CTCS-2級+ATO列車運(yùn)行控制系統(tǒng)方案研究

王 杰

廣佛環(huán)線佛山西至廣州南站為城際鐵路，速度目標(biāo)值定為200 km/h。線路正線長36.6 km，全線新設(shè)5座車站，其中地下站2座，地面站1座，高架站2座。作為珠三角城際鐵路線網(wǎng)的一部分，廣佛環(huán)線與先期建設(shè)的佛肇城際在佛山西站接軌，與待建的廣佛江珠線在東平新城站接軌，與同期建設(shè)的佛莞線在廣州南站接軌。在這種條件下，如何既要保證城際列車與國鐵列車互聯(lián)互通，又要確保行車安全和提高運(yùn)輸效率就成為亟待解決的問題，為此提出如下的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)方案。

1 列控系統(tǒng)總體方案

根據(jù)鐵道部的相關(guān)規(guī)定和規(guī)范，廣佛環(huán)線采用CTCS-2級的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，但結(jié)合本線城際鐵路的運(yùn)營需要，還需在CTCS-2級系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加ATO系統(tǒng)功能，配備必要的地面和車載設(shè)備。

1.1 地面設(shè)備構(gòu)成

地面設(shè)備主要包括臨時限速服務(wù)器 (TSRS)、列控中心 (TCC)、ZPW-2000(UM)系列軌道電路、應(yīng)答器和地面電子單元 (LEU)，以及信號安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)等。

1．列控中心 (TCC)。在各車站均有設(shè)置，負(fù)責(zé)車站、區(qū)間軌道電路發(fā)送端與接收端的切換控制、軌道電路的編碼、站間信息傳輸、有源應(yīng)答器的報文控制等，并向車站聯(lián)鎖、CTC提供區(qū)間列車占用軌道信息。該線增加與車-地雙向通信的接口，以及列控中心與屏蔽門控制系統(tǒng)的接口。

2．軌道電路。正線區(qū)間采用國產(chǎn)ZPW-2000(UM)系列計算機(jī)編碼的無絕緣軌道電路設(shè)備，站內(nèi)采用與區(qū)間同制式的軌道電路。

3．應(yīng)答器。正線按照 CTCS-2級標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)應(yīng)答器，用于向列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供進(jìn)路、位置、等級轉(zhuǎn)換、定位、線路參數(shù)、限速、自動過分相等信息。在車站股道增加精確停車定位應(yīng)答器，實現(xiàn)列車在ATO控制下的精確停車。

4．電子編碼器 (LEU)。原則上設(shè)置于室內(nèi)，負(fù)責(zé)接收從列控中心傳送的應(yīng)答器報文信息，并傳送給有源應(yīng)答器?？刂聘咚僬€有源應(yīng)答器的LEU設(shè)備按1+1熱備冗余設(shè)置;控制側(cè)線有源應(yīng)答器的LEU設(shè)備按N+1冷備用冗余配置。

5．臨時限速服務(wù)器 (TSRS)。在滿足運(yùn)輸安全的情況下，實現(xiàn)靈活設(shè)置。臨時限速命令由TSRS統(tǒng)一管理，在臨近調(diào)度中心車站設(shè)置TSRS及臨時限速維護(hù)終端。臨時限速命令下發(fā)是列控系統(tǒng)的重要功能，只允許在CTC行調(diào)臺或TSRS操作終端上下達(dá)，且限速的下達(dá)原則統(tǒng)一。

6．信號安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。為滿足信息傳輸?shù)目煽啃?、安全性和實時性的要求，采用信號安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。信號安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)接入設(shè)備包括:列控中心 (TCC)、計算機(jī)聯(lián)鎖 (CBI)及臨時限速服務(wù)器 (TSRS)。信號安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)滿足TCC、TSRS及CBI之間的安全信息傳輸。同時，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，用于對列控設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，該網(wǎng)管系統(tǒng)納入集中監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 車載設(shè)備

該線動車組按CTCS-2級增加ATO功能裝備列控車載設(shè)備，由車載安全計算機(jī)、軌道信息接收單元 (STM)、應(yīng)答器信息接收單元 (BTM)、ATO單元設(shè)備、人機(jī)界面 (DMI)、速度傳感器、記錄單元等組成，組成原理圖如圖1所示。

