基于北斗衛(wèi)星技術川藏鐵路列控系統(tǒng)展望與思考

李 強

(中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610081)

川藏鐵路沿線具有地質(zhì)條件復雜、生態(tài)條件惡劣、基礎設施分布少、不適宜人居住等特點。根據(jù)國內(nèi)智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略及CTCS級列控系統(tǒng)總體規(guī)劃，研究基于移動閉塞川藏鐵路CTCS-4級列車運行控制系統(tǒng)，在確保安全前提下，可大大縮短列車追蹤間隔，提高川藏鐵路運輸效率，簡化設備地面軌旁設備，減少現(xiàn)場維護工作。

1 青藏鐵路列車運行控制系統(tǒng)概況

青藏鐵路信號系統(tǒng)是采用基于GSM-R與GPS衛(wèi)星差分定位技術的單線雙向虛擬自動閉塞的ITCS（International Train Control System）增強型列車控制系統(tǒng)。ITCS系統(tǒng)由中心設備（CTC調(diào)度中心、維護中心）、車站設備（計算機聯(lián)鎖車站、VHLC車站）、車載設備（車載計算機、列尾）、通信網(wǎng)絡（數(shù)字通信網(wǎng)絡、GSM-R）等組成，系統(tǒng)結構如圖1所示[1-2]。

圖1 ITCS系統(tǒng)結構Fig.1 ITCS system structure

2 川藏鐵路與青藏鐵路情況分析

川藏鐵路具有地質(zhì)環(huán)境更惡劣、建設難度更大、速度等級更高、動車與客貨車混合運行、行車密度大、運輸更繁忙、列車追蹤間隔小等特點，如表1所示。這些對川藏鐵路信號基礎設施智能化、信息化、維修養(yǎng)護、應急管理等提出更大挑戰(zhàn)，要求川藏鐵路列控系統(tǒng)具有安全可靠、智能化程度高、軌旁設備簡單、維護少、免維護等特征，適應高原山區(qū)鐵路的特殊環(huán)境。

表1 青藏鐵路與川藏鐵路基本情況分析Tab.1 Basic situation analysis of Qinghai-Tibet railway and Sichuan-Tibet railway

3 川藏鐵路列車運行控制系統(tǒng)

鑒于川藏鐵路特殊高原復雜地理環(huán)境，借鑒青藏鐵路ITCS系統(tǒng)成功運行的豐富經(jīng)驗，川藏鐵路信號系統(tǒng)采用基于北斗衛(wèi)星導航的列車自主定位技術，利用新一代鐵路專用移動通信系統(tǒng)5G-R的無線傳輸平臺，實現(xiàn)精準列車定位的移動閉塞，適用川藏鐵路時速200 km客貨混跑的CTCS-4 級智能列車運行控制系統(tǒng)[3]，實現(xiàn)列車運行控制的全面感知、安全運行、移動追蹤、高可靠性、少維護的目標[4]。

3.1 系統(tǒng)組成及主要功能

列車運行控制系統(tǒng)主要由中心設備、車站設備、車載設備3部分組成，采用鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡平臺、鐵路專用移動通信系統(tǒng)5G-R、北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，全線區(qū)間不設軌道電路、信號機、應答器等軌旁設備。

中心設備: RBC負責管理列控數(shù)字軌道地圖庫，利用5G-R無線通信平臺，完成列車精準定位、移動授權計算、行車許可生成、移動閉塞、臨時限速管理等功能。北斗差分服務器管理北斗衛(wèi)星差分基準站，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星的差分定位功能，并負責向北斗應用服務平臺提供服務。調(diào)度集中CTC中心設備下達調(diào)度指揮計劃、聯(lián)鎖集中控制指令、列控限速命令等，融合GIS 技術實現(xiàn)智能調(diào)度指揮。

