面向城際鐵路直通運(yùn)行的區(qū)域軌道交通電子地圖數(shù)據(jù)管理方案*

黃蘇蘇 李 剛 李 克 杜 萌

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所, 100081, 北京; 2. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 100044, 北京)

隨著區(qū)域軌道交通建設(shè)的不斷延伸,在新一輪都市圈城際鐵路項(xiàng)目建設(shè)中,為了提高軌道交通網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)輸效率,不再推薦乘客通過(guò)站內(nèi)換乘的方式銜接不同線路,轉(zhuǎn)而大力發(fā)展列車直通運(yùn)行的模式以進(jìn)一步縮短旅客轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。直通運(yùn)行是一種旅客運(yùn)輸概念,指列車根據(jù)規(guī)定的時(shí)刻表在不同的線路、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商所提供的基礎(chǔ)設(shè)施之間行駛,行駛過(guò)程中乘客可在車上停留而不下車。直通運(yùn)行的旅客運(yùn)輸模式可以共用部分基礎(chǔ)設(shè)施,盤活利用既有線路資源,減少新建線路,節(jié)約工程投資,還能完善都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)的整體功能規(guī)劃。但在實(shí)施過(guò)程中,互聯(lián)互通需要多專業(yè)技術(shù)的統(tǒng)一或兼容,對(duì)需要直通運(yùn)行線路的基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、牽引供電、信號(hào)等各專業(yè)都提出了較高的要求[1]。國(guó)鐵干線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)跨路局的直通運(yùn)行常有,城市軌道交通線路的互聯(lián)互通也在逐漸完善,但國(guó)鐵線路與城市軌道交通線路跨制式的直通運(yùn)行目前還沒(méi)有開(kāi)通的案例,需要進(jìn)一步研究。

1 直通運(yùn)行對(duì)不同制式信號(hào)系統(tǒng)的需求

當(dāng)前我國(guó)的信號(hào)系統(tǒng)主要有CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))和CBTC(基于通信的列車控制)兩種不同的制式。CBTC系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市軌道交通線路,列車時(shí)速低、追蹤間隔小,運(yùn)營(yíng)組織靈活性高,通常是單條線路獨(dú)立運(yùn)營(yíng);CTCS分為0～4級(jí),覆蓋了從客運(yùn)到重載、低速到高速、市域郊到主干網(wǎng)等多種場(chǎng)景和不同需求,支持大范圍內(nèi)的互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)。直通運(yùn)行對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的改造需求主要集中在CTCS與CBTC兩種不同制式的銜接上。為應(yīng)對(duì)這個(gè)需求,對(duì)于車載系統(tǒng),可以多套共存;對(duì)于聯(lián)鎖系統(tǒng)和調(diào)度指揮系統(tǒng)等線路的軌旁設(shè)備,可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口來(lái)互相傳遞信息;但對(duì)線路的電子地圖數(shù)據(jù)必須要進(jìn)行統(tǒng)一管理,只有這樣才能保證行車安全。

文獻(xiàn)[2]描述了滿足互聯(lián)互通CBTC 系統(tǒng)的通用電子地圖的具體內(nèi)容和實(shí)施方案。文獻(xiàn)[3]針對(duì)靈活編組的互聯(lián)互通信號(hào)系統(tǒng),提出了電子地圖整體設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)加載方法。文獻(xiàn)[4]根據(jù)CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)文件的不同特點(diǎn),提出了一種在車載設(shè)備Flash存儲(chǔ)器中存取電子地圖的管理方案。

2 軌道交通電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀分析

電子地圖作為描述線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的重要載體,是保障列車安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。一般意義上,鐵路電子地圖主要包括地圖索引信息文件、軌道地理信息文件、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件等。車載設(shè)備通過(guò)將電子地圖信息和自身測(cè)速定位信息結(jié)合實(shí)現(xiàn)多源融合定位,根據(jù)行車許可生成的目標(biāo)距離曲線監(jiān)控列車運(yùn)行。此外,高精度的軌道交通電子地圖數(shù)據(jù)在工務(wù)養(yǎng)護(hù)、通信運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面也具有重要價(jià)值。

