市域（郊）铁路CBTC系统互联互通方案研究

宁咏梅、刘畅

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

我国京津冀、粤港澳大湾区、长三角、成渝、长江中游等地区正在通过市域（郊）铁路建设打造1 小时通勤圈，连接都市圈中心城市城区和周边城镇组团，为通勤客流提供速度快、大运量、公交化运输服务。目前，国内采用市域（郊）铁路列车运行速度多处于100～160km/h 范围内，部分地区市域（郊）铁路信号系统采用基于通信的移动闭塞列车自动控制CBTC系统。随着市域（郊）线网建设的完善，不同线路实现互联互通的需求日益凸显，只有CBTC 系统实现互联互通才能满足市域（郊）铁路整体网络化运营、降低综合运营成本。因此，有必要重点对国内典型的市域（郊）铁路CBTC 系统互联互通方案进行研究。

1 国内市域（郊）铁路信号系统互联互通的发展

1.1 国内市域（郊）铁路互联互通需求分析

市域（郊）铁路车站间距较大，列车运行速度较快，独立运行的线路车辆基地、机电设备等无法实现资源共享，乘客跨线出行时需中途多次换乘才能到达目的地，这些都会造成时间成本及线网资源的巨大浪费。近期，国内推进“国铁干线、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通”四网融合，需要研究建立一体化建设运营机制。其中，市域（郊）铁路网互联互通的主要需求如下：第一，统一规划本地区市域（郊）铁路列车共线或跨线网络化布局。第二，统一技术标准、工程标准、维护标准、服务标准、运营标准。第三，建立满足一体化运营要求的管理体系、管理规则、协调机制。

CBTC 作为市域（郊）铁路信号系统的主流制式，是基于通信的移动闭塞列车控制系统。中国城市轨道交通协会牵头编制颁布的CBTC 互联互通系列规范及标准文件，对CBTC 系统架构、功能需求、接口规范和报文规范等进行明确定义，为不同信号系统实现互联互通提供技术标准依据，适用于新建、更新改造及扩建线路的CBTC 系统设计、设备招标及工程建设[1]。

CBTC 能够利用高精度的列车定位、双向连续的车地数据通信和地面、车载安全功能处理器完成自动、连续的列车运行控制[2]。实现CBTC 系统互联互通的难点主要包括以下几方面。

第一，互联互通运营场景梳理。互联互通市域（郊）铁路全日完整运营过程复杂，从中提炼出CBTC共线运行场景、跨线运行场景也相对复杂。需要按照时间顺序描述互联互通轨道交通系统运营过程，分析CBTC 系统互联互通需求、系统及子系统功能需求和安全需求、人员及设备配置，通过系统试验逐个场景进行测试和验证，将关键场景作为互通的运营场景。

第二，信号技术限制。由于实际情况中各CBTC系统厂家安全设计理念不尽相同，其系统架构、子系统功能模块存在较大差异，CBTC 系统难以实现完全兼容或完全互联互通。一是不同厂家的信号系统缺乏统一线路拓扑描述。二是不同厂家的信号系统缺乏统一接口形式与规范。三是不同厂家的信号系统功能与架构分配不一致。四是不同厂家的信号系统车地通信方式与遵循的通信协议不一致。五是不同厂家的信号系统有线网络协议不互认。

第三，不同厂家CBTC 系统互联互通有待验证。

第四，系统认证复杂。由于不同CBTC 系统存在系统架构差异和功能差异，对于不同CBTC 系统的各子系统的共线安全认证、跨线安全认证、交叉测试验证的实施难度大，缺乏成熟完备的认证标准。

第五，跨线运营维护。不同CBTC 系统实现互联互通，产生跨线运营维护及统一调度指挥相关需求，跨线集中调度需要统筹整合相关资源，建立健全调度管理体系，制订相关维护管理制度。

1.2 市域（郊）铁路CBTC 系统互联互通发展现状

传统的单线运营方式下各条市域（郊）铁路相互独立，旅客需要下车进行换乘实现线路更换，据不完全统计，近年来国内已实现或拟实现CBTC 系统互联互通的市域（郊）铁路有京津冀地区—大兴新机场线、雄安至大兴机场快线，重庆地区—跳磴至江津线、5 号线，成都地区—成都至眉山线、成都至德阳线，粤港澳大湾区—深大城际、深惠城际、南珠中城际、佛广莞城际、芳村至白云机场城际，广州东至天贵城际等。

