双碳战略驱动下城市轨道交通信号技术创新实践

郜洪民，李 克

（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081）

1 引言

2021年，中共中央、国务院相继发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》，标志着以力争“2030年碳达峰，2060年实现碳中和”为目标的国家双碳发展战略政策体系正式建立[1-2]。在此背景下，城市轨道交通（以下简称“城轨”）作为城市骨干交通方式，将迎来绿色、低碳、高质量发展的重要机遇期。

根据中国城市轨道交通协会统计，截至2021年12月31日，中国内地共有50个城市开通不同制式城轨运营线路283条，运营总里程达9 192.62 km，在建线路总规模6 096.4 km，总体规模和建设速度都居世界第一。2021年度，全国城轨总电能耗213.1亿kW · h，同比增长23.6%；其中，牵引能耗106.2亿kW · h，同比增长 26.4%，牵引能耗占总电能耗的比例为49.8%[3]。随着新投运城轨线路的不断增加，城轨行业总体能耗指标不断增长，总电能耗和牵引能耗均达历史最高。因此，以技术创新为手段，加快形成覆盖规划、设计、建造、运营、装备的城轨全生命周期绿色低碳发展体系尤为必要。

信号系统作为保障城轨运输安全效率、提升系统自动化水平、降低系统能耗的重要技术装备，在促进城轨绿色低碳发展方面具有重要作用。本文重点从层次化互联互通、一体化综合自动控制、基于车-车通信全自主运行、智能运维等方面开展研究与论述，总结了双碳战略驱动下我国城轨信号技术的创新实践和技术演进策略，以期为未来城轨信号技术发展提供参考和借鉴。

2 我国城轨信号技术发展态势

我国城轨信号技术发展与应用总体上经历了固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞三代技术迭代演进的过程，如图1所示。

在20世纪90年代，以北京、上海、广州等一线城市为代表，我国城轨领域开始进入规模化发展阶段。然而，我国城轨信号技术自主研发工作却长期滞后于城轨建设的发展需求，国内供货商不能提供整套的与国外同类产品具有竞争力的信号系统，在城轨建设中只能进口整系统或关键子系统，由国内供货商提供配套设备和部分技术服务。进入21世纪以来，在“政、用、产、学、研”协同创新体系支撑下，经过近20年的探索，最终在基于通信的列车控制（CBTC）移动闭塞制式系统层级上，我国城轨信号技术具备了自主提供成套技术装备的能力，系统也达到国外同类技术水平。

CBTC系统由列车自动监督（ATS）、计算机联锁（CBI）、列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）、数据通信（DCS）、维护支持（MSS）等6大子系统以及附属的计轴、应答器等设备构成，是一个融合通信、计算机技术，功能完备、层次分明的复杂安全苛求系统。基于列控系统配置及功能差异，按照IEC 62290-1：2014《轨道交通 城市轨道交通运输管理和指令/控制系统 第1部分：系统原理和基本概念》[4]定义，城轨自动化等级（GOA）划分为5个：GOA0～ GOA4 级，如图2所示。

图2 信号系统自动化等级定义

自2017年北京地铁燕房线——中国首条自主研发的全自动运行地铁线路开通以来，满足GOA3/GOA4级的全自动运行系统（FAO）已经逐步发展成为我国城轨建设的主流制式，并且自主化FAO系统市场占有率已经超过80%。

随着信息技术、网络技术、通信技术的快速发展，城轨信号领域在互联互通、云化部署、车-车通信、虚拟联挂等新概念、新体制技术研发方面也已经取得阶段性进展，为未来城轨系统提高运输服务质量，实现提质增效、节能减排，助力双碳目标实现夯实基础。

