施 聰

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！胃呒壒こ處?

自1993年開通第1條城市軌道交通線路以來，上海城市軌道交通信號系統(tǒng)經(jīng)歷了固定閉塞、準移動閉塞及基于車地通信的移動閉塞3個發(fā)展階段。目前，上海城市軌道交通線網(wǎng)的18條線路中，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)占據(jù)了絕對主導地位。作為全國最早使用CBTC系統(tǒng)的城市，上海城市軌道交通完整經(jīng)歷了CBTC系統(tǒng)的3個技術發(fā)展階段——分階段開通、全面升級換代、開通全自動運行，在CBTC系統(tǒng)的應用和維護方面已積累了大量的經(jīng)驗。與此同時，在日常的運維中也發(fā)現(xiàn)既有CBTC系統(tǒng)存在著諸多問題，主要包括：①信號系統(tǒng)的標準化不足,主要限于功能性的描述，底層設備的應用封閉性較強，接口設備種類待優(yōu)化；②部分關鍵子系統(tǒng)冗余不足、系統(tǒng)可靠度不高、信號無線通信設備性能不穩(wěn)定等問題尤為突出；③隨著各項技術的迅速發(fā)展，要求信號系統(tǒng)技術迭代能力更強、兼容性更高，而既有CBTC系統(tǒng)兼容性較差，單一子系統(tǒng)升級改造難度較大；④既有信號系統(tǒng)下線路提升運能空間很有限。

針對以上問題，目前國內(nèi)外研究多聚焦于技術分析與理論探索，如針對CBTC的標準化研究主要集中于互聯(lián)互通標準規(guī)范，文獻[1]從需求、架構、功能、接口、測試及工程應用等6個層面對比分析了中國和韓國在CBTC互聯(lián)互通研究上的成果；面向系統(tǒng)的高可用性要求，文獻[2]提出了一種CBTC熱備冗余系統(tǒng)的安全切換技術；結合智能化運維的新需求，文獻[3]提出一種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的故障診斷與預警裝置，可實現(xiàn)對DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))網(wǎng)絡交換機實時信息及無線場強等的自動監(jiān)測。但是，在如何推進下一代CBTC系統(tǒng)技術的實施路線、應用實踐方面的研究較為匱乏。要解決既有線路CBTC系統(tǒng)在實際運維中的問題，只有通過有規(guī)劃、有引導的大修改造才能實現(xiàn)。在分析現(xiàn)有問題和超大規(guī)模網(wǎng)絡化運維需求的基礎上，結合對未來戰(zhàn)略規(guī)劃和對技術發(fā)展的判斷，本文重點對上海城市軌道交通下一代CBTC系統(tǒng)的發(fā)展和應用進行研究，下一代的CBTC系統(tǒng)應該是基于標準化的高效能、多模冗余、支持長期演進的列車控制系統(tǒng)。

1 設備統(tǒng)型和標準化

1.1 車載標準化

目前上海城市軌道交通線網(wǎng)各線路間存在著列車上線率、配屬率不均衡等現(xiàn)象，因車輛架修和大修集中扣車等因素造成短時缺車的問題時有發(fā)生。為實現(xiàn)線網(wǎng)列車資源的合理調(diào)配，結合各線路信號系統(tǒng)的大修更新改造項目，可通過“車載標準化”來實現(xiàn)線間列車的互通互用。

車載標準化是指統(tǒng)一定義車載相關接口,統(tǒng)一車載外掛設備的型號。其工作內(nèi)容主要包括以下4個部分：

1) 信號-車輛接口。對車載系統(tǒng)各板塊的接口條件、電氣參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、通信標準等進行梳理，以形成統(tǒng)一的信號-車輛接口需求。

2) 車地通信。統(tǒng)一車載DCS相關硬件設備的型號，采用LTE-M(城市軌道交通用長期演進)標準，結合綜合承載(含通信專業(yè)的業(yè)務)的需求，統(tǒng)一進行規(guī)劃和設計。

