匈塞鐵路邊境ETCS系統(tǒng)貫通運(yùn)行工程設(shè)計方案研究

代立疆

匈塞鐵路位于歐洲中部匈牙利和塞爾維亞境內(nèi)，是中國在歐洲牽頭建設(shè)的首條高速鐵路，起點(diǎn)為匈牙利共和國首都布達(dá)佩斯，終點(diǎn)為塞爾維亞共和國首都貝爾格萊德［1-2］。線路全長約350 km，其中，匈牙利境內(nèi)線路長166 km，設(shè)計速度為160 km/h；塞爾維亞境內(nèi)線路長185 km，設(shè)計速度為200 km/h，匈牙利的克萊比亞站和塞爾維亞的蘇博蒂察站銜接于兩國邊境［3-4］。

由于歐洲各國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)種類繁多且互不兼容，為實(shí)現(xiàn)高速鐵路在歐洲國家間的互聯(lián)互通，歐洲鐵路聯(lián)盟及相關(guān)鐵路設(shè)備供應(yīng)商研制了統(tǒng)一的、系列化的、標(biāo)準(zhǔn)化的歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（ETCS）［5-6］。為滿足列車在不同國家間運(yùn)營的互聯(lián)互通需求，通常在國家線路的邊界附近，設(shè)置等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)，具有多種等級控車功能的列車，在不停車情況下，在等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)處自動完成等級轉(zhuǎn)換［7-8］。

匈塞兩國鐵路列控系統(tǒng)均采用ETCS-2級系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)邊境ETCS 系統(tǒng)的互聯(lián)互通，本文對3 種方案研究： ETCS-2→ETCS-1→ETCS-2 （簡稱“E2→E1→E2”）等級轉(zhuǎn)換、雙方向E2貫通、E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換與E2貫通結(jié)合，并結(jié)合應(yīng)答器的具體布置方案，分析研究列車在不同運(yùn)營場景下的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍要求及存在的問題等。

1 匈塞邊境概況及運(yùn)營要求

匈塞邊境示意見圖1。

圖1 匈塞邊境示意

1）匈牙利克萊比亞站進(jìn)站信號機(jī)至塞爾維亞蘇博蒂察站進(jìn)站信號機(jī)之間距離（邊境區(qū)間）為6.77 km，邊境區(qū)間未設(shè)置信號機(jī)；匈塞邊境線距克萊比亞進(jìn)站信號機(jī)15 m。

2）匈牙利境內(nèi)線路設(shè)計速度為160 km/h；塞爾維亞境內(nèi)線路設(shè)計速度為200 km/h。

3）匈牙利、塞爾維亞兩國在各自境內(nèi)規(guī)劃設(shè)置了GSM-R 系統(tǒng)基站，為ETCS 系統(tǒng)提供無線通信通道。經(jīng)初步計算，匈牙利境內(nèi)通信基站設(shè)置于邊境線附近時，通過提高鐵塔高度、基站發(fā)射功率等措施，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)可以覆蓋到塞爾維亞境內(nèi)距離邊境線約4 km 左右；塞爾維亞在本國境內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置通信基站，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個匈塞邊境區(qū)間［9-10］。

4）兩國運(yùn)營商要求列車不停車通過匈塞邊境。

5）匈牙利已開通項(xiàng)目中，與鄰國的ETCS 系統(tǒng)邊境方案均采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案，有已實(shí)施的工程案例；匈塞鐵路為塞爾維亞境內(nèi)第1條采用歐標(biāo)的E2 級鐵路，塞爾維亞方未有已實(shí)施的邊境工程案例。

2 匈塞邊境ETCS系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 雙方向E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換

E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案需在線路上布置多個應(yīng)答器組，包括：LTA（E2→E1 等級轉(zhuǎn)換預(yù)告）、LTO（E2→E1等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行）、NR（G網(wǎng)呼叫）、SM（RBC 呼叫）、TR（E1→E2 等級轉(zhuǎn)換預(yù)告）、LT（E1→E2 等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行）、BH（有源應(yīng)答器，用于延伸ETCS-1的移動授權(quán)）。

ETCS 接口規(guī)范中要求NR 與SM 應(yīng)答器間的距離不小于列車以最大運(yùn)行速度運(yùn)行40 s 的距離，匈牙利方已開通的E2 線路上（ETCS 設(shè)備廠家有西門子和泰雷茲），考慮一定的應(yīng)答器間距余量，NR 與SM 應(yīng)答器間的距離按照運(yùn)行90 s 布置；TR與LT應(yīng)答器間的距離為運(yùn)行10～20 s的距離［11-12］。