3 双碳目标下的城轨信号技术创新

3.1 层次化互联互通技术

效能发挥最优化是城轨实现双碳发展目标的现实需求。我国城轨在由线向网的发展过程中，网络化特征愈发凸显。截至2021年底，线网规模超过100 km，拥有4条及以上运营线路且换乘站3座及以上的城市共计24 个。然而，线网运力资源共享程度、客流强度、客流出行通达性等指标总体仍然偏低，未来城轨线网将从“形态网络化”向“功能网络化”转变。《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[5]和《交通强国建设纲要》[6]的相继发布，对建设干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城轨“四网融合”的综合立体交通网络也提出了客观要求。实现层次化信号系统互联互通是实现这些目标的关键环节之一，具体包括以下几个方面。

3.1.1 CBTC 系统互联互通

实现城轨信号系统互联互通是多年来行业发展的热点和难点。国际上，欧洲铁路行业协会（UNIFE）陆续开展了“互联互通”列车控制技术的相关研究，旨在统一标准规范体系下，实现不同厂家系统相互融合，满足跨线、共线运营需求，降低列车控制系统全生命周期成本，并先后在纽约、伦敦进行了探索和尝试。但受限于松散的厂家合作形式，缺少行业协会和用户单位强有力的引导和推动，最终都未能获得成功。而我国随着自主化CBTC系统技术成熟应用，具备了开展互联互通工作的物质基础。2015年，中华人民共和国国家发展和改革委员会将重庆环线、4号、5号、10号线建设为国家互联互通示范工程，在中国城市轨道交通协会的指导下，重庆地铁组织相关行业单位，全面立足于CBTC系统自主创新技术力量，采用从技术路线的制定、规范体系建设、系统设计、产品研发、系统测试与验证、产品安全认证“正向研发策略”，规划“单线运营-共线运营-跨线运营”3个建设阶段，相互衔接，一体化推进。互联互通CBTC系统架构如图3所示。

图3 CBTC互联互通系统架构图

历时6年，取得以下成果：创立了包括CBTC信号和基于长期演进的城轨车地无线通信系统（LTE-M）在内的完整城轨信号系统互联互通标准体系及技术方案；4个不同厂家研制了满足互联互通技术标准的GOA2级CBTC成套系统装备；按照“硬件最小化，功能最大化”设计原则，搭建了完整互联互通CBTC系统半实物仿真测试与验证平台；针对在互联互通网络化运营组织需求背景下，原有基于单线方式构建的调度指挥系统存在过轨列车计划不易衔接、跨线晚点传播不易控制、线路间调度命令无法便捷交互以及缺乏整体性的宏观监控功能等问题，研发部署了全局调度系统，支持全网行车信息监视、网络化运行计划编制、跨线运营调整以及全网故障监测与应急处置功能，构建起多层次网络化行车调度指挥体系。

2018年以来，在借鉴重庆CBTC互联互通工程经验基础上，北京地铁牵头组织相关行业单位，依托北京地铁3号、12号、17号和19号线开展了互联互通GOA4级全自动运行系统的开发和示范工程，中国城市轨道交通协会发布了全自动运行系统系列标准规范，技术研发也已经取得阶段性进展。

3.1.2 CBTC 与 CTCS 系统互联互通

从世界范围来看，基于干线铁路和城轨技术相结合，满足多网融合轨道交通运行需要正在成为行业未来发展热点。欧盟提出的“欧洲铁路合作伙伴”（Railway European Partnership）计划所要达成的愿景目标就是开发互联互通、即插即用、模块化、可扩展、可升级的信号和列控系统；提高铁路（包括区域和郊区铁路、高速铁路、货运铁路、轻轨等）运输能力、准时性、铁路系统弹性和灵活性，降低运营成本和能耗，满足用户需求和运营要求。而我国随着建设干线铁路网、城际铁路网、市域（郊）铁路网、城市轨道交通网“四网融合”综合交通网络上升为国家战略，面对我国干线铁路、城际铁路采用的信号制式为中国列车控制系统（CTCS）技术体系，城轨采用的信号制式为CBTC技术体系，两者互不兼容的现状，研制一种能够满足多制式运行需求的通用列控系统成为行业共识。2021年，中国城市轨道交通协会发布的《城市轨道交通发展战略与“十四五”发展思路》研究报告中，将研究“新一代智能地铁列车多系统融合控制方案”及“跨制式通用列车控制系统”[7]纳入重点任务。

