張國慧

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 610031，成都 ∥ 高級工程師)

1 研究背景

2019年9月，中國共產(chǎn)黨中央委員會和國務院正式印發(fā)了《交通強國建設綱要》(以下簡為“《綱要》”)?！毒V要》明確提出了“建設城市群一體化交通網(wǎng)，推進干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通融合發(fā)展”(以下稱為“四網(wǎng)融合”)的要求，以及“提高城市群內(nèi)軌道交通通勤化水平，推廣城際道路客運公交化運行模式，打造旅客聯(lián)程運輸系統(tǒng)”的服務目標。城際鐵路和城市軌道交通主要承擔通勤職能，在軌道交通網(wǎng)絡中的主要形態(tài)基本以放射線為主。在新的發(fā)展背景下，四網(wǎng)融合的互聯(lián)互通具體包括：干線鐵路或城際鐵路同市域鐵路互聯(lián)互通，城市快軌列車同市域鐵路互聯(lián)互通，多條市域鐵路間互聯(lián)互通。

我國城市軌道交通信號系統(tǒng)多采用CBTC(基于通信的列車控制) 系統(tǒng)。城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通系列規(guī)范已經(jīng)于2018 年陸續(xù)發(fā)布。CBTC系統(tǒng)的主要供應商均已研發(fā)出滿足互聯(lián)互通要求的設備。重慶軌道交通已實現(xiàn)了不同供應商CBTC系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。

我國鐵路信號系統(tǒng)采用CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))。城際鐵路多采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)(2級CTCS+列車自動運行系統(tǒng))，其典型線路為廣惠(廣州—惠州)城際鐵路和廣佛肇(廣州—佛山—肇慶)城際鐵路。

而市域鐵路信號系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的制式。部分市域鐵路信號系統(tǒng)采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)。這些線路多采用CRH(中國鐵路高速)系列動車組，連接鐵路車站，與鐵路貫通，并在樞紐或大型客流集散點與地鐵實現(xiàn)換乘。還有部分市域鐵路信號系統(tǒng)采用了CBTC系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)多應用于城市軌道交通(以下簡為“城軌”)線路。寧奉(寧波—奉化)城際鐵路、北京大興國際機場線等市域鐵路采用CBTC系統(tǒng)，其采用地鐵車型，可與普通鐵路換乘，并與客運專線互通。但市域鐵路這兩種制式的信號系統(tǒng)無法滿足四網(wǎng)融合要求。

目前CTCS與CBTC系統(tǒng)尚無互聯(lián)互通的應用先例。多數(shù)車站通過換乘來實現(xiàn)客流的交換運輸。大鐵路、城際鐵路、市域鐵路和城市軌道交通路網(wǎng)不斷建設，城市間與城市內(nèi)混合運行需求顯現(xiàn)，各信號系統(tǒng)承包商也已開展能夠兼容兩種制式的信號系統(tǒng)研發(fā)工作。本文將基于CTCS和CTCS-2+ATO系統(tǒng)的差異，提出可用于市域鐵路的新列車運行控制(以下簡為“列控”)系統(tǒng)，從而滿足四網(wǎng)融合的要求。

2 兩種制式信號系統(tǒng)的差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)都遵循故障-安全原則，二者采用的控制理念與原理趨同。但在具體功能需求、系統(tǒng)架構和實現(xiàn)方式方面，二者存在較大差異。

2.1 信號系統(tǒng)的技術規(guī)格差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)均為保證列車安全、高效運行的列控系統(tǒng)。由于服務對象和服務目的不同，二者的技術規(guī)格存在一定差異(如表1所示)。

表1 CBTC系統(tǒng)和CTCS2+ATO系統(tǒng)的技術規(guī)格差異

2.2 信號系統(tǒng)執(zhí)行的規(guī)范及標準差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)有各自需執(zhí)行的規(guī)范和標準，也有可共同執(zhí)行的規(guī)范及標準(見表2)。

表2 CBTC系統(tǒng)和CTCS2+ATO系統(tǒng)執(zhí)行的規(guī)范標準

2.3 信號系統(tǒng)架構差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)構成相似，但各子系統(tǒng)適用的制式、設備組成及自動化等級方面存在差異(見表3)。CBTC系統(tǒng)更深層地集成了ATO子系統(tǒng)功能。

2.4 功能實現(xiàn)方式差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)在功能分配及邏輯處理等方面存在差異(見表4)。

表3 CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)架構差異

表4 CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)在功能分配及邏輯處理等方面的差異

3 不同制式信號系統(tǒng)的兼容性分析

本文基于粵港澳大灣區(qū)城軌CBTC系統(tǒng)和城際鐵路CTCS-2+ATO系統(tǒng)互聯(lián)互通的設想，分別從CBTC系統(tǒng)車載設備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設備的兼容性、CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備與CBTC系統(tǒng)軌旁設備的兼容性、CBTC系統(tǒng)軌旁設備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設備的通用性、CBTC系統(tǒng)與城際CTCS-2+ATO系統(tǒng)設備互聯(lián)互通的可行性等方面進行探討。CBTC系統(tǒng)的車載設備結構見圖1，CTCS-2系統(tǒng)的總體結構見圖2。

