郜洪民，李 克

（中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081）

1 引言

2021年，中共中央、國務(wù)院相繼發(fā)布《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》，標志著以力爭“2030年碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和”為目標的國家雙碳發(fā)展戰(zhàn)略政策體系正式建立[1-2]。在此背景下，城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）作為城市骨干交通方式，將迎來綠色、低碳、高質(zhì)量發(fā)展的重要機遇期。

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計，截至2021年12月31日，中國內(nèi)地共有50個城市開通不同制式城軌運營線路283條，運營總里程達9 192.62 km，在建線路總規(guī)模6 096.4 km，總體規(guī)模和建設(shè)速度都居世界第一。2021年度，全國城軌總電能耗213.1億kW · h，同比增長23.6%；其中，牽引能耗106.2億kW · h，同比增長 26.4%，牽引能耗占總電能耗的比例為49.8%[3]。隨著新投運城軌線路的不斷增加，城軌行業(yè)總體能耗指標不斷增長，總電能耗和牽引能耗均達歷史最高。因此，以技術(shù)創(chuàng)新為手段，加快形成覆蓋規(guī)劃、設(shè)計、建造、運營、裝備的城軌全生命周期綠色低碳發(fā)展體系尤為必要。

信號系統(tǒng)作為保障城軌運輸安全效率、提升系統(tǒng)自動化水平、降低系統(tǒng)能耗的重要技術(shù)裝備，在促進城軌綠色低碳發(fā)展方面具有重要作用。本文重點從層次化互聯(lián)互通、一體化綜合自動控制、基于車-車通信全自主運行、智能運維等方面開展研究與論述，總結(jié)了雙碳戰(zhàn)略驅(qū)動下我國城軌信號技術(shù)的創(chuàng)新實踐和技術(shù)演進策略，以期為未來城軌信號技術(shù)發(fā)展提供參考和借鑒。

2 我國城軌信號技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

我國城軌信號技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用總體上經(jīng)歷了固定閉塞、準移動閉塞、移動閉塞三代技術(shù)迭代演進的過程，如圖1所示。

在20世紀90年代，以北京、上海、廣州等一線城市為代表，我國城軌領(lǐng)域開始進入規(guī)模化發(fā)展階段。然而，我國城軌信號技術(shù)自主研發(fā)工作卻長期滯后于城軌建設(shè)的發(fā)展需求，國內(nèi)供貨商不能提供整套的與國外同類產(chǎn)品具有競爭力的信號系統(tǒng)，在城軌建設(shè)中只能進口整系統(tǒng)或關(guān)鍵子系統(tǒng)，由國內(nèi)供貨商提供配套設(shè)備和部分技術(shù)服務(wù)。進入21世紀以來，在“政、用、產(chǎn)、學、研”協(xié)同創(chuàng)新體系支撐下，經(jīng)過近20年的探索，最終在基于通信的列車控制（CBTC）移動閉塞制式系統(tǒng)層級上，我國城軌信號技術(shù)具備了自主提供成套技術(shù)裝備的能力，系統(tǒng)也達到國外同類技術(shù)水平。

CBTC系統(tǒng)由列車自動監(jiān)督（ATS）、計算機聯(lián)鎖（CBI）、列車自動防護（ATP）、列車自動駕駛（ATO）、數(shù)據(jù)通信（DCS）、維護支持（MSS）等6大子系統(tǒng)以及附屬的計軸、應(yīng)答器等設(shè)備構(gòu)成，是一個融合通信、計算機技術(shù)，功能完備、層次分明的復(fù)雜安全苛求系統(tǒng)?；诹锌叵到y(tǒng)配置及功能差異，按照IEC 62290-1：2014《軌道交通 城市軌道交通運輸管理和指令/控制系統(tǒng) 第1部分：系統(tǒng)原理和基本概念》[4]定義，城軌自動化等級（GOA）劃分為5個：GOA0～ GOA4 級，如圖2所示。