車站設備：包括列控聯(lián)鎖一體化車站、區(qū)域控制車站、調(diào)度集中CTC車站設備、信號集中監(jiān)測設備、北斗衛(wèi)星差分基準站等。列控聯(lián)鎖一體化車站完成有人值守車站列控、聯(lián)鎖等功能，設有信號機。區(qū)域控制車站完成無人值守車站列控、聯(lián)鎖等功能，不設信號機。同時利用北斗衛(wèi)星差分基準站、車站進站口設置有源應答器等，提高列車車站定位精度[5]。

車載設備：包括車載安全計算機、5G-R無線通信單元、北斗定位單元（車頭、車尾）等。車載安全計算機完成列車超速防護功能（ATP）、列車自動駕駛功能（ATO）。5G-R無線通信單元通過車載電臺與地面RBC設備建立車地間大容量連續(xù)雙向通信通道，實現(xiàn)車地信息安全通信。北斗定位單元采用北斗衛(wèi)星差分及多傳感器組合的定位技術，提高列車定位精度，并在車尾安裝北斗定位單元，建立機車與列尾間無線通信鏈路，實現(xiàn)列車完整性檢查[6]。

3.2 北斗衛(wèi)星技術

采用北斗衛(wèi)星定位技術，實現(xiàn)高精度列車定位、軌道區(qū)段占用檢查、列車完整性、列車連續(xù)性檢查，大大提升車-地通信、車-車通信傳輸信息量，實現(xiàn)具有閉環(huán)控制、安全高效功能的移動閉塞，取消區(qū)間軌道電路、信號機、應答器，大大減少軌旁設備，實現(xiàn)設備互操作性和安全性，大大降低設備成本，減少現(xiàn)場維護工作量 。

3.2.1 基于北斗-慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）多傳感器組合鐵路站場列車定位技術

利用北斗衛(wèi)星采集站場的道岔、信號機、股道、區(qū)段、車站中心等目標的經(jīng)度、緯度、高差等離散、無規(guī)律的數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標系轉(zhuǎn)換為鐵路信號系統(tǒng)可識別的公里標位置信息。通過地圖匹配法，將衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與列控數(shù)字軌道地圖庫匹配，利用北斗- INS組合定位，輔助里程計、測試電機、多普勒雷達等傳感器，結合進站口有源應答器校準技術，準確計算出列車在站場的具體位置，可以提高列車定位的精度和完整性[7]。

3.2.2 基于北斗組合定位虛擬應答器（Virtual Balise）技術

基于北斗組合定位技術，通過軟件處理北斗衛(wèi)星組合定位單元的導航信息，匹配列控數(shù)字軌道地圖庫，實現(xiàn)區(qū)間虛擬應答器定位功能，提高列車定位的精度和完整性。虛擬應答器與列控系統(tǒng)標準定義的列控車載設備規(guī)范兼容，功能可以完全替代真實的應答器，無需軌旁布置應答器，降低區(qū)間鋪設大量軌旁設備成本和現(xiàn)場維修養(yǎng)護，非常適合高原鐵路的現(xiàn)狀[8-9]。

3.2.3 北斗路基地段增強及隧道覆蓋增強技術

1）北斗路基地段增強技術

在鐵路沿線車站不超過60 km分別布置北斗衛(wèi)星差分基準站，連續(xù)觀察、接收覆蓋范圍內(nèi)所有可見北斗衛(wèi)星信號，通過鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，接入冗余設置的北斗衛(wèi)星差分服務器。差分服務器利用接收的數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的差分改正、完好性信息，通過5G-R網(wǎng)絡發(fā)送給對應的無線閉塞中心RBC。RBC根據(jù)當前列車位置，把相應差分改正、完好性信息發(fā)送給列車，以提高列車導航定位精度和完整性，同時差分服務器將衛(wèi)星信息實時發(fā)送給鐵路北斗衛(wèi)星平臺，為智能運營維護、應急通信等提供服務，如圖2所示。

