國鐵CTCS與城軌CBTC列控系統的多網融合方案研究

席武夷

隨著全國干線高速鐵路網的逐步形成和城市軌道交通的不斷發展和完善,在經濟發達的長三角、珠三角等地區,處于干線鐵路和城市軌道交通銜接部位的城際鐵路、市域鐵路迎來了新的發展熱潮,在城市群內部的出行通勤中,扮演了越來越重要的角色。2017年6月,國家發改委與多部門聯合印發了《關于促進市域（郊）鐵路發展的指導意見》（發改基礎〔2017〕1173號）,要求推動干線鐵路、城際鐵路、市域鐵路、城市軌道交通“四網融合”。

信號系統是支撐四網融合落地的關鍵系統之一。在2010年以后國內軌道交通大規模應用的主流信號系統中,按實際運營場景的不同,主要分為國鐵CTCS信號系統和城軌CBTC信號系統。其中,CTCS信號系統的標準制定和建設管理,由中國國家鐵路集團有限公司主導,分為CTCS-2級和CTCS-3級,未來會逐步演進發展到CTCS-4級,并在相應等級同時疊加了ATO子系統實現自動駕駛；CBTC信號系統的技術標準由中國城市軌道交通協會牽頭制定,運營維護由各級地方政府下屬的軌道交通集團公司或地鐵公司負責。

在國內已開通的部分城際鐵路、市域鐵路中,信號系統制式也各不相同。例如,由廣東省主導建設的莞惠城際、廣佛肇等城際鐵路,采用CTCS-2+ATO信號系統；由北京市主導建設的北京地鐵大興機場線,采用了CBTC信號系統［1］。

由于國鐵CTCS信號系統和城軌CBTC信號系統在運營特點、設備組成和內外部接口上均存在較大差異,所以在城際鐵路、市域鐵路工程建設中,信號系統制式的選擇經常成為爭論的焦點。在四網融合的大趨勢下,從CTCS信號系統和CBTC信號系統兼容的實際需求出發,本文對系統內部車載設備、地面設備的組成、功能特點等進行詳細分析,提出了多網融合的具體實施方案建議。

1 國鐵CTCS和城軌CBTC的應用情況及特點

隨著鐵路技術發展的多元化,我國軌道交通類型越來越多。按照最高運行速度、最小行車間隔、平均線路長度、平均站間距等的不同,軌道交通大致可以劃分為高速鐵路、城際鐵路、市域鐵路、地鐵系統、輕軌系統、中低速磁浮、跨座式單軌、有軌電車等多種形式。表1對目前國內CTCS和CBTC信號系統的主要應用情況和運營特點進行簡要對比［2］。

表1 國內CTCS和CBTC信號系統的主要應用情況和運營特點對比

2 國鐵CTCS與城軌CBTC多網融合方案

考慮到CTCS-2/3級列控系統和城軌CBTC列控系統的差異,為實現多網融合跨線運行,基本上只有2種方案:一是地面同時兼容不同類型的車載設備；二是車載設備同時適應不同類型的地面軌旁設備。下面就對2個方案在技術實現方式上的可行性進行詳細分析。

2.1 地面同時兼容不同類型的車載設備

在軌旁同時配置CTCS和CBTC地面設備,同時滿足裝備CTCS-2/3等級車載設備和裝備CBTC車載設備的運行需求。由于地面設備變化較大,該方案只能實施在新建的城際鐵路、市域鐵路上,既有線路都不具備融合的條件。

1）CTCS-2/3級列控系統地面設備,主要包括軌道電路（TC）、應答器、計算機聯鎖（CI）、列控中心（TCC）、無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務器（TSRS）和列車調度集中（CTC）［3］。軌道電路用于實現列車占用檢查等；應答器向車載設備傳輸定位信息、線路參數、進路數據、臨時限速等信息；計算機聯鎖在規定的聯鎖條件和時序下,對進路、信號和道岔進行控制；列控中心實現對軌道電路編碼、有源應答器報文編制、區間通過信號機點燈、區間閉塞方向控制及區間占用邏輯檢查等功能；臨時限速服務器實現臨時限速命令存儲、校驗、刪除、拆分、設置和取消等管理功能；列車調度集中系統用于實現列車實時追蹤顯示、運行調整等功能。

2）城軌CBTC列控系統對應的地面設備,主要包括應答器、計算機聯鎖（CI）、區域控制器（ZC）列車自動監督系統（ATS）等［4］。其中,區域控制器負責根據列車所報告的位置信息、聯鎖所排列的進路和軌旁設備提供的軌道占用信息,為控制范圍內的通信列車計算移動授權；列車自動監督系統也用于實現列車實時追蹤顯示、運行調整等功能。