圖2 信號系統(tǒng)自動化等級定義

自2017年北京地鐵燕房線——中國首條自主研發(fā)的全自動運行地鐵線路開通以來，滿足GOA3/GOA4級的全自動運行系統(tǒng)（FAO）已經(jīng)逐步發(fā)展成為我國城軌建設(shè)的主流制式，并且自主化FAO系統(tǒng)市場占有率已經(jīng)超過80%。

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，城軌信號領(lǐng)域在互聯(lián)互通、云化部署、車-車通信、虛擬聯(lián)掛等新概念、新體制技術(shù)研發(fā)方面也已經(jīng)取得階段性進展，為未來城軌系統(tǒng)提高運輸服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能減排，助力雙碳目標實現(xiàn)夯實基礎(chǔ)。

3 雙碳目標下的城軌信號技術(shù)創(chuàng)新

3.1 層次化互聯(lián)互通技術(shù)

效能發(fā)揮最優(yōu)化是城軌實現(xiàn)雙碳發(fā)展目標的現(xiàn)實需求。我國城軌在由線向網(wǎng)的發(fā)展過程中，網(wǎng)絡(luò)化特征愈發(fā)凸顯。截至2021年底，線網(wǎng)規(guī)模超過100 km，擁有4條及以上運營線路且換乘站3座及以上的城市共計24 個。然而，線網(wǎng)運力資源共享程度、客流強度、客流出行通達性等指標總體仍然偏低，未來城軌線網(wǎng)將從“形態(tài)網(wǎng)絡(luò)化”向“功能網(wǎng)絡(luò)化”轉(zhuǎn)變?！秶窠?jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》[5]和《交通強國建設(shè)綱要》[6]的相繼發(fā)布，對建設(shè)干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城軌“四網(wǎng)融合”的綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)也提出了客觀要求。實現(xiàn)層次化信號系統(tǒng)互聯(lián)互通是實現(xiàn)這些目標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，具體包括以下幾個方面。

3.1.1 CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通

實現(xiàn)城軌信號系統(tǒng)互聯(lián)互通是多年來行業(yè)發(fā)展的熱點和難點。國際上，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會（UNIFE）陸續(xù)開展了“互聯(lián)互通”列車控制技術(shù)的相關(guān)研究，旨在統(tǒng)一標準規(guī)范體系下，實現(xiàn)不同廠家系統(tǒng)相互融合，滿足跨線、共線運營需求，降低列車控制系統(tǒng)全生命周期成本，并先后在紐約、倫敦進行了探索和嘗試。但受限于松散的廠家合作形式，缺少行業(yè)協(xié)會和用戶單位強有力的引導(dǎo)和推動，最終都未能獲得成功。而我國隨著自主化CBTC系統(tǒng)技術(shù)成熟應(yīng)用，具備了開展互聯(lián)互通工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。2015年，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會將重慶環(huán)線、4號、5號、10號線建設(shè)為國家互聯(lián)互通示范工程，在中國城市軌道交通協(xié)會的指導(dǎo)下，重慶地鐵組織相關(guān)行業(yè)單位，全面立足于CBTC系統(tǒng)自主創(chuàng)新技術(shù)力量，采用從技術(shù)路線的制定、規(guī)范體系建設(shè)、系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)、系統(tǒng)測試與驗證、產(chǎn)品安全認證“正向研發(fā)策略”，規(guī)劃“單線運營-共線運營-跨線運營”3個建設(shè)階段，相互銜接，一體化推進?；ヂ?lián)互通CBTC系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)架構(gòu)圖

歷時6年，取得以下成果：創(chuàng)立了包括CBTC信號和基于長期演進的城軌車地無線通信系統(tǒng)（LTE-M）在內(nèi)的完整城軌信號系統(tǒng)互聯(lián)互通標準體系及技術(shù)方案；4個不同廠家研制了滿足互聯(lián)互通技術(shù)標準的GOA2級CBTC成套系統(tǒng)裝備；按照“硬件最小化，功能最大化”設(shè)計原則，搭建了完整互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)半實物仿真測試與驗證平臺；針對在互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)化運營組織需求背景下，原有基于單線方式構(gòu)建的調(diào)度指揮系統(tǒng)存在過軌列車計劃不易銜接、跨線晚點傳播不易控制、線路間調(diào)度命令無法便捷交互以及缺乏整體性的宏觀監(jiān)控功能等問題，研發(fā)部署了全局調(diào)度系統(tǒng)，支持全網(wǎng)行車信息監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)化運行計劃編制、跨線運營調(diào)整以及全網(wǎng)故障監(jiān)測與應(yīng)急處置功能，構(gòu)建起多層次網(wǎng)絡(luò)化行車調(diào)度指揮體系。

