匈塞鐵路邊境ETCS系統(tǒng)貫通運行工程設(shè)計方案研究

代立疆

匈塞鐵路位于歐洲中部匈牙利和塞爾維亞境內(nèi)，是中國在歐洲牽頭建設(shè)的首條高速鐵路，起點為匈牙利共和國首都布達佩斯，終點為塞爾維亞共和國首都貝爾格萊德［1-2］。線路全長約350 km，其中，匈牙利境內(nèi)線路長166 km，設(shè)計速度為160 km/h；塞爾維亞境內(nèi)線路長185 km，設(shè)計速度為200 km/h，匈牙利的克萊比亞站和塞爾維亞的蘇博蒂察站銜接于兩國邊境［3-4］。

由于歐洲各國列車運行控制系統(tǒng)種類繁多且互不兼容，為實現(xiàn)高速鐵路在歐洲國家間的互聯(lián)互通，歐洲鐵路聯(lián)盟及相關(guān)鐵路設(shè)備供應(yīng)商研制了統(tǒng)一的、系列化的、標(biāo)準(zhǔn)化的歐洲列車運行控制系統(tǒng)（ETCS）［5-6］。為滿足列車在不同國家間運營的互聯(lián)互通需求，通常在國家線路的邊界附近，設(shè)置等級轉(zhuǎn)換點，具有多種等級控車功能的列車，在不停車情況下，在等級轉(zhuǎn)換點處自動完成等級轉(zhuǎn)換［7-8］。

匈塞兩國鐵路列控系統(tǒng)均采用ETCS-2級系統(tǒng)，為實現(xiàn)邊境ETCS 系統(tǒng)的互聯(lián)互通，本文對3 種方案研究： ETCS-2→ETCS-1→ETCS-2 （簡稱“E2→E1→E2”）等級轉(zhuǎn)換、雙方向E2貫通、E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換與E2貫通結(jié)合，并結(jié)合應(yīng)答器的具體布置方案，分析研究列車在不同運營場景下的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍要求及存在的問題等。

1 匈塞邊境概況及運營要求

匈塞邊境示意見圖1。

圖1 匈塞邊境示意

1）匈牙利克萊比亞站進站信號機至塞爾維亞蘇博蒂察站進站信號機之間距離（邊境區(qū)間）為6.77 km，邊境區(qū)間未設(shè)置信號機；匈塞邊境線距克萊比亞進站信號機15 m。

2）匈牙利境內(nèi)線路設(shè)計速度為160 km/h；塞爾維亞境內(nèi)線路設(shè)計速度為200 km/h。

3）匈牙利、塞爾維亞兩國在各自境內(nèi)規(guī)劃設(shè)置了GSM-R 系統(tǒng)基站，為ETCS 系統(tǒng)提供無線通信通道。經(jīng)初步計算，匈牙利境內(nèi)通信基站設(shè)置于邊境線附近時，通過提高鐵塔高度、基站發(fā)射功率等措施，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)可以覆蓋到塞爾維亞境內(nèi)距離邊境線約4 km 左右；塞爾維亞在本國境內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置通信基站，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個匈塞邊境區(qū)間［9-10］。

4）兩國運營商要求列車不停車通過匈塞邊境。

5）匈牙利已開通項目中，與鄰國的ETCS 系統(tǒng)邊境方案均采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案，有已實施的工程案例；匈塞鐵路為塞爾維亞境內(nèi)第1條采用歐標(biāo)的E2 級鐵路，塞爾維亞方未有已實施的邊境工程案例。

2 匈塞邊境ETCS系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 雙方向E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換

E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案需在線路上布置多個應(yīng)答器組，包括：LTA（E2→E1 等級轉(zhuǎn)換預(yù)告）、LTO（E2→E1等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行）、NR（G網(wǎng)呼叫）、SM（RBC 呼叫）、TR（E1→E2 等級轉(zhuǎn)換預(yù)告）、LT（E1→E2 等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行）、BH（有源應(yīng)答器，用于延伸ETCS-1的移動授權(quán)）。

ETCS 接口規(guī)范中要求NR 與SM 應(yīng)答器間的距離不小于列車以最大運行速度運行40 s 的距離，匈牙利方已開通的E2 線路上（ETCS 設(shè)備廠家有西門子和泰雷茲），考慮一定的應(yīng)答器間距余量，NR 與SM 應(yīng)答器間的距離按照運行90 s 布置；TR與LT應(yīng)答器間的距離為運行10～20 s的距離［11-12］。