2.1.1 列車由蘇博蒂察開往克萊比亞

如果NR 與SM 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行90 s布置，SM與TR應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s布置（匈牙利要求SM和TR應(yīng)答器組冗余設(shè)置，SM1與SM2間、TR1與TR2間的距離均為100 m），TR 與LT 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行20 s 布置，列車運(yùn)行速度按照200 km/h 考慮，則需匈牙利GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋到塞爾維亞境內(nèi)距離邊境線約8.5 km 左右，而匈牙利GSM-R 網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)覆蓋到塞爾維亞境內(nèi)距離邊境線約4 km 左右。但若將匈牙利方基站設(shè)置在塞爾維亞境內(nèi)適當(dāng)位置實(shí)現(xiàn)等級轉(zhuǎn)換，則會帶來兩國間設(shè)計、建設(shè)、投資界面劃分，審查報批主體、運(yùn)維主體不明確，以及網(wǎng)絡(luò)安全等各方面問題。因此，為避免上述問題，考慮在4 km 的GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)完成等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器的布置，即NR 應(yīng)答器組與邊境線間的距離應(yīng)不大于4 km。TR 與LT 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行20 s 布置，SM 與TR 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s布置，NR 與SM 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行55 s 布置（小于匈牙利常規(guī)要求，但滿足歐標(biāo)不小于40 s 的要求）。結(jié)合應(yīng)答器間的距離要求及GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍計算，列車在邊境區(qū)間的最大運(yùn)行速度約為120 km/h。應(yīng)答器布置見圖2。

圖2 列車由蘇博蒂察開往克萊比亞應(yīng)答器布置

從蘇博蒂察開往克萊比亞的列車在通過LTA和LTO 無源應(yīng)答器組后，由E2 轉(zhuǎn)為E1，并將行車許可（MA）終點(diǎn)設(shè)置在克萊比亞進(jìn)站信號機(jī)處。列車在通過NR 應(yīng)答器組時，開始呼叫匈牙利方的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，嘗試與GSM-R網(wǎng)絡(luò)建立連接；列車在通過BH1 應(yīng)答器組時，車載設(shè)備收到更新后的E1行車許可，根據(jù)列車運(yùn)行前方的聯(lián)鎖條件，延伸行車許可；列車在通過SM 應(yīng)答器組時，開始呼叫RBC，嘗試與RBC 建立連接；列車在通過TR 應(yīng)答器組時，RBC 將等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器所在位置發(fā)送給列車；列車在通過BH2 應(yīng)答器組時，車載設(shè)備再次收到更新后的E1 行車許可，根據(jù)列車運(yùn)行前方的聯(lián)鎖條件，延伸行車許可；列車在通過LT 應(yīng)答器組時，列控系統(tǒng)由E1 轉(zhuǎn)換為E2，同時收到RBC 發(fā)來的E2 行車許可，完成E2→E1→E2的等級轉(zhuǎn)換。

2.1.2 列車由克萊比亞開往蘇博蒂察

列車由克萊比亞以E2等級發(fā)車，先轉(zhuǎn)為E1等級，再轉(zhuǎn)為E2 等級進(jìn)入蘇博蒂察站。NR 與SM 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s 布置，SM 與TR 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s 布置，TR 與LT 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行20 s布置，列車在邊境區(qū)間的運(yùn)行速度按照200 km/h 考慮。應(yīng)答器的具體布置見圖3。

圖3 列車由克萊比亞開往蘇博蒂察應(yīng)答器布置

此方案下需塞爾維亞GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋到距離蘇博蒂察進(jìn)站信號機(jī)5.5 km左右，塞爾維亞側(cè)通信基站可覆蓋整個邊境區(qū)間，滿足該方案對GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求。

2.2 雙方向E2貫通

E2 貫通方案需在線路上布置NR、RA（RBC切換預(yù)告）、RT（RBC切換執(zhí)行）等應(yīng)答器組。

ETCS 接口規(guī)范中要求NR 與RA 應(yīng)答器間的距離不小于列車以最大運(yùn)行速度運(yùn)行40 s 的距離，RA 與RT 應(yīng)答器組間的距離不小于列車以最大運(yùn)行速度運(yùn)行40 s 的距離。匈牙利方已開通的E2 線路上，考慮一定的應(yīng)答器間距余量，NR 與RA 應(yīng)答器間的距離為列車以最大運(yùn)行速度運(yùn)行90 s 的距離。