1.3 重要性

只有CBTC 系统实现互联互通才能满足市域（郊）铁路整体网络化运营，结合统一市域车型、牵引供电制式等，列车在不停车和不改变驾驶模式的情况下，通过跨线或越行配线直接运行到相邻线路上，能实现从“人换乘”到“车换线”的转变，从而提高旅客出行效率、降低综合运营成本、发挥市域（郊）铁路承上启下的运输效能。

2 市域（郊）铁路CBTC 系统的互联互通方案研究

CBTC 系统划分为中心层、车载层以及轨旁层三部分，包括列车调度监控ATS、轨旁、车载以及数据通信子系统（DCS）。

2.1 按互联互通系列规范及标准文件统一CBTC 系统设计

以CBTC 互联互通系列规范及标准文件为依据，统一CBTC 系统需求、系统架构、功能需求、接口、测试、工程设计以及通信协议、报文等的定义和设计原则，不同厂家CBTC 轨旁、车载、数据传输系统与ATS等子系统之间的接口按照统一的标准协议规定进行顶层设计、方案制订和产品研发，统一轨旁设备安装等外部条件。

2.2 统一列车运行控制级别

列车选型在满足互联互通条件的前提下，需能在连续式列车控制级别和降级下均实现贯通运行。车载信号ATP/ATO 设备实时与对应的列车调度监控ATS 子系统、轨旁区域控制器ZC、联锁CI 子系统进行通信。不同线路之间相应设置移交边界和移交重叠区，CBTC 系统的车载和轨旁设备根据管辖范围的不同，分别存储所在线路范围的电子地图。

当列车从本线驶入相邻线时，如果两线处于相同的列车运行控制级别，要确保列车目前所处的列控级别及驾驶模式不降级；当从低列控级别线路进入高级别线路时，运营列车满足升级条件时可升级为高列控级别及驾驶模式；当从高列控级别线路进入低级别线路时，CBTC 系统应根据线路边界信息提前向司机发出相应指示，经司机确认后，列车转入RM 模式运行，在收到即将进入线路的有效控制信息并满足升级条件时，进行列控级别和驾驶模式转换。除非运营需要，装备列车应能不停车跨线运行。

2.3 统一调度运营模式

为实现不同线路CBTC 系统互联互通，建议顶层设置一套线网综合调度指挥系统，各线信号ATS 子系统相应调整管辖范围，增加ATS 与综合调度指挥系统的接口，各线贯通运营后由综合调度指挥系统统一进行调度管理。不同设备厂商的ATS 子系统调度命令管理、列车状态信息、行车监督、应急指挥、安全监控、运行图、报警信息等应尽量统一标准，确保全线网列车调度指挥系统安全、高效运行，为信号系统互联互通提供统一的调度指挥控制。

2.4 合理划分轨旁及车载设备管辖范围

2.4.1 轨旁设备

轨旁设备主要包括区域控制器ZC、数据库存储单元以及对象控制器，区域控制器可以获取市域铁路的全部列车相关信息，然后根据障碍物信息，对列车的移动进行授权。区域控制器的响应在工作中可以对相邻的区域控制器所发出的移动授权请求进行响应。在进行轨旁子系统的设计时，工作人员可以对设备进行合理的配置，一种方式是在一个轨道区段内，可以接受区域控制器和计算机连锁的同时控制，区域控制器可以通过计算机联锁接收道岔信息，而计算机联锁能够和轨旁设备直接连接，接收ATS 的信号，从而对道岔进行控制。另一种方式是区域控制器发挥联锁功能对列车移动授权进行单独控制，区域控制器直接连接屏蔽门和道岔的接口，通过ATS 发出的信号，对道岔进行控制，从而实现联锁操作。

2.4.2 车载设备

车载设备主要包括控制单元、位移和速度传感器、查询应答器、天线、司机操作单元以及信标等。查询应答器主要用于对列车进行定位；司机操作单元可以显示CBTC 系统状态、驾驶信息、报警信息；信标可以进行列车位置的初始化，并提升列车位置测量的精度；控制器是子系统的核心部件，通过和位移和速度传感器以及查询应答器进行连接，可以精确地找到列车的运行的实际位置，通过和司机操作单元连接，可以确定驾驶和设备的情况，并在出现异常情况时向司机发出报警信号。