車載控制系統(tǒng)根據(jù)地面設(shè)備提供的信號信息、線路參數(shù)、臨時限速信息及有關(guān)列車數(shù)據(jù)等，生成控制速度和目標(biāo)距離曲線，控制列車運(yùn)行。同時記錄單元對列控系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)及操作狀態(tài)信息實時動態(tài)記錄。但該線車載設(shè)備需新增1套ATO單元設(shè)備，負(fù)責(zé)ATO功能的實現(xiàn)。具體調(diào)整功能如下。

1．在CTCS-2基礎(chǔ)上增加ATO駕駛曲線。

2．車載ATP向ATO單元提供列車運(yùn)行狀態(tài)、ATP監(jiān)控曲線、司機(jī)駕駛狀態(tài)、允許開關(guān)車門以及向車載ATO單元設(shè)備發(fā)出行車許可等信息。

3．ATO處理單元直接向動車組輸出常用制動、施加牽引、切除牽引、開閉動車車門等信息。

4．車載ATP新增動車組車門監(jiān)控接口，當(dāng)列車未停穩(wěn)或者實際停車點超出了允許停車誤差范圍，則禁止打開車門。

圖1 車載設(shè)備組成框圖

5．增加車載ATP雙向通信設(shè)備。

2 區(qū)間閉塞

區(qū)間正向運(yùn)行采用自動閉塞，追蹤間隔按照3 min設(shè)計，反向運(yùn)行按照自動站間閉塞方式設(shè)計。區(qū)間軌道電路設(shè)備采用計算機(jī)編碼控制的ZPW-2000(UM)系列無絕緣移頻軌道電路，區(qū)間地面不設(shè)通過信號機(jī)，閉塞分區(qū)分界點處設(shè)停車標(biāo)志牌。閉塞分區(qū)的設(shè)置考慮電氣化分相絕緣器的位置，防止動車組停車再啟動時無法越過無電區(qū)。

由于該線隧道比例較大，隧道內(nèi)的復(fù)雜條件對軌道電路的道床及參數(shù)都有較大的影響，因此對隧道內(nèi)軌道電路設(shè)計要從軌道電路加分割、計軸加環(huán)線、計軸加軌道電路3種方案中選擇其一。計軸加環(huán)線、計軸加軌道電路都需增加大量室外設(shè)備，投資也較大，考慮到設(shè)備便于維護(hù)、維修，建議采用軌道電路加分割方案。

3 車站聯(lián)鎖系統(tǒng)

3.1 技術(shù)要求

系統(tǒng)應(yīng)滿足各站運(yùn)輸作業(yè)需要，保證行車安全，具有高可靠性，并符合故障-安全原則。系統(tǒng)具有自動監(jiān)測信號設(shè)備工作狀態(tài)、信息儲存、打印、狀態(tài)再現(xiàn)等功能，并向維修中心提供系統(tǒng)狀態(tài)信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷，具有全面的自診斷功能。

聯(lián)鎖系統(tǒng)通過安全接口與列控系統(tǒng)互相通信，完成相應(yīng)的列控編碼和互鎖功能，對已建立的列控授權(quán)進(jìn)路，聯(lián)鎖系統(tǒng)不能隨意取消;同時，聯(lián)鎖系統(tǒng)與調(diào)度集中車站設(shè)備連接，實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)的上傳和進(jìn)路控制命令的接收，并為信號計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)提供相關(guān)信息。

3.2 聯(lián)鎖設(shè)備選型

該線正線各車站均采用硬件安全冗余結(jié)構(gòu)型計算機(jī)聯(lián)鎖，包括2種設(shè)置方案:一是計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和列控中心設(shè)備合用1套，稱為聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)，它可同時完成車站聯(lián)鎖功能和區(qū)間閉塞功能，代表了當(dāng)今世界鐵路信號安全控制技術(shù)的發(fā)展方向，但由于屬于一種新型系統(tǒng)，需要開發(fā)、研制的周期較長;另一種方案是計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和列控中心設(shè)備分開設(shè)置。

3.3 軌道電路

站內(nèi)正線及到發(fā)線均采用與區(qū)間相同制式的ZPW-2000(UM)系列軌道電路，為避免軌道電路機(jī)車信號鄰線干擾，采用載頻交叉配置的方式。

4 自動運(yùn)行系統(tǒng) (ATO)