CTCS-2/3等級列控系統和城軌CBTC列控系統地面設備的差異見表2［5-6］。

表2 CTCS-2/3等級列控系統和城軌CBTC列控系統地面設備的差異

CTCS-2/3等級列控系統地面設備在組成、技術標準和功能上,與城軌CBTC列控系統存在較大差異,若各自配置為獨立的雙套設備,設備成本投入很大,且需要充分考慮各自系統的控制權限、軌旁設備布置等實際情況,在一些復雜區段或設備故障降級等特殊場景下,系統內部的安全控制邏輯容易相互耦合影響,產生一些無法預料的問題；若將雙方的公共設備融合配置成為一個新系統,需要對現行的地面設備規范體系進行詳細梳理和修改,相關控制邏輯的確認也非短期內可以達成；此外,軌道交通列車共線運行場景中,為保證行車安全,行車效率需向兼容型列控系統的短板看齊,這樣,線路最終的運營效率就取決于CTCS-2等級列控系統,CBTC系統的優勢也無法體現。結合以上分析,地面同時兼容不同類型車載設備的方案,不具備可行性。

2.2 車載同時適應不同類型的地面設備

要求車載設備能夠同時在CTCS-2/3等級列控線路和城軌CBTC列控系統線路下運行,在同一線路條件允許時,只能有一種型號設備的主控系統在前臺工作,實現超速防護等功能,而另一型號的主控系統應處于備用狀態,不參與實際控車。在車載設備具備條件的前提下,該方案不僅適用于新建城際鐵路、市域鐵路,在符合技術要求的既有城軌CBTC線路下,也可以實現多網融合。

CTCS-2/3級列控系統車載設備與城軌CBTC列控系統車載設備的設備組成類似,主要包括主控單元（VC,采用二乘二取二或三取二架構）、人機界面（DMI/MMI,安裝在駕駛室）、測速測距子系統（包含速度傳感器、雷達傳感器和測速測距單元）、BTM子系統（包含BTM主機和天線）、無線傳輸子系統（包含安全傳輸單元、GSM-R/LTE-M電臺、車頂天線等）、列車接口單元（主要包括安全輸入輸出單元、輸入輸出單元、繼電器等）、ATO子系統、司法記錄單元（JRU/DRU）。此外,CTCS-2/3級列控系統車載設備還配置有軌道電路讀取器（TCR）和CIR通信子系統。

2.2.1 融合方案

CTCS和城軌CBTC這2種類型車載設備內部子系統的融合,從技術實現上是完全可行的,各子系統的融合方案大致如下。

1）主控單元的融合可以分階段實施,第1階段采用獨立的硬件模塊,各模塊負責各自的安全防護功能；第2階段將CTCS和CBTC統一到同一臺硬件單元內部,軟件模塊基于獨立的任務周期,或者效仿巴黎地鐵RER-E的技術路線,將城軌CBTC系列系統全部納入ETCS系統定義的STM模塊實現功能中,增加CTCS擴展單元,實現多種城軌CBTC系統適應接口。隨著理論研究的深入和規范標準的形成,軟件模塊內部可實現深度的融合和統一。

2）人機界面因按鍵和顯示規范差異較大,融合也需要分階段實施,第1階段仍然建議采用獨立的顯示屏,第2階段再著手制定顯示規范,統一按鍵設計或采用抗干擾性能符合要求的觸摸屏,把應用軟件融合到同一個顯示屏內部。

3）無線傳輸子系統現階段的通信方式和安全傳輸協議存在差異,需結合實際選擇的車地無線通信方式,制定相應的融合方案。

4）BTM子系統、列車接口單元、ATO子系統、司法記錄單元（JRU/DRU）的主體功能基本相同,具備硬件共用的條件。

2.2.2 實施階段

考慮到CTCS和城軌CBTC車載設備的復雜性,系統實現第2階段的融合需要充分考慮到設計聯絡、規范制定、軟硬件研發和安全認證周期,整個過程至少需要3年的時間。基于以上分析,現場工程實施可以分為2個階段進行。

1）對于3年內有明確多網融合需求的動車組,為降低雙方融合的難度,滿足工程時間要求,在設計時應盡可能保證CTCS和CBTC車載設備主體的獨立性,車下安裝的速度傳感器天線、雷達天線等,為減小安裝維護難度,采用雙方共用方案。控車時,應保證同一時刻只有一種類型的車載設備處于前臺工作模式,實現安全防護功能,另一類型的車載設備處于后備工作模式。

2）對于有5年以上開通時間的線路,可考慮CTCS和CBTC車載設備的深度融合,主控單元、BTM子系統、測速/測距子系統、無線傳輸子系統、ATO子系統等都應共用同一套硬件,通過模塊化設計和現有軟件移植,減少不必要的工作量和系統修改可能帶來的安全風險。例如,主控單元基于同一套硬件,內部根據運行線路實現CTCS和CBTC前臺、后臺工作模式的調度切換。

