李中浩 | 城市轨道交通 CBTC 互联互通发展趋势及建议

xusl2 2018-08-08

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本文作者：李中浩中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会副主任，教授级高级工程师

《城市轨道交通研究》第5期特稿-发展与期望

《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》中明确要求：充分发挥城市轨道交通在城市公共交通中的骨干作用，超大城市和特大城市应积极建设城市轨道交通网络，优化轨道交通功能层次，符合条件的大城市，应当结合城市发展和交通需求，因地制宜地建设城市轨道交通系统，构建覆盖主客流走廊的城市轨道交通骨架［1］。截至 2016 年末，中国大陆地区（不含港澳台）共有 58 座城市（含地方政府批复的 14 座城市）的城轨建设规划获批，可研批复投资累计 34 995.4 亿元，规划线路总长达 7 305.3 km。在建、规划线路规模进一步扩大，投资额持续增长，建设速度稳健提升［1-2］。在新一轮的城市轨道交通建设中，网络化运营的 CBTC（基于通信的列车控制）互联互通系统是其显著特点。

1 互联互通 CBTC 系统的发展背景

1.1 城市轨道交通建设存在的问题

城市轨道交通经历上百年的发展，各方面、各专业都已形成体系，且比较成熟，但随着时间的推移，一些问题也逐渐显现出来，例如：客流分布不均衡，各条线路独立运营，线路富余运能无法被利用；乘客只能通过车站换乘，无法满足快速、直达的出行需求；线网中车站、车辆、信号、供电、车场等资源共享率低，资源未得到充分利用；换乘客流占上下车客流比例高（ 65% ~ 82%），换乘站客流组织压力大，存在安全隐患，增大车站规模也难以从根本上解决换乘压力。

1.2 互联互通 CBTC 系统

为了解决目前城市轨道交通的问题，结合国外城市轨道交通的发展经验，基于网络化运营设计的互联互通思想应运而生。该思想既有利于实现资源合理分配，又能系统化提高服务水平；既弥补单线独立运营带来的很多不足，又可避免运营后再花时间和精力改造线路和车站［2］。

1.2.1 互联互通 CBTC 系统的必要性

从城市规模角度考虑，互联互通 CBTC 系统的重要性主要体现在两个方面：

①符合特大城市区域轨道交通发展的要求，特大城市 30 ~ 70 km 圈内，形成了大量的通勤客流，互联互通 CBTC 系统可提高线路和设备利用率，形成网络化行车和客运组织；

②符合中小城市轨道交通的要求，城市中心区需要高频率的服务，市郊需要较高旅行速度和延长运营时间的服务。除此以外，对于城市轨道交通建设单位，互联互通 CBTC 系统也很有必要，例如共享车辆段、多线共轨运行、定制运行线路、分段建设和增购车辆、资源共享和调配、降低培训成本、网间运营等。

1.2.2 国内外城市轨道交通互联互通现状

互联互通技术在国内外已进行了几十年的探索和尝试，以典型城市为例，北京基本是单线运营，互联互通还没有实现；上海、香港实际采用同一家的信号系统平台来实现共线运营；巴黎轨道交通基本实现了车辆、信号、线路的互联互通；柏林的 S-Ban 系统在市区段采用多线共轨运行模式，实现共线运营［2］；纽约至今未达到互联互通的投运条件。

1.2.3 互联互通实现途径

从国内外城市轨道交通互联互通发展现状可知，目前世界上实现互联互通有 5 种处理方式［4］：

（ 1）采用同一厂商相同制式的信号系统；

（ 2）加装多套信号车载设备；

（ 3）加装多套信号地面设备；

（ 4）采用通用的信号车载设备；

（ 5）基于统一规范标准的信号互联互通设备配置。

采用第五种方法，能够保护各制造商的知识产权与核心技术，有利于形成健康的产业链，但这种方式实现起来也是技术难度最大的。

1.2.4 互联互通关键难题

要实现基于统一规范标准的信号互联互通，面临三个关键技术难题：

①各个信号厂商的 CBTC 系统是独立开发和设计的；

②基于统一接口规范实现互联互通，无成熟经验可参考；

③不同厂商的 CBTC 系统互联互通以后引进新的危险源，如何确保其可靠性。如图 1 所示。

1.3 互联互通工程背景

针对重庆轨道交通第一轮建设过程中存在的问题，重庆轨道交通（集团）有限公司在规划二期工程 4、5、10 号线及环线（共 4 条线路，长 168 km）时，采用互联互通标准建设，并向国家发展和改革委员会申请国家示范工程项目。

