，要求生成一致性的安全控车数据、安全包络模型。
目前CBTC要求具备VOBC与地面CI的直连通讯，VOBC与CI通信接口中，以VOBC作为建立和解除通信的主动发起方，CI作为跟随方也作为解除通信的发起方。互联互通中CI将VOBC请求的信号机状态发送给车载VOBC。点式级别和CBTC级别下的VOBC均应与CI通信，均可以实现跨集成商交叉搭配。
在车载信号设备硬件方面：VOBC和车辆控制设备间的接口内容主要包括车载信号主机柜、操作及表示单元（DMI）、编码里程计、测速雷达、（连续和点式）应答器（信标）天线等设备的安装位置等。要求相互间控制及表示信息内容、接口一致，车载ATP实现与车辆制动装置的可靠接口，保证安全和对列车实施连续有效的控制。由于车载VOBC不同集成商、车辆系统的牵引、制动、列车控制网络、车门等关键子系统也分属不同供货来源，存在机械、电气性能及控制指令延时等差异，为保障互联互通控车的安全可靠，列车制动力的建立响应时间、制动力的线性指标（特别是低速情况下制动力）、电制动匹配特性、测速及测距偏差空转/打滑的防护、高压牵引谐波及其他对车载设备产生干扰的电磁波屏蔽抗扰等级都要同步考虑。
车载信号显示单元（DMI）方面:新阶段轨道交通全面进入FAO全自动运行时代，但列车依然需要有人值守运营并经历从有人驾驶调试阶段逐步过渡到无人干预的全自动运行阶段的迭代升级过程。跨线运营中，乘务员存在轮乘的情况，因此车载信号显示屏VOBC-DMI标识，以及各种操作按钮、操作动作应尽可能弱化差异，特别是目标-距离示意、异常报警提示操作等方面，避免给乘务员增加识别难度和出差错的机会。尤其是列车折返换端操作这一典型步骤，由于不同信号集成商车载头尾冗余特性不同，导致车载信号系统的换端操作时乘务员的动作顺序几乎存在颠覆性差异，驾乘单线的乘务员可以仅按照一种规则严格操作并无大碍，而跨线运营时不同集成厂家的列车混跑，此种差异极可能增加人为操作失误，诱发车载降级。类似问题在车辆控制逻辑、信号系统操作上均要细致罗列梳理，加以辨识。
3.3 ATO列车自动运行
车载ATO设备实现与车辆制动装置的可靠接口，保证行车安全和对列车实施连续有效的控制。车载ATO设备向车辆监控设备提供控制车辆牵引及制动信号执行终端的监控接口。跨线运行中由于车辆构造、供货制造厂商也不相同，车辆的响应配合有一定差异，因此有必要根据不同配属车辆行车ATO控车数据，以实现本线、跨线牵引制动性能。牵引-惰性-制动特性，一方面影响区间走行时间、旅行速度和周转时间等技术指标，如果车辆性能存在偏差，将造成运营图兑图偏离；
另一方面，制动性能可能会影响到ATO自动驾驶进站精准停车。
在ATO控车方面，跨线运营对于不同信号系统、不同车辆系统，要达到控制指标的一致，会有不同的ATO控车策略对应不同的车辆参数，最终达到控车结果的完全一致。
3.4 应答器布置
轨旁应答器实现列车精确矫正位置，是ATP安全控车的关键部件，应答器按照线路行车能力，结合信号机、道岔、区间通过能力核算，按照各线单独布置，与传统线路一致，但不同集成商应当在车载应答器天线及车载主机的数据读取和识别上做到数据一致、接口一致、报文解译一致。
3.5 行车监控调度指挥系统ATS
传统单线运营的线路中，行车监控调度指挥ATS子系统也是封闭独立的控制系统，只显示和控制本线车站及列车信息，表征本线列车在运、在库、在修列车总数固定，调度指挥的一切资源均在本线内。互联互通跨线，有外线列车转入和本线列车跨出，行车组织、调度指挥在操作和技术配置上的变化明显增加。
1）正线车次号、车组号显示方面
ATS捕捉本线正线运营列车，识别车组、表单计划号按图分配车次，接受本线行车调度的指挥。
单线管理中，列车是相同属性，跨线时，需要增加了解列车来源、配属，关键是车组编号的识别。根据中华人民共和国交通运输部关于城轨车辆编号规则相关规定，各线车辆应独立按顺序编号，对于互联互通的跨线车组显示需要特别研究：按照“线路编号+车组号”的形式，如图3所示，例如“03-001”、“12-005”等，ATS上的车组显示数位较多，再叠加回段、跳停、计划车次等信息，且该两条线具备4/8编组灵活编挂功能，显示车组编号偏长，不便于观察；