2.1 CBTC電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

在城市軌道交通CBTC系統(tǒng)中,列車在車輛段內(nèi)通過(guò)人工加載或WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))無(wú)線下載的方式加載所運(yùn)行線路的基礎(chǔ)信息。車載設(shè)備不但需要本地存儲(chǔ)運(yùn)行線路全部的電子地圖數(shù)據(jù),還通常由人工逐列對(duì)電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行更新維護(hù)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是線路電子地圖數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠性高、支持ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)生成連續(xù)的控車曲線,缺點(diǎn)是電子地圖數(shù)據(jù)不易維護(hù)、不易拓展。在面對(duì)大城市群城際鐵路互聯(lián)互通項(xiàng)目時(shí),隨著線路不斷拓展,電子地圖數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,車載設(shè)備的存儲(chǔ)容量難以滿足存儲(chǔ)運(yùn)行線路全部電子地圖的需求。

2.2 CTCS各級(jí)系統(tǒng)電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

CTCS-0和CTCS-1采用大儲(chǔ)存的方式把所需的運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在列車的車載設(shè)備中。LKJ(列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用的是版本管理方式,相應(yīng)版本號(hào)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器被導(dǎo)入LKJ設(shè)備,定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。這種車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理模式在技術(shù)條件有限的條件下被廣泛應(yīng)用,但近年來(lái)由于線路變更和運(yùn)行圖調(diào)整導(dǎo)致LKJ 車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更改頻繁,人工換裝困難較多[5]。

CTCS-2是基于軌道電路傳輸信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。CTCS-2技術(shù)規(guī)范定義了應(yīng)答器的設(shè)置規(guī)則及報(bào)文編制原則,同時(shí)規(guī)定了用于描述線路數(shù)據(jù)的用戶信息包格式。一般情況下,CTCS-2的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是通過(guò)軌旁應(yīng)答器逐段發(fā)送至車載設(shè)備,車地通信使用鐵路信號(hào)安全協(xié)議。

CTCS-3是基于無(wú)線傳輸信息并采用軌道電路檢查列車占用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。由RBC(無(wú)線閉塞中心)向列車發(fā)送行車許可范圍內(nèi)的靜態(tài)速度區(qū)線、坡度信息、線路描述信息、應(yīng)答器鏈接信息和臨時(shí)限速信息。隨著列車向前運(yùn)行,RBC的行車許可也不斷向前延伸。RBC能夠提供最長(zhǎng)32 km的列車運(yùn)行信息和線路參數(shù)信息。

一般情況下,CTCS-3的線路數(shù)據(jù)是由RBC逐段發(fā)送至車載設(shè)備,車地通信使用GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

CTCS-N(N級(jí)CTCS)中有一個(gè)更廣泛的電子地圖概念,包括軌道電子地圖、站場(chǎng)數(shù)據(jù)、GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))信息等內(nèi)容。CTCS-N的電子地圖由TSRS(臨時(shí)限速服務(wù)器)校核更新。列車發(fā)車前通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)從TSRS下載或校核線路電子地圖。一般情況下,CTCS-N的電子地圖是由TSRS逐段發(fā)送至車載設(shè)備,車地通信使用GSM-R無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 對(duì)比分析

多種制式信號(hào)系統(tǒng)電子地圖的信息內(nèi)容、獲取方式及傳輸媒介對(duì)比如表1所示。

表1 多種制式信號(hào)系統(tǒng)電子地圖相關(guān)信息對(duì)比

要統(tǒng)一管理不同制式信號(hào)系統(tǒng)的電子地圖需要解決以下問(wèn)題:

1) 不同廠商的同制式信號(hào)系統(tǒng),因產(chǎn)品架構(gòu)不同而導(dǎo)致電子地圖數(shù)據(jù)描述方式和文件格式各不相同,無(wú)法完全統(tǒng)一。如各廠商CBTC系統(tǒng)中的電子地圖存在差異,無(wú)法直接轉(zhuǎn)換。

2) 不同制式的信號(hào)系統(tǒng)電子地圖包含信息內(nèi)容不同,無(wú)法使用同一個(gè)數(shù)據(jù)包。如:CBTC電子地圖需要包含站臺(tái)門開(kāi)關(guān)順序信息,LKJ的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要包含軌道電路載頻轉(zhuǎn)換點(diǎn)信息,CTCS-4電子地圖需要包含GNSS的軌道地理信息。不同制式信號(hào)系統(tǒng)對(duì)電子地圖數(shù)據(jù)的精度需求也不同。