根據(jù)線路特點，廣佛環(huán)線考慮設(shè)置自動運(yùn)行系統(tǒng) (ATO)。ATO系統(tǒng)在ATP的保護(hù)與監(jiān)督之下，根據(jù)當(dāng)前車輛的速度、目標(biāo)距離、線路限速、控制命令等，控制列車安全、舒適、高效的行駛，自動完成對列車的啟動、牽引、巡航、惰行和制動的控制，確保達(dá)到設(shè)計間隔及旅行速度。通過ATO系統(tǒng)實現(xiàn)列車自動折返、在站臺處精確定位停車、站臺屏蔽門/安全門與車門聯(lián)動等功能。

列車自動運(yùn)行系統(tǒng)由車載設(shè)備和地面設(shè)備組成。車載設(shè)備由車載ATO處理單元、車載雙向通信設(shè)備等組成。地面設(shè)備主要包括精確定位 (ATO應(yīng)答器組)、軌旁雙向通信設(shè)備 (交叉感應(yīng)電纜環(huán)線)等。

4.1 車-地信息雙向傳輸

ATO系統(tǒng)需要車-地雙向傳遞信息，把列車運(yùn)行情況、車次號、列車停穩(wěn)信息、制動力保持信息、車門信息等從車上傳輸?shù)降孛妫瑫r從地面接收列車運(yùn)行自動控制、目標(biāo)點信息、列車運(yùn)行計劃、線路信息，在有折返作業(yè)的車站還應(yīng)接收自動折返相關(guān)信息等，完成地對車的一系列信息傳輸。

目前可選擇的車對地信息傳輸技術(shù)手段主要包括:交叉感應(yīng)環(huán)線、GSM-R、無線局域網(wǎng)等。GSM-R為地面無線控制中心和車載控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸提供安全的無線傳輸通道，但GSM-R連接建立存在時延，另外，采用這種方式需要對國鐵GSM-R網(wǎng)進(jìn)行一定修改，涉及配套的相關(guān)設(shè)備，同時需要開展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和研究。無線局域網(wǎng)技術(shù)需在軌旁布置漏泄電纜或波導(dǎo)管或無線天線等，對軌道專業(yè)的維護(hù)和其他軌旁設(shè)備的安裝有一定的影響，同時，由于無線局域網(wǎng)技術(shù)在高速時數(shù)據(jù)丟包率較高，目前在地鐵的車-地雙向通信中僅速度目標(biāo)值在120 km/h及以下的線路上應(yīng)用，更高速度的線路沒有成熟應(yīng)用經(jīng)驗。因此本次設(shè)計車-地信息雙向傳輸推薦采用交叉感應(yīng)環(huán)線方案。

交叉感應(yīng)環(huán)線作為車-地信息傳輸媒介，車-地直接通過電磁感應(yīng)方式交換信息，傳輸特性好，抗干擾能力強(qiáng);基于交叉感應(yīng)環(huán)線的信號系統(tǒng)在世界范圍的城市軌道交通和干線鐵路領(lǐng)域使用多年，有成熟的運(yùn)用經(jīng)驗;它是一種專用的通信系統(tǒng)，不僅可作為列車與地面之間的雙向數(shù)據(jù)通信媒體，還可以用于列車定位。

4.2 列車精確停車

在地下站設(shè)屏蔽門，在高架站設(shè)安全門，要求列車的定位技術(shù)更為安全、可靠，實現(xiàn)車門與站臺屏蔽門/安全門的精確對位停車，滿足在ATO控車模式時的停車誤差。

目前典型應(yīng)用的列車定位技術(shù)采用列車車載自身定位與地面絕對位置校正設(shè)備有效結(jié)合的方式，其中地面絕對位置校正設(shè)備包括:應(yīng)答器、交叉環(huán)線、裂縫波導(dǎo)等，以及其他一些定位方式，如GPS、無線定位等。

因采用軌旁交叉電纜環(huán)線定位需要增加車載接收設(shè)備，而采用軌旁裂縫波導(dǎo)定位技術(shù)后期維護(hù)工作量較大，對設(shè)備的安裝有非常高的要求，故本次設(shè)計方案采用軌旁應(yīng)答器方式。在車站所有股道沿線設(shè)置定位應(yīng)答器，校核列車?yán)锍陶`差，向車載設(shè)備提供“位置數(shù)據(jù)”信息，確保在車站站臺的停車精確度。

4.3 車門與屏蔽門/安全門控制

ATO聯(lián)動開門:列車進(jìn)站停車，停穩(wěn)且滿足停車誤差時，車載ATO通過車-地通信向地面列控中心發(fā)送列車停穩(wěn)和位置信息;列控中心接收到該信息后，通過繼電器接口向屏蔽門控制系統(tǒng)發(fā)出打開屏蔽門命令，并通過地-車通信向列車發(fā)送開門命令;車載ATO單元收到該命令后向動車組門控系統(tǒng)發(fā)出開門的命令，動車組車門打開。

