GSM-R系統承載城際鐵路車-地通信業務淺析

張聰云

張聰云:廣東珠三角城際軌道交通有限公司 工程師 510308 廣州

根據鐵道部、國家發改委等部委的批復，珠江三角洲城際軌道交通網正線信號系統采用CTCS-2+ATO列控系統，即在客專CTCS-2級系統的基礎上疊加列車自動運行功能，以實現城際列車自動運行、運行速度自動調整、列車車門控制，以及啟動、牽引、巡航、惰行、制動等自動控制功能。

在既有CTCS-2級系統的基礎上擴展ATO功能，將增加車站精確定位、車門與屏蔽門/安全門聯控、CTC運行調整信息、ATO車載記錄信息、端站折返控制等車-地通信需求，其中車門與屏蔽門/安全門聯動等控制信息的傳遞需增設通信系統承載。

為滿足城際鐵路CTCS-2級系統疊加ATO功能后的車-地通信需求，結合ATO系統在國內城市軌道交通的運用情況，可選擇的車-地通信方式主要有基于無線傳輸的無線局域網、交叉感應環線、GSM-R無線通信平臺等方式。珠三角城際鐵路正線按時速200 km客運專線標準設計，速度目標值遠高于城市地鐵的運營速度，且區間存在大量高架橋及路基，外界環境較復雜，如果采用無線局域網方式，存在抗干擾能力差、不能滿足速度目標值要求的情況;采用交叉感應環線方式，存在軌間電纜及設備易損壞、不利于日常維護、傳輸信息容量小等缺點。比較而言，GSM-R系統是融合了鐵路調度通信功能的鐵路專用無線通信系統，在國內客專及城際鐵路上已成熟穩定運用，如果利用GSM-R系統承載車-地聯控信息，將確保ATO功能的安全性、完整性與穩定性。

本文淺析CTCS-2+ATO控車模式下，利用GSM-R網絡承載車-地通信業務的初步方案，通信網絡適應性改造設想及覆蓋方案，為工程實施提供參考。

1 CTCS-2+ATO系統結構及接口

為實現城際鐵路ATO功能，在維持既有CTCS-2級系統總體結構的基礎上，需要增設的硬件主要包括ATO車載設備主機、車-地無線通信車載單元和車-地無線通信地面單元，系統結構圖如圖1所示。

主要通信接口如下。

通信接口A:由ATP主機向ATO主機傳送包括ATO相關信息、行車許可、線路描述信息、列車速度和位置信息、應答器信息等;ATO向ATP傳遞相應的握手信號。

通信接口B:該接口為無線通信接口，傳遞安全門/屏蔽門的控制命令及狀態信息。

圖1 擴展ATO功能的CTCS-2系統結構圖

通信接口C:由CTC向TCC傳遞列車運行計劃信息。

通信接口D、E:傳遞ATO相關信息(如列車運行計劃)。

通信接口F:傳遞包括ATO運行目標速度、ATO牽引制動狀態、ATO模式、ATO報警信息等，使得ATO相關信息能夠在DMI上予以顯示。

2 車-地通信GSM-R網絡結構及功能

利用GSM-R無線通信網絡承載圖1中通信接口B的信息，即CTCS-2+ATO系統車-地雙向聯控信息，需設置ATO通信服務器、車-地無線通信車載臺等通信設備，網絡結構圖如圖2所示。

圖2 車-地通信GSM-R網絡結構圖

2.1 系統組成

在CTCS-3級系統中，移動交換中心MSC通過2 Mb/s速率的30B+D數據接口與軌旁核心設備無線閉塞中心RBC連接。城際鐵路采用CTCS-2+ATO系統之后，軌旁設備仍可利用上述接口與MSC相連，但是設備由RBC替換為ATO通信服務器。車載設備增加車-地通信單元即ATO無線車載臺，實現車門與屏蔽門/安全門聯動等雙向控制信息的實時傳輸。

2.2 車-地通信單元主要功能

列車出庫并注冊后，ATO無線車載臺將與ATO通信服務器建立永久電路域數據連接，傳輸速率為4.8 kb/s。單元聯接圖如圖3所示。

圖3 車-地通信單元聯接示意圖

ATO通信服務器功能:用于連接GSM-R核心網與列控中心，接收列控中心傳來的數據，分解數據包后，識別發送對象，對數據重新打包，發送給相應的ATO無線車載臺;接收ATO車載臺的位置信息，明確歸屬管轄的列控中心，保持或更新列控中心對象;接收ATO車載臺的數據，將其轉發給當前的列控中心。ATO通信服務器面向GSM-R網絡接口類型為30B+D的PRI接口，面向鐵路安全IP網為FE接口。

ATO無線車載臺功能:出庫運行后保持與ATO通信服務器的永久在線連接，將列車位置信息實時傳遞給ATO通信服務器;ATO無線車載臺接收到來自ATO通信服務器的數據包，列控車載設備解包后根據指令進行運營控制。

3 GSM-R網絡覆蓋方案比選

利用GSM-R系統承載城際鐵路車-地通信業務，尤其是車門與安全門/屏蔽門聯控信息，車-地通信故障將直接影響聯控功能應用，降低城際鐵路運營服務質量。現分析可供選擇的3種主要無線覆蓋方案，并比較優缺點。

方案1:全線采用既有CTCS-2級線路的普通單網覆蓋方式。

該方案網絡結構采用1層、1套BSC/TRAU結構，基站之間較短的覆蓋重疊區滿足切換需求。其優點是既有CTCS-2列控區段GSM-R網絡配置方式不做大的修改，相應系統投資最省;但網絡配置方式不保證單點故障情況下網絡可用性，宕機時網絡恢復需要一定時間。

方案2:全線區間采用既有CTCS-2級系統的GSM-R組網方案(普通單網覆蓋)，在車站范圍內采用共站址雙網覆蓋。

考慮ATO功能僅在車站范圍內實現，所以該方案僅在車站范圍內鋪設雙網以提高可靠性。其優點為:配套設施可共享，可共用傳輸、電源、機房、鐵塔、天線等基礎設施，可確保網絡單點故障時的可用性，車-地通信可靠性較高;但無法應用CTCS-2級線路既有GSMR網絡配置標準，頻點不易規劃，每個車站都需要追加1套基站設備的投資，系統投資較高，共站址雙網也不是GSM-R推廣使用的技術。

方案3:對ATO車-地通信車站區域采用交織單網覆蓋方式。

該方案針對ATO車-地通信實際需求，通過優化基站設置滿足車站范圍內實現交織單網覆蓋。其優點是可確保網絡單點故障時可用性，車-地通信可靠性較高，投資相對較省;但無法應用CTCS-2級線路既有GSM-R網絡配置標準，優化基站設置會增加系統投資。

對上述3種方案進行比較，綜合技術性、經濟性，推薦采用方案3，即對ATO車-地通信車站區域采用交織單網覆蓋方式。

目前，城際鐵路CTCS-2+ATO信號系統還處于研發階段，尚無成熟運用案例，ATO功能的疊加需對既有CTCS-2級列控車載設備、列控中心接口進行改造及功能擴展。本文僅對CTCS-2+ATO控車模式下采用GSM-R系統承載車-地通信業務進行了簡單的理論分析，通信系統的接口適應性、承載能力等問題尚有待深入研究。

［1］傅世善．閉塞與列控概論［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［2］鐘章隊．鐵路GSM-R數字移動通信系統［M］．北京:中國鐵道出版社，2007．

［3］中華人民共和國鐵道部．鐵計函［2010］1288號．關于東莞至惠州城際軌道交通項目可行性研究報告的調整批復［R］．2010．