2.1.1 列車由蘇博蒂察開往克萊比亞

如果NR 與SM 應(yīng)答器組間距離按照運行90 s布置，SM與TR應(yīng)答器組間距離按照運行40 s布置（匈牙利要求SM和TR應(yīng)答器組冗余設(shè)置，SM1與SM2間、TR1與TR2間的距離均為100 m），TR 與LT 應(yīng)答器組間距離按照運行20 s 布置，列車運行速度按照200 km/h 考慮，則需匈牙利GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋到塞爾維亞境內(nèi)距離邊境線約8.5 km 左右，而匈牙利GSM-R 網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)覆蓋到塞爾維亞境內(nèi)距離邊境線約4 km 左右。但若將匈牙利方基站設(shè)置在塞爾維亞境內(nèi)適當(dāng)位置實現(xiàn)等級轉(zhuǎn)換，則會帶來兩國間設(shè)計、建設(shè)、投資界面劃分，審查報批主體、運維主體不明確，以及網(wǎng)絡(luò)安全等各方面問題。因此，為避免上述問題，考慮在4 km 的GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)完成等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器的布置，即NR 應(yīng)答器組與邊境線間的距離應(yīng)不大于4 km。TR 與LT 應(yīng)答器組間距離按照運行20 s 布置，SM 與TR 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s布置，NR 與SM 應(yīng)答器組間距離按照運行55 s 布置（小于匈牙利常規(guī)要求，但滿足歐標(biāo)不小于40 s 的要求）。結(jié)合應(yīng)答器間的距離要求及GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍計算，列車在邊境區(qū)間的最大運行速度約為120 km/h。應(yīng)答器布置見圖2。

圖2 列車由蘇博蒂察開往克萊比亞應(yīng)答器布置

從蘇博蒂察開往克萊比亞的列車在通過LTA和LTO 無源應(yīng)答器組后，由E2 轉(zhuǎn)為E1，并將行車許可（MA）終點設(shè)置在克萊比亞進站信號機處。列車在通過NR 應(yīng)答器組時，開始呼叫匈牙利方的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，嘗試與GSM-R網(wǎng)絡(luò)建立連接；列車在通過BH1 應(yīng)答器組時，車載設(shè)備收到更新后的E1行車許可，根據(jù)列車運行前方的聯(lián)鎖條件，延伸行車許可；列車在通過SM 應(yīng)答器組時，開始呼叫RBC，嘗試與RBC 建立連接；列車在通過TR 應(yīng)答器組時，RBC 將等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器所在位置發(fā)送給列車；列車在通過BH2 應(yīng)答器組時，車載設(shè)備再次收到更新后的E1 行車許可，根據(jù)列車運行前方的聯(lián)鎖條件，延伸行車許可；列車在通過LT 應(yīng)答器組時，列控系統(tǒng)由E1 轉(zhuǎn)換為E2，同時收到RBC 發(fā)來的E2 行車許可，完成E2→E1→E2的等級轉(zhuǎn)換。

2.1.2 列車由克萊比亞開往蘇博蒂察

列車由克萊比亞以E2等級發(fā)車，先轉(zhuǎn)為E1等級，再轉(zhuǎn)為E2 等級進入蘇博蒂察站。NR 與SM 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s 布置，SM 與TR 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s 布置，TR 與LT 應(yīng)答器組間距離按照運行20 s布置，列車在邊境區(qū)間的運行速度按照200 km/h 考慮。應(yīng)答器的具體布置見圖3。

圖3 列車由克萊比亞開往蘇博蒂察應(yīng)答器布置

此方案下需塞爾維亞GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋到距離蘇博蒂察進站信號機5.5 km左右，塞爾維亞側(cè)通信基站可覆蓋整個邊境區(qū)間，滿足該方案對GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求。

2.2 雙方向E2貫通

E2 貫通方案需在線路上布置NR、RA（RBC切換預(yù)告）、RT（RBC切換執(zhí)行）等應(yīng)答器組。

ETCS 接口規(guī)范中要求NR 與RA 應(yīng)答器間的距離不小于列車以最大運行速度運行40 s 的距離，RA 與RT 應(yīng)答器組間的距離不小于列車以最大運行速度運行40 s 的距離。匈牙利方已開通的E2 線路上，考慮一定的應(yīng)答器間距余量，NR 與RA 應(yīng)答器間的距離為列車以最大運行速度運行90 s 的距離。

