都市圈市域快線多網融合列控系統

賈 飛

(中鐵建電氣化局集團第四工程有限公司，410016，長沙∥高級工程師)

1 軌道交通融合發展概況

日本由于受地域條件的限制，早期就實現了JR(日本鐵路)和地鐵互聯互通運行。例如中央緩行線—地下鐵東西線及常盤緩行線—地下鐵千代田線，其列控系統是通過加裝多套車載設備實現對地面列控系統的兼容[1]。倫敦中心城區隧道線路連接既有的西部和東部郊區線路，該項目也是通過安裝三套車載系統，實現兼容核心線路CBTC(基于通信的列車控制)、西部線路ETCS(歐州列車控制系統)、東部線路TPWS(列車保護和報警系統)三種制式的地面列控系統。法國大巴黎地區郊區線路及市域快軌(RER)線路采用的列控系統有KVB(列車速度控制系統)、SACEM(嵌入式系統)。為提高RER線路中心城區的運能，在RER-E率先采用NExTEO(新東-西線列車運行系統)，實現KVB、SACEM等系統與CBTC系統的地面設備及車載設備融合，并可實現裝備NExTEO系統車載的列車開行至裝備KVB系統、SACEM系統的線路，實現貫通運營[2]。

上海軌道交通2號線更新改造采用“TBTC( 基于軌道電路的列車控制)+CBTC”雙信號異型冗余方案，實現新建系統兼容既有設備[3]；重慶地鐵2號線一期(較場口站—天堂堡站)通過增設車載VOBC(車載控制器)設備升級至CBTC系統，兼容既有ATP/TD(列車自動保護/列車檢測)系統。

綜上所述，國內外針對不同制式列控系統的貫通運營，除大巴黎地區NExTEO系統采用車地雙向兼容的方案外，其余解決方案主要通過車載設備疊加增設方式實現車地單向兼容。

2 CTCS(中國列車控制系統)與CBTC系統架構及功能對比

國鐵CTCS列控系統以CI(計算機聯鎖)、TCC(列車控制中心)為核心，采用TDCS(列車調度指揮系統)，設置TSRS(臨時限速服務器)及LEU(軌旁電子單元)實現對列車控制及超速防護。信息傳輸以GMS-R(鐵路移動通信系統)為主，輔以軌道電路、應答器報文等傳輸方式，并設置集中監測系統[4-6]。以珠三角城際鐵路為例，該項目在CTCS列控系統中疊加ATO(列車自動運行)子系統實現列車自動駕駛、站臺門控制等功能，但其ATO模塊仍基本獨立于整體系統工作[7]。CTCS構成及子系統間信息流向如圖1所示。

圖1 CTCS構成及子系統間信息流向圖

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)CBTC列控系統以CI、ZC(區域控制器)、ATS(列車自動監控)為核心，實現一體化控制及集中調度，信息傳輸以WLAN/LTE-M(無線局域網/城市軌道交通車地綜合通信系統)等無線技術為主。列車定位采用應答器和計軸組合方式，并設置集中監測系統[8]。CBTC系統構成及子系統間信息流向如圖2所示。

圖2 CBTC系統構成及子系統間信息流向圖

相較于國鐵CTCS列控系統，城軌CBTC聯鎖子系統功能更加豐富，可實現車站區間一體化控制，集成了站臺門、SPKS(軌旁作業人員防護開關)、防淹門等一系列接口，ZC整合了ATP/ATO及限速管理等功能。因此較CTCS-2級列控系統集成度更高、信息更豐富、功能更完備。國鐵CTCS和城軌CBTC系統架構及功能特點對比如表1所示。

由表1可知，國鐵列控系統和城軌列控系統的系統構成、信息流向、功能邏輯都相似，僅部分模塊功能、傳輸媒介、接口形式有所差異。具體分析如下：

表1 國鐵CTCS與城軌CBTC系統架構及功能對比表

1) 線路數據存儲及移動授權方式不同。CTCS-2級列控系統線路數據存儲于地面設備，并通過地面應答器及軌道電路向車載設備發送目標點距離、線路速度和長度、臨時限速等信息，車載ATP據此計算列車控制曲線。CBTC列控系統由車載設備保存線路地圖信息，地面ZC通過無線方式向車載設備發送走行路徑方向、目標點位置、臨時限速等動態數據，車載設備根據自身定位自動計算列車移動授權[9]。

