城際鐵路列控系統(tǒng)方案探討

杜 平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

隨著大規(guī)模的鐵路建設(shè)，鐵路路網(wǎng)已形成一定規(guī)模，局部高度發(fā)展的城市圈對交通需求日益突現(xiàn)，如珠三角地區(qū)、長三角地區(qū)、京津唐地區(qū)、武漢城市圈、長沙城市圈等相繼建設(shè)城際鐵路，形成以中心城市為中心連接周邊城市的便捷交通網(wǎng)。根據(jù)其功能定位，它既不同于大鐵路的交通干線，又不同于城市軌道交通，如何科學(xué)、合理地選擇信號列控系統(tǒng)方案是值得探討的問題。

1 城際鐵路的特點

城際鐵路為區(qū)域性鐵路，服務(wù)于中心城市間、城市組團間的城際客流運輸，是區(qū)域內(nèi)緊密聯(lián)系、相互依存、合理分工的城市間基礎(chǔ)交通設(shè)施，是密集開行公交化列車的新型公交化運輸系統(tǒng)。運營組織一般采用開行大站越行快車、慢車站站停2種模式。概括起來具有以下主要特點。

（1）站間距小，車站規(guī)模不大，一般情況下車站間距為3～10 km。

（2）速度中等，小于客運專線，高于城市軌道交通，一般慢車站站停列車最高運行速度為140 km/h，越行快車最高速度為200 km/h及以上。

（3）行車密度較客運專線高，但較城市軌道交通低。

（4）靠近正線的站臺設(shè)有安全門/屏蔽門，因此，對站內(nèi)停車要求車門對應(yīng)安全門/屏蔽門。

（5）城際列車一般不會每列車廂設(shè)置列車員或不設(shè)列車員。為確保只有靠近站臺的車廂門才可以被打開，只由司機人控是不安全的，列車車門具有聯(lián)動控制功能需求。

（6）為了節(jié)能和乘坐舒適度的要求，可以考慮設(shè)置ATO自動駕駛功能。

（7）城際鐵路為區(qū)域性鐵路，根據(jù)列車運營組織的不同，可與全國鐵路路網(wǎng)互聯(lián)互通，因此應(yīng)具有開放性，這是與城市軌道交通的不同之處。

2 列控系統(tǒng)應(yīng)用分析

列控系統(tǒng)實時控制列車運行，是保證列車安全運行的重要部分。根據(jù)實現(xiàn)方式不同，目前運營的國鐵和城市軌道交通普遍應(yīng)用的列控系統(tǒng)主要有以下幾種制式。

（1）基于ZPW-2000或UM軌道電路的CTCS-2級列控系統(tǒng)。

（2）基于GSM-R的CTCS-3級列控系統(tǒng)。

（3）基于通信的CBTC列控系統(tǒng)。

1）基于交叉感應(yīng)電纜環(huán)的CBTC-IL列控系統(tǒng)。

2）基于無線通信的CBTC-RF列控系統(tǒng)。

（4）基于歐洲ETCS 1級的點式列控系統(tǒng)。

2.1 基于ZPW-2000或UM軌道電路的CTCS-2級列控系統(tǒng)

CTCS-2級列控系統(tǒng)采用ZPW-2000（UM）系列無絕緣軌道電路檢查列車占用，并向列車傳送列車運行前方的空閑閉塞分區(qū)數(shù)或進路信息；通過點式應(yīng)答器向車載設(shè)備傳輸臨時限速、列車定位、線路參數(shù)等信息。列控車載設(shè)備根據(jù)軌道電路和應(yīng)答器傳送的信息生成目標－距離速度控制曲線監(jiān)控列車運行。列車在CTCS-2級線路上運行，以ATP車載信號作為行車憑證。CTCS-2級列控系統(tǒng)應(yīng)用時速250 km及以下的運行線路，追蹤間隔為3 min。目前已有一定規(guī)模的開通運營經(jīng)驗，系統(tǒng)較為成熟穩(wěn)定，可以和大鐵路干線跨線運行及互聯(lián)互通，因此，CTCS-2級列控系統(tǒng)比較適合城際鐵路需求。但CTCS-2級列控系統(tǒng)的車地信息單向傳輸，不具備雙向傳輸功能，不能實現(xiàn)ATO自動駕駛、精確停車、自動開關(guān)車門、聯(lián)動屏蔽門/安全門功能，對城際鐵路的這些相關(guān)需求不能滿足，需進一步做適應(yīng)性改造；同時不能與現(xiàn)行的城市軌道交通列控系統(tǒng)兼容，不能實現(xiàn)與城市軌道交通互聯(lián)互通。

