全宏宇，張敏慧

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

市域鐵路介于城際鐵路和城市軌道交通之間，具有高密度、小編組、公交化的特點(diǎn)，最高運(yùn)行速度為100 ～160 km/h，最小行車間隔為4 min。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，目前市域鐵路正在快速發(fā)展，成為城市綜合交通系統(tǒng)的重要組成部分[1]。根據(jù)《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，市域鐵路列控系統(tǒng)應(yīng)與其線路特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)需求相匹配，可采用中國(guó)列車控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）制式，也可以采用城市軌道交通列車自動(dòng)控制（Automatic Train Control，ATC）制式[2]。對(duì)于CTCS 制式，開(kāi)行動(dòng)車組和有列車自動(dòng)駕駛（Automatic Train Operation，ATO）功能需求的市域鐵路一般采用CTCS-2 列控系統(tǒng)；ATC 制式主要以基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）為主。

但是CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)為兩種不同的制式，為滿足軌道交通多網(wǎng)融合和一體化運(yùn)營(yíng)，需研究?jī)煞N制式列控系統(tǒng)切換。目前國(guó)內(nèi)已針對(duì)干線鐵路和城市軌道交通列控系統(tǒng)切換開(kāi)展了相關(guān)研究，席武夷研究國(guó)鐵CTCS 與城軌CBTC 列控系統(tǒng)的多網(wǎng)融合方案，提出了地面兼容、車載兼容兩種方案及對(duì)策[3]；面向多網(wǎng)融合運(yùn)營(yíng)需求，蔡昌俊等提出CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)雙套車載控制模式切換方案[4]；英國(guó)倫敦Crossrail 實(shí)現(xiàn)了ETCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換，并于2022 年投入運(yùn)營(yíng)[5]。但是以上研究并未對(duì)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換相關(guān)的系統(tǒng)接口、切換流程，以及設(shè)備布置應(yīng)用方案進(jìn)行研究。

目前，CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和應(yīng)用案例，跨信號(hào)系統(tǒng)制式互聯(lián)互通將成為制約市域鐵路網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。本文從市域鐵路列控系統(tǒng)互聯(lián)互通出發(fā)，對(duì)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)的特點(diǎn)及差異性進(jìn)行分析，研究并提出列控系統(tǒng)切換的系統(tǒng)接口、切換流程，進(jìn)一步探討CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換設(shè)備布置應(yīng)用方案，以滿足市域鐵路互聯(lián)互通和資源共享的運(yùn)營(yíng)要求。

1 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換場(chǎng)景

1.1 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)

CTCS-2 級(jí)列控系統(tǒng)是基于軌道電路和應(yīng)答器傳輸行車許可信息，采用目標(biāo)-距離模式曲線監(jiān)控列車安全運(yùn)行的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[6]。CBTC 列控系統(tǒng)是基于通信的列控系統(tǒng)，并集成聯(lián)鎖、自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)進(jìn)路控制、自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞和無(wú)人駕駛[7]。

CTCS-2 列控系統(tǒng)與CBTC 列控系統(tǒng)的對(duì)比如表1 所示?？梢钥闯?，CTCS-2 列控系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行速度；而CBTC 列控系統(tǒng)最小運(yùn)營(yíng)間隔較小，自動(dòng)化程度更高。同時(shí)，CTCS-2 與CBTC 列控系統(tǒng)存在較大差異，CTCS-2 列控系統(tǒng)采用軌道電路和應(yīng)答器進(jìn)行地-車通信，而CBTC 列控系統(tǒng)采用無(wú)線通信方式，且線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于車載[8-10]。

表 1 CTCS-2列控系統(tǒng)與CBTC列控系統(tǒng)的對(duì)比Tab.1 Comparison between CTCS-2 and CBTC train control systems

1.2 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換場(chǎng)景

市域鐵路可采用CTCS-2 列控系統(tǒng)，也可以采用CBTC 列控系統(tǒng)，當(dāng)不同列控制式的線路跨線運(yùn)營(yíng)時(shí)，則存在列控系統(tǒng)切換場(chǎng)景，如圖1 所示。CTCS-2 和CBTC 線路各自裝備相應(yīng)的列控系統(tǒng)地面設(shè)備，跨線運(yùn)行列車裝備CTCS-2 和CBTC 兩套車載。在CTCS-2 線路以CTCS-2 車載控制列車運(yùn)行，在CBTC 線路以CBTC 車載控制列車運(yùn)行，在邊界處進(jìn)行CTCS-2 與CBTC 列控系統(tǒng)切換[11]。