ATO聯(lián)動關(guān)門:列車停站時間到，車載ATO單元向動車組發(fā)出關(guān)閉車門的命令，同時通過車-地通信將命令發(fā)送給列控中心;地面列控中心通過繼電器接口向屏蔽門系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉屏蔽門命令，待屏蔽門關(guān)閉后，將其關(guān)閉狀態(tài)信息通過列控中心傳給車載ATP設(shè)備;車載ATP設(shè)備檢查動車組車門、屏蔽門/安全門完好關(guān)閉后，向ATO單元設(shè)備發(fā)出行車許可，司機(jī)按壓發(fā)車按鈕，列車在ATO單元控制下，自動駛離車站。

4.4 與屏蔽門/安全門的聯(lián)鎖

1．裝備車載ATO單元列車。城際列車裝備車載ATO單元，達(dá)到車-地雙向通信、精確進(jìn)站停車后，就可以實現(xiàn)車門與屏蔽門/安全門控制。當(dāng)列車在進(jìn)站時，或列車在站臺區(qū)域內(nèi)運(yùn)行還沒完全出清站臺，如屏蔽門/安全門被錯誤打開或者沒有接收到屏蔽門/安全門的關(guān)閉狀態(tài)信息，則信號系統(tǒng)向列車發(fā)出緊急制動。在屏蔽門系統(tǒng)發(fā)生故障時，站臺值班員或者司機(jī)可以通過按壓“互鎖解除”按鈕，解除信號系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)的聯(lián)動控制，并給司機(jī)提供顯示信息。

2．非裝備車載ATO單元列車。對于沒有裝備車載ATO單元的列車，在列車到達(dá)車站時，采用司機(jī)人工開關(guān)車門，屏蔽門/安全門由地面人員控制開關(guān)。

5 互聯(lián)互通運(yùn)行

1．國鐵列車進(jìn)入城際鐵路。由于目前的國鐵列車沒有車載ATO設(shè)備，不具備ATO功能，國鐵列車進(jìn)入城際鐵路將在ATP設(shè)備防護(hù)下由司機(jī)人工駕駛，地面屏蔽門由車站值班員人工控制。

2．城際列車進(jìn)入國鐵線路。城際列車進(jìn)入國鐵線路將切除ATO功能，在ATP設(shè)備防護(hù)下由司機(jī)人工駕駛，按CTCS-2級列控方式行車。

3．列控系統(tǒng)降級運(yùn)行。當(dāng)ATO系統(tǒng)故障時，列車駕駛模式轉(zhuǎn)為ATP保護(hù)下的人工駕駛模式;當(dāng)列控系統(tǒng)車載主機(jī)系統(tǒng)故障及地面設(shè)備因故停用時，按站間閉塞方式憑地面信號顯示運(yùn)行;救援車、維修車等不裝設(shè)車載設(shè)備的列車，根據(jù)調(diào)度命令，司機(jī)憑地面信號顯示，按站間閉塞方式運(yùn)行。

6 結(jié)束語

信號系統(tǒng)以積極采用國內(nèi)外先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用、可靠的技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計為指導(dǎo)思想，采用分散自律調(diào)度集中系統(tǒng) (CTC)、CTCS-2級+ATO功能的列控系統(tǒng)。這些技術(shù)的實施，將使本段鐵路逐步實現(xiàn)運(yùn)輸調(diào)度指揮和控制智能化、自動化，在保障運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率、優(yōu)化運(yùn)輸組織方面發(fā)揮重要作用，為鐵路發(fā)展提供技術(shù)支撐和保障，同時對類似城際鐵路項目列車控制運(yùn)行系統(tǒng)方案的確定具有一定的借鑒意義。

［1］ 鐵集成［2007］124號.關(guān)于印發(fā)客運(yùn)專線CTCS-2級列控系統(tǒng)配置及運(yùn)用技術(shù)原則(暫行)的通知［S］．北京:中華人民共和國鐵道部，2007，6．

［2］ 吳汶麒．城市軌道交通信號與通信系統(tǒng)［M］．北京:中國鐵道出版社，1998:126－141．

［3］ 謝靜高.CTCS-2級列控系統(tǒng)連續(xù)信息量與適應(yīng)速度研究［J］．鐵道通信信號，2010(7):34.

(責(zé)任編輯:溫志紅)