2.2 基于GSM-R的CTCS-3級列控系統(tǒng)

CTCS-3級列控系統(tǒng)控車原理與CTCS-2級相似，增加了無線閉塞中心（RBC）和GSM-R無線通信設(shè)備，軌道電路僅用于檢查列車占用，應(yīng)答器用于列車定位和傳輸GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊和RBC切換等信息，地面RBC與車載設(shè)備通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)傳輸行車許可和線路數(shù)據(jù)等信息。CTCS-3級列控系統(tǒng)一般應(yīng)用于時速350km的運行線路，追蹤間隔為3 min。目前隨著武廣、鄭西客運專線的開通，也積累了一定規(guī)模的開通運營經(jīng)驗，系統(tǒng)日益成熟穩(wěn)定。配合ZPW-2000（UM）系列無絕緣軌道電路提供的低頻信息，可自動向下兼容CTCS-2級列控系統(tǒng)，車地信息傳輸具備雙向傳輸功能。采用CTCS-3級列控系統(tǒng)，可與大鐵路干線跨線運行及互聯(lián)互通，不能與現(xiàn)行的地鐵列控系統(tǒng)兼容，不能與城市軌道交通互聯(lián)互通。同樣CTCS-3級列控系統(tǒng)不具備ATO自動駕駛、精確停車、自動開關(guān)車門、聯(lián)動屏蔽門/安全門功能，適合時速250 km及以上城際鐵路采用，同時滿足3 min運行間隔需求。

2.3 基于通信的CBTC列控系統(tǒng)

從控車技術(shù)本身比較，各系統(tǒng)差異不大，但從控車信息獲取、傳輸方式上比較，各系統(tǒng)差異較大，也決定了各系統(tǒng)的適應(yīng)性有較大差異。根據(jù)CBTC列控系統(tǒng)車地通信的傳輸頻率區(qū)分，可分為電磁感應(yīng)式和無線通信式2種。電磁感應(yīng)式采用感應(yīng)環(huán)線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，頻率一般選用在1 MHz以下；無線通信式僅要求空氣作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，頻率一般選用在2.4 GHz或5.8 GHz，信息傳輸量大。

（1）基于交叉感應(yīng)電纜環(huán)線的CBTC-IL列控系統(tǒng)，以泰雷茲（THALES）加拿大運輸自動化公司的SELTRAC MB為代表，系統(tǒng)基于交叉感應(yīng)電纜環(huán)線，實現(xiàn)列車與地面間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的最大特點是應(yīng)用比較成熟、軌旁設(shè)備少、抗干擾能力強、對列車的控制靈活。

車地通信采用基于感應(yīng)環(huán)線的傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)。同時，列車通過交叉感應(yīng)環(huán)線交叉點實現(xiàn)列車的基本定位。由車軸上的轉(zhuǎn)速表測定交叉點間的位置。轉(zhuǎn)速表和環(huán)線交叉共同確定列車的準確位置，形成速度-距離模式控制曲線，實現(xiàn)對列車的安全控制。

缺點：CBTC-IL列控系統(tǒng)需要在道床上安裝感應(yīng)電纜環(huán)線，受一定安裝條件限制，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，同時在城際鐵路應(yīng)用上存在一定防盜問題。

其次，CBTC-IL列控系統(tǒng)不是按開放傳輸系統(tǒng)設(shè)計的，無法適應(yīng)城際鐵路網(wǎng)發(fā)展的互聯(lián)互通及跨線運行要求，同時在200km/h的高速條件下沒有成功應(yīng)用案例，因此城際鐵路不宜采用。