如果采用两条线车组大排序，则部分列车的系统显示车号与实体列车喷漆号码不同，不利于运营管理。因此需要运营单位针对互联互通使用习惯，特别是调度员指挥习惯，确认ATS显示设计原则。
图3 ATS车组号显示Fig.3 Train unit number display of ATS
2）跨线贯通显示与控制方面
两条线具备独立的ATS行车监控系统，在东风车站实现Y型分叉汇合，相当于一条线路的列车在本线ATS控区终端“消失”，从另一线显示界面越出。一方面是接口部分的ATS显示，应当依据调度员操作习惯，复显对方线路到发列车状态信息，双线ZC具备跨线移交授权功能，因此ATS复示对方到发列车的最高模式级别的详细状态。
另一方面，在运行图工作站设计上，跨线列车将从线路中途贯通联络道岔的位置越入、越出本线。计划图设计需要考虑在两条不同集成商提供的ATS产品基础上，依据运营计划时刻表协调出图，并在贯通联络道岔的接驳点越区实现跨线车次的自动识别。可以考虑在跨线道岔位置增加时刻表取点线，用于记录列车跨线移交时间，便于统计和实迹图兑图。
3）大屏幕显示方面
按照北京轨道交通统一规划，未来线路采用中心调度合屏合台的运营指挥，将多线部署在同一调度域、共用调度操作台和显示大屏。该两条线部署在同一调度域，调度员具备合台办公指挥的条件。
在大屏幕设计时，按照两条线各自同屏分区域显示，包括信号系统ATS行车指挥、综合监控、车辆调度等界面，具备单线放大投屏的功能，可以灵活满足跨线互联互通时，便于观察双线分叉、汇合点的运营状态。
4）ATS（TIAS综合监控）及车辆调度工作站告警信息方面
信号系统ATS与综合监控进行深度集成整合设置为TIAS子系统，正线行车调度员需要掌握在线信号系统及综合监控的告警信息，对于跨线列车通过所在运营线将故障、重要异常状态通过滚屏、弹窗告知本线行车调度员用于决策。
行车业务主要将涉及本线正线运营资源中的各类故障、异常情况于第一时间推送本线行车调度员掌控，并用于本线自动化联动处置及调度员人工决策干预，如信号系统ATP/FAO设备故障、系统冗余丢失、系统部件完整性异常，如区间烟感FAS/BAS告警，以及列车出现的门异常、空调故障、广播故障等服务设施异常。部分场景由本线TIAS、FAO自动化联动场景完成，必要时需要调度员会同车站、乘务员干预，不论列车是否为本线配属列车，此时的告警、联动、干预的处置旨在尽快处置本线运营影响。
同时，跨线列车应将其车载信号系统、列车故障通过本线ATS告警信息、车辆调度平台同传至车辆配属线路的平台终端，用于其配属线有预期的筹划故障处置相关方案。
跨线运营、互联互通是轨道交通运营资源整合共享节省投资的有效手段，互联互通不仅是信号系统实现开放接口，跨线兼容，还需要车辆、通信、综合监控、站台门、故障检测等多系统、多平台的统筹一致。
1）车辆方面：车辆的机械性能、牵引制动响应、列车电气和网络逻辑时序一致，能够使信号系统利用同样的安全包络控车曲线实现不同制造商、不能牵引制动组合的精确匹配，特别是ATO精准停车、列车折返能力、舒适性方面应保持一致。如车辆的整车、牵引制动、列车网络等为不同供货商时，ATP、ATO、FAO相关控制策略要相应调整，保证整车响应性能最终一致。
2）通信系统涉及的车内广播、PIS报站信息，站台到站信息，特别是乘务员与调度员联系的无线Radio列调电台同ATS位置接口是一个全新的课题，需要信号系统ATS同通信专业细致研究功能需求。
本文主要结合北京3号线、12号线互联互通场景设计，探讨了信号系统与传统单线CBTC列控系统的在设备系统、功能的主要差异，以及在技术设计、运营使用上需要着重讨论的问题，作为一项新技术应用需要在总体设计、专业产品设计、运营使用需求上进一步强化统筹一致，不断完善和迭代系统功能。该课题的研究为未来城市轨道交通的互联互通、灵活跨线运营，车辆和设备系统共享融合、资源整合利用提供了关键技术支撑，也为轨道交通行业的未来“四网融合”、不同制式的混跑运营提供实施的技术思路。
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