3.1 CBTC系統(tǒng)車載設備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設備的兼容性

CBTC系統(tǒng)車載設備通過BTM(應答器傳輸模塊)天線可接收CTCS-2+ATO系統(tǒng)地面設備應答器發(fā)送的信息。這些信息包括有源應答器發(fā)送的進路參數(shù)信息、臨時限速信息，以及無源應答器發(fā)送的列車定位信息和一定范圍內(nèi)的線路參數(shù)。兩種制式信號系統(tǒng)的應答器數(shù)據(jù)編碼格式存在差異，統(tǒng)一標準后方可兼容。

CBTC系統(tǒng)通常采用計軸器作為列車區(qū)段占用檢測設備，其車載設備無法接收軌道電路疊加的載頻信息。CBTC系統(tǒng)的車載ATP設備同TCC及RBC之間的信息交互兼容難度大。CBTC系統(tǒng)的車載設備采用貫通線連接，其冗余備用設備為熱備或溫備。CBTC系統(tǒng)車載設備在理論上可同時兼容GSM-R、WIFI(無線網(wǎng)絡)及TD-LTE(時分雙工長期演進)無線網(wǎng)絡。

3.2 CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備與CBTC系統(tǒng)軌旁設備的兼容性

CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備通過天線單元和BTM來接收地面應答器發(fā)送的上行鏈路信息給車載主機單元。這些信息包括有源應答器發(fā)送的進路參數(shù)信息、線路數(shù)據(jù)信息和臨時限速信息等，以及無源應答器發(fā)送的列車定位信息和一定范圍內(nèi)的線路參數(shù)。同時，CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備向應答器傳輸射頻能量，周期性檢測及探測應答器功能等信息。《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC)接口規(guī)范-互聯(lián)互通接口規(guī)范》的編制參照了《應答器傳輸系統(tǒng)技術條件》中應答器的報文結構及報文編碼規(guī)則。因此，兩種制式信號系統(tǒng)的應答器數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容雖受信號顯示方案和線路數(shù)據(jù)存儲位置影響而存在差異，卻可在統(tǒng)一標準后兼容。

圖1 CBTC系統(tǒng)車載設備結構框圖

圖2 CTCS-2系統(tǒng)的總體結構框圖

CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備通過軌道電路天線的供電電路信息讀取模塊，可以接收多個載頻，并從中解調(diào)出低頻信息。理論上，可在城軌CBTC系統(tǒng)線路上安裝CTCS-2制式的數(shù)字軌道電路，以取代計軸器成為列車區(qū)段占用檢測設備， 此時CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備可根據(jù)地面軌道電路設備發(fā)送的控車信息和線路數(shù)據(jù)等相關信息，生成制動曲線，以監(jiān)控列車運行的安全。《IEEE Standard for CommunicationsBased Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements》中定義的CBTC系統(tǒng)包括獨立軌道電路而不是計軸器。但城際鐵路CTCS-2+ATO系統(tǒng)在列車車頭和車尾的車載設備互不通信，其無線車地通信車載設備無法同時兼容GSM-R、WIFI或TD-LTE網(wǎng)絡。

我國經(jīng)典的CBTC系統(tǒng)采用車地無線通信系統(tǒng)和無源應答器來實現(xiàn)列車與軌旁設備的通信和列車定位，其中絕大多數(shù)采用計軸磁頭(輪軸檢測器)作為列車定位的次級檢測設備。計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)通過其與室內(nèi)計軸主機的接口獲得區(qū)段占用/出清信息。CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設備可通過CBTC系統(tǒng)的計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)來獲得室外計軸磁頭的檢測信息。目前，計軸設備在城際鐵路中應用較少，主要作為輔助檢測手段使用。這主要因為交流牽引供電系統(tǒng)及回流系統(tǒng)對計軸磁頭有不規(guī)律的電磁干擾。

3.3 CBTC系統(tǒng)軌旁設備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設備的通用性

在CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)中：轉轍機設備可通用，只是安裝裝置尺寸差異較大；CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)的信號機設備可通用，只是顯示方案目前無法兼容；應答器設備可通用，但報文信息受系統(tǒng)制式差異影響，內(nèi)容差別較大；計軸設備可通用，但TCC、ZC及LC(區(qū)間控制器)設備的功能差異較大，實現(xiàn)功能的方式及通信協(xié)議差異也極大，目前不具備兼容條件，需要重新開發(fā)設備或采用冷備切換的方式來滿足跨線運營需求。

3.4 CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)相關設備互聯(lián)互通的可行性

車載設備安裝了5G/LTE、BTM、TCR(軌道電路讀取器)、GSM-R等多種模式的傳輸設備，利用模塊化軟件來實現(xiàn)不同通信方式接口協(xié)議的同步傳輸。線路之間通過繼電接口(或互聯(lián)互通通信接口)來交互道岔狀態(tài)、信號機、照查及上電鎖閉狀態(tài)等信息。車載設備只有經(jīng)過重新研制改造，才能實現(xiàn)互聯(lián)互通，否則只能通過硬切換方式來實現(xiàn)跨線運營。