2) 車地通信技術不同。CTCS-2級列控系統以軌道電路為主要傳輸媒介，疊加ATO模塊后，還需增設GSM-R通道。傳輸方式方向單一、信道窄、迭代性差。CBTC列控系統傳輸方式以LTE-M/WLAN技術為主，且具備逐步向5G(第5代移動通信技術)/6G(第6代移動通信技術) 演進的能力，具有傳輸速率高、帶寬大、雙向傳輸、抗干擾能力強、技術更新換代能力快等特點。在通信接口、協議方面，CTCS-2級列控系統接口相對公開、單一；而CBTC列控系統以各自廠家為技術牽頭方，接口私有化，難以滿足不同廠家互聯互通設計要求。

3) ATO功能及實現方式不同。CTCS-2級列控系統中，ATO作為相對獨立單元可選配，但啟用ATO功能時，需額外開辟GSM-R通道以實現移動數據傳輸，并同步對TCC、TSRS設備軟硬件配套進行修改，以滿足列車自動駕駛功能。CBTC列控系統通過對ATO模塊與ATP接口、聯鎖接口進行深化設計，使其功能深度嵌入其列控系統之中，列控設備一體化趨勢尤為明顯[9]。另外，城軌ATO功能較CTCS-2級列控系統也更為豐富。

4) 列控系統設備組成及功能不同。CBTC列控系統無TCC、TSRS設備，其相應功能分別由ZC和CI設備實現。另外，CBTC列控系統中的ATS、CI與CTCS-2級列控系統中的CTC、CI設備功能亦存在差異。

3 多網融合列控系統設計需求分析

多網融合列控系統若要實現列車在不同系統間的貫通運營，需在設計層面統一需求。多網融合列控系統應至少滿足如下幾個方面的需求：

1) 選擇多家供貨商或多種協議互通的設備，以確保系統持久有效；

2) 接口協議需標準化、透明化，供貨商各自的技術方案需相互獨立；

3) 建議數據傳輸和控制方案間保持相互獨立，協議轉換不得導致數據錯誤或失效；

4) 子系統層面需獨立開發、獨立運行，打造一個公開、透明應用平臺，提升系統通用性、兼容性；

5) 系統應實現模塊化、參數化設計，便于日后運營維護、更換及系統升級；

6) 符合EN 50126、EN 50128、EN 50129安全標準(SIL4級)；

7) 遵守基于通信的列控標準(CTCS及CBTC)性能和功能要求 (IEEE 1474.1)。

4 多網融合列控系統

4.1 多網融合列控系統車載方案

結合多網融合列控系統設計需求，設計CTCS-2與CBTC統一車載設備系統(即通用式列控系統： General Train Control System，GTCS)，該通用車載系統遵循統一接口協議、融合功能設計、兼容各類終端的設計思路，實現車載信息共享及計算輸出。根據接收到的軌旁信息(軌道電路)和存儲的電子地圖數據，自動判斷當前采取何種工作模式，實現不停車切換CTCS-2或CBTC兩種制式。

基于CTCS+CBTC的融合列控系統車載架構圖如圖3所示。包括主控單元(ATP/ATO，采用二乘二取二或三取二架構)、DMI/MMI(桌面管理接口/人機界面)、測速測距系統(包含速度傳感器、雷達傳感器和測速測距單元)、BTM(應答器信息接收單元)系統(包含BTM主機和天線)、無線傳輸系統(包含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、繼電器等)及司法記錄單元(包括JRU/DRU(司法記錄單元/數據記錄單元)及監測模塊)。同時，為融合CTCS-2/3級列控系統還需配置TCR(軌道電路讀取器)和CIR(機車綜合無線通信設備)。

圖3 基于CTCS+CBTC融合列控系統車載架構圖Fig.3 Onboard architecture diagram of integrated train control system based on CTCS+CBTC

