軌道交通不同制式信號系統的兼容性及其互聯互通

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，中國共產黨中央委員會和國務院正式印發了《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，推進干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通融合發展”(以下稱為“四網融合”)的要求，以及“提高城市群內軌道交通通勤化水平，推廣城際道路客運公交化運行模式，打造旅客聯程運輸系統”的服務目標。城際鐵路和城市軌道交通主要承擔通勤職能，在軌道交通網絡中的主要形態基本以放射線為主。在新的發展背景下，四網融合的互聯互通具體包括：干線鐵路或城際鐵路同市域鐵路互聯互通，城市快軌列車同市域鐵路互聯互通，多條市域鐵路間互聯互通。

我國城市軌道交通信號系統多采用CBTC(基于通信的列車控制) 系統。城市軌道交通CBTC 系統互聯互通系列規范已經于2018 年陸續發布。CBTC系統的主要供應商均已研發出滿足互聯互通要求的設備。重慶軌道交通已實現了不同供應商CBTC系統間的互聯互通。

我國鐵路信號系統采用CTCS(中國列車運行控制系統)。城際鐵路多采用CTCS-2+ATO系統(2級CTCS+列車自動運行系統)，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尚無統一的制式。部分市域鐵路信號系統采用CTCS-2+ATO系統。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換乘。還有部分市域鐵路信號系統采用了CBTC系統。CBTC系統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，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無法滿足四網融合要求。

目前CTCS與CBTC系統尚無互聯互通的應用先例。多數車站通過換乘來實現客流的交換運輸。大鐵路、城際鐵路、市域鐵路和城市軌道交通路網不斷建設，城市間與城市內混合運行需求顯現，各信號系統承包商也已開展能夠兼容兩種制式的信號系統研發工作。本文將基于CTCS和CTCS-2+ATO系統的差異，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，從而滿足四網融合的要求。

2 兩種制式信號系統的差異

CBTC系統和CTCS-2+ATO系統都遵循故障-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、系統架構和實現方式方面，二者存在較大差異。

2.1 信號系統的技術規格差異

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

表1 CBTC系統和CTCS2+ATO系統的技術規格差異

2.2 信號系統執行的規范及標準差異

CBTC系統和CTCS-2+ATO系統有各自需執行的規范和標準，也有可共同執行的規范及標準(見表2)。

表2 CBTC系統和CTCS2+ATO系統執行的規范標準

2.3 信號系統架構差異

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

2.4 功能實現方式差異

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

表3 CBTC系統和CTCS-2+ATO系統架構差異

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

3 不同制式信號系統的兼容性分析

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

3.1 CBTC系統車載設備與CTCS-2+ATO系統軌旁設備的兼容性

CBTC系統車載設備通過BTM(應答器傳輸模塊)天線可接收CTCS-2+ATO系統地面設備應答器發送的信息。這些信息包括有源應答器發送的進路參數信息、臨時限速信息，以及無源應答器發送的列車定位信息和一定范圍內的線路參數。兩種制式信號系統的應答器數據編碼格式存在差異，統一標準后方可兼容。

CBTC系統通常采用計軸器作為列車區段占用檢測設備，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系統車載設備在理論上可同時兼容GSM-R、WIFI(無線網絡)及TD-LTE(時分雙工長期演進)無線網絡。

3.2 CTCS-2+ATO系統車載設備與CBTC系統軌旁設備的兼容性

CTCS-2+ATO系統車載設備通過天線單元和BTM來接收地面應答器發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送的進路參數信息、線路數據信息和臨時限速信息等，以及無源應答器發送的列車定位信息和一定范圍內的線路參數。同時，CTCS-2+ATO系統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?！冻鞘熊壍澜煌ɑ谕ㄐ诺牧熊囘\行控制系統(CBTC)接口規范-互聯互通接口規范》的編制參照了《應答器傳輸系統技術條件》中應答器的報文結構及報文編碼規則。因此，兩種制式信號系統的應答器數據傳輸內容雖受信號顯示方案和線路數據存儲位置影響而存在差異，卻可在統一標準后兼容。

