城市轨道交通CBTC系统实现互通互换的借鉴与设计

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摘要：本文通过分析城市轨道交通车辆共享、运营维护、公平竞争等方面对互通互换的需求，论证了城市轨道交通互通互换的可实施性，并主要介绍法国OCTYS(列车互换及综合系统开放控制)cbtc系统和欧洲MODURBAN样板工程的实施情况，在借鉴国外互通互换项目成功实施的经验基础上，提出了城市轨道交通互通互换的设计要求和设计方案。

关键词：互通互换； CBTC系统；MODURBAN；城市轨道交通

Abstract: In this article, through analysis of urban rail transit vehicles Shared, operation and maintenance, fair competition, etc in the demand of the swap, demonstrates the urban rail transit exchange swaps can be sexually. This article mainly introduced the French OCTYS (open train swap and comprehensive system control) CBTC system and European MODURBAN model project implementation, in reference to foreign exchange swap project on the basis of successful experience, puts forward the urban rail transit design requirements and design scheme of exchange swaps.

Keywords: exchange swap; CBTC system; MODURBAN; city track traffic

中图分类号：U284.48文献标识码：A

一、城市轨道交通互通互换的需求分析

迄今为止，全国获批轨道交通建设规划的城市已达36个，运营总里程约6000公里，其中17个已开通城市，轨道交通运营里程总计约2100公里。预计到2020年，全国布局轨道交通的城市将达到50个，城市轨道交通线路的网络化和智能化的趋势愈加明显。

1、运营网络化：从目前国内城市轨道交通成网建设来看，若不同线路列车能够实现联通联运，通过同一个控制中心统一调度，增加调度灵活性，体现人性化地铁理念，有利于轨道交通的运营、维护，减少地铁运营成本。

2、车辆资源共享：（1）合理调配线路间现有车辆，提高车辆的利用率。（2）减少车辆配置数，检修车、备用车可统一配备。（3）缩短车辆供货周期，确保新线试运营需要的车辆。（4）减少车辆检修设备的投入，提高设备的利用率。

3、停车场、车辆段的资源共享：（1）车辆架大修、定修资源共享，减少厂房及设备投资。（2）段场合建资源共享，取消部分试车线，将极大减少投资和占用土地。（3）信号设备综合维修基地、培训中心实现资源共享。（4）实现最大范围的备品备件共享，降低人员培训成本。（5）车辆零部件、车载设备实施通用化、标准化，使维修设备的利用率最大化。

4、避免垄断，公平竞争的意义：既有开通运营线路延伸出二期、三期等远期工程，通常受一期信号系统供货商制约性较大，互通互换可以选择多家供货商或多种设备，实现延伸线其他信号供货商提供的CBTC设备与既有线CBTC系统之间兼容，并构成完整统一的CBTC系统。

网络化和互通互换是当前我国城市轨道交通发展面临的重大课题，新建的线路在建设之初，就要考虑到建成后的网络化和互通互换。

二、城市轨道交通互通互换的可实施性分析

轨道交通包括了地铁、轻轨、有轨电车和磁悬浮列车等多种制式，这些不同轨道交通制式相互之间相互不能联通。其次不同线路上跑的列车的信号制式不同, 固定闭塞、准移动闭塞或基于感应环线/波道裂缝移动闭塞ATC系统，由于供货商都是各自独立研制的产品，其关键的传输信息代码、设计方法、接口协议等均属保密不开放，不同供货商的系统间无法做到线路间的列车运营互通互换。

基于无线通信的列车控制系统采用当今世界有线通信、无线通信、以太网和局域网的相关标准，这些标准都是公开、公平的，只需对ATC系统安全信息的频率、编码格式、码的含义、传输速率、接口协议等统一到一个标准上，就能实现真正意义上的兼容。基于无线通信的列车控制（CBTC）系统是最易实现的。

