仲曉輝

（新譽龐巴迪信號系統(tǒng)有限公司，江蘇常州 213166）

1 概述

傳統(tǒng)的城市軌道交通機電設備包括通風空調(diào)與供暖系統(tǒng)，給水與排水系統(tǒng)，供電系統(tǒng)（變電所、牽引網(wǎng)、動力與照明、電力監(jiān)控等），信號系統(tǒng)，自動售檢票系統(tǒng)，火災自動報警系統(tǒng)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)，環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)，站臺門系統(tǒng)，自動扶梯及電梯等。各專業(yè)專注于自身系統(tǒng)，積極引導城市軌道交通技術(shù)及管理的縱向發(fā)展，但橫向發(fā)展缺少一定的經(jīng)驗積累及模式探索。設備接口較少，交互功能單一，招標發(fā)包專業(yè)多，乘客體驗欠佳，建設運維任務重。因此在城市軌道交通線路快速發(fā)展的當下，如何建設、運維眾多的機電設備專業(yè)，打破資源壁壘，優(yōu)化設備接口，增強乘客舒適度，提升運維效率，保證運營安全，是當前城市軌道交通行業(yè)所面臨的眾多問題。尤其在各個城市全自動運行線路快速部署的今天，乙方總承包基于自身核心功能及接口開放實現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)融合，做好多專業(yè)一致性協(xié)調(diào)，大系統(tǒng)級的安全認證工作，是本文探析的目的。旨在推動落實城市軌道交通利用新型信息技術(shù)和深度融合的發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)城市軌道交通多專業(yè)機電設備的一體化、智慧化。

2 多專業(yè)機電設備系統(tǒng)技術(shù)融合

《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》提出了新一代智能地鐵列車多系統(tǒng)融合控制方案的要求?？紤]到全自動運行線路高可靠性、高安全性的要求及人性化、智慧化場景的應用，由信號系統(tǒng)集成商作為機電設備采購及服務總承包方，融合或者整合下述系統(tǒng)以適應城市軌道交通機電設備系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

2.1 列車運行控制系統(tǒng)

目前的城市軌道交通領域，列車運行控制功能主要由基于通信的列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control，CBTC） 及 車 輛 的 列 車控制管理系統(tǒng)（Train Control Management System，TCMS）來實現(xiàn)。該方案通過信號系統(tǒng)車載列車自動控制子系統(tǒng)（Vehicle Automatic Train Operation，VATO）與TCMS 車輛控制單元（Vehicle Control Unit，VCU）的交互實現(xiàn)目標功能所需的接口信息，從而使列車非安全架構(gòu)較為龐雜，設備分布化設置，運營維護成本高，信息延時大，控制精度低，動態(tài)響應效果差。因此融合VATO 與TCMS，是形成列車運行控制系統(tǒng)一體化、智慧化突破性的一步。結(jié)合《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出的基于系統(tǒng)容量大、傳輸時延低、可靠性高的以太網(wǎng)絡，開發(fā)列車多子系統(tǒng)融合的一體化平臺要求，可以實現(xiàn)由信號系統(tǒng)直接發(fā)送牽引制動有關(guān)指令給車輛；信號系統(tǒng)直接管理電空混合制動；信號系統(tǒng)直接管理車輛相關(guān)子系統(tǒng)；信號系統(tǒng)與TCMS 司機顯示界面融合一體等功能，如圖1 所示。

圖1 列車雙端車載平臺架構(gòu)Fig.1 Double-end onboard platform architecture

融合后的列車運行控制系統(tǒng)將基于以太網(wǎng)實時 數(shù) 據(jù) 協(xié) 議（Train Real-time Data Protocol，TRDP），考慮到城市軌道交通對于列車運行控制系統(tǒng)相關(guān)的制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、信號系統(tǒng)及車門控制系統(tǒng)均有安全完整性等級（Safety Integrity Level，SIL）的要求，因此該協(xié)議須支持此類安全數(shù)據(jù)的傳輸，安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（Safe Data Transmission version 2，SDTV2）將完成此類安全數(shù)據(jù)的交互，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確性、實時性、可靠性及安全性。列車級網(wǎng)絡按照雙歸屬環(huán)網(wǎng)布局，單個車輛設置2 臺1 000 M 交換機并與車輛級終端設備連接，如圖2 所示。

圖2 列車車載網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.2 Train onboard network architecture

本方案融合后將形成新一代列車運行控制系統(tǒng)，使牽引制動系統(tǒng)的響應與信號系統(tǒng)的ATO 控車曲線更加貼合，最大限度地考慮乘客舒適度。同時本方案為后續(xù)車輛其他系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的融合探索了方向，如信號系統(tǒng)、制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的速度傳感器融合等。

2.2 站臺門控制系統(tǒng)