不同市域（郊）线贯通后可能属于不同的运营公司管理，为明确线路的管理和调度界面，各线ZC 之间通过传递移交状态信息、移交列车信息、列车位置信息、列车顺序信息等实现互联互通。建议按信号系统确定两线的分界处信号设备与对应的站控区由同一个ATP 控制区域管辖，以便于明确调度管理权限，各线列车调度权均属于本线调度。各线ZC 设备软件结合注册跨线列车的车组号等信息，车载ATP/ATO 设备软件和电子地图等按互联互通后的线网编写，互联互通线路的列车混跑后，各线列车车载设备相应进行软件升级和电子地图等的更新。

对于互联互通线路，地面重叠区的设置宜能保证列车的无缝切换，应分别计算各线的列车控制重叠区长度，取最大值为实际的移交列车控制重叠区长度；重叠区的长度应不小于进路触发区段的长度。

2.5 联锁子系统

各线的联锁CI 子系统按照互联互通标准和规范的要求，其内部安全功能模块和通信功能模块通过周期发送的方式进行通信。各线CI 向邻线传输本联锁管辖范围的设备状态，同时接收对方线路CI 发来的道岔状态、物理区段状态、逻辑区段状态、信号机状态、站台门状态、ESB 按钮、临时限速等信息。

2.6 维护监测MSS 子系统

信号设备及信号与车辆、站台门、综合监控、通信、供电等外部系统存在多个接口，建立全线网维护监测系统，对各线信号设备进行实时监测、数据采集和分析，维修中心的MSS 系统和各车站级MSS 设备按照互联互通标准进行连接，为列车跨线运行和车辆调配提供信息支撑。

2.7 培训子系统方案

由于互联互通市域（郊）铁路存在快慢车混跑越行、跨线运行等运营需求，相关系统复杂度升高、设备数量相应增加，各线培训中心的模拟培训设备也需提供统一的调度管理、维护管理和操作培训功能，适应互联互通线路的培训要求。

2.8 数据通信DCS 子系统

DCS 是CBTC 互联互通能够实现的关键部分，可以在不同的子系统之间进行报文的传输，并且DCS 可以移动[3]。DCS 是单独的网络，传送报文更加安全和透明，能够进行实时传输，传输量较大，属于可靠性较高的数据传输系统。在运行中，DCS 利用存在接口和开放标准协议的商用设备，可以实现CBTC 系统的互联互通。DCS 包括有线部分和无线部分，有线部分利用以太网标准和UDP/IP 协议进行报文的传输，同时利用IPSec 协议对网络进行保密，提高数据传输的安全性。在CBTC 系统中，冗余光纤骨干网将不同的子系统连接在一起，构成轨旁网络，并沿着线路进行延伸，且局域网构成了ATS 网络，能够通过交换机将其连接到骨干网中。

2.9 互联互通安全认证

以A 线和B 线为实现互联互通的两条线路为例，A 线、B 线在完成本线信号轨旁设备和车载设备安全评估和认证工作的基础上，A 线需对跨入本线的共线列车的车载设备互联互通功能进行第三方独立安全评估和认证，而A 线的线路数据作为被B 线评估的源数据，也要通过本线安全评估和认证。B 线将A 线源数据进行转化，再结合B 线需要进行数据测试、安全评估和认证[4]。B 线列车进入A 线，B 线评估方要出具允许B 线列车跨入A 线的安全授权，A 线评估方应出具A 线信号设备具备共线或跨线调试、试运营及试运行的安全授权，安全授权包含所有A 线涉及的系统集成商的车载设备。

3 市域（郊）铁路CBTC 系统互联互通的功能

互联互通CBTC 系统的轨旁和车载设备通过数据通信网进行连接，各信号设备厂家按照互联互通标准实施接口，相互验证线路工程数据的准确性，能实现不同线路之间CBTC 系统的相互兼容，实现不同市域（郊）线路列车共线或跨线运行，为市域（郊）铁路规模化和网络化运营提供技术保障，减少旅客换乘次数、提高出行的便捷性。

4 结论

第一，市域（郊）铁路CBTC 系统互联互通方案对车地通信方式、信息帧格式、系统信息交换形式、接口形式、通信网络等标准和协议进行统一，能确保CBTC 系统互联互通的安全性和稳定性。第二，不同线路采用相同厂家的同型号CBTC 系统共线或跨线的列车只需装设一套车载设备即可实现CBTC 模式下的贯通运营。若采用不同厂家的CBTC 系统，相关各厂家设备均需满足互联互通标准的要求，同时对ATS、ATP/ATO、CI 等各信号子系统与相关系统接口进行统一规定，且先期建设线路应预留后续接入线路的相关系统容量和接入条件。