圖1 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換場(chǎng)景Fig.1 Scenario of switching between CTCS-2 and CBTC train control systems

2 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換方案

當(dāng)列車裝備CTCS-2 和CBTC 兩套車載，為實(shí)現(xiàn)跨制式運(yùn)行時(shí)列控系統(tǒng)自動(dòng)切換，需在現(xiàn)有CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，研究列控系統(tǒng)切換方案，先對(duì)列控系統(tǒng)切換接口進(jìn)行分析，進(jìn)而再提出系統(tǒng)切換的功能要求。

2.1 系統(tǒng)切換接口

根據(jù)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)組成，CTCS-2和CBTC 列控系統(tǒng)切換接口如圖2 所示。

圖2 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換接口Fig.2 Interfaces for switching between CTCS-2 and CBTC train control systems

兩種系統(tǒng)切換存在以下接口。

1）接口A：CTCS-2 的車載與CBTC 的車載接口，進(jìn)行列車控制權(quán)移交信息交互。

2）接口B：CTCS-2 的調(diào)度集中中心與CBTC的ATS 中心接口，進(jìn)行列車運(yùn)行計(jì)劃、列車進(jìn)路設(shè)置和狀態(tài)等信息交互。

3）接口C：CTCS-2 的臨時(shí)限速服務(wù)器與CBTC 的區(qū)域控制器接口，進(jìn)行臨時(shí)限速信息交互。

4）接口D：CTCS-2 的列控中心與CBTC 的聯(lián)鎖接口，進(jìn)行進(jìn)路聯(lián)鎖控制數(shù)據(jù)信息交互。

5）接口E：CTCS-2 的聯(lián)鎖與CBTC 的聯(lián)鎖接口，進(jìn)行信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段、道岔以及進(jìn)路狀態(tài)信息交互。

接口A 可通過(guò)安全繼電器或總線進(jìn)行接口，接口B 和接口C 可通過(guò)冗余的專用通信通道實(shí)現(xiàn)接口，接口D 和接口E 可通過(guò)采集安全繼電器信息或構(gòu)建冗余的安全數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行通信。

2.2 CTCS-2與CBTC切換流程及功能要求

1）CTCS-2 至CBTC 切換

CTCS-2 至CBTC 切換流程如圖3 所示，包括：

圖3 CTCS-2至CBTC系統(tǒng)切換Fig.3 Switching from CTCS-2 to CBTC system

a. CTCS-2 車載控制列車運(yùn)行；

b. CTCS-2 車載收到切換預(yù)告應(yīng)答器組信息，向CBTC 車載發(fā)送命令并激活CBTC 車載，司機(jī)對(duì)切換預(yù)告進(jìn)行確認(rèn)；

c. CBTC 車載激活后，與地面區(qū)域控制器建立無(wú)線通信連接；

d. CBTC 車載經(jīng)過(guò)位置報(bào)告應(yīng)答器組時(shí)，通過(guò)無(wú)線通信向地面區(qū)域控制器報(bào)告位置后，收到區(qū)域控制器發(fā)送的行車許可，并準(zhǔn)備控制列車；

e. CTCS-2 車載收到切換執(zhí)行應(yīng)答器組的信息時(shí)，經(jīng)司機(jī)確認(rèn)切換后，CBTC 車載接管并控制列車運(yùn)行，CTCS-2 車載進(jìn)入待激活狀態(tài)（不處理軌道電路及應(yīng)答器信息）。

2）CBTC 至CTCS-2 切換

CBTC 至CTCS-2 切換流程如圖4 所示，包括：

圖4 CBTC至CTCS-2系統(tǒng)切換Fig.4 Switching from CBTC to CTCS-2 system

a. CBTC 車載控制列車運(yùn)行；

b. CBTC 車載收到切換預(yù)告應(yīng)答器組信息，向CTCS-2 車載發(fā)送命令并激活CTCS-2 車載，司機(jī)對(duì)切換預(yù)告進(jìn)行確認(rèn)；

c. CTCS-2 車載激活后，收到軌道電路提供的行車許可和地面應(yīng)答器組提供的線路數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速信息，并準(zhǔn)備控制列車；

d. CBTC 車載收到切換執(zhí)行應(yīng)答器組的信息時(shí)，經(jīng)司機(jī)確認(rèn)切換后，CTCS-2 車載接管并控制列車運(yùn)行，CBTC 車載向地面區(qū)域控制器注銷和斷開(kāi)連接，并進(jìn)入待激活狀態(tài)（不再處理無(wú)線及應(yīng)答器信息）。