站臺門系統(tǒng)作為城市軌道交通安全相關(guān)系統(tǒng)，時刻影響著運營的效率及安全。傳統(tǒng)的站臺門系統(tǒng)（機械設備和控制系統(tǒng)）作為單獨的機電設備招標采購，與信號系統(tǒng)計算機聯(lián)鎖（Computer Based Interlocking，CBI）子系統(tǒng)的接口設計功能單一，響應速度遲延，故障定位較難，運維專業(yè)聯(lián)動性差。尤其在全自動運行系統(tǒng)的城市軌道交通線路中，站臺門系統(tǒng)如何更好地與信號系統(tǒng)接口，是未來提升運營效率、保證安全以及響應大容量復雜場景應用的瓶頸。本方案將從信號系統(tǒng)整合站臺門接口方式及相應功能為著眼點，由安全完整性等級SIL4 的信號系統(tǒng)對傳統(tǒng)站臺門接口功能進行總體把控，通過設置的門控柜，信號系統(tǒng)車載設備與軌旁站臺門系統(tǒng)直接通信并傳輸數(shù)據(jù)，有效減少傳統(tǒng)站臺門系統(tǒng)接口信息存在的時延，減少開/關(guān)門時間，提高列車運行效率，如圖3 所示。

圖3 信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)接口Fig.3 The interface between signalling system and platform door system

本方案整合后，信號系統(tǒng)可以安全可靠地實現(xiàn)站臺滑動門關(guān)門受阻后，列車門和站臺門在可配置次數(shù)內(nèi)的再聯(lián)動開/關(guān)門以及該措施失效后，信號系統(tǒng)對于站臺門再打開或者再關(guān)閉命令的應用；信號系統(tǒng)可以安全可靠地實現(xiàn)對于單個滑動門的聯(lián)動控制、島式站臺兩側(cè)站臺門開/關(guān)門與站停時間的聯(lián)動、不同編組不同泊位按照不同時序開/關(guān)站臺門等復雜場景的應用。進一步地，本方案為未來信號系統(tǒng)與站臺門控制系統(tǒng)的融合探索了方向，如信號系統(tǒng)軌旁CBI 或者列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）子系統(tǒng)完全實現(xiàn)對于站臺門機械設備的目標控制；站臺門監(jiān)控設備融合至列車自動監(jiān)控（Automatic Train Supervision，ATS）子系統(tǒng)或者行車綜合自動化系統(tǒng)，以更好地為全自動運行線路智慧化場景服務等。

2.3 車輛智慧運維管理系統(tǒng)

目前，城市軌道交通的運維按照不同專業(yè)設置，對于接口功能或者跨專業(yè)聯(lián)動功能的控制管理及運營維護帶來諸多不便。本方案將基于前述列車運行控制系統(tǒng)的融合及信號維護支持系統(tǒng)的橫向開發(fā)，融合車輛各個專業(yè)有關(guān)運維信息，如牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車門系統(tǒng)及暖通與空調(diào)系統(tǒng)等，形成一體化、智慧化的車輛智慧運維管理系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 車輛智慧運維管理系統(tǒng)Fig.4 Vehicle intelligent operation and maintenance management system

本方案融合后，車輛的智慧運維數(shù)據(jù)將持續(xù)不斷地通過車- 地無線通信系統(tǒng)發(fā)送給軌旁運維服務器，運維服務器利用大數(shù)據(jù)算法，完成數(shù)據(jù)分析、處理、存儲及統(tǒng)計等任務，通過車輛智慧運維工作站顯示預測的車輛運維信息，提示運維工作人員及時做出響應。車輛智慧運維工作站還可作為全自動運行系統(tǒng)線路中的遠程駕駛臺，監(jiān)視和控制車輛相關(guān)系統(tǒng)，如遠程照明控制、遠程暖通及空調(diào)控制、遠程緊急制動或常用制動、遠程車輛故障復位等。更為重要的，該系統(tǒng)可以快速定位跨專業(yè)的盲點故障并及時解決。本方案為車輛相關(guān)專業(yè)運維設備從軟件功能到硬件設備的融合探索了發(fā)展方向。隨著全自動運行系統(tǒng)運營線路的逐步增多，一體化、智慧化的車輛運維系統(tǒng)作為綜合性運維系統(tǒng)，對于城市軌道交通行業(yè)運營維護效率的提升是顯而易見的。

2.4 其他

信號系統(tǒng)ATS 子系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（Integrated Supervision Control System，ISCS）融合形成的行車綜合自動化系統(tǒng)技術(shù)成熟，國內(nèi)部分城市軌道交通線路已順利實施。隨著云平臺技術(shù)的逐步成熟，在統(tǒng)一云平臺內(nèi)，可以實現(xiàn)城市軌道交通眾多機電設備專業(yè)的融合，如電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、視屏監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)及列車自動監(jiān)控系統(tǒng)等。該方案不僅可以建立本線路高效的聯(lián)動機制，還可以將多條線路的數(shù)據(jù)部署在同一云平臺內(nèi)，從而實現(xiàn)線網(wǎng)級不同廠家同類系統(tǒng)間的調(diào)度管控及更多的聯(lián)動功能，如本線路同站臺換乘站的ATS 將時刻表信息發(fā)送到其他線路的ATS，從而使時刻表與乘客的乘車計劃更為貼合，提高運營舒適度；同樣，在故障列車救援和火災救援等應急場景下，利于運維人員快速響應，進一步實現(xiàn)一體化、智慧化的城市軌道交通應用場景。