3 系統融合中的關鍵問題及對策

3.1 地面信號設備的類型選擇

按照上述分析,由于標準不統一,地面設備同時適應CTCS-2/3級和CBTC車載設備的難度較大,采用車載設備同時適應CTCS-2/3級和CBTC地面信號設備的方案可行性較高。但地面信號設備是采用CTCS-2/3級的地面信號設備,還是CBTC地面信號設備的方案,還需充分考慮系統當前的實際運營場景和未來的多網融合需求。

若系統投入運營后,未來最主要的需求是車載設備跨線運行到城際鐵路、市域鐵路以外的CTCS-2級線路,運行到城市內部地鐵線路的需求較弱,則選擇CTCS-2/3級的地面信號系統可行性更強；若系統未來最主要的需求是車載設備跨線運行到城際鐵路、市域鐵路以外的地鐵線路,則更適合選擇CBTC地面信號設備方案。

此外,還需要充分考慮到2個系統的特點對后期升級維護的影響:在CTCS-2/3級列控系統中,線路數據全部存儲在軌旁地面設備中,車載設備不存儲線路數據；在CBTC列控系統中,設備信息、線路信息等數據同時存儲在車載和地面設備中,且以車載設備為主［7］,不太適用于運行交路范圍較廣的情況。若運行交路范圍內一旦接入新的線路,或其他原因引起數據變化,都需要更新車載側電子地圖數據；若投入運營的車輛較多,頻繁調整數據,對后期的維護會帶來較大的工作量,同時容易出現安全性問題,這種情況下選擇CTCS-2/3級的地面信號系統也更符合實際情況。

3.2 車載設備的切換方式

車載設備在CTCS-2/3級地面設備列控線路和CBTC控制系統地面設備線路對應的跨線位置運行時,需要進行控制模式的切換。

從CTCS-2/3級到CBTC控制模式,為保證在轉換邊界位置的列車不停車運行,且轉換模式后不引起制動,CTCS-2/3級車載設備主控單元應根據接收到的應答器報文信息,提前一定距離向CBTC車載設備主控單元提供所需的行車許可、線路數據和臨時限速等信息。模式轉換應同時設置預告點和執行點,在轉換預告點處向司機提示即將轉入CBTC控車的轉換預告,在轉換執行點處轉入CBTC控車。從CBTC控制模式到CTCS-2/3級的切換方式類似。

3.3 車地無線通信方式

國有干線鐵路和地鐵線路的車地無線通信方式不同,CBTC對應的車地無線通信基本都基于LTE-M和WLAN方式,而干線鐵路CTCS-2/3級信號系統采用GSM-R實現車地數據傳輸。基于5G承載信號系統車地數據傳輸的方案,雙方都在積極研究中,目前還沒有正式的商用線路。為實現國鐵CTCS系統與城軌CBTC系統的多網融合,作為銜接環節的城際鐵路、市域鐵路,其車地無線通信方式需要系統考慮。

承載CBTC車地通信的WLAN軌旁AP接入點的間距一般為220～240 m,列車在運行過程中無線切換次數頻繁,實際測試條件下一般只支持120 km/h以下的運行速度,無法滿足城際鐵路、市域鐵路的運行速度需求。另外,WLAN技術基于802.11 b/g標準,工作頻段為2.4 GHz,與民用設備采用的頻段基本相同,采用CBTC列控系統對應的城市地鐵線路大多都處于地下隧道內部,受外部環境干擾的影響較小,而城際鐵路、市域鐵路會有很大一部分線路位于地上,電磁環境復雜度較高,容易受到民用AP、藍牙等2.4 GHz頻段附近信號的干擾,難以保證數據通信的可靠性［8］。因此,城際鐵路、市域鐵路采用基于WLAN的車地無線通信方式不可行。

目前,國內移動設備廠商研制的5G通信模塊,普遍能夠向下兼容LTE和GSM網絡。采用同時兼容5G-R、LTE-M和GSM-R網絡技術的無線電臺,實現CBTC和CTCS-2/3級列控系統車地無線通信方式的兼容,通過后端的無線控制單元實現不同通信方式的切換,會逐步演進過渡成為多網融合下較為合理的方案［9］。

4 展望

2021年6月,國家發展改革委官網正式公布了《長江三角洲地區多層次軌道交通規劃》,提出到2025年,基本建成軌道上的長三角,形成干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通多層次、優銜接、高品質的軌道交通系統。本文針對國鐵CTCS信號系統和城軌CBTC信號系統多網融合提出的方案建議,對于指導城際鐵路、市域鐵路信號系統相關的工程設計和建設實施,具有重要的指導意義和實用價值。希望在相關業內專家的共同努力下,共同推進方案的驗證和工程化,早日實現國鐵CTCS信號系統和城軌CBTC信號系統的融合,更好地服務人民群眾的出行。