3）功能要求

CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換應(yīng)實(shí)現(xiàn)不停車切換，切換過(guò)程應(yīng)向司機(jī)提供信息提示并由司機(jī)進(jìn)行確認(rèn)；若未切換成功，原列控系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)控制列車在切換區(qū)內(nèi)安全停車，停車后由人工進(jìn)行切換。

切換目標(biāo)列控系統(tǒng)應(yīng)提前獲取必備的行車許可和線路數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備控制列車。CTCS-2 與CBTC系統(tǒng)切換時(shí)調(diào)度權(quán)應(yīng)同步切換，實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度的切換、顯示及管理。

列控系統(tǒng)切換預(yù)告點(diǎn)至執(zhí)行點(diǎn)的距離應(yīng)至少考慮目標(biāo)列控系統(tǒng)車載激活反應(yīng)時(shí)間內(nèi)走行的距離加上司機(jī)確認(rèn)時(shí)間內(nèi)走行的距離和目標(biāo)列控車載準(zhǔn)備行車許可所需時(shí)間內(nèi)列車走行的距離；執(zhí)行點(diǎn)后方的附加距離應(yīng)至少考慮司機(jī)確認(rèn)切換時(shí)間內(nèi)走行的距離和原列控系統(tǒng)車載切換點(diǎn)后常用制動(dòng)停車距離，當(dāng)切換不成功時(shí)確保原列控車載控制列車安全停車。

3 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換的應(yīng)用，下面進(jìn)一步對(duì)列控系統(tǒng)切換的車載設(shè)備、地面設(shè)備設(shè)置進(jìn)行探討。

3.1 車載設(shè)備設(shè)置

跨線運(yùn)行列車同時(shí)裝置CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)車載設(shè)備，二者之間增加接口進(jìn)行切換信息交互。初始狀態(tài)下以其中一個(gè)列控系統(tǒng)為激活狀態(tài)，并由其通知和設(shè)置另一列控系統(tǒng)為待激活狀態(tài)，同時(shí)可由司機(jī)人工進(jìn)行選擇。為減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的修改，建議CTCS-2 和CBTC 車載各自獨(dú)立設(shè)置應(yīng)答器接收模塊、測(cè)速測(cè)距模塊、人機(jī)接口等外圍設(shè)備。

3.2 地面設(shè)備設(shè)置

切換區(qū)地面設(shè)備設(shè)置需滿足CTCS-2 和CBTC列控系統(tǒng)切換所需的軌旁設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)，包含軌道占用檢查設(shè)備、應(yīng)答器以及通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。

1）地面設(shè)備設(shè)置原則

a.軌道占用檢查設(shè)備

CTCS-2 列控系統(tǒng)采用ZPW-2000 軌道電路進(jìn)行軌道占用檢查并提供傳輸行車許可，CBTC 列控系統(tǒng)一般采用計(jì)軸作為軌道占用檢查設(shè)備，在切換區(qū)需考慮軌道電路和計(jì)軸設(shè)備的疊加設(shè)置。

CTCS-2 切換至CBTC 列控系統(tǒng)后，將采用無(wú)線通信傳輸控車信息，但若切換不成功，將由CTCS-2 列控系統(tǒng)繼續(xù)控制列車停車，因此建議切換點(diǎn)后方在計(jì)軸設(shè)備基礎(chǔ)上疊加設(shè)置軌道電路，為CTCS-2 列控系統(tǒng)提供行車許可。

CBTC 至CTCS-2 列控切換時(shí)，由于CTCS-2列控系統(tǒng)由軌道電路提供行車許可，因此CBTC 至CTCS-2 列控系統(tǒng)切換點(diǎn)前方的區(qū)段需在計(jì)軸設(shè)備基礎(chǔ)上疊加設(shè)置ZPW-2000 軌道電路設(shè)備。

b.應(yīng)答器

CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換在預(yù)告點(diǎn)和執(zhí)行點(diǎn)由應(yīng)答器向車載設(shè)備提供切換預(yù)告和執(zhí)行信息。另外，CBTC 至CTCS-2 列控系統(tǒng)切換需在切換前設(shè)置應(yīng)答器向CTCS-2 車載提供線路數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速等信息[12]。

c.通信網(wǎng)絡(luò)