通过对城市新建轨道交通工程的信号制式的选择和标准化，并借鉴国外实施互通互换的成功案例,同制式信号CBTC系统能够解决国内城市城市轨道交通互通互换的问题。

三、城市轨道交通互通互换现状：

国内互通互换现状：从信号制式来看，在我国已经开通运营的17个城市约2100公里的城市轨道交通运营线路中，尚无城市实现互通互换的案例。

国外互通互换案例：

1、OURAGAN（法语飓风）3,5,9,10,12号线采用OCTYS(列车互换及综合系统开放控制)CBTC系统在2010年3月开始载客运营。

2、欧洲MODURBAN样板工程：2009年在马德里地铁网络通过测试和验证。

四、OCTYS CBTC系统介绍：

1、OCTYS是在2004年3月由巴黎运输局（RATP）确定的一个CBTC系统 ，OCTYS的目标是在超过15年的时间内，使巴黎地铁3、5、9、10、12的列车控制系统现代化 ，RATP的主要目标为：允许未来的升级例如安装屏蔽门，线路延伸等；更新所有线路的列车控制系统，更新陈旧的信号设备，用新的交通控制中心使操作管理改进 ；减少列车间的间隔长度；提高服务质量和安全性；这就要求百分之百的技术保证来确保互换性。

2、在2004年三月三十号，RATA授予安萨尔多法国，西门子交通系统和Technicatome (Areva)公司3,5,9,10,12号线的总共价值9500万欧元的设备提供合同，这些工作分别为：安萨尔多为3,10,12号线提供区域控制器和系统集成；AREVA 和Siemens TS公司提供车载设备；西门子公司为5,9号线提供ZC和系统集成.合同范围和责任结构如下图：

3、OURAGAN（法语飓风）委员会，作为一个系统大集成商和协调者。安萨尔多作为列车轨旁控制设备的提供商，同时也被分配了系统集成任务。系统集成商安萨尔多有以下责任：

（1）满足客户需求=>在客户和供应商之间确保专业和公平的关系

（2）给其他供货商确定一个明确的CBTC系统= >严谨和清晰的方法

（3）和其他供应商进行现场和实验室的测试=>和他们积极的接触

（4）在每个系统设备和它的环境组成之间建立一个独特的基线来处理他们复杂的关系：通过功能规格书、接口规范书、测试规格书、RAMS分析

（5）指定：开发和测试设备是遵循互换性原则的。

4、这5条线的项目定位于提高性能，并集中体现在现有联锁和CTC基础架构上增加ATP/ATO/ATS解决方案。信号系统是基于CBTC（基于通信的列车控制系统）概念，同时要求不同的供货商之间要有互换性和互操作性。ATC系统是符合MODURBAN欧洲工作组的要求的，安全的硬件和计算机架构是基于ASTS CSD DIVA 平台构建的，该架构提供非常可靠的3取2应用平台/计算机，CBTC ZC 在这些硬件和软件内核里面执行，车载ATC设备 用叫MTORs的安全远程控制单元（VRCU）与外部设备接口（联锁、轨道电路等）。

列车自动控制系统（ATC）在三个主要的位置进行了分散式的装备，在每一列车，控制中心，和轨旁集中站信号设备室。系统是覆盖在现有的信号基础架构（联锁、转辙机、轨道电路）上的。系统主要接口图如下：

五、互通互换在设计方面的初步探讨

互通互换CBTC系统能够满足地铁运营商的预期要求，系统模块化的特点能让运营商更大程度地掌握自己的系统，由不同的厂商组成的小组和业主合作共同制定出技术规范，应由业主指定一家系统供货商为牵头，承担系统集成商的责任，制定功能需求规格书、接口规范书，通过在试验段上的实际运行方式进行验证。

1、互通互换在设计方面的要求：

确保系统持久有效；

可以选择多家供货商或多种可互通互换的设备；

对供货商系统之间的接口进行标准化，而他们各自的技术方案可以是相互独立的；

数据传输系统的功能和技术方案之间是相互独立的；

在子系统层面就产生竞争，更好地控制成本;

参数化设计便于运营及系统升级;

辅助维护一体化的设计；

符合CENELEC 50.126, 50.128 和 50.129 安全标准(SIL 4级)；

遵守基于通信的列控标准（CBTC）性能和功能要(IEEE 1474.1)。

2、互通互换的CBTC的设计解决方案:

（1）结合成熟的获得SIL4级认证的安全技术的概念，使用标准的技术：

通过SIL4级认证的安全计算机；

TCP/IP型通信网络；

基于IEEE 802.11b/g等标准的车地无线通信。

（2）开放的、模块化的结构并具备:

子系统间的互通互换的接口；

标准化的外部接口，能够把合作伙伴提供的信号子系统整合到一起（ATS、联锁、计轴设备、应答器等）。

（3） 通用及参数化的设置以满足每条地铁线路的特点（借助参数化工具通过数据进行设置）。

（4）以下子系统可互通互换:

