青藏鐵路列控系統(tǒng)國產(chǎn)化研究

鮑才讓太

為了減少軌旁設備，采用衛(wèi)星定位技術(shù)和無線通信方式構(gòu)建信號系統(tǒng)越來越受到各國的重視。美國GE公司的ITCS及法國ALSTOM的ATLAS400都是采用衛(wèi)星定位的列車控制系統(tǒng)。目前格拉線列控系統(tǒng)采用GE公司的ITCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于衛(wèi)星定位和GSM－R通信技術(shù)的虛擬閉塞控制，大大減少了區(qū)間軌旁設備。ITCS系統(tǒng)由通信系統(tǒng)、中心設備、軌旁設備及車載設備構(gòu)成，是分布式列控系統(tǒng)，采用虛擬閉塞技術(shù)，其核心的VHLC、RBC和車載設備完成了車站聯(lián)鎖、車－地信息處理和列車控制等核心控制功能。

然而，由于ITCS開發(fā)較早，并不符合ETCS或CTCS技術(shù)標準，地面和車載設備硬件單套配置沒有冗余，系統(tǒng)缺乏后備模式，操作界面不友好，股道有效長占用多，沒有實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，這些都使ITCS系統(tǒng)難以在國內(nèi)繼續(xù)優(yōu)化和推廣。

自2008年開始，由青藏鐵路公司牽頭，我國開啟了青藏鐵路信號系統(tǒng)國產(chǎn)化研究，為實現(xiàn)替代ITCS的目標，進行了大量研究工作，提出了具體的解決方案并開發(fā)了相應的設備。

1 列控系統(tǒng)特殊需求及國產(chǎn)化方案

為適應青藏鐵路特殊的地理和氣候環(huán)境，保證列車的安全運行，其列控系統(tǒng)需要具備的技術(shù)特點包括：設備高可靠無人值守；設備采用成熟先進技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，維修工作量小，適應高海拔和低溫環(huán)境；設備應具備完善的診斷監(jiān)測功能；較少的軌旁設備和能耗；較強的抗災能力、自恢復功能；較強的抵御外電網(wǎng)波動能力。

為了實現(xiàn)替代ITCS系統(tǒng)的RBC、VHLC及車載設備的目標，克服ITCS系統(tǒng)缺陷，兼顧CTCS技術(shù)標準，國產(chǎn)化的軌旁設備和車載設備應實現(xiàn)下列需求：①實現(xiàn)通信通用化和網(wǎng)絡化；②實現(xiàn)軌旁設備一體化，即利用一套設備完成列控、聯(lián)鎖和進路控制的功能，并具備冗余容錯功能；③開發(fā)基于衛(wèi)星定位和GSM－R通信的列控車載設備，車載設備具備冗余容錯功能，并實現(xiàn)后備模式；④兼容CTCS－4技術(shù)標準，采用集中性的無線閉塞中心設備管理列車運行；⑤操作界面符合國內(nèi)操作習慣，人機界面良好。

圖1 CTCS－LC總體技術(shù)方案

根據(jù)以上需求提出青藏鐵路列控系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)方案 （CTCS－LC）如圖1所示。

青藏線列控系統(tǒng)國產(chǎn)化是由無線閉塞中心（RBC）、光纖通信網(wǎng)絡、GSM－R無線通信網(wǎng)絡、車站一體化軌旁設備、應答器、車載設備及列尾裝置 （EOT）構(gòu)成。車站一體化設備完成CTC、聯(lián)鎖和列控集成功能，控制道岔轉(zhuǎn)轍機、應答器等地面設備。RBC設備主要負責閉塞的安全管理和各種降級運行的情況管理，通過RBC指揮未配備車載系統(tǒng)的列車在此線路上安全運行和在無本地聯(lián)鎖小站的調(diào)車作業(yè)。列尾設備 （EOT）被用于向系統(tǒng)提供故障安全的列車完整性信息，使系統(tǒng)能夠以此評定列車的完整性。無線閉塞中心 （RBC）是最重要的系統(tǒng)，是列車控制的核心。列車在運行過程中不斷地和RBC保持通信，向上傳送列車運行位置和狀態(tài)信息同時下載列車運行所必須的重要數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)、列車任務數(shù)據(jù)等。

2 列控系統(tǒng)國產(chǎn)化方案顯著特點

2．1 通用網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

通過改進網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，以雙網(wǎng)冗余的方式設計安全網(wǎng)絡，替代了ITCS基于串行通信的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)可用性大幅提高。改進后的車站網(wǎng)絡如圖2所示。