CTCS-2 至CBTC 切換，CBTC 的無(wú)線通信應(yīng)延伸覆蓋至預(yù)告點(diǎn)，使CBTC 車載建立無(wú)線連接；CBTC 至CTCS-2 切換，CBTC 的無(wú)線通信再覆蓋至執(zhí)行點(diǎn)一段距離，滿足CBTC 車載向地面區(qū)域控制器注銷和斷開(kāi)連接。

同時(shí)，在CTCS-2 與CBTC 列控系統(tǒng)邊界需按“2.1 系統(tǒng)切換接口”要求增加通信通道，進(jìn)行聯(lián)鎖、列車運(yùn)行控制以及列車調(diào)度指揮的信息交互。

2）切換區(qū)地面設(shè)備布置方案

一種CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換區(qū)地面設(shè)備布置方案示意如圖5 所示?？稍趯?duì)各自原有的地面設(shè)備影響較小的前提下實(shí)現(xiàn)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)不停車切換。

圖5 CTCS-2和CBTC列控系統(tǒng)切換區(qū)地面設(shè)備布置方案Fig.5 Plans for wayside equipment in the switching zones between CTCS-2 and CBTC systems

a.CTCS-2 至CBTC 切 換，CTCS-2 區(qū) 域 設(shè) 置ZPW-2000 軌道電路；CBTC 區(qū)域設(shè)置計(jì)軸設(shè)備，并在執(zhí)行點(diǎn)后方CTCS-2 列控系統(tǒng)常用制動(dòng)距離區(qū)域內(nèi)疊加設(shè)置ZPW-2000 軌道電路； CTCS-2 區(qū)域增加設(shè)置切換預(yù)告、位置報(bào)告和切換執(zhí)行應(yīng)答器（可與CTCS-2 應(yīng)答器組共用）； CBTC 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋至切換預(yù)告應(yīng)答器組。

b.CBTC 至CTCS-2 切 換 如 圖5（b） 所 示。CBTC 區(qū)域設(shè)置計(jì)軸設(shè)備，并在切換預(yù)告至切換執(zhí)行區(qū)域疊加設(shè)置ZPW-2000 軌道電路，CTCS-2 區(qū)域設(shè)置ZPW-2000 軌道電路；CBTC 區(qū)域增加設(shè)置切換預(yù)告、線路數(shù)據(jù)及臨時(shí)限速、切換執(zhí)行應(yīng)答器；線路數(shù)據(jù)及臨時(shí)限速應(yīng)答器按冗余布置，并納入CTCS-2 列控系統(tǒng)控制。CBTC 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋至切換執(zhí)行后一段距離，以滿足CBTC 車載向地面區(qū)域控制器注銷和斷開(kāi)連接。

當(dāng)系統(tǒng)切換地點(diǎn)設(shè)于車站站內(nèi)時(shí)，其地面設(shè)備設(shè)置原則與上述設(shè)備配置相同，但行車許可需考慮到站內(nèi)可變的進(jìn)路控制信息，條件相對(duì)復(fù)雜。若是CTCS-2+ATO 列控系統(tǒng)與CBTC 列控系統(tǒng)切換，則CBTC 至CTCS-2+ATO 列控系統(tǒng)切換前，還需設(shè)置ATO 呼叫應(yīng)答器并提供自動(dòng)運(yùn)行計(jì)劃等信息。另外，切換區(qū)地面設(shè)備布置需考慮調(diào)度管轄范圍，并配套實(shí)現(xiàn)調(diào)度權(quán)的有序切換。

4 結(jié)論

隨著市域鐵路快速建設(shè)，市域鐵路逐漸網(wǎng)絡(luò)化，CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)互聯(lián)互通是必然的要求。本文提出的CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換方案，維持現(xiàn)有CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)，減少對(duì)既有系統(tǒng)的修改，實(shí)現(xiàn)列車裝備兩套車載的情況下列控系統(tǒng)自動(dòng)切換，以促進(jìn)市域鐵路互聯(lián)互通和資源共享。研究結(jié)果對(duì)于CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及設(shè)備研發(fā)、工程設(shè)計(jì)和實(shí)施應(yīng)用具有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。