都市圈市域快線多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)

賈 飛

(中鐵建電氣化局集團第四工程有限公司，410016，長沙∥高級工程師)

1 軌道交通融合發(fā)展概況

日本由于受地域條件的限制，早期就實現(xiàn)了JR(日本鐵路)和地鐵互聯(lián)互通運行。例如中央緩行線—地下鐵東西線及常盤緩行線—地下鐵千代田線，其列控系統(tǒng)是通過加裝多套車載設(shè)備實現(xiàn)對地面列控系統(tǒng)的兼容[1]。倫敦中心城區(qū)隧道線路連接既有的西部和東部郊區(qū)線路，該項目也是通過安裝三套車載系統(tǒng)，實現(xiàn)兼容核心線路CBTC(基于通信的列車控制)、西部線路ETCS(歐州列車控制系統(tǒng))、東部線路TPWS(列車保護和報警系統(tǒng))三種制式的地面列控系統(tǒng)。法國大巴黎地區(qū)郊區(qū)線路及市域快軌(RER)線路采用的列控系統(tǒng)有KVB(列車速度控制系統(tǒng))、SACEM(嵌入式系統(tǒng))。為提高RER線路中心城區(qū)的運能，在RER-E率先采用NExTEO(新東-西線列車運行系統(tǒng))，實現(xiàn)KVB、SACEM等系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)的地面設(shè)備及車載設(shè)備融合，并可實現(xiàn)裝備NExTEO系統(tǒng)車載的列車開行至裝備KVB系統(tǒng)、SACEM系統(tǒng)的線路，實現(xiàn)貫通運營[2]。

上海軌道交通2號線更新改造采用“TBTC( 基于軌道電路的列車控制)+CBTC”雙信號異型冗余方案，實現(xiàn)新建系統(tǒng)兼容既有設(shè)備[3]；重慶地鐵2號線一期(較場口站—天堂堡站)通過增設(shè)車載VOBC(車載控制器)設(shè)備升級至CBTC系統(tǒng)，兼容既有ATP/TD(列車自動保護/列車檢測)系統(tǒng)。

綜上所述，國內(nèi)外針對不同制式列控系統(tǒng)的貫通運營，除大巴黎地區(qū)NExTEO系統(tǒng)采用車地雙向兼容的方案外，其余解決方案主要通過車載設(shè)備疊加增設(shè)方式實現(xiàn)車地單向兼容。

2 CTCS(中國列車控制系統(tǒng))與CBTC系統(tǒng)架構(gòu)及功能對比

國鐵CTCS列控系統(tǒng)以CI(計算機聯(lián)鎖)、TCC(列車控制中心)為核心，采用TDCS(列車調(diào)度指揮系統(tǒng))，設(shè)置TSRS(臨時限速服務(wù)器)及LEU(軌旁電子單元)實現(xiàn)對列車控制及超速防護。信息傳輸以GMS-R(鐵路移動通信系統(tǒng))為主，輔以軌道電路、應(yīng)答器報文等傳輸方式，并設(shè)置集中監(jiān)測系統(tǒng)[4-6]。以珠三角城際鐵路為例，該項目在CTCS列控系統(tǒng)中疊加ATO(列車自動運行)子系統(tǒng)實現(xiàn)列車自動駕駛、站臺門控制等功能，但其ATO模塊仍基本獨立于整體系統(tǒng)工作[7]。CTCS構(gòu)成及子系統(tǒng)間信息流向如圖1所示。

圖1 CTCS構(gòu)成及子系統(tǒng)間信息流向圖

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)CBTC列控系統(tǒng)以CI、ZC(區(qū)域控制器)、ATS(列車自動監(jiān)控)為核心，實現(xiàn)一體化控制及集中調(diào)度，信息傳輸以WLAN/LTE-M(無線局域網(wǎng)/城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))等無線技術(shù)為主。列車定位采用應(yīng)答器和計軸組合方式，并設(shè)置集中監(jiān)測系統(tǒng)[8]。CBTC系統(tǒng)構(gòu)成及子系統(tǒng)間信息流向如圖2所示。