（2）基于無線擴頻/跳頻的CBTC-RF列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于無線的AP、漏纜、波導(dǎo)管方式實現(xiàn)列車與地面間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，無線擴頻通信采用開放ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段2.4～2.483 5 GHz，分別代表的系統(tǒng)：西門子采用直接序列擴頻（DSSS）方式，泰雷茲采用跳頻擴頻（FHSS）方式，阿爾斯通采用波導(dǎo)管方式。列車通過輪軸測速測距與地面鋪設(shè)應(yīng)答器實現(xiàn)列車的精確定位，列車車載控制器（VOBC）通過探測安裝在軌道上的歐洲標準應(yīng)答器或TAG信標，查找它們在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的位置，然后確定列車所在位置，并且測量自前一個探測到的應(yīng)答器起已行駛的距離。VOBC通過列車到軌旁的雙向無線通信向軌旁CBTC設(shè)備軌旁區(qū)域控制器ZC和ATS報告列車的位置。

CBTC軌旁區(qū)域控制器ZC根據(jù)列車的位置、速度及運行方向等因素，并考慮列車進路、道岔狀態(tài)、線路限速以及其他障礙物的條件，向列車發(fā)送“移動授權(quán)MA”信息，從而保證列車的安全間隔。CBTC系統(tǒng)以速度-距離模式曲線控制列車運行。

從以上分析來看，基于無線擴頻/跳頻的CBTCRF列控系統(tǒng)在城際鐵路應(yīng)用也有明顯缺點。

1）目前基于WLAN技術(shù)的無線系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，采用WLAN技術(shù)實現(xiàn)CBTC-RF存在多種基于WLAN技術(shù)系統(tǒng)帶來的干擾，尤其是新建的城際鐵路主要經(jīng)過城區(qū)，地面線路自由空間周圍存在大量的WLAN系統(tǒng)，干擾問題不容忽視。雖然CBTC-RF可以采用FHSS對抗干擾，然而，當跳頻的頻率數(shù)目有一半頻率被干擾時，對通信會產(chǎn)生嚴重影響，在密集城區(qū)甚至中斷通信。

2）高速移動環(huán)境下，無線通信系統(tǒng)由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻移，對200 km/h及以上運行速度，多普勒頻移非常明顯，將直接導(dǎo)致信號衰減和誤碼率上升。同時高速移動環(huán)境下，不同AP之間的切換也非常棘手，因為切換算法需要一定的信號判別時間，該時間必須足夠短。否則，很可能還未來得及切換，列車已行駛至下一個AP范圍，從而造成通信中斷。對列車速度的提高具有一定局限性。

3）不能適應(yīng)城際鐵路線網(wǎng)發(fā)展的互聯(lián)互通、跨線運行的要求，同時在200 km/h及以上高速條件下，也沒有成功應(yīng)用案例，城際鐵路不宜采用。

2.4 基于歐洲ETCS 1級的點式列控系統(tǒng)

基于歐洲ETCS 1級的點式ATC信號系統(tǒng)是用計軸軌道電路提供列車占用信息，通過每個信號機處設(shè)置的LEU對軌道空閑情況進行編碼，發(fā)送給點式應(yīng)答器，由應(yīng)答器提供列車安全運行所需的控制信息，車載計算機進行數(shù)據(jù)處理，生成目標-距離控制曲線，實現(xiàn)列車超速防護和自動駕駛功能。可以看出，它不是連續(xù)信息的列控系統(tǒng)，在列控速度及運行間隔上有一定的局限性，不能與大鐵信號系統(tǒng)兼容實現(xiàn)跨線運行；通過必要的適應(yīng)性改造，可以作為城市軌道交通信號系統(tǒng)的后備運行模式降級使用，但能力較低，不能滿足城際鐵路的行車密度要求。

根據(jù)以上各列控方案的分析比較，對城際鐵路的列控系統(tǒng)方案選擇具有一定的困難，目前的系統(tǒng)都不能很好地滿足城際鐵路的功能需求，從工程、經(jīng)濟、可實施性及國家的國產(chǎn)化技術(shù)政策等方面考慮，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)并具有一定運營經(jīng)驗的CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)最為合適，在滿足運行速度及運行間隔的同時，可實現(xiàn)與大鐵線路的跨線及互聯(lián)互通運行，同時還可實現(xiàn)與大鐵運營管理資源的共享。但對城際鐵路的特殊需求還需進一步做適應(yīng)性改進完善，完全適應(yīng)城際鐵路的功能需求。對CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)在城際鐵路應(yīng)用存在的主要問題進一步分析如下。