3) 不同制式信號(hào)系統(tǒng)的電子地圖獲取方式不同,無(wú)法完全統(tǒng)一。如:CBTC和LKJ都是采用車載本地存儲(chǔ)電子地圖,CTCS-2采用應(yīng)答器分段傳輸,CTCS-3采用RBC分段傳輸,CTCS-4采用TSRS分段傳輸。

4) 軌道交通行業(yè)發(fā)展的新需求促使信號(hào)系統(tǒng)不斷升級(jí),對(duì)電子地圖數(shù)據(jù)的需求也會(huì)不斷增加。如FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)在電子地圖中需要包含支持自動(dòng)過(guò)分相功能的分項(xiàng)區(qū)信息。

3 適用于多制式列車直通運(yùn)行的電子地圖數(shù)據(jù)管理方案

為了促進(jìn)互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)不同制式的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)高效率地網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行,本文提出一種區(qū)域中心、局管平臺(tái)、本地工作站三級(jí)架構(gòu)的區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在路網(wǎng)指揮中心以軌道地理信息為基礎(chǔ)建立區(qū)域線路數(shù)據(jù)管理中心,利用計(jì)算機(jī)、信息集成等手段,為軌道交通線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系總體規(guī)劃和高效利用提供技術(shù)保障。

3.1 數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)

區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將區(qū)域內(nèi)的多條線路的電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理,按不同的運(yùn)營(yíng)單位進(jìn)行劃分,每個(gè)運(yùn)營(yíng)單位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)再按照線路或者一定的原則劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊,數(shù)據(jù)塊中詳細(xì)描述該線路區(qū)段的電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如圖1所示,區(qū)域內(nèi)的電子地圖管理平臺(tái)分為三層架構(gòu),在區(qū)域控制中心設(shè)置區(qū)域線路數(shù)據(jù)管理中心,在不同運(yùn)營(yíng)單位管理范圍內(nèi)設(shè)置局管線路數(shù)據(jù)平臺(tái),每條線路設(shè)置本地的線路數(shù)據(jù)工作站。

圖1 區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

各線路/區(qū)段負(fù)責(zé)維護(hù)各自范圍內(nèi)的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)區(qū)域內(nèi)的電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中管理。既可以將區(qū)域內(nèi)跨局管的不同線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編譯到一個(gè)電子地圖文件中,也可以選擇只編譯本線路(或本局管的幾條線路)的數(shù)據(jù)到一個(gè)電子地圖文件中。編譯生成的線路電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在該列車所屬局管單位的局管數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行存放,每個(gè)局管的數(shù)據(jù)版本相對(duì)獨(dú)立。

區(qū)域線路數(shù)據(jù)管理中心的功能主要包括:存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)全局的線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù);完成區(qū)域內(nèi)跨局運(yùn)行列車的電子地圖數(shù)據(jù)下載和校驗(yàn)功能;對(duì)區(qū)域內(nèi)電子地圖有關(guān)的圖形和屬性信息進(jìn)行展示、查詢、檢索,并進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)處理。

局管線路數(shù)據(jù)平臺(tái)的功能主要包括:收集本單位運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)的線路基礎(chǔ)信息,并發(fā)送給上級(jí)數(shù)據(jù)管理中心;完成局管范圍內(nèi)跨線運(yùn)行列車的電子地圖下載和校驗(yàn)功能;對(duì)局管范圍內(nèi)電子地圖有關(guān)的圖形和屬性信息進(jìn)行展示、查詢、檢索及數(shù)據(jù)分析處理。

本地線路數(shù)據(jù)工作站的功能主要包括:對(duì)本線線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理,并發(fā)送給上級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)校驗(yàn);下載和校驗(yàn)本線列車電子地圖。

3.2 數(shù)據(jù)下載

優(yōu)先考慮在段內(nèi)、車輛基地下載或更新車載基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù),其次可以在線路上跨區(qū)域的轉(zhuǎn)換軌和折返點(diǎn)位置通過(guò)無(wú)線方式獲取地面設(shè)備所發(fā)送的前方線路電子地圖數(shù)據(jù),另外還可以通過(guò)車站附近的應(yīng)答器傳輸前方線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供人工換裝數(shù)據(jù)、無(wú)線更新、應(yīng)答器傳輸三種基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)下載更新方式,如圖2所示。三種基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)下載更新方式可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

