京津城際鐵路CTC改造方案研究

王振東

（中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京100081）

高速鐵路在運輸組織模式、設(shè)備安全等級以及系統(tǒng)復雜度方面，與普速鐵路存在較大區(qū)別。隨著我國高速鐵路的發(fā)展，早期開通運營的線路逐漸進入大修期。京津城際鐵路信號系統(tǒng)改造標準化工程是我國全路首條運營高鐵更新改造項目。該線路信號設(shè)備的更新改造工程，在確保運輸安全、降低對客運組織的干擾等方面，面臨著諸多挑戰(zhàn)。調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）國產(chǎn)化改造工作，作為該工程的核心內(nèi)容，進行了有益的探索和嘗試。因此，總結(jié)和梳理京津城際鐵路CTC的工程實施方案及經(jīng)驗，對后續(xù)其他高鐵運營線路的升級改造工作具有較大的借鑒和指導意義。

1 工程概況

1.1 線路概況

京津城際鐵路為連接北京、天津兩大直轄市的客運通道，起點為北京南城際場，終點為天津城際場，正線全長約118.3 km。全線共設(shè)5個車站、1個線路所、5個中繼站，其中亦莊站、永樂站和武清站為中間站。該線路與京滬高鐵始發(fā)站北京南高速場銜接，并經(jīng)動車走行線連接至北京動車段；經(jīng)南倉線路所、城際聯(lián)線路所連接至京滬高鐵天津西城際場；經(jīng)天津城際場與天津津秦場的聯(lián)絡道岔和津秦高鐵銜接。

1.2 CTC部署

京津城際鐵路CTC由西門子設(shè)備更換為國產(chǎn)設(shè)備［1］。CTC車站分機系統(tǒng)分別設(shè)置于北京南城際場、亦莊站、永樂站、武清站、南倉線路所、天津城際場。作為示范性工程，人機界面的高度集中及減員增效是一項重要訴求。亦莊站、永樂站、南倉線路所的車務應急值守及施工“登/銷”記工作，由其他車站代管，因此需要異地設(shè)置CTC遠程控制終端。亦莊站、永樂站、武清站的運轉(zhuǎn)室與信號機械室分布在站場兩側(cè)，布線長度超出了CTC常規(guī)信號控制線纜的有效傳輸距離。采用中繼、放大、光電耦合的方式延長傳輸控制信號，會降低控制信號的安全性和可靠度，本工程采用容錯度更高的分組交換/順序分組交換協(xié)議（IPX/SPX協(xié)議）將局域網(wǎng)延展，從而把控制信號傳輸距離縮小至安全、可靠的有效范圍內(nèi)。CTC車站分機部署示意見圖1。天津站城際場CTC報點輔助子系統(tǒng)在本工程中停用，并在該站新設(shè)標準化CTC車站分機。中心總機系統(tǒng)主要包括：信息轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)、接口轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、網(wǎng)絡子系統(tǒng)、維護子系統(tǒng)、調(diào)度子系統(tǒng)等［2］。

圖1 CTC車站分機部署示意圖

1.3 新建CTC與既有設(shè)備的接入情況

京津城際鐵路車站納入既有延伸線調(diào)度臺統(tǒng)一管轄，延伸線調(diào)度臺更名為京津城際調(diào)度臺。臨時限速功能由既有延伸線臨時限速服務器（TSRS）增容覆蓋。GSM-R網(wǎng)信息交互功能由延伸線既有接口服務器調(diào)整增容實現(xiàn)。本線CTC中心總機系統(tǒng)與城際延伸線共用的設(shè)備有：CTC應用服務器、CTC通信服務器、GSMR接口服務器、TSRS接口平臺、調(diào)度臺等。

北京南城際場和天津城際場的聯(lián)鎖設(shè)備利舊改造，北京南城際場的列控中心利舊改造。本線CTC車站子系統(tǒng)與這些既有設(shè)備接口通信，交互控制指令及表示信息。

2 實施方案

2.1 面臨的問題

高速鐵路CTC的特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜且安全責任大；系統(tǒng)部署及測試驗證的工作量大；新建系統(tǒng)與既有系統(tǒng)結(jié)合緊密，工程實施對既有系統(tǒng)的影響范圍大［3］。為降低新系統(tǒng)工程實施對既有系統(tǒng)的影響，保證新系統(tǒng)的安全開通和風險可控，新建高速鐵路CTC實施方案設(shè)計遵循2個原則：（1）“先驗證，后接入”原則，對新系統(tǒng)進行充分的測試驗證，待驗證通過后，新系統(tǒng)以功能完備、技術(shù)達標的狀態(tài)整體接入既有系統(tǒng)。（2）“零風險”原則，即新系統(tǒng)開通工作僅包括管理層面的設(shè)備移交和系統(tǒng)啟用，開通前已經(jīng)排除所有不可控因素，無設(shè)備風險［4-5］。但以上方案設(shè)計原則不適用于開通運營狀態(tài)下的京津城際鐵路CTC改造工程，體現(xiàn)在以下2個方面：

（1）京津城際鐵路信號系統(tǒng)改造工程中的CTC設(shè)備調(diào)試、驗證工作需要結(jié)合既有信號系統(tǒng)共同完成，高鐵線路既有系統(tǒng)的“天窗點”為4 h，單次施工時長有限。每次涉及接入既有系統(tǒng)的工程推進工作都必須在4 h內(nèi)完成并適當回退，以保證既有系統(tǒng)功能的完備及可靠。因此先試驗、后接入調(diào)度中心的實施順序不適用于開通運營線路，需要結(jié)合設(shè)備特性，設(shè)計差別化的分類接入方案。