（1）聯(lián)動安全門/屏蔽門

城際鐵路大部分為地面站，如果開行列車密度不大，設(shè)置專門候車區(qū)，根據(jù)列車到站情況開放檢票進站，在設(shè)置專人管理的情況下，可以考慮不設(shè)安全門；當客流密度較大，列車開行密度也大，旅客不經(jīng)候車區(qū)或不設(shè)候車區(qū)的情況下，旅客直接檢票進站，為了確保站臺候車安全，必須設(shè)置安全門；還有一種情況，城際鐵路進入城市中心區(qū)后，由于受建設(shè)條件、環(huán)保及換乘等因素的要求可能設(shè)置地下車站。對于地下車站，為了安全、環(huán)保及節(jié)能考慮在站臺上設(shè)置屏蔽門。對安全門/屏蔽門的控制要求是在列車停穩(wěn)、車門對準后與車門配合進行安全開啟或關(guān)閉。在列車具有ATO功能時，由ATO自動完成。在列車不具有ATO功能時，車站站臺的安全門/屏蔽門由專職站臺值班員確認開關(guān)、列車車門由司機控制開關(guān)是可行的，只是要注意兩門開關(guān)的協(xié)調(diào)性，對值班員、司機等人員要求較高，不如設(shè)備控制可靠。但通過熟練的操作和經(jīng)驗積累是可以實現(xiàn)的，人工操作方案是可行性；或增加列車對安全門/屏蔽門的無線遙控功能，由司機一人控制兩門的開啟關(guān)閉也簡單易行，不需對列控系統(tǒng)做較大改造就可實現(xiàn)。

（2）精確定位停車

由于安全門/屏蔽門的應(yīng)用，要求列車的停車精度在±0.3 m，CTCS-2級列控系統(tǒng)在大鐵干線應(yīng)用中沒有考慮精確定位停車功能，但在大鐵高速動車組的運用中有準確停車的需求。為保證停車的準確， 在CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)防護曲線設(shè)計中，進站停車前就將速度降到較低，一般情況下的速度都不高于10 km/h，司機可以在較低的速度下，按照站臺設(shè)置的停車標志將車停穩(wěn)、停準，停車精度在人工駕駛下也可滿足±0.3 m的要求。雖然停車過程可能存在由于司機的操作不平穩(wěn)而造成乘坐舒適度降低、甚至二次啟動的可能，但目前此方案還是可行的，遠期隨著技術(shù)的發(fā)展，通過對CTCS-2級或CTCS-3級系統(tǒng)的適應(yīng)性改造，如增加環(huán)線、增加點式應(yīng)答器或無線局域網(wǎng)等方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的精確停車。

3 列控系統(tǒng)選擇

綜上所述，目前城際鐵路的列控系統(tǒng)選擇CTCS-2級或CTCS-3級是最合適的，可以與大鐵干線、中心車站跨線運行，實現(xiàn)互聯(lián)互通，滿足列車200 km/h及以上運行速度、運行間隔3 min需求，同時CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)在我國已成功應(yīng)用，具有完全或大部分自主知識產(chǎn)權(quán)，從工程管理、設(shè)計、施工、設(shè)備生產(chǎn)制造、運營維護都有豐富的經(jīng)驗，應(yīng)用基礎(chǔ)牢固，符合國家技術(shù)政策，對城際鐵路工程實施具有堅強的支撐，隨著技術(shù)的發(fā)展和對系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新，CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)會日趨完善，最終實現(xiàn)ATO功能，從根本上解決中國各種鐵路需求下的列車控制技術(shù)。

[1] 鐵運函[2006]462號 時速200 km和300 km動車組主要技術(shù)條件[S].

[2] 鐵集成[2007]124號 客運專線CTCS-2級列控系統(tǒng)配置及運用技術(shù)原則（暫行）[S].

[3] 魏曉東．城市軌道交通自動化系統(tǒng)與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 耿臘元，毛玉泉，丁笑亮，等．基于擴頻的數(shù)據(jù)鏈抗干擾性能研究[J]．信息通信，2009（6）：12-15．