圖2 三種基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)下載更新方式示意圖

3.2.1 人工下載

當(dāng)列車需要采用人工換裝車載電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí),需要人工向上級(jí)電子地圖管理平臺(tái)提出申請(qǐng),根據(jù)上級(jí)電子地圖管理平臺(tái)統(tǒng)一制定的換裝計(jì)劃更新列車電子地圖數(shù)據(jù),如圖3所示。被請(qǐng)求的上級(jí)管理平臺(tái)記錄詳細(xì)的換裝計(jì)劃信息,包括:人工換裝時(shí)間、地點(diǎn)和操作人員,換裝的機(jī)車,換裝前車載電子地圖軟件版本信息,換裝后電子地圖軟件版本信息,等等。

圖3 人工加載線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)流程示意圖

3.2.2 無(wú)線傳輸

當(dāng)列車需要通過(guò)無(wú)線方式更新電子地圖時(shí),車載設(shè)備向地面相應(yīng)級(jí)別的線路數(shù)據(jù)管理設(shè)備進(jìn)行入網(wǎng)注冊(cè),然后進(jìn)行車地?zé)o線傳輸連接。注冊(cè)和鏈接完成后,列車向相應(yīng)的線路數(shù)據(jù)管理設(shè)備請(qǐng)求更新數(shù)據(jù),如圖4所示。只在本線運(yùn)行的列車與本線的線路數(shù)據(jù)工作站(或者區(qū)段數(shù)據(jù)工作站)連接;需要跨線運(yùn)行的列車與局管線路數(shù)據(jù)平臺(tái)連接;需要跨運(yùn)營(yíng)單位運(yùn)行的列車與局管線路數(shù)據(jù)平臺(tái)連接,由局管平臺(tái)再向區(qū)域中心請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

圖4 無(wú)線加載線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)流程示意圖

3.2.3 應(yīng)答器傳輸

當(dāng)列車需要通過(guò)應(yīng)答器傳輸線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí),列車按計(jì)劃通過(guò)車載應(yīng)答器傳輸模塊與地面的應(yīng)答器通信,接收地面應(yīng)答器提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,車載保存更新數(shù)據(jù)的相關(guān)記錄,如圖5所示。線路列車控制中心統(tǒng)一管理本線的應(yīng)答器。

圖5 應(yīng)答器加載線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)流程示意圖

3.3 系統(tǒng)平臺(tái)功能

區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)支持C/S(客戶端/服務(wù)端)結(jié)構(gòu),能夠?qū)⑾嚓P(guān)任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)端。系統(tǒng)平臺(tái)能夠支持分布式數(shù)據(jù)管理,保障數(shù)據(jù)存取的一致性和完備性,能夠提供有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問(wèn)、管理功能。同時(shí),系統(tǒng)平臺(tái)還能提供易操作的數(shù)據(jù)編輯工具及與其他顯示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換工具,能夠生成符合標(biāo)準(zhǔn)的軌道交通線網(wǎng)地圖。

4 結(jié)語(yǔ)

在區(qū)域軌道交通一體化建設(shè)的過(guò)程中,為了盡可能減少不同制式的列車共線運(yùn)行、跨線運(yùn)行時(shí)車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)換裝的復(fù)雜度及工作量,提高獲取線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化水平,需要對(duì)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。本文基于區(qū)域內(nèi)多制式線路電子地圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的實(shí)際需求,調(diào)研了CBTC和CTCS系統(tǒng)的電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀,對(duì)比分析了不同制式信號(hào)系統(tǒng)電子地圖信息內(nèi)容、管理方式、獲取方式的差異,提出了一種基于區(qū)域中心、局管平臺(tái)、本地工作站三級(jí)架構(gòu)的區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)下載方式和平臺(tái)軟件特征。旨在更好地服務(wù)于區(qū)域軌道交通數(shù)據(jù)綜合、資源共享、管控一體的發(fā)展,保障區(qū)域軌道交通一體化聯(lián)動(dòng)指揮,形成多層次的綜合交通體系,助力大城市群區(qū)域軌道交通一體化高質(zhì)量發(fā)展。