圖2 改進后的車站局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2．2 一體化的軌旁設備

一體化的軌旁設備可以有效減少設備數(shù)量，降低造價，提高設備的可維護性。由于青藏鐵路屬于低密度鐵路，大多車站站型較為簡單，列車數(shù)量較少，區(qū)間設備很少，因此，采用一體化的解決方案是可行的。

目前我國軌旁設備分工還是比較明確的。一般情況下，進路控制由調(diào)度集中設備管理，車站聯(lián)鎖由聯(lián)鎖設備管理，列控信息由列控中心進行控制。因此，要把這三個設備統(tǒng)一起來，實現(xiàn)一體化，其難度是可想而知的。由于我國目前調(diào)度集中采用的是分散自律型調(diào)度集中系統(tǒng)，其車站自律功能較為復雜，因此，在一體化方案中還是采用將自律功能和聯(lián)鎖列控功能進行隔離的技術(shù)方案；在不采用分散自律系統(tǒng)的線路，可以取消CTC功能模塊，將功能融入聯(lián)鎖列控設備。一體化軌旁設備的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌旁一體化設備示意圖

一體化的軌旁設備應具有下列功能：和CTC中心通信，接收進路控制命令和列車運行計劃，上傳車站信號狀態(tài)信息；自律控制；采集車站信號、道岔及軌道電路狀態(tài)信息；進行聯(lián)鎖計算；控制信號及道岔；控制列控信息的發(fā)送。

2．3 RBC集中設置

不同于ITCS系統(tǒng)，國產(chǎn)化的列控系統(tǒng)將采用集中式的RBC方案，將進一步減少軌旁設備和系統(tǒng)的復雜性。

車站一體化設備和中心RBC均采用2×2oo2冗余計算結(jié)構(gòu)，可以有效保證設備的可靠性和計算的安全性，克服了ITCS、車站RBC和VHLC單機配置的缺點。

RBC和車載的通信將盡可能保持和CTCS技術(shù)規(guī)范一致，打造CTCS－4級列控系統(tǒng)。

2．4 車載系統(tǒng)冗余配置

車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其外部接口主要包括：車載系統(tǒng)OBC與列尾系統(tǒng)串行接口、車載系統(tǒng)OBC與GSM－R設備串行接口、車載系統(tǒng)OBC與GPS定位設備串行接口、車載系統(tǒng)OBC與列車接口單元信號接口 （包括采集機車手柄位接口、采集制動開關(guān)信息的接口、輸出安全制動接口等）、車載系統(tǒng)OBC與速度傳感器信號接口、車載系統(tǒng)OBC與LKJ接口設備的RS－422接口。

車載系統(tǒng)的內(nèi)部接口主要包括：車載系統(tǒng)OBC與車載系統(tǒng)DMI的網(wǎng)線接口。車載系統(tǒng)冗余配置為2×2oo2或3取2冗余結(jié)構(gòu)，通過與其他設備的連接獲得控車所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，再計算獲得控車曲線，按照計算出的控車曲線對列車進行控制，在緊急情況下向機車輸出制動指令保護列車安全運行。

圖4 車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 列控系統(tǒng)國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)

3．1 虛擬閉塞技術(shù)

虛擬閉塞技術(shù)是通過集中管理列車狀態(tài)，實現(xiàn)對線路資源的高效率安全分配過程。線路資源是指線路的某個區(qū)段、某個道岔。每種資源均與唯一的電子路簽相對應，如圖5所示。

圖5 資源與路簽對應圖

可用的電子路簽被RBC設備內(nèi)的路簽 “郵箱”所掌握，用戶要占用線路資源必須向RBC提出申請。電子路簽的用戶是指車載設備或由RBC實時建立的虛擬用戶 （未配備車載系統(tǒng)的列車、車載設備發(fā)生故障的列車、冷藏車或者?？寇囕v，或在線路上作業(yè)的員工）。RBC與用戶的計劃任務數(shù)據(jù)庫相比較，用戶在需要使用或者保留與該電子路簽有關(guān)的線路資源時，要求電子路簽發(fā)送到 “郵箱”。電子路簽由RBC系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖運算，才能決定能否向提出申請的用戶提供路簽，系統(tǒng)具有對2個用戶同時申請同一路簽如何評定優(yōu)先的功能。

一旦用戶可以被系統(tǒng)安全地評定為不再使用路簽相對應的資源后，則由用戶向相應的 “郵箱”返還電子路簽。對于車載設備而言，這意味著只有在列車的安全尾端已經(jīng)通過了與該電子路簽對應的資源限界后，才可以將位于該列車 “后方”的電子路簽返還給 “郵箱”。

除此之外，系統(tǒng)在其一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)致命故障后，造成路簽丟失，可被系統(tǒng)緊急檢測出。因為路簽的唯一，重新生成路簽是絕對需要的，具體實施是通過調(diào)度中心RBC設備來完成。系統(tǒng)能夠在重新發(fā)出 “已丟失”的電子路簽之前進行必要的核對，確保系統(tǒng)擁有路簽的唯一性。