圖2 CBTC系統(tǒng)構(gòu)成及子系統(tǒng)間信息流向圖

相較于國鐵CTCS列控系統(tǒng)，城軌CBTC聯(lián)鎖子系統(tǒng)功能更加豐富，可實現(xiàn)車站區(qū)間一體化控制，集成了站臺門、SPKS(軌旁作業(yè)人員防護開關(guān))、防淹門等一系列接口，ZC整合了ATP/ATO及限速管理等功能。因此較CTCS-2級列控系統(tǒng)集成度更高、信息更豐富、功能更完備。國鐵CTCS和城軌CBTC系統(tǒng)架構(gòu)及功能特點對比如表1所示。

由表1可知，國鐵列控系統(tǒng)和城軌列控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、信息流向、功能邏輯都相似，僅部分模塊功能、傳輸媒介、接口形式有所差異。具體分析如下：

表1 國鐵CTCS與城軌CBTC系統(tǒng)架構(gòu)及功能對比表

1) 線路數(shù)據(jù)存儲及移動授權(quán)方式不同。CTCS-2級列控系統(tǒng)線路數(shù)據(jù)存儲于地面設(shè)備，并通過地面應(yīng)答器及軌道電路向車載設(shè)備發(fā)送目標(biāo)點距離、線路速度和長度、臨時限速等信息，車載ATP據(jù)此計算列車控制曲線。CBTC列控系統(tǒng)由車載設(shè)備保存線路地圖信息，地面ZC通過無線方式向車載設(shè)備發(fā)送走行路徑方向、目標(biāo)點位置、臨時限速等動態(tài)數(shù)據(jù)，車載設(shè)備根據(jù)自身定位自動計算列車移動授權(quán)[9]。

2) 車地通信技術(shù)不同。CTCS-2級列控系統(tǒng)以軌道電路為主要傳輸媒介，疊加ATO模塊后，還需增設(shè)GSM-R通道。傳輸方式方向單一、信道窄、迭代性差。CBTC列控系統(tǒng)傳輸方式以LTE-M/WLAN技術(shù)為主，且具備逐步向5G(第5代移動通信技術(shù))/6G(第6代移動通信技術(shù)) 演進(jìn)的能力，具有傳輸速率高、帶寬大、雙向傳輸、抗干擾能力強、技術(shù)更新?lián)Q代能力快等特點。在通信接口、協(xié)議方面，CTCS-2級列控系統(tǒng)接口相對公開、單一；而CBTC列控系統(tǒng)以各自廠家為技術(shù)牽頭方，接口私有化，難以滿足不同廠家互聯(lián)互通設(shè)計要求。

3) ATO功能及實現(xiàn)方式不同。CTCS-2級列控系統(tǒng)中，ATO作為相對獨立單元可選配，但啟用ATO功能時，需額外開辟GSM-R通道以實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)傳輸，并同步對TCC、TSRS設(shè)備軟硬件配套進(jìn)行修改，以滿足列車自動駕駛功能。CBTC列控系統(tǒng)通過對ATO模塊與ATP接口、聯(lián)鎖接口進(jìn)行深化設(shè)計，使其功能深度嵌入其列控系統(tǒng)之中，列控設(shè)備一體化趨勢尤為明顯[9]。另外，城軌ATO功能較CTCS-2級列控系統(tǒng)也更為豐富。

4) 列控系統(tǒng)設(shè)備組成及功能不同。CBTC列控系統(tǒng)無TCC、TSRS設(shè)備，其相應(yīng)功能分別由ZC和CI設(shè)備實現(xiàn)。另外，CBTC列控系統(tǒng)中的ATS、CI與CTCS-2級列控系統(tǒng)中的CTC、CI設(shè)備功能亦存在差異。

3 多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)設(shè)計需求分析

多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)若要實現(xiàn)列車在不同系統(tǒng)間的貫通運營，需在設(shè)計層面統(tǒng)一需求。多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)應(yīng)至少滿足如下幾個方面的需求：

1) 選擇多家供貨商或多種協(xié)議互通的設(shè)備，以確保系統(tǒng)持久有效；

2) 接口協(xié)議需標(biāo)準(zhǔn)化、透明化，供貨商各自的技術(shù)方案需相互獨立；

3) 建議數(shù)據(jù)傳輸和控制方案間保持相互獨立，協(xié)議轉(zhuǎn)換不得導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤或失效；