车载ATC子系统；

地面ATC子系统；

数据传输子系统(DCS)：地-车无线通信、地面传输网；

通过应答器实现的重新定位子系统 ：车载天线及应答器读取器、地面无源应答器；

ATS子系统： 和联锁系统及地面信号设备的接口。

3、设计的系统结构：以下以1,2号线为例探讨同信号制式CBTC的互通互换设计方案，1号线与2号线采用不同供货商的CBTC信号设备。系统参考设计结构如下：

（1）控制中心

1、2号线实现互通互换，两条线的调度需要统一操作，调度大厅大屏显示需满足两条线的显示，同时编制更加完善的时刻表，指引旅客乘车的旅客向导信息需统一考虑。各线信标（包括动态和静态信标）的ID是唯一的。各线车站ID是唯一的，各线设备IP地址唯一，车辆ID必须是唯一的。

（2）ATS子系统

列车的车组号PVID、目的地号DID、时刻表编辑以及车载控制器CC信息的识别等基础数据都需纳入要将各条线路的系统内。

1,2号线统一设计规划，1,2号线每个不同的运行交路和服务必须有唯一的目的地号DID；需要考虑1,2号线互通互换后的运行冲突，能修改时刻表编辑软件；

ATS需根据1,2号线统一配置的CC识别号修改ATS数据配置。

（3）轨旁ATP设备

轨旁区域控制器ZC需要能够识别1,2号线的所有列车，反之1,2号线的列车也要能够识别每条线的ZC。1，2号线ZC和数据存储单元将包含两条线的车载控制器的ID。

（4）车载ATP设备

车辆上固定的线路信息需统一修改。根据2号线车辆的具体参数，如牵引、制动、加速率、减速率、命令响应时间等，并结合1号线车辆的情况综合调整各种参数的取值以进一步修改车载控制器CC软件，并更新加入2号线的线路地图；2号线车辆同样如此。

CC配置的数据能够识别1,2号线所有的ZC，并与之进行信息交换。车载无线通信设备需统一配置标准的接口，使能够接入共享的DCS子系统。

TOD、车辆TMS（列车管理系统）将会包含两条线的所有车站ID。通过CC发送车站ID到TOD，TOD能够显示准确的车站信息。

车辆TMS（列车管理系统）将会包含两条线的所有车站ID。TMS能够基于来自CC的车站ID，传输准确的车站信息至PIS。

车辆PIS（乘客信息显示系统）将会包含两条线所有车站ID。PIS能够基于来自TMS的车站ID，显示准确的车站信息。

1、2号线的车门和车载查询天线TIA的相对位置是相同的。

（5）轨旁联锁设备

涉及轨旁信标的布置、与屏蔽门的接口；信标的布置需综合考虑1,2号线的列车性能参数、信标天线的安装位置等因素，

（6）DCS数据通信子系统

确定了合适的无线通信技术，工业厂商根据共同互通互换技术规范指定信息传送格式，统一规划车载控制器的地址分配，使能够识别1、2号线的列车。

（7）综合调试

考虑互通互换，不同供货商的车载和轨旁设备根据标准接口和协议不可避免的要进行修改，需要在两条线执行CC现场调试，以确认信标读取，车站停车，系统集成测试等。

六、结束语

综上所述，通过使用成熟技术、可靠设备和冗余结构，设计和实施具备互通互换CBTC系统能够满足地铁运营商的需求，信号CBTC系统互通互换的解决方案能够在新线或要改造的线路上方便地使用模块化、紧凑的系统，能够对新旧信号系统临时混合运营进行管理 ，并采购、运营和维修成本优化，使系统易于升级、具备标准化的接口，优化能耗，实现车辆共享及辅助维护一体化，有利于CBTC子系统的技术转让，是现代网络化、智能化城市轨道交通领域的一个重要发展方向。

参考文献

[ 1 ]ANSI.IEEE 1474.1 2004 Communications-Based Train Control ( CBTC ) Performance and Functional Requirements [S].

[ 2 ]MODURBAN_List-Public-DeliverablesMODURBAN工程成果交付清单

[ 3 ]朱翔. 实现基于通信的列车控制互联互通的若干思考[J].城市轨道交通研究.2006,10:6 -8