3．2 列車定位技術(shù)

傳統(tǒng)的列車定位系統(tǒng)是以車載感應器 （車輪傳感器和雷達）為基礎(chǔ)，根據(jù)安裝在軌旁的應答器（或同類的設備）所對應地面的絕對坐標位置，向列車提供坐標信息。這些地面基準點因使用傳感器的不同，需要按照用途分別設置，以便能夠糾偏和消除由于時間和距離對列車定位系統(tǒng)產(chǎn)生的累積誤差。

國產(chǎn)化信號控制系統(tǒng)的列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)是基于GNSS列車定位系統(tǒng)，采用Kalman濾波器技術(shù)獲得安全定位。該技術(shù)將衛(wèi)星信號和來自諸如加速度計、輪對傳感器、雷達或陀螺等精密儀器產(chǎn)生的位置信息融合在一起，對列車實施定位。

國產(chǎn)化系統(tǒng)所采用的列車定位方案既可用于列車檢測 （可靠的列車檢測），也可用于列車故障－安全控制。這種定位方案依靠的是準確的車載線路安全數(shù)字地圖；通過與車站一體化系統(tǒng)的信息交換，對有關(guān)的列車運行路線進行逐步確定。實際上，當列車行駛在股道或咽喉區(qū)時，僅就衛(wèi)星定位的準確度而言，為考慮系統(tǒng)識別列車具體所在股道的位置，需要增加昂貴的額外傳感器，否則就不能實時確定列車當前在哪條股道上以所要求的安全等級進行運行。

國產(chǎn)化系統(tǒng)采用的方案是，車載設備通過與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的無線信息交換，對道岔位置進行監(jiān)測，準確掌握列車運行的股道。在國產(chǎn)化系統(tǒng)中，速度是在車載測速傳感器的基礎(chǔ)之上，通過對載波相位測量處理得到的，它可以有效估算接收的衛(wèi)星信號多普勒頻率的差異。與衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信息冗余，能夠再次確定列車速度的置信間隔。

3．3 列車的完整性檢查技術(shù)

安裝有軌道電路的區(qū)段，設備能夠檢測到列車的完整性，若列車斷鉤丟失車輛，不會影響到系統(tǒng)的安全。對未安裝有軌道電路的區(qū)段，國產(chǎn)化系統(tǒng)采用列尾裝置作為列車完整性檢查裝置。列尾設備將監(jiān)測列車制動管中的壓力，同時也將測量列車運動的速度和列車位置。

當前的制動壓力、運動速度、位置信息均由列尾裝置通過無線通信方式向機車發(fā)送。列車完整性機車信息接收單元，接收到標有日期的關(guān)于 “列尾制動壓力”和 “列尾運動速度、位置”信息后，將它們與在機車前端測量的有關(guān)數(shù)據(jù)相比較，計算出第一個列車完整性狀態(tài)的數(shù)據(jù)，再采用 “前端”和“尾端”列車運動速度、列車位置數(shù)值計算出第2個列車完整性狀態(tài)的數(shù)據(jù)。這2個數(shù)據(jù)是相互獨立的。將這2個數(shù)據(jù)通過車載安全計算機OBC輸入／輸出板提供給OBC，然后在故障－安全的環(huán)境中對數(shù)據(jù)表決，對列車完整性進行判別分析，向列控系統(tǒng)提供故障安全的列車完整性數(shù)據(jù)。

為克服400MHz電臺抗干擾能力弱的缺點，列尾裝置擬采用GSM－R網(wǎng)絡，通過GPRS技術(shù)，實現(xiàn)通信，也可以通過安裝計軸設備予以補充。

4 應用展望

青藏線列控國產(chǎn)化技術(shù)方案 （CTCS－LC）采用基于衛(wèi)星定位的虛擬閉塞技術(shù)，通過減少軌旁設備，實現(xiàn)了低成本和易維護的設計目標。由于設計過程中側(cè)重和現(xiàn)有CTCS－4級標準的兼容，因而不僅可以有效滿足青藏線的應用要求，而且可以適用于廣大的西部鐵路，具有很好的應用前景。

青藏鐵路列控國產(chǎn)化技術(shù)不僅可以實現(xiàn)對ITCS的替換，有效提升運輸效率和安全，而且進一步補充完善了CTCS－4級標準，對未來CTCS－4級標準設備在我國，尤其是西部鐵路的應用做出了重要的嘗試。

［1］ 中華人民共和國鐵道部運輸局．無配線車站信號系統(tǒng)技術(shù)方案［S］．2009．