近年来，有关行业单位结合京津冀、珠三角、长三角等都市圈“四网融合”轨道交通建设需求，开展了相关技术研究与验证，已经制定出跨制式互联互通列控系统总体方案，装备研制也取得阶段性进展。

列控系统能够兼容并根据列车运行线路自动适配CBTC与CTCS-2的地面设备接口，在不同制式的线路上可处理接收到的相关信息并做出适当的反应，同时在CTCS-2与CBTC的重叠区域（区间或车站），车载系统可做到CTCS-2与CBTC运行制式间的无缝切换。兼容CBTC及CTCS-2的互联互通车载设备，能够满足通过1套车载设备兼容CTCS-2线路与CBTC线路2种制式的全功能运行。

在CBTC运行制式线路上，列控系统具备CBTC制式下的所有车载功能；在CTCS-2运行制式线路上，具备CTCS-2制式下的所有车载功能；在CTCS-2与CBTC运行制式的共管区域，根据列车的运行方向及地面信息自动识别列车动向并无缝切换到相应运行制式，包括适配接口和转换模块等；使用一套驾驶台显示屏显示列车在不同制式下的各种运行数据，并为驾驶员提供辅助驾驶信息。系统方案如图4所示。

图4 CBTC/CTCS-2跨制式互联互通列车控制系统框图

未来，兼容CBTC/CTCS跨制式互联互通列车控制系统落地应用，将为双碳战略实施背景下我国轨道交通网络化运营效能提升提供强有力技术支撑。

3.2 一体化综合自动化控制技术

随着我国城轨信号系统自动化水平的不断提升，一体化综合轨道交通控制技术应用也在逐步拓展。根据技术演进的过程，大致可以划分为以下2个阶段。

（1）阶段1。早期的城轨信号系统方案中，列车ATS系统与综合监控系统（ISCS）分立，以通信接口方式实现互联。随着FAO系统的推广，全自动运行场景更加强调各机电系统的实时协同联动，对打破既有系统边界提出现实需求，基于ATS系统和ISCS系统深度集成的以行车指挥为核心的综合交通自动化系统（Traffic Integrated Automation System，TIAS）概念逐步形成并落地应用。TIAS系统采用热备、冗余、开放、可靠、易扩展的原则进行设计，采用统一、标准的服务器、网络硬件设备、模块化软件以及标准的网络通信协议，便于进行统一的网络管理。通过设置各项故障隔离和抗干扰措施，各个子系统按照集成程度，可以采用深度集成（基于统一的软、硬件平台）、界面集成及互联等不同集成方式。

（2）阶段2。利用云平台、大数据等新兴信息技术对城轨行业进行云化赋能升级。2020年，中国城市轨道交通协会发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》构建了涵盖“8个智能（智慧）体系，1个城轨云与大数据平台，1套智慧城轨标准规范”的智慧城轨发展规划愿景[8]，建设框架如图5所示。

图5 中国智慧城轨建设框架

在此框架下，未来面向城轨运营核心业务需求，依托统一“城轨云平台”，承载传统各分立专业板块业务，实现“面向行车指挥的智能调度监控、面向基础设施的智能运维、面向业务流程的智能管理”将成为大势所趋。