2018年以來，在借鑒重慶CBTC互聯(lián)互通工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上，北京地鐵牽頭組織相關(guān)行業(yè)單位，依托北京地鐵3號、12號、17號和19號線開展了互聯(lián)互通GOA4級全自動運行系統(tǒng)的開發(fā)和示范工程，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了全自動運行系統(tǒng)系列標準規(guī)范，技術(shù)研發(fā)也已經(jīng)取得階段性進展。

3.1.2 CBTC 與 CTCS 系統(tǒng)互聯(lián)互通

從世界范圍來看，基于干線鐵路和城軌技術(shù)相結(jié)合，滿足多網(wǎng)融合軌道交通運行需要正在成為行業(yè)未來發(fā)展熱點。歐盟提出的“歐洲鐵路合作伙伴”（Railway European Partnership）計劃所要達成的愿景目標就是開發(fā)互聯(lián)互通、即插即用、模塊化、可擴展、可升級的信號和列控系統(tǒng)；提高鐵路（包括區(qū)域和郊區(qū)鐵路、高速鐵路、貨運鐵路、輕軌等）運輸能力、準時性、鐵路系統(tǒng)彈性和靈活性，降低運營成本和能耗，滿足用戶需求和運營要求。而我國隨著建設(shè)干線鐵路網(wǎng)、城際鐵路網(wǎng)、市域（郊）鐵路網(wǎng)、城市軌道交通網(wǎng)“四網(wǎng)融合”綜合交通網(wǎng)絡(luò)上升為國家戰(zhàn)略，面對我國干線鐵路、城際鐵路采用的信號制式為中國列車控制系統(tǒng)（CTCS）技術(shù)體系，城軌采用的信號制式為CBTC技術(shù)體系，兩者互不兼容的現(xiàn)狀，研制一種能夠滿足多制式運行需求的通用列控系統(tǒng)成為行業(yè)共識。2021年，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略與“十四五”發(fā)展思路》研究報告中，將研究“新一代智能地鐵列車多系統(tǒng)融合控制方案”及“跨制式通用列車控制系統(tǒng)”[7]納入重點任務(wù)。

近年來，有關(guān)行業(yè)單位結(jié)合京津冀、珠三角、長三角等都市圈“四網(wǎng)融合”軌道交通建設(shè)需求，開展了相關(guān)技術(shù)研究與驗證，已經(jīng)制定出跨制式互聯(lián)互通列控系統(tǒng)總體方案，裝備研制也取得階段性進展。

列控系統(tǒng)能夠兼容并根據(jù)列車運行線路自動適配CBTC與CTCS-2的地面設(shè)備接口，在不同制式的線路上可處理接收到的相關(guān)信息并做出適當?shù)姆磻?yīng)，同時在CTCS-2與CBTC的重疊區(qū)域（區(qū)間或車站），車載系統(tǒng)可做到CTCS-2與CBTC運行制式間的無縫切換。兼容CBTC及CTCS-2的互聯(lián)互通車載設(shè)備，能夠滿足通過1套車載設(shè)備兼容CTCS-2線路與CBTC線路2種制式的全功能運行。

在CBTC運行制式線路上，列控系統(tǒng)具備CBTC制式下的所有車載功能；在CTCS-2運行制式線路上，具備CTCS-2制式下的所有車載功能；在CTCS-2與CBTC運行制式的共管區(qū)域，根據(jù)列車的運行方向及地面信息自動識別列車動向并無縫切換到相應(yīng)運行制式，包括適配接口和轉(zhuǎn)換模塊等；使用一套駕駛臺顯示屏顯示列車在不同制式下的各種運行數(shù)據(jù)，并為駕駛員提供輔助駕駛信息。系統(tǒng)方案如圖4所示。