3) 列車定位系統(tǒng)。統(tǒng)一使用歐標定位系統(tǒng)，統(tǒng)一信標天線在列車上的安裝位置，統(tǒng)一信標天線設備選型。

4) 測速系統(tǒng)。測速設備與信號ATP(列車自動防護)/ATO(列車自動運行)直接對接。車載標準化方案可考慮后續(xù)技術升級方向，降低對計軸設備的依賴，并簡化、統(tǒng)一測速系統(tǒng)與信號ATP/ATO系統(tǒng)的接口。此外，不同信號系統(tǒng)對測速設備的功能定義、速度精度等方面的需求不同，相關的軟件算法差異較大，鑒于此特殊性，應分類、分步完成標準化工作，研究多種測速設備的數(shù)據(jù)和算法融合，以提高測速的精準度。

既有線的車載標準化可與線路的大修更新改造同步進行，優(yōu)勢如下：①基本不增加額外費用；②接口的改造相對簡單，僅涉及車載-車輛接口；③仍使用原系統(tǒng)核心設備，不降低設備的運營性能；④便于維護，單車故障對全線運營的影響較??；⑤改造測試工作少、風險小，支持既有線邊改造、邊運營。

1.2 智能運維標準化

為了滿足上海城市軌道交通高密度、高標準、高強度的運維需求，下一代CBTC系統(tǒng)應能滿足數(shù)字化和智能化運維的要求，支持板卡級的監(jiān)測，支持統(tǒng)一接口、標準協(xié)議和高帶寬的數(shù)據(jù)上傳，支持遠程處置以及無人巡檢。其維護支持子系統(tǒng)應能實現(xiàn)關鍵設備的狀態(tài)全監(jiān)測、智能化的故障診斷和科學化的維修決策，并形成設備全壽命周期的健康管理模式。具體要求主要包括：

1) 集成化狀態(tài)監(jiān)測。設備數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)全覆蓋，故障可以定位到板卡級。采集數(shù)據(jù)類別包括系統(tǒng)日志、故障報警、設備狀態(tài)和性能信息等，可概覽設備狀態(tài)全況。

2) 向導化故障處置?；跀?shù)據(jù)分析結果和案例系統(tǒng)輔助，提供規(guī)范化和標準化的故障及隱患處理流程，建立準確、快速、規(guī)范的故障及隱患處理體系。

3) 智能化分析預警。利用多維度數(shù)據(jù)分析技術實現(xiàn)設備間的綜合關聯(lián)分析，挖掘設備數(shù)據(jù)特征并提供預測預判，輔助預測分析設備隱患，提前預知設備的異常狀態(tài)。

4) 協(xié)同化遠程支持。具備遠程控制、遠程分析、遠程應急指揮和遠程維護作業(yè)等功能。

5) 精準化決策分析。根據(jù)設備狀態(tài)的監(jiān)測，提供動態(tài)維護策略。

6) 一體化運維管理。實現(xiàn)設備履歷數(shù)據(jù)“一管到底”式的全壽命周期管理，推動組織架構、業(yè)務流程、檢修制度、資源管理的創(chuàng)新。

2 系統(tǒng)效能的提升

2.1 道岔資源精細化管理

列車控制系統(tǒng)的效能高低決定了列車的追蹤間隔和線路運能的大小。上海城市軌道交通線路在開通后，日均客流量持續(xù)保持增長趨勢。受到列車折返間隔的約束，全線網(wǎng)線路的列車最小間隔只能達到2 min左右，部分線路早晚高峰客流積壓，無法滿足短時斷面大客流運輸?shù)囊蟆Ｈ绻麅?yōu)化列車控制系統(tǒng)性能，提升折返效率，線路運能就可同步提高。

目前的CBTC系統(tǒng)下，列車運行間隔主要受到列車折返間隔的影響，而列車折返間隔主要受制于道岔資源的管理。通過對道岔資源進行精細化管理、優(yōu)化進路觸發(fā)并實時解鎖，可實現(xiàn)列車折返效能的提升。具體的措施有：①將道岔區(qū)段占用出清區(qū)域進行細分，分為岔前區(qū)域、可動區(qū)域、側防區(qū)域和岔后區(qū)域；②列車出清道岔可動區(qū)域后即可動道岔，而不用出清整個道岔軌道區(qū)段；③只有前序列車出清了側防區(qū)域后，后序列車才可占用該側防區(qū)域,道岔的定位和反位等岔后部分可分別被不同的列車占用；④改雙動道岔為單動道岔。