有線通信系統(tǒng)須統(tǒng)一其各類聯(lián)鎖通信接口，并采用RSSP(鐵路信號安全通信協(xié)議)，以滿足EN 50159-1安全通信要求。關鍵復示信息采用安全可靠的接口。CBTC系統(tǒng)的聯(lián)鎖子系統(tǒng)或ATP子系統(tǒng)須支持CTCS的軌道電路接口。車-地無線通信接口兼容VOBC-ZC(車載控制器)、VOBC-CI、VOBC-ATS通信接口，以及WLAN、GSM-R等接口，并采用RSSP和私有安全通信協(xié)議，以滿足EN 50159-2《開放傳輸系統(tǒng)中的安全相關通信》 的安全通信要求。應答器通信接口的安全編碼和解碼采用歐州標準Subset-036安全編解碼技術。各設備之間的通信接口和通信協(xié)議目前尚不能通用。

基于傳統(tǒng)測速定位方式，將北斗衛(wèi)星精準定位、激光雷達定位及慣性導航定位方式融合，形成可兼容CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)的列車定位關鍵技術。開發(fā)一體化的界面設計，并探索使用界面切換技術，進而實現(xiàn)統(tǒng)一人機界面設備對于不同制式的兼容。面對四網(wǎng)融合的需求，上述問題亟待解決。

4 市域鐵路的兼容方案

基于上述兩種制式信號系統(tǒng)兼容性及可行性分析，針對市域鐵路運營特點，為實現(xiàn)同CBTC系統(tǒng)及CTCS系統(tǒng)的互聯(lián)互通，構建新的市域鐵路列控系統(tǒng)(STCS)總體架構如圖3所示。STCS包括行車調(diào)度設備、臨時限速TSRS設備、TCC設備、車站聯(lián)鎖設備、區(qū)域控制器設備、車載控制設備、DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))設備、應答器/LEU設備、維護監(jiān)測設備、培訓設備、信號電源、計軸設備、信號機等。

STCS的區(qū)域控制器和車載控制設備采用CBTC制式。 此外，STCS采用CTCS2+ATO制式的設備有： TCC、 LEU(線路電子單元)、TC(軌道電路)、有源應答器、無源應答器、BTM、TCR及TSRS。

ZC設備可用于列車追蹤，能追蹤管轄范圍內(nèi)所有列車的位置。STCS采用連續(xù)移動授權計算方法，能根據(jù)其他列車的位置、道岔狀態(tài)、軌道區(qū)段狀態(tài)等信息為列車預留軌道并計算移動授權。

跨線運營的車載設備通過應答器來讀取不同線路的軌旁線路信息，并通過讀取應答器的模式轉換信息來進行駕駛等級轉換。STCS不僅能兼容不同的供電制式，還能兼容不同的車地無線通信制式。

圖3 新的市域鐵路列控系統(tǒng)總體結構圖

一方面，STCS能滿足本線列車高效的移動閉塞模式運營需求，實現(xiàn)短間隔、高自動化水平的運營，并將CTCS-2設備用于后備操作模式；另一方面，對于進入本線的鐵路列車或者采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)列車，STCS還能提供CTCS-2系統(tǒng)或者CTCS-2+ATO系統(tǒng)的部分相應功能。當然在這種特殊情況下，該列車與其他的本線列車之間按照CTCS-2系統(tǒng)的固定閉塞模式進行跟蹤。

如市域鐵路信號系統(tǒng)采用CBTC制式，則其CBTC系統(tǒng)也應按照互聯(lián)互通標準進行構建，從而實現(xiàn)CBTC系統(tǒng)與鐵路CTCS-2系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

5 結語

大鐵路、城際鐵路及市域鐵路的信號系統(tǒng)應以CTCS 系列標準列控系統(tǒng)為基礎，并實現(xiàn)不同等級列控系統(tǒng)間的兼容，進而實現(xiàn)全國范圍內(nèi)列車的跨線運行和互聯(lián)互通。

歐洲聯(lián)盟一直在制定完善歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)(ERTMS)，致力于確保國家鐵路系統(tǒng)的互操作性，降低信號系統(tǒng)的購買和維護成本，同時提高列車速度、基礎設施容量和鐵路運輸安全水平。我國利用5G技術構建軌道交通無線通信網(wǎng)，制定國內(nèi)鐵路系統(tǒng)運營和交通管理子系統(tǒng)相關的互操作性技術規(guī)范，實現(xiàn)我國軌道交通信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通將指日可待。本文從新一代列控系統(tǒng)需求的角度出發(fā)，提出新列控系統(tǒng)的架構、功能和接口設計，希望通過行業(yè)共同努力，能制定完善科學的頂層設計和清晰的發(fā)展路線，實現(xiàn)不同制式信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通，真正實現(xiàn)四網(wǎng)融合。