2 国家示范工程项目

2.1 重庆轨道交通 CBTC 互联互通实现方式

国家发展和改革委员会的三年行动计划将重庆轨道交通互联互通工程中的难点—— —CBTC 互联互通列为国家示范工程项目，并要求中国城市轨道交通协会（以下简为“中城协”）组织编写 CBTC 互联互通规范及 LTE-M（ LTE for Metro）规范。针对重庆工程项目，重庆轨道交通（集团）有限公司组织编写了重庆轨道交通列车控制系统标准（ CQTCS）。重庆轨道交通二期工程中标的各信号厂商参与了重庆轨道交通 CBTC 互联互通规范编写，并依据行业 CBTC 互联互通规范及重庆地方规范，进行具有自主知识产权的互联互通 CBTC 信号系统的开发和应用。

2.2 重庆轨道交通 CBTC 互联互通示范工程目标

重庆轨道交通二轮建设的 CBTC 系统采用四条线四家供货厂商，各线路间可实现共线、跨线运营，提高资源共享水平和网络化运营水平。示范工程目标分为两个阶段： ①2017 年 5 号线、10 号线开通，实现共线运营；②2018 年 4 号线和环线开通，实现跨线运营。重庆轨道交通 CBTC 互联互通示范工程肩负 4 个主要任务：①攻克 CBTC 互联互通关键技术并研制出 4 家互联互通 CBTC 的产品；②实现自主化信号系统的创新应用、工程示范应用和网络化运营组织管理；③搭建互联互通系统测试验证平台；④编制 CBTC 互联互通技术规范体系并用实际工程验证。

2.3 重庆轨道交通互联互通线路和工程条件概述

重庆轨道交通二期工程规划了 4、5、10 号线及环线 4 条线（设置 4 个联络线），4 条线路概况如表 1 所示。

2.4 重庆轨道交通 CBTC 互联互通技术线路

重庆轨道交通 CBTC 互联互通的技术实现是：根据中城协牵头制定的 CBTC 互联互通技术规范，如接口规范、测试规范等，各信号厂家按照互联互通规范开发产品，并在交叉测试平台进行交叉测试和反复验证，测试通过的软件产品发布到工程项目应用。同时，针对交叉测试或工程项目过程中出现的问题，中城协制定了修订规范的流程。重庆轨道交通互联互通技术路线示意图如图 2 所示。

2.4.1 重庆轨道交通 CBTC 互联互通技术规范

2015 年 1 月至今，为了编制重庆轨道交通互联互通技术规范，做了大量工作：①组织 4 家技术专题会共计 108 次，形成会议纪要任务项 200 余项；②涉及接口、规范 12 项，更新各个接口、规范累计 300 余次；③参与讨论的人员累计超过 2 300 人次。重庆轨道交通 CBTC 互联互通规范由互联互通技术规范、地方规范、LTE-M 规范三部分组成，如图 3 所示。

（ 1） CBTC 互联互通技术规范。 CBTC 互联互通系列标准分为系统、接口、测试和工程 4 个规范，共 17 个部分。

（ 2）地方规范。 2017 年 2 月，重庆轨道交通（集团）有限公司针对重庆工程发布地方标准 DBJ 50/ T—250—2016 《重庆轨道交通列车控制系统（ CQTCS）标准》。一系列行业 CBTC 互联互通技术规范是 CBTC 互联互通的上位规范，即必要条件，缺一不可；将其结合地方规范，就成为这个城市 CBTC 互联互通的充要条件（如图 4 所示）。

（ 3） LTE-M 规范。 CBTC 互联互通系统的实现，通信平台的互联互通是基础。在国家无线电管理委员会批准 1.8 GHz 专用频段（ 1 785 ~ 1 805 MHz）后，中国城市轨道交通协会启动了 LTE for Metro （ LTE-M）的标准编制。LTE-M 系统标准分总体、接口、设备、测试、工程 5 个规范，共 19 个部分。 2017 年 2 月，《重庆市轨道交通 CBTC 1.8 GHz 车地无线通信系统频率使用方案》获市经委批复（渝经信无管（局）［ 2017］8 号），1 785 ~ 1 790 MHz、1 800 ~ 1 805 MHz 为互联互通车地无线通信专用频段。