1) 列車定位系統標準化。鐵路信號系統的定位應答器制式有歐標、美標兩種。為支持列車在線路間跨線運行時及時獲得地面應答器的有效報文信息，需實現統一的應答器定位方案。多網融合列控系統車載設備需結合應答器定位系統的車地通信結構及接口連接方式、應答器報文結構及應答器報文編碼規則等，參照T/CAMET 04011.1—2018《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統( CBTC) 互聯互通接口規范 第 1部分: 應答器報文》和《CTCS-3級列控系統應答器應用原則(V2.0)的通知》(科技運[2010]21號)，對其車載MVB(車輛多功能總線)接口進行規范定義。

2) 測速系統標準化。測速系統作為列控系統的關鍵安全設備，通過連續測量并整合列車的瞬時行駛速度獲得列車的行駛距離，其功能實現與軌旁設備無關聯，測速信息準確與否主要依賴車輪轉速測量的準確性。隨著測速設備融合技術發展，采用多種測速設備(如速度傳感器、加速度計、多普勒雷達等)進行數據及算法融合，提高測速精度。同時，車載標準化方案考慮預留常用協議的物理接口或協議轉換，滿足不同設備、制式計數需求，并開發與之相匹配的軟件，以實現列車速度計量功能。

3) 車地無線通信標準化。LTE-R(一種鐵路專用) 技術憑著傳輸速率高、抗干擾性強等優點發展迅速，已逐步成為城市軌道交通車地綜合通信系統標準化技術。為兼容國鐵CTCS級列控系統，車載通信單元以LTE-M為基礎，增加GMS-R單元，采用雙模冗余的架構，提升車載通信接口的兼容能力。

4) 信號-車輛接口標準化。列控系統的輸入輸出接口類型多、差異大。要實現基于多網融合列控系統的車載信號-車輛接口標準化，需根據現有車載接口形式和數據定義類型，如模擬量數據、ATCTCMS(列車控制與管理系統) 通信數據、輸入輸出接口等，制定統一的、通用的、車輛側可執行的輸入輸出接口標準。通過規范信號、車輛廠家接口，既可簡化信號-車輛接口設計，強化接口功能，又可保證滿足不同廠家、不同制式的通信輸入接入。

4.2 多網融合列控系統地面切換方案

為實現地面控制無縫、自動切換，地面CTCS+CBTC多網融合列控系統線路控制區域按制式的不同可劃分CTCS控制區、CBTC控制區及共管區。圖4為CTCS+CBTC多網融合列控系統的地面區域管理劃分示意圖。

圖4 CTCS+CBTC多網融合列控系統的地面區域管理劃分圖Fig.4 Ground area management division diagram of multi-network integrated train control system based on CTCS+CBTC

車載設備在共管區域實施地面控制系統的切換。本文將轉換車站設置為CBTC與CTCS-2的切換區段，車載設備在切換區段實施地面控制系統切換，如圖5所示。在既有CTCS-2系統地面設備基礎上疊加定位應答器、系統切換預告應答器、系統切換應答器，用于ATP/ATO向TSRS注冊列車信息，實現列車控制權限交接，并連續向轉換區內的列車發送移動授權和自動駕駛指令。

圖5 CTCS+CBTC多網融合列控系統切換示意圖

在轉換車站，CBTC與CTCS-2系統共用一套聯鎖設備，由聯鎖保證進路安全，進路辦理由CTCS控制實現。

綜上所述，CTCS+CBTC多網融合列控系統以車載、地面為基礎，實施多網融合，涉及的主要技術改進內容及與原系統技術發展對比分析如表2所示。由表2可知，基于多網融合的產品在車載設備互通、軌旁切換、兼容原地面系統等方面較為科學，符合技術本身的發展趨勢，也符合我國列控系統技術特點及發展目標。

表2 多網融合列控系統及與原系統技術發展對比表

5 結語

本文通過對比分析國鐵CTCS列控系統與城軌CBTC列控系統在系統架構、功能邏輯、信息流向等方面的差異性，結合多網融合列控系統設計需求，提出CTCS+CBTC多網融合列控系統的車載、地面切換貫通運營方案，實現融合車載控制單元、統一車載接口類型、兼容車載通信、增強自動駕駛等功能，并對軌旁切換方案做簡要設計。多網融合列控系統車載設備可以兼容當前國內列控系統，又符合列控系統技術發展趨勢，為市域、市郊鐵路信號系統互通性設計提供參考，也為不同制式信號系統的互通性發展提供思路。