圖4 CBTC/CTCS-2跨制式互聯(lián)互通列車控制系統(tǒng)框圖

未來，兼容CBTC/CTCS跨制式互聯(lián)互通列車控制系統(tǒng)落地應(yīng)用，將為雙碳戰(zhàn)略實施背景下我國軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營效能提升提供強有力技術(shù)支撐。

3.2 一體化綜合自動化控制技術(shù)

隨著我國城軌信號系統(tǒng)自動化水平的不斷提升，一體化綜合軌道交通控制技術(shù)應(yīng)用也在逐步拓展。根據(jù)技術(shù)演進的過程，大致可以劃分為以下2個階段。

（1）階段1。早期的城軌信號系統(tǒng)方案中，列車ATS系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）分立，以通信接口方式實現(xiàn)互聯(lián)。隨著FAO系統(tǒng)的推廣，全自動運行場景更加強調(diào)各機電系統(tǒng)的實時協(xié)同聯(lián)動，對打破既有系統(tǒng)邊界提出現(xiàn)實需求，基于ATS系統(tǒng)和ISCS系統(tǒng)深度集成的以行車指揮為核心的綜合交通自動化系統(tǒng)（Traffic Integrated Automation System，TIAS）概念逐步形成并落地應(yīng)用。TIAS系統(tǒng)采用熱備、冗余、開放、可靠、易擴展的原則進行設(shè)計，采用統(tǒng)一、標準的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備、模塊化軟件以及標準的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，便于進行統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理。通過設(shè)置各項故障隔離和抗干擾措施，各個子系統(tǒng)按照集成程度，可以采用深度集成（基于統(tǒng)一的軟、硬件平臺）、界面集成及互聯(lián)等不同集成方式。

（2）階段2。利用云平臺、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)對城軌行業(yè)進行云化賦能升級。2020年，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》構(gòu)建了涵蓋“8個智能（智慧）體系，1個城軌云與大數(shù)據(jù)平臺，1套智慧城軌標準規(guī)范”的智慧城軌發(fā)展規(guī)劃愿景[8]，建設(shè)框架如圖5所示。

圖5 中國智慧城軌建設(shè)框架

在此框架下，未來面向城軌運營核心業(yè)務(wù)需求，依托統(tǒng)一“城軌云平臺”，承載傳統(tǒng)各分立專業(yè)板塊業(yè)務(wù)，實現(xiàn)“面向行車指揮的智能調(diào)度監(jiān)控、面向基礎(chǔ)設(shè)施的智能運維、面向業(yè)務(wù)流程的智能管理”將成為大勢所趨。

3.3 基于車-車通信的全自主運行技術(shù)

隨著計算機、通信、人工智能技術(shù)與軌道交通信號技術(shù)結(jié)合日益緊密，近年來，基于車-車通信的全自主運行（Autonomous Train Control System，ATCS）、虛擬編組新型列控技術(shù)研發(fā)成為國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展趨勢。ATCS系統(tǒng)變革了當前CBTC系統(tǒng)普遍采用的以地面設(shè)備為核心，列車通過“車-地-車”信息交互模式實現(xiàn)移動閉塞的傳統(tǒng)模式，采用以車載控制為中心的列車間隔和道岔/進路控制技術(shù)，取消傳統(tǒng)聯(lián)鎖和區(qū)域控制系統(tǒng)，將列車間隔控制邏輯從控制中心分散到每個列車上，列車基于自身位置、前行列車的位置和運行環(huán)境態(tài)勢等信息綜合感知，通過高可信、低時延無線通信技術(shù)實現(xiàn)“車-車”直接數(shù)據(jù)交互，自主做出運行決策，自主控制列車間隔[9]，如圖6所示。

圖6 基于車-車通信的列控系統(tǒng)