圖2 北斗路基地段增強系統(tǒng)結構示意Fig.2 Structure diagram of Beidou railway bed section enhancement system

2）北斗隧道覆蓋增強技術

北斗隧道覆蓋系統(tǒng)基于北斗導航信號實時再生技術，利用隧道外設北斗衛(wèi)星天線接收衛(wèi)星信號，通過線纜把衛(wèi)星信號由天線傳給基準單元，由間隔布置的中繼單元將北斗信號增強傳送至隧道屏蔽區(qū)域，實現(xiàn)隧道內(nèi)北斗信號增強覆蓋。通過管理單元把系統(tǒng)設備納入網(wǎng)絡系統(tǒng)、北斗應用服務平臺，實現(xiàn)隧道內(nèi)北斗智能運營維護，為應急搶險等提供服務，如圖3所示。

圖3 北斗隧道覆蓋增強系統(tǒng)結構示意Fig.3 Structure diagram of Beidou tunnel coverage enhancement system

利用北斗隧道覆蓋增強系統(tǒng)，通過鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡將管理單元與相鄰車站的基準差分站及差分服務器將信號發(fā)送至無線閉塞中心RBC，提高了列車在隧道屏蔽范圍內(nèi)的導航定位精度和完整性。

3.2.4 基于北斗衛(wèi)星+地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）調(diào)度指揮技術

北斗衛(wèi)星具有定位、導航、短報文等功能，GIS以地理空間信息庫為基礎，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、運算、分析、管理、顯示等功能。建立鐵路線路空間信息庫，利用北斗衛(wèi)星+GIS技術，納入調(diào)度指揮系統(tǒng)，可以為運輸人員提供列車運行軌跡、線路運行環(huán)境狀態(tài)等綜合信息，在行車指揮、故障處置、應急搶險時提供智能導航、可視化的地理信息數(shù)據(jù)、應急資源數(shù)據(jù)，為智能調(diào)度指揮提供強有力的技術支撐。

3.2.5 基于北斗衛(wèi)星時鐘同步技術通過北斗時鐘同步系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星實現(xiàn)時鐘同步，為川藏鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)、列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)、無線閉塞中心、臨時限速服務器、列控車載設備、信號集中監(jiān)測系統(tǒng)等進行全面授時，確保時間統(tǒng)一準確，消除行車作業(yè)帶來安全隱患。

3.3 鐵路專用移動通信系統(tǒng)(5G-R)車地雙向傳輸技術

5G-R技術能實現(xiàn)車地間大容量雙向無線通信，提高車地間通信傳輸帶寬和傳輸可靠性指標，具有安全、高效、便于維護特點，能提供列車運行控制、鐵路行車指揮、列車安全防護和預警、列車自動駕駛、動車組及機車運行狀態(tài)監(jiān)測、地面基礎設施狀態(tài)監(jiān)測、應急通信等業(yè)務，滿足川藏鐵路行車運用、智能運營維護、旅客服務3大類應用業(yè)務的需求[10]。

3.4 全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)

全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)是將列控中心和聯(lián)鎖集成一體化的系統(tǒng)，實現(xiàn)車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞及有源應答器控制等功能，推動列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)向著簡潔、集中、安全、統(tǒng)一化的方向發(fā)展，適合川藏鐵路的特殊環(huán)境，系統(tǒng)構架如圖4所示[11]。主要優(yōu)點如下。

圖4 列控聯(lián)鎖一體化車站系統(tǒng)結構Fig.4 Structure diagram oftrain control& interlocking integrated station system

1）減少列控中心與聯(lián)鎖系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互，消除數(shù)據(jù)畸變，提高通信效率；列控聯(lián)鎖一體化后能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠鼗匦?，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時性；優(yōu)化列控、聯(lián)鎖信號系統(tǒng)架構、減少系統(tǒng)間接口；減少系統(tǒng)維護工作量，便于現(xiàn)場維護。