4) 子系統(tǒng)層面需獨立開發(fā)、獨立運行，打造一個公開、透明應(yīng)用平臺，提升系統(tǒng)通用性、兼容性；

5) 系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)模塊化、參數(shù)化設(shè)計，便于日后運營維護、更換及系統(tǒng)升級；

6) 符合EN 50126、EN 50128、EN 50129安全標(biāo)準(zhǔn)(SIL4級)；

7) 遵守基于通信的列控標(biāo)準(zhǔn)(CTCS及CBTC)性能和功能要求 (IEEE 1474.1)。

4 多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)

4.1 多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)車載方案

結(jié)合多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)設(shè)計需求，設(shè)計CTCS-2與CBTC統(tǒng)一車載設(shè)備系統(tǒng)(即通用式列控系統(tǒng)： General Train Control System，GTCS)，該通用車載系統(tǒng)遵循統(tǒng)一接口協(xié)議、融合功能設(shè)計、兼容各類終端的設(shè)計思路，實現(xiàn)車載信息共享及計算輸出。根據(jù)接收到的軌旁信息(軌道電路)和存儲的電子地圖數(shù)據(jù)，自動判斷當(dāng)前采取何種工作模式，實現(xiàn)不停車切換CTCS-2或CBTC兩種制式。

基于CTCS+CBTC的融合列控系統(tǒng)車載架構(gòu)圖如圖3所示。包括主控單元(ATP/ATO，采用二乘二取二或三取二架構(gòu))、DMI/MMI(桌面管理接口/人機界面)、測速測距系統(tǒng)(包含速度傳感器、雷達(dá)傳感器和測速測距單元)、BTM(應(yīng)答器信息接收單元)系統(tǒng)(包含BTM主機和天線)、無線傳輸系統(tǒng)(包含GSM-R/LTE-M電臺、車頂天線等)、列車接口單元(主要包括安全輸入輸出單元、繼電器等)及司法記錄單元(包括JRU/DRU(司法記錄單元/數(shù)據(jù)記錄單元)及監(jiān)測模塊)。同時，為融合CTCS-2/3級列控系統(tǒng)還需配置TCR(軌道電路讀取器)和CIR(機車綜合無線通信設(shè)備)。

圖3 基于CTCS+CBTC融合列控系統(tǒng)車載架構(gòu)圖Fig.3 Onboard architecture diagram of integrated train control system based on CTCS+CBTC

1) 列車定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。鐵路信號系統(tǒng)的定位應(yīng)答器制式有歐標(biāo)、美標(biāo)兩種。為支持列車在線路間跨線運行時及時獲得地面應(yīng)答器的有效報文信息，需實現(xiàn)統(tǒng)一的應(yīng)答器定位方案。多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)車載設(shè)備需結(jié)合應(yīng)答器定位系統(tǒng)的車地通信結(jié)構(gòu)及接口連接方式、應(yīng)答器報文結(jié)構(gòu)及應(yīng)答器報文編碼規(guī)則等，參照T/CAMET 04011.1—2018《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)( CBTC) 互聯(lián)互通接口規(guī)范 第 1部分: 應(yīng)答器報文》和《CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則(V2.0)的通知》(科技運[2010]21號)，對其車載MVB(車輛多功能總線)接口進(jìn)行規(guī)范定義。

2) 測速系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。測速系統(tǒng)作為列控系統(tǒng)的關(guān)鍵安全設(shè)備，通過連續(xù)測量并整合列車的瞬時行駛速度獲得列車的行駛距離，其功能實現(xiàn)與軌旁設(shè)備無關(guān)聯(lián)，測速信息準(zhǔn)確與否主要依賴車輪轉(zhuǎn)速測量的準(zhǔn)確性。隨著測速設(shè)備融合技術(shù)發(fā)展，采用多種測速設(shè)備(如速度傳感器、加速度計、多普勒雷達(dá)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)及算法融合，提高測速精度。同時，車載標(biāo)準(zhǔn)化方案考慮預(yù)留常用協(xié)議的物理接口或協(xié)議轉(zhuǎn)換，滿足不同設(shè)備、制式計數(shù)需求，并開發(fā)與之相匹配的軟件，以實現(xiàn)列車速度計量功能。