2.2 聯(lián)鎖列控一體化

既有CBTC系統(tǒng)具有如下特點：各子系統(tǒng)間功能相互依賴，耦合度高；各子系統(tǒng)間接口多,接口內(nèi)容重復度高；設備數(shù)量多，導致故障點多、維護工作量大。以線路區(qū)段占用狀態(tài)為例予以說明：ZC(區(qū)域控制器)子系統(tǒng)的邏輯區(qū)段占用狀態(tài)是根據(jù)聯(lián)鎖子系統(tǒng)提供的計軸區(qū)段占用狀態(tài)和車載子系統(tǒng)提供的列車位置報告綜合判定而來，聯(lián)鎖子系統(tǒng)根據(jù)計軸區(qū)段占用狀態(tài)和ZC子系統(tǒng)提供的邏輯區(qū)段占用狀態(tài)綜合判定線路區(qū)段的占用狀態(tài)。在此過程中，聯(lián)鎖子系統(tǒng)分別直接、間接使用了計軸區(qū)段占用狀態(tài)。

新一代CBTC系統(tǒng)可考慮將聯(lián)鎖子系統(tǒng)與ZC子系統(tǒng)合并，將既有CBTC系統(tǒng)中的聯(lián)鎖和ZC的部分功能“移植”至車載設備內(nèi)，實現(xiàn)聯(lián)鎖列控一體化，從而達到減少軌旁設備、優(yōu)化系統(tǒng)結構、減少通信延時、提升系統(tǒng)效能的目的。聯(lián)鎖和ZC合并后的新系統(tǒng)無需設置信號機、有源應答器和計軸系統(tǒng)，其結構更為簡單。聯(lián)鎖列控一體化的新系統(tǒng)以列車為中心，采用基于資源點的資源管理方式，將既有CBTC系統(tǒng)以軌旁為主進行列車間隔防護的閉塞功能升級為車車協(xié)同的主動間隔防護，從而使列車運行交路的變更也更加靈活。

3 CBTC關鍵子系統(tǒng)的多模冗余

在城市軌道交通超大規(guī)模網(wǎng)絡化運營條件下，設備故障導致列車發(fā)生15 min及以上延誤(特別是早晚高峰時段)，將對城市的公共交通產(chǎn)生很嚴重的影響。但設備故障不可避免，因此只能通過冗余配置，在設計層面實現(xiàn)關鍵子系統(tǒng)故障情況下對運營的“零影響”。冗余可分為同型冗余和異型冗余2種，其中，異型冗余可有效減少共模故障，可靠性更高，同時異型冗余配置也為CBTC各子系統(tǒng)單獨大修改造創(chuàng)造了條件。對車載子系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡和列車定位子系統(tǒng)等CBTC的關鍵子系統(tǒng)實施多模冗余配置，可有效提高CBTC系統(tǒng)的可用性，確保設備故障對運營影響的最小化。

3.1 車載子系統(tǒng)

2019年12月至2020年11月，上海城市軌道交通線網(wǎng)總的運營里程為10 114萬列km。運營期間共接報車載ATC(列車自動控制)設備故障2 678次，其在整個信號系統(tǒng)故障數(shù)中的占比為74%。故障主要集中在定位設備、測速設備、車地通信和板卡等設備上。因此，提高車載子系統(tǒng)的高可靠性、高冗余性，可大幅度降低信號系統(tǒng)故障對運營造成的影響。

為提升車載子系統(tǒng)的可靠性，上海既有線路大修更新改造及新線建設采用“2乘2取2”的雙套熱備冗余車載子系統(tǒng)，如圖1所示。當車載板卡故障、外設傳感器故障、電源故障、當前模式不可用、列車位置丟失及輪徑校驗失敗等情況發(fā)生時，車載子系統(tǒng)可做到主備機無縫切換，確保列車的正常運行。

a) 既有歐標/美標下的單模架構

b) 下一代CBTC歐標下的多模架構

3.2 無線網(wǎng)絡

目前國內(nèi)的城市軌道交通線路中，投用的絕大部分信號系統(tǒng)都是CBTC系統(tǒng)。車車通信等熱門制式的實質(zhì)仍屬于CBTC系統(tǒng)，只是通信路徑有所變化。因此，確保車地無線通信不中斷是確保信號系統(tǒng)正常運行的根本。上海城市軌道交通車地無線通信網(wǎng)絡在既有線路大修更新改造及新線建設中將按照“LTE-M和(Wi-Fi)”雙制式網(wǎng)絡進行建設，LTE-M和Wi-Fi同時工作且相互獨立，車地間的信息傳輸可經(jīng)由任一網(wǎng)絡完成，單個網(wǎng)絡的故障不影響整個CBTC系統(tǒng)的正常運作。此外，雙制式四網(wǎng)絡的模式也解決了單個頻段受干擾對運營產(chǎn)生影響的問題。