自動售檢票系統(tǒng)（Automatic Fare Collection，AFC）可融合至信號系統(tǒng)，如AFC 系統(tǒng)利用統(tǒng)一云平臺和大數(shù)據(jù)算法，篩選出乘客通行時間的峰谷值并遠程打開或關(guān)閉售票設備、安檢設備及票檢設備，同時信號系統(tǒng)對來自AFC 系統(tǒng)的客流信息進行定義，匹配列車時刻表和列車編組信息，開發(fā)實現(xiàn)4/6/8 編組列車運營混跑的機制判斷、突發(fā)應急事件的行車控制、快慢車計劃的干預、時刻表預先編制及列車數(shù)量優(yōu)先安排等功能。而當信號系統(tǒng)跳停本站或者故障列車影響載客時，信號系統(tǒng)可以發(fā)送關(guān)閉AFC 系統(tǒng)的售票設備、安檢設備及票檢設備的命令，提高乘客的人機交互體驗感。實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，一體化、智慧化運營的目的。

乘客信息顯示系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）可融合至信號系統(tǒng)，目前PIS 系統(tǒng)可部署在統(tǒng)一云平臺內(nèi)，融合后的系統(tǒng)利用前述章節(jié)的列車運行控制系統(tǒng)和車輛智慧運維管理系統(tǒng)將更好地為乘客提供便捷、安全、舒適的服務。涉及列車到站時間、時刻表信息、火災阻塞、緊急疏散、區(qū)間通風、視屏監(jiān)控及緊急呼叫等聯(lián)動場景功能的應用，如區(qū)間火災，信號系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測信息智慧選擇列車越過區(qū)間火災區(qū)域或者返回前站站臺緊急疏散。融合后PIS 系統(tǒng)將及時地與乘客交互信息，安撫乘客情緒，做好個人安全防護。

3 機電設備招標管理優(yōu)化

目前，軌道交通機電設備專業(yè)分類較多，對甲方業(yè)主來說，在承發(fā)包階段，考慮各專業(yè)工作接口界面較多，不利于建設管理；在設計開發(fā)階段，隨著全自動運行系統(tǒng)線路的發(fā)展，一體化、智慧化的運營場景需求在增加，各專業(yè)機電設備功能的可靠性、安全性要求在提高，安全評估需求在增加；在項目執(zhí)行階段，多專業(yè)接口功能和運營聯(lián)動場景需要一致性協(xié)調(diào)方參與協(xié)調(diào)管理；在運營維護階段，對于接口問題的故障處理難以準確定位，投入人力資源成本多。

綜上所述，各專業(yè)機電設備采購及服務招標方式由單獨招標優(yōu)化為總承包管理后，由SIL4 的信號系統(tǒng)作為總承包方進行一體化管理，將減輕甲方業(yè)主的建設管理壓力，利于建設項目的順利執(zhí)行。經(jīng)過調(diào)研，已有部分城市的招標由信號系統(tǒng)集成商總承包管理多專業(yè)機電設備采購及服務，如蘭州地鐵2 號線將專用通信系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、技術(shù)防范系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、ISCS 系統(tǒng)以及AFC系統(tǒng)共同招標；廈門地鐵4 號線和6 號線將信號系統(tǒng)、ISCS 系統(tǒng)、線網(wǎng)云平臺共同招標。

鑒于本方案前述第2 章節(jié)各專業(yè)機電設備融合或整合項點，乙方總承包方信號系統(tǒng)進行管理后，推薦的基本招標范圍包括信號系統(tǒng)、列車運行控制系統(tǒng)、站臺門控制系統(tǒng)、車輛智慧運維管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、AFC 及PIS，也可根據(jù)甲方業(yè)主的需求靈活調(diào)整。

4 結(jié)語

本文探析多專業(yè)機電設備系統(tǒng)技術(shù)融合與機電設備招標管理優(yōu)化，城市軌道交通多專業(yè)機電設備系統(tǒng)發(fā)展將更好地符合國家一體化、智慧化的發(fā)展戰(zhàn)略。

隨著5G 通信、人工智能、云平臺及大數(shù)據(jù)算法等新型技術(shù)將不斷地從非關(guān)鍵系統(tǒng)向關(guān)鍵系統(tǒng)應用到城市軌道交通行業(yè)，信號系統(tǒng)作為關(guān)鍵SIL4 系統(tǒng)，不斷契合及發(fā)展自身很有必要。從軟件技術(shù)、硬件技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)3 個維度和信息安全角度，考慮與其他機電設備系統(tǒng)的融合或整合，信號系統(tǒng)融合多專業(yè)機電設備一體化未來還有很大的發(fā)展空間。