3.3 基于车-车通信的全自主运行技术

随着计算机、通信、人工智能技术与轨道交通信号技术结合日益紧密，近年来，基于车-车通信的全自主运行（Autonomous Train Control System，ATCS）、虚拟编组新型列控技术研发成为国内外行业发展趋势。ATCS系统变革了当前CBTC系统普遍采用的以地面设备为核心，列车通过“车-地-车”信息交互模式实现移动闭塞的传统模式，采用以车载控制为中心的列车间隔和道岔/进路控制技术，取消传统联锁和区域控制系统，将列车间隔控制逻辑从控制中心分散到每个列车上，列车基于自身位置、前行列车的位置和运行环境态势等信息综合感知，通过高可信、低时延无线通信技术实现“车-车”直接数据交互，自主做出运行决策，自主控制列车间隔[9]，如图6所示。

图6 基于车-车通信的列控系统

信息交互实时性的提升为进一步缩小列车追踪间隔提供了可能。ATCS系统引入了基于前车相对速度追踪的列车安全间隔防护技术，这是对传统基于前车“瞬间停车”绝对位置追踪列车制动模型的创新与突破，相应的虚拟编组列车制动模型如图7所示。

图7 虚拟编组列车制动模型

在基于前车相对速度追踪列车制动模式下，如果前行列车开始制动，则随后的列车将执行相同的操作并且在2列列车一起减速时始终保持一定的安全间隔[10]。基于车-车协同理念设计，将前车与后车进行虚拟编组，耦合形成车队，共同调度和运行，进一步达到缩短运行间隔、提高线路整体运输能力的目的，可在早晚高峰时便捷地实现列车组队以提升运能，在平峰时快速分离。在不降低运营密度的情况下，以短编组列车运行实现运能与行车密度之间最佳结合。

目前，中国城轨行业相关单位正在积极开展基于车 -车通信的全自主运行相关技术研发和应用。2020年，青岛地铁主导完成的车-车通信列车控制系统完成试验线实车测试验证工作，通过青岛地铁6号线示范工程项目应用前专家评审会；2021年12月，采用车-车通信全自动运行系统的深圳地铁20号线开通试运行；北京地铁主导的《智慧城轨新一代智能列车运行系统及平台示范工程》，研制以虚拟编组为核心的新一代列车控制系统（VCFAO），预计2022年进入实车功能验证阶段。

相较传统的CBTC系统，基于“车-车”通信的ATCS系统列车最小追踪间隔可减小30%，系统支持高密度、灵活编组运行能力显著提升，实现运营阶段的增效节能；地面设备配置可减少30%，建设阶段可以显著降低对于设备空间、能耗的需求，助力双碳目标实现。

3.4 智能运维技术

传统城轨信号系统大多配置有监测维护系统，但数据获取、处理功能相对单一，维修模式大多仍局限于计划性检修和故障应急维修。在双碳目标驱动下，基于云平台、大数据及人工智能技术赋能的信号系统综合运维平台逐步得到应用，系统整合实现了设备监测自动化、数据分析智能化、应急处置网络化、生产管理综合化等核心功能。系统通过对运营环境，在线设备的状态、性能进行多层级（系统级、子系统级、设备级、模块及板卡级）的实时感知，将监测数据实时清洗、存储、解析，实时形成报警输出、健康趋势预测以及应急处置流程等运维指导建议，实现“数据驱动维保”，如图8所示。

图8 城轨信号智能运维系统框图

面向全系统模块、全业务流程、智能运维技术的广泛应用，推动信号系统维修模式由故障修向状态修转型升级，可在显著提升系统运维质量和故障处置效率的同时，持续降低系统全生命周期成本。

4 结语

“碳达峰”和“碳中和”战略的提出对我国城轨行业而言既是挑战也是机遇，需要统筹规划、建设、运营、维保等全生命周期和上下游全产业链协同发力。信号系统作为城轨安全运行的中枢系统，目前正在致力于由“功能自主可控”向“技术全链条自主可控”迭代进化。由此形成的自主化、通用化、网络化、智能化、精简化的技术演进策略契合绿色、低碳、可持续发展理念，未来将为构建我国安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代智慧型城轨系统提供支撑。