圖1 CBTC系統車載設備結構框圖

圖2 CTCS-2系統的總體結構框圖

CTCS-2+ATO系統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，并從中解調出低頻信息。理論上，可在城軌CBTC系統線路上安裝CTCS-2制式的數字軌道電路，以取代計軸器成為列車區段占用檢測設備， 此時CTCS-2+ATO系統車載設備可根據地面軌道電路設備發送的控車信息和線路數據等相關信息，生成制動曲線，以監控列車運行的安全?！禝EEE Standard for CommunicationsBased Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements》中定義的CBTC系統包括獨立軌道電路而不是計軸器。但城際鐵路CTCS-2+ATO系統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網絡。

我國經典的CBTC系統采用車地無線通信系統和無源應答器來實現列車與軌旁設備的通信和列車定位，其中絕大多數采用計軸磁頭(輪軸檢測器)作為列車定位的次級檢測設備。計算機聯鎖子系統通過其與室內計軸主機的接口獲得區段占用/出清信息。CTCS-2+ATO系統車載設備可通過CBTC系統的計算機聯鎖子系統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及回流系統對計軸磁頭有不規律的電磁干擾。

3.3 CBTC系統軌旁設備與CTCS-2+ATO系統軌旁設備的通用性

在CBTC系統與CTCS-2+ATO系統中：轉轍機設備可通用，只是安裝裝置尺寸差異較大；CBTC系統與CTCS-2+ATO系統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，但報文信息受系統制式差異影響，內容差別較大；計軸設備可通用，但TCC、ZC及LC(區間控制器)設備的功能差異較大，實現功能的方式及通信協議差異也極大，目前不具備兼容條件，需要重新開發設備或采用冷備切換的方式來滿足跨線運營需求。

3.4 CBTC系統與CTCS-2+ATO系統相關設備互聯互通的可行性

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不同通信方式接口協議的同步傳輸。線路之間通過繼電接口(或互聯互通通信接口)來交互道岔狀態、信號機、照查及上電鎖閉狀態等信息。車載設備只有經過重新研制改造，才能實現互聯互通，否則只能通過硬切換方式來實現跨線運營。

有線通信系統須統一其各類聯鎖通信接口，并采用RSSP(鐵路信號安全通信協議)，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系統的聯鎖子系統或ATP子系統須支持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和私有安全通信協議，以滿足EN 50159-2《開放傳輸系統中的安全相關通信》 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議目前尚不能通用。

基于傳統測速定位方式，將北斗衛星精準定位、激光雷達定位及慣性導航定位方式融合，形成可兼容CBTC系統與CTCS-2+ATO系統的列車定位關鍵技術。開發一體化的界面設計，并探索使用界面切換技術，進而實現統一人機界面設備對于不同制式的兼容。面對四網融合的需求，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兼容性及可行性分析，針對市域鐵路運營特點，為實現同CBTC系統及CTCS系統的互聯互通，構建新的市域鐵路列控系統(STCS)總體架構如圖3所示。STCS包括行車調度設備、臨時限速TSRS設備、TCC設備、車站聯鎖設備、區域控制器設備、車載控制設備、DCS(數據通信系統)設備、應答器/LEU設備、維護監測設備、培訓設備、信號電源、計軸設備、信號機等。

STCS的區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，能追蹤管轄范圍內所有列車的位置。STCS采用連續移動授權計算方法，能根據其他列車的位置、道岔狀態、軌道區段狀態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系統列車，STCS還能提供CTCS-2系統或者CTCS-2+ATO系統的部分相應功能。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系統的固定閉塞模式進行跟蹤。

如市域鐵路信號系統采用CBTC制式，則其CBTC系統也應按照互聯互通標準進行構建，從而實現CBTC系統與鐵路CTCS-2系統的互聯互通。

5 結語

大鐵路、城際鐵路及市域鐵路的信號系統應以CTCS 系列標準列控系統為基礎，并實現不同等級列控系統間的兼容，進而實現全國范圍內列車的跨線運行和互聯互通。

歐洲聯盟一直在制定完善歐洲鐵路交通管理系統(ERTMS)，致力于確保國家鐵路系統的互操作性，降低信號系統的購買和維護成本，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，制定國內鐵路系統運營和交通管理子系統相關的互操作性技術規范，實現我國軌道交通信號系統的互聯互通將指日可待。本文從新一代列控系統需求的角度出發，提出新列控系統的架構、功能和接口設計，希望通過行業共同努力，能制定完善科學的頂層設計和清晰的發展路線，實現不同制式信號系統的互聯互通，真正實現四網融合。