匈牙利方的NR與RA應(yīng)答器組間距離按照90 s布置，RA 與雙方共用的RT 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s 布置；塞爾維亞方的NR 與RA 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s 布置，RA 與雙方共用的RT應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s布置。如果邊境區(qū)間的列車運(yùn)行速度按照設(shè)計速度200 km/h 考慮，則匈牙利方NR 和塞爾維亞方NR 應(yīng)答器組間的距離約為11.67 km，邊境區(qū)間長度無法滿足應(yīng)答器組間的距離要求。因此，結(jié)合應(yīng)答器間的距離要求及邊境區(qū)間長度，E2 貫通方案下列車在邊境區(qū)間的運(yùn)行速度約為120 km/h。應(yīng)答器具體布置見圖4。

圖4 兩國采用雙方向E2貫通方案應(yīng)答器布置

此方案下兩國GSM-R 網(wǎng)絡(luò)均需覆蓋整個邊境區(qū)間，匈牙利側(cè)通信基站無法滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，需在塞爾維亞境內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置通信基站；塞爾維亞側(cè)通信基站可覆蓋整個邊境區(qū)間，滿足信號GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。

2.3 E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換與E2貫通結(jié)合

當(dāng)列車由蘇博蒂察開往克萊比亞單方向采用E2貫通方案時，列車運(yùn)行速度按照120 km/h 考慮，NR 應(yīng)答器組與區(qū)間邊境線間的距離大于4 km，需將匈牙利方的GSM-R 基站設(shè)置在塞爾維亞境內(nèi)合適地點(diǎn)，這樣會帶來兩國間設(shè)計、建設(shè)、投資界面劃分，審查報批主體、運(yùn)維主體不明確，以及網(wǎng)絡(luò)安全等各方面的問題，因此，列車由蘇博蒂察開往克萊比亞采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換，應(yīng)答器布置方案與雙方向E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換中的應(yīng)答器布置方案一致。

當(dāng)列車由克萊比亞開往蘇博蒂察單方向采用E2 貫通方案時，NR 與RA 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s 布置，RA 與RT 應(yīng)答器組間距離按照運(yùn)行40 s 布置，列車在邊境區(qū)間的運(yùn)行速度按照200 km/h 考慮，則應(yīng)答器的具體布置見圖5。從圖5 可以看出，塞爾維亞GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需覆蓋到距蘇博蒂察進(jìn)站信號機(jī)4.5 km 左右，塞爾維亞側(cè)通信基站可覆蓋整個邊境區(qū)間，滿足信號GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。對比列車由克萊比亞開往蘇博蒂察采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案需塞爾維亞GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋到距離蘇博蒂察進(jìn)站信號機(jī)5.5 km 左右，E2 貫通方案塞爾維亞基站可以設(shè)置在蘇博蒂察站內(nèi)，另外也無需在區(qū)間設(shè)置E1系統(tǒng)相關(guān)地面設(shè)備，有利于運(yùn)營維護(hù)。因此，列車由克萊比亞開往蘇博蒂察采用E2貫通方案。

圖5 E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換與E2貫通結(jié)合方案應(yīng)答器布置

3 結(jié)論

雙方向E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換、雙方向E2 貫通、E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換與E2 貫通結(jié)合3 種方案對于兩國的GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需求和列車在邊境區(qū)間的運(yùn)行速度等均有不同要求。

1）當(dāng)采用雙方向E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案時，匈牙利境內(nèi)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需覆蓋到距離區(qū)間邊境線4 km 左右，塞爾維亞境內(nèi)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需覆蓋到距離蘇博蒂察進(jìn)站信號機(jī)5.5 km 左右，此方案下塞爾維亞方的基站設(shè)置于區(qū)間內(nèi)且需在區(qū)間設(shè)置E1系統(tǒng)相關(guān)地面設(shè)備，存在運(yùn)維不便等問題。

2） 采用雙方向E2 貫通方案時，匈牙利方GSM-R 設(shè)備需設(shè)置在塞爾維亞境內(nèi)合適地點(diǎn)，此方案存在設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)維等方面界限不清晰，且設(shè)置于區(qū)間的塞爾維亞方基站運(yùn)維不便等問題。

3）當(dāng)采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換與E2 貫通結(jié)合方案時，既能夠滿足匈塞雙方運(yùn)營商要求，又無需在鄰國設(shè)置GSM-R系統(tǒng)設(shè)備且便于運(yùn)營維護(hù)。

另外，塞爾維亞的蘇博蒂察站有很多支線口，與支線口銜接的列控系統(tǒng)均為ETCS-0 級，因此，當(dāng)列車從支線開往匈牙利方向時，列控系統(tǒng)需首先從E0 級轉(zhuǎn)換為E2 級，再在區(qū)間完成E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換，需另行研究短時間內(nèi)需切換3 次列控系統(tǒng)是否會增加邊境區(qū)間等級轉(zhuǎn)換失敗的風(fēng)險［13］。