2.4.2 重庆轨道交通

CBTC 互联互通产品 CBTC 互联互通产品要满足上述规范，并具备以下功能：①点式功能；②CBTC 功能；③支持共线、跨线运营。

2.4.3 重庆轨道交通互联互通交叉测试

重庆轨道交通互联互通面临的挑战是各信号厂商验证互联互通进行的交叉测试。交叉测试的基础是交叉测试平台，以验证互联互通 CBTC 功能。交叉测试平台在工程实施中的技术保障作用如图 5 所示。

CBTC 信号系统交叉测试平台为工程项目实施提供有力支撑：①验证是否符合 CBTC 互联互通系列标准及重庆轨道交通互联互通工程的功能需求； ②减少对互联互通线路正常开通的影响； ③节省互联互通线路现场测试时间；④提高系统的安全性、可靠性和可用性。

交叉测试平台在工程完工后，可建成第三方 CBTC 互联互通测试平台，成为 CBTC 互联互通产品认证机构的签约实验室，也可作为互联互通 CBTC 的产品研发基地和培训基地。

2.4.4 重庆轨道交通 CBTC 互联互通工程项目

重庆轨道交通互联互通工程项目有 4 条线，在调试过程中，每条线选取 2 个集中区作为样板段，进行室内和现场工作，具体如图 6 所示。

2017 年 8 月 28 日重庆环线列车在 5 号线地面（园博园中心集中区）成功升级 CBTC，是国家互联互通示范工程的重要里程碑，标志着国内 CBTC 互联互通时代的到来及 CBTC 互联互通的关键技术已经取得了突破。

3 建议

3.1 大力推广互联互通 CBTC 制式

网络化运营的互联互通 CBTC 系统从规划、运营等层面都具有重要意义。在规划层面上，实现城市轨道交通的整体规划，降低换乘站的建设规模，通过共用降低车辆段建设规模，降低共用路段建设规模等，以降低城市轨道交通的建设成本；在运营层面上，实现更好的网络化运营，降低培训和维护成本，减少乘客换乘，有效吸引客流，司机和调度人员的路网内共享等，实现资源共享，更好服务人民出行。在城市轨道交通信号领域，国家示范工程项目有两个：一个是重庆的 CBTC 互联互通国家示范工程，另一个是北京燕房线全自动运行系统。将这两个国家级的示范工程有机地结合在一起并加以拓展，就能构成互联互通的 FAO（全自动运行）系统，这是中国城市轨道交通信号系统的发展方向。城市轨道交通建设大致分为三个阶段：网络规划阶段，招投标阶段，同期建设、分期建设。在今后的城市轨道交通建设中，建议如下：

（ 1）网络规划阶段：要将网络化运营互联互通作为考虑因素。

（ 2）招投标阶段：对各专业提出要优先考虑满足互联互通标准要求。

（ 3）同期建设、分期建设：城市轨道交通可能同期建设多条线，也可能分期建设多条线，一定要采用统一标准，便于可持续发展。重庆轨道交通互联互通项目取得的成绩，已引起国内其他城市的关注和应用，如北京、青岛、长沙、贵阳、乌鲁木齐等城市。后续建设网络化互联互通的项目，可分为两种情况：一种为同期建设多条线路，另一种为分期建设多条线路，针对不同情况应该采用不同方法。第一种情况，各条线路在互联互通建设中要定期交流沟通；第二种情况，先建设线路要为后期项目建设的互联互通做好充分准备。

3.2 推进网络化 FAO 系统 FAO 系统

已在北京燕房线得到工程验证，并在 2017 年年底开通。与此同时，互联互通 CBTC 系统也已取得突破性进展。因此，基于网络化和云平台的互联互通 FAO 系统必将成为将来的发展趋势。互联互通的 FAO 系统应是互联互通 CBTC 系统的延伸和升级。 CBTC 互联互通技术规范正在审批过程中。其包含系统、接口、测试和工程 4 个规范，共 17 个部分（如表 2），在重庆示范工程共线运行得到验证后，有望在 2018 年上半年发布。