匈牙利方的NR與RA應(yīng)答器組間距離按照90 s布置，RA 與雙方共用的RT 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s 布置；塞爾維亞方的NR 與RA 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s 布置，RA 與雙方共用的RT應(yīng)答器組間距離按照運行40 s布置。如果邊境區(qū)間的列車運行速度按照設(shè)計速度200 km/h 考慮，則匈牙利方NR 和塞爾維亞方NR 應(yīng)答器組間的距離約為11.67 km，邊境區(qū)間長度無法滿足應(yīng)答器組間的距離要求。因此，結(jié)合應(yīng)答器間的距離要求及邊境區(qū)間長度，E2 貫通方案下列車在邊境區(qū)間的運行速度約為120 km/h。應(yīng)答器具體布置見圖4。

圖4 兩國采用雙方向E2貫通方案應(yīng)答器布置

此方案下兩國GSM-R 網(wǎng)絡(luò)均需覆蓋整個邊境區(qū)間，匈牙利側(cè)通信基站無法滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，需在塞爾維亞境內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置通信基站；塞爾維亞側(cè)通信基站可覆蓋整個邊境區(qū)間，滿足信號GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。

2.3 E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換與E2貫通結(jié)合

當(dāng)列車由蘇博蒂察開往克萊比亞單方向采用E2貫通方案時，列車運行速度按照120 km/h 考慮，NR 應(yīng)答器組與區(qū)間邊境線間的距離大于4 km，需將匈牙利方的GSM-R 基站設(shè)置在塞爾維亞境內(nèi)合適地點，這樣會帶來兩國間設(shè)計、建設(shè)、投資界面劃分，審查報批主體、運維主體不明確，以及網(wǎng)絡(luò)安全等各方面的問題，因此，列車由蘇博蒂察開往克萊比亞采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換，應(yīng)答器布置方案與雙方向E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換中的應(yīng)答器布置方案一致。

當(dāng)列車由克萊比亞開往蘇博蒂察單方向采用E2 貫通方案時，NR 與RA 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s 布置，RA 與RT 應(yīng)答器組間距離按照運行40 s 布置，列車在邊境區(qū)間的運行速度按照200 km/h 考慮，則應(yīng)答器的具體布置見圖5。從圖5 可以看出，塞爾維亞GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需覆蓋到距蘇博蒂察進站信號機4.5 km 左右，塞爾維亞側(cè)通信基站可覆蓋整個邊境區(qū)間，滿足信號GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。對比列車由克萊比亞開往蘇博蒂察采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案需塞爾維亞GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋到距離蘇博蒂察進站信號機5.5 km 左右，E2 貫通方案塞爾維亞基站可以設(shè)置在蘇博蒂察站內(nèi)，另外也無需在區(qū)間設(shè)置E1系統(tǒng)相關(guān)地面設(shè)備，有利于運營維護。因此，列車由克萊比亞開往蘇博蒂察采用E2貫通方案。

圖5 E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換與E2貫通結(jié)合方案應(yīng)答器布置

3 結(jié)論

雙方向E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換、雙方向E2 貫通、E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換與E2 貫通結(jié)合3 種方案對于兩國的GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需求和列車在邊境區(qū)間的運行速度等均有不同要求。

1）當(dāng)采用雙方向E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換方案時，匈牙利境內(nèi)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需覆蓋到距離區(qū)間邊境線4 km 左右，塞爾維亞境內(nèi)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需覆蓋到距離蘇博蒂察進站信號機5.5 km 左右，此方案下塞爾維亞方的基站設(shè)置于區(qū)間內(nèi)且需在區(qū)間設(shè)置E1系統(tǒng)相關(guān)地面設(shè)備，存在運維不便等問題。

2） 采用雙方向E2 貫通方案時，匈牙利方GSM-R 設(shè)備需設(shè)置在塞爾維亞境內(nèi)合適地點，此方案存在設(shè)計、建設(shè)、運維等方面界限不清晰，且設(shè)置于區(qū)間的塞爾維亞方基站運維不便等問題。

3）當(dāng)采用E2→E1→E2 等級轉(zhuǎn)換與E2 貫通結(jié)合方案時，既能夠滿足匈塞雙方運營商要求，又無需在鄰國設(shè)置GSM-R系統(tǒng)設(shè)備且便于運營維護。

另外，塞爾維亞的蘇博蒂察站有很多支線口，與支線口銜接的列控系統(tǒng)均為ETCS-0 級，因此，當(dāng)列車從支線開往匈牙利方向時，列控系統(tǒng)需首先從E0 級轉(zhuǎn)換為E2 級，再在區(qū)間完成E2→E1→E2等級轉(zhuǎn)換，需另行研究短時間內(nèi)需切換3 次列控系統(tǒng)是否會增加邊境區(qū)間等級轉(zhuǎn)換失敗的風(fēng)險［13］。