2）采用電子執(zhí)行單元取代傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行層的I/O驅(qū)采電路和繼電器，設置道岔轉(zhuǎn)轍機單元、信號機單元、應答器單元、接口單元等，取消了機械室大部分繼電器組合架及繼電器設備，具有設備簡單且高度集中、機械室占地面積小、節(jié)省設備投資、縮短施工周期，大大減少現(xiàn)場維護工作量。同時全電子列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)采用專用監(jiān)測網(wǎng)絡，具備智能的維護診斷功能，有利于實現(xiàn)列控系統(tǒng)向著更高的智能化、網(wǎng)絡化、信息化方向發(fā)展。

3.5 智能化目標控制器

分布式全電子列控聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行單元與智能目標控制器結合，將智能目標控制器分散設置于軌旁，通過總線控制技術納入咽喉區(qū)域控制器控制，采用光纜以安全通信的方式與車站列控聯(lián)鎖系統(tǒng)連接通信，執(zhí)行列控聯(lián)鎖命令，完成對軌旁的轉(zhuǎn)轍機、信號機、應答器等現(xiàn)場信號設備的控制、監(jiān)測功能[12]，如圖5所示，主要優(yōu)點如下。

圖5 目標控制器布置示意Fig.5 Layout of object controller

軌旁控制設備可靠性高、小型化、占用空間小，且大大減少信號機械室面積，適合有人值守的列控聯(lián)鎖車站和無人值守區(qū)域控制站。在保證設備安全可靠的前提下，將室內(nèi)外間大量電纜變?yōu)樯倭侩娎|和光纜，實現(xiàn)由電氣傳輸改進為光傳輸，可顯著擴展傳輸距離，降低傳輸成本。同時，減少了室外的控制和通信電纜，消除電纜混線的安全隱患，提升系統(tǒng)的防雷性能。實現(xiàn)鐵路信號軌旁設備的控制命令發(fā)送、采集信息接收和通信管理等功能，易于實現(xiàn)軌旁信號設備的智能化、數(shù)字化水平，有利于實現(xiàn)車站聯(lián)鎖及信號系統(tǒng)的智能化。能大大縮短施工周期，減少現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試和維護時間。

4 工作展望

提前構建列控數(shù)字軌道地圖庫標準，研究站內(nèi)虛擬信號機、虛擬軌道電路、虛擬電碼化、虛擬應答器等融合發(fā)展的列控聯(lián)鎖技術，實現(xiàn)車站列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)軌旁設備的虛擬化、稀疏化，進一步提升列控系統(tǒng)設備安全性、智能化、數(shù)字化、信息化水平，符合新一代智能列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢。

及早研發(fā)既適用CTCS-4級的動車組列控車載設備，又滿足CTCS-4級運行普通機車、軌道車等不同車型的列控車載設備，合理配置降級后備模式，滿足動車組、客貨機車兼容不同等級線路，實現(xiàn)列車跨線運行、與路網(wǎng)兼容的要求。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)支持短報文通信技術特點，研究北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為列車后備車地通信技術方案，在5G-R網(wǎng)絡中斷等故障情況下車地通信應急恢復，無縫支持混合運營模式。

建立川藏鐵路新一代列控系統(tǒng)安全評估機制，正確處理智能化、信息化、數(shù)字化與安全的關系，在確保列控系統(tǒng)安全可靠前提下，經(jīng)科學充分論證后，穩(wěn)步實現(xiàn)列控系統(tǒng)的智能化、信息化、數(shù)字化，滿足鐵路運輸生產(chǎn)需要。

5 結束語

提前研究川藏鐵路新一代智能列車運行控制系統(tǒng)，適應高原山區(qū)鐵路“安全可靠穩(wěn)定、技術先進智能、設備結構簡單、軌旁設備少、維修養(yǎng)護簡便”的要求，非常具有現(xiàn)場指導意義。