3.3 列車定位輔助子系統(tǒng)

2020年上海城市軌道交通信號專業(yè)子系統(tǒng)故障占比排各第2的是列車定位檢測故障，其在整個信號系統(tǒng)故障的占比為9.6%，在5 min晚點指標中的占比也較高。列車定位設備易受外界干擾，與軌旁環(huán)境的關聯(lián)度較高，故障處置措施大多采用人員下線路處理的方式。若列車定位故障發(fā)生在早晚運營高峰時段，受限于列車運行間隔，維修人員無法及時下線路實施應急處置，將導致故障影響范圍擴大。

既有CBTC系統(tǒng)主要通過列車主動發(fā)送定位報告來獲取列車位置，同時借助計軸區(qū)段進行安全防護計算，確保列車安全運行。下一代CBTC系統(tǒng)可利用地面信標替代計軸，對列車位置進行輔助定位，從而建立一套“列車主動發(fā)送定位+信標輔助定位”的架構。在此基礎上，在全線網(wǎng)逐步統(tǒng)一使用歐式信標，統(tǒng)一規(guī)劃信標ID(標識號)和通信地址規(guī)則，統(tǒng)一接口通信協(xié)議，進而組建一套全線網(wǎng)使用的列車自主定位系統(tǒng)。

自主定位是列車定位的輔助子系統(tǒng)，在列車ATP無法定位的情況下將啟用自主定位。自主定位設備安裝在列車上，與信標天線連接，用于讀取軌道上的信標位置信息(主要包括列車號、信標號及線路號等)，并通過車地無線鏈路上傳至地面。軌旁服務器負責接收、存儲、轉換列車的定位信息。列車位置通過人機界面進行輸出顯示，無線傳輸可使用信號系統(tǒng)獨立的以太網(wǎng)絡，也可在確保信息安全的前提下使用公網(wǎng)。列車定位輔助子系統(tǒng)的安全等級為SIL 4(安全完整性等級4)，可實現(xiàn)故障列車與正常列車的混跑。

4 支持LTE技術

基于上海城市軌道交通1號線、2號線、5號線信號系統(tǒng)“邊改造、邊運營”的項目經(jīng)驗，新舊技術平穩(wěn)地迭代顯得格外重要。同時考慮到技術的不斷演進，下一代CBTC系統(tǒng)應盡量利用冗余架構，構建“成熟+先進”的冗余模式，即：在異型冗余的2套設備中，應盡量將1套成熟的技術與1套先進的技術匹配使用，以應對技術的發(fā)展。該模式也為CBTC系統(tǒng)各子系統(tǒng)的更新改造創(chuàng)造了條件，可確保不同建設時期的信號系統(tǒng)擁有1套相同制式的子系統(tǒng)，為實現(xiàn)城市軌道交通線網(wǎng)間列車的互通互用提供技術支持。

1) 車地無線子系統(tǒng)的演進。上海城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)近期采用的是“LTE-M和Wi-Fi”雙制式。隨著通信技術迅速發(fā)展，待5G(第5代移動通信技術)商用化條件成熟后，無線通信系統(tǒng)可以向LTE-M+5G的雙制式模式演進。

2) 列車輔助定位子系統(tǒng)的演進。待隧道中衛(wèi)星定位技術成熟后，CBTC系統(tǒng)的列車輔助定位子系統(tǒng)可向衛(wèi)星定位技術演進。衛(wèi)星定位不依賴軌旁設備的可靠性，定位誤差小，可更好地滿足全線網(wǎng)的列車定位需求。

5 結語

城市軌道交通信號系統(tǒng)應結合所在城市的特點和本地運維需求開展不同方向的規(guī)劃。為適應城市軌道交通超大規(guī)模網(wǎng)絡化運維的需要，上海城市軌道交通信號系統(tǒng)將以標準化、高效能、高可靠、高冗余、高智能的發(fā)展方向為目標，不斷細化功能需求和架構設計，結合信號大修更新和新線建設項目，逐步實現(xiàn)規(guī)劃的落地，實現(xiàn)企業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展目標。