信息交互實時性的提升為進一步縮小列車追蹤間隔提供了可能。ATCS系統(tǒng)引入了基于前車相對速度追蹤的列車安全間隔防護技術(shù)，這是對傳統(tǒng)基于前車“瞬間停車”絕對位置追蹤列車制動模型的創(chuàng)新與突破，相應(yīng)的虛擬編組列車制動模型如圖7所示。

圖7 虛擬編組列車制動模型

在基于前車相對速度追蹤列車制動模式下，如果前行列車開始制動，則隨后的列車將執(zhí)行相同的操作并且在2列列車一起減速時始終保持一定的安全間隔[10]?；谲?車協(xié)同理念設(shè)計，將前車與后車進行虛擬編組，耦合形成車隊，共同調(diào)度和運行，進一步達到縮短運行間隔、提高線路整體運輸能力的目的，可在早晚高峰時便捷地實現(xiàn)列車組隊以提升運能，在平峰時快速分離。在不降低運營密度的情況下，以短編組列車運行實現(xiàn)運能與行車密度之間最佳結(jié)合。

目前，中國城軌行業(yè)相關(guān)單位正在積極開展基于車 -車通信的全自主運行相關(guān)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。2020年，青島地鐵主導(dǎo)完成的車-車通信列車控制系統(tǒng)完成試驗線實車測試驗證工作，通過青島地鐵6號線示范工程項目應(yīng)用前專家評審會；2021年12月，采用車-車通信全自動運行系統(tǒng)的深圳地鐵20號線開通試運行；北京地鐵主導(dǎo)的《智慧城軌新一代智能列車運行系統(tǒng)及平臺示范工程》，研制以虛擬編組為核心的新一代列車控制系統(tǒng)（VCFAO），預(yù)計2022年進入實車功能驗證階段。

相較傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，基于“車-車”通信的ATCS系統(tǒng)列車最小追蹤間隔可減小30%，系統(tǒng)支持高密度、靈活編組運行能力顯著提升，實現(xiàn)運營階段的增效節(jié)能；地面設(shè)備配置可減少30%，建設(shè)階段可以顯著降低對于設(shè)備空間、能耗的需求，助力雙碳目標實現(xiàn)。

3.4 智能運維技術(shù)

傳統(tǒng)城軌信號系統(tǒng)大多配置有監(jiān)測維護系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)獲取、處理功能相對單一，維修模式大多仍局限于計劃性檢修和故障應(yīng)急維修。在雙碳目標驅(qū)動下，基于云平臺、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)賦能的信號系統(tǒng)綜合運維平臺逐步得到應(yīng)用，系統(tǒng)整合實現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)測自動化、數(shù)據(jù)分析智能化、應(yīng)急處置網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理綜合化等核心功能。系統(tǒng)通過對運營環(huán)境，在線設(shè)備的狀態(tài)、性能進行多層級（系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、設(shè)備級、模塊及板卡級）的實時感知，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時清洗、存儲、解析，實時形成報警輸出、健康趨勢預(yù)測以及應(yīng)急處置流程等運維指導(dǎo)建議，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)驅(qū)動維?！保鐖D8所示。

圖8 城軌信號智能運維系統(tǒng)框圖

面向全系統(tǒng)模塊、全業(yè)務(wù)流程、智能運維技術(shù)的廣泛應(yīng)用，推動信號系統(tǒng)維修模式由故障修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)型升級，可在顯著提升系統(tǒng)運維質(zhì)量和故障處置效率的同時，持續(xù)降低系統(tǒng)全生命周期成本。

4 結(jié)語

“碳達峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的提出對我國城軌行業(yè)而言既是挑戰(zhàn)也是機遇，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、建設(shè)、運營、維保等全生命周期和上下游全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)力。信號系統(tǒng)作為城軌安全運行的中樞系統(tǒng)，目前正在致力于由“功能自主可控”向“技術(shù)全鏈條自主可控”迭代進化。由此形成的自主化、通用化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精簡化的技術(shù)演進策略契合綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展理念，未來將為構(gòu)建我國安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的新一代智慧型城軌系統(tǒng)提供支撐。