3) 車地?zé)o線通信標(biāo)準(zhǔn)化。LTE-R(一種鐵路專用) 技術(shù)憑著傳輸速率高、抗干擾性強等優(yōu)點發(fā)展迅速，已逐步成為城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。為兼容國鐵CTCS級列控系統(tǒng)，車載通信單元以LTE-M為基礎(chǔ)，增加GMS-R單元，采用雙模冗余的架構(gòu)，提升車載通信接口的兼容能力。

4) 信號-車輛接口標(biāo)準(zhǔn)化。列控系統(tǒng)的輸入輸出接口類型多、差異大。要實現(xiàn)基于多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)的車載信號-車輛接口標(biāo)準(zhǔn)化，需根據(jù)現(xiàn)有車載接口形式和數(shù)據(jù)定義類型，如模擬量數(shù)據(jù)、ATCTCMS(列車控制與管理系統(tǒng)) 通信數(shù)據(jù)、輸入輸出接口等，制定統(tǒng)一的、通用的、車輛側(cè)可執(zhí)行的輸入輸出接口標(biāo)準(zhǔn)。通過規(guī)范信號、車輛廠家接口，既可簡化信號-車輛接口設(shè)計，強化接口功能，又可保證滿足不同廠家、不同制式的通信輸入接入。

4.2 多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)地面切換方案

為實現(xiàn)地面控制無縫、自動切換，地面CTCS+CBTC多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)線路控制區(qū)域按制式的不同可劃分CTCS控制區(qū)、CBTC控制區(qū)及共管區(qū)。圖4為CTCS+CBTC多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)的地面區(qū)域管理劃分示意圖。

圖4 CTCS+CBTC多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)的地面區(qū)域管理劃分圖Fig.4 Ground area management division diagram of multi-network integrated train control system based on CTCS+CBTC

車載設(shè)備在共管區(qū)域?qū)嵤┑孛婵刂葡到y(tǒng)的切換。本文將轉(zhuǎn)換車站設(shè)置為CBTC與CTCS-2的切換區(qū)段，車載設(shè)備在切換區(qū)段實施地面控制系統(tǒng)切換，如圖5所示。在既有CTCS-2系統(tǒng)地面設(shè)備基礎(chǔ)上疊加定位應(yīng)答器、系統(tǒng)切換預(yù)告應(yīng)答器、系統(tǒng)切換應(yīng)答器，用于ATP/ATO向TSRS注冊列車信息，實現(xiàn)列車控制權(quán)限交接，并連續(xù)向轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)的列車發(fā)送移動授權(quán)和自動駕駛指令。

圖5 CTCS+CBTC多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)切換示意圖

在轉(zhuǎn)換車站，CBTC與CTCS-2系統(tǒng)共用一套聯(lián)鎖設(shè)備，由聯(lián)鎖保證進(jìn)路安全，進(jìn)路辦理由CTCS控制實現(xiàn)。

綜上所述，CTCS+CBTC多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)以車載、地面為基礎(chǔ)，實施多網(wǎng)融合，涉及的主要技術(shù)改進(jìn)內(nèi)容及與原系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展對比分析如表2所示。由表2可知，基于多網(wǎng)融合的產(chǎn)品在車載設(shè)備互通、軌旁切換、兼容原地面系統(tǒng)等方面較為科學(xué)，符合技術(shù)本身的發(fā)展趨勢，也符合我國列控系統(tǒng)技術(shù)特點及發(fā)展目標(biāo)。

表2 多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)及與原系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展對比表

5 結(jié)語

本文通過對比分析國鐵CTCS列控系統(tǒng)與城軌CBTC列控系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、功能邏輯、信息流向等方面的差異性，結(jié)合多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)設(shè)計需求，提出CTCS+CBTC多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)的車載、地面切換貫通運營方案，實現(xiàn)融合車載控制單元、統(tǒng)一車載接口類型、兼容車載通信、增強自動駕駛等功能，并對軌旁切換方案做簡要設(shè)計。多網(wǎng)融合列控系統(tǒng)車載設(shè)備可以兼容當(dāng)前國內(nèi)列控系統(tǒng)，又符合列控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢，為市域、市郊鐵路信號系統(tǒng)互通性設(shè)計提供參考，也為不同制式信號系統(tǒng)的互通性發(fā)展提供思路。