（2）京津城際鐵路CTC改造工程中，部分CTC子系統(tǒng)的換裝范圍大且功能調(diào)試復雜，在4 h內(nèi)無法完成部署、新功能驗證并回退至既有功能。因此，這部分子系統(tǒng)的改造工作是不可逆的，只能在開通節(jié)點前一次性實施完成并同步移交設(shè)備管理單位。針對不可逆轉(zhuǎn)的實施內(nèi)容，必須設(shè)計應急處置預案，從而在最大程度上降低干擾運輸組織的風險［6］。

2.2 分類接入方案

CTC改造工程接入方案的設(shè)計原則包含2個方面：

（1）安全最大化原則。所有可以切分至以4 h為單位的實施內(nèi)容，均進行完備的復聯(lián)驗證，不納入開通節(jié)點的一次性實施范圍。

（2）工程推進最優(yōu)化原則。所有不影響運輸業(yè)務或可以通過臨時運用管理辦法應對的工程實施內(nèi)容，不占用“天窗點”。

京津城際鐵路CTC設(shè)備在安全等級和對既有系統(tǒng)依存度方面分別劃分為4個層級，基于安全級別及部署方式的CTC設(shè)備分類示意見圖2。

圖2 基于安全級別及部署方式的CTC設(shè)備分類示意圖

結(jié)合以上設(shè)計原則及分類，將CTC不同設(shè)備或子系統(tǒng)的接入方式分成以下4個類型：

（1）新部署且獨立實現(xiàn)自身全部功能的設(shè)備。在接入前完成所有部署及測試工作，并具備開通條件。

（2）需要依托既有系統(tǒng)實現(xiàn)部分功能的新設(shè)備或子系統(tǒng)，且安全等級較低。納入臨時管理辦法并直接上線運用。

（3）具有較高安全等級且待接入的核心設(shè)備，以及具備功能預留條件的利舊升級設(shè)備。納入以4 h為單位“天窗點”實施范圍，逐項實施、驗證并回退，以正確而可靠的設(shè)備狀態(tài)在開通節(jié)點倒切上線。

（4）具有較高安全等級且無法納入4 h“天窗點”實施的利舊升級設(shè)備。納入開通節(jié)點不可逆轉(zhuǎn)的一次性實施范圍。

2.3 開通應急預案

在開通節(jié)點升級改造的設(shè)備是GSM-R信息交互服務器，以及鐵路運輸管理信息系統(tǒng)/調(diào)度指揮管理信息系統(tǒng)結(jié)合服務器（T/D結(jié)合服務器）。GSM-R信息交互服務器的功能是向動車組發(fā)送進路預告信息以及無線調(diào)度命令；接收動車組的GSM-R網(wǎng)車次號校核信息和停穩(wěn)信息［7］。T/D結(jié)合服務器的功能是自動提取班計劃信息并生成動車組運行圖。

2.3.1 GSM-R信息交互服務器相關(guān)應急預案

GSM-R信息交互服務器升級后，存在接收類信息阻塞、校驗碼與GSM-R不一致，以及GSM-R信息覆蓋范圍錯誤等風險。GSM-R信息覆蓋范圍錯誤和校驗碼不一致是數(shù)據(jù)類問題，測試序列中的第1趟試驗列車，即可暴露全部此類問題，且問題處理方式簡單、可控，處理時間較短。應急預案是：盯控第1趟試驗列車并修改數(shù)據(jù)，分析第2～4趟試驗列車的GSM-R數(shù)據(jù)并確認數(shù)據(jù)修改的準確性。

接收類信息阻塞問題的產(chǎn)生原因較為復雜，包括信道分配不準確、信息過濾規(guī)則不合理、信息跳變抑制策略不合理等。解決此類問題需要經(jīng)過多趟試驗列車的驗證與反復調(diào)試。因此存在測試序列完成后，仍然無法解決問題的可能性。此類問題會導致車次號信息不準確，以及無法獲取列車停穩(wěn)信息，并進一步影響CTC自動報點的準確性以及進路預告信息準確送達動車組。設(shè)備問題引發(fā)的結(jié)果，對于發(fā)車間隔短、運行公交化的京津城際鐵路列車運輸組織而言，是無法接受的。應急解決辦法包括2個方面：

（1）在CTC應用服務器中增加動車組GSM-R網(wǎng)信息緩存機制，緩存時間為45 min，能夠覆蓋京津城際鐵路單次動車組的全程運行時間，從而保證運行中的動車組GSM-R網(wǎng)絡注冊信息準確而穩(wěn)定。

（2）提升CTC判定列車停穩(wěn)的優(yōu)先級，當列車運行速度遞減并低于5 km/h時，CTC在10 s后判定列車為停穩(wěn)狀態(tài)［8］，可以基本消除由于GSM-R網(wǎng)絡停穩(wěn)信息缺失導致的報點錯誤。

2.3.2 T/D結(jié)合服務器相關(guān)應急預案

T/D結(jié)合服務器的升級與運輸調(diào)度管理系統(tǒng)（TDMS）同步實施，TDMS包括客車調(diào)度、貨車調(diào)度、車輛調(diào)度、機車調(diào)度、值班主任終端、施工管理系統(tǒng)等。多種信息相互卡控，融合形成當班（日）的列車運行計劃，并自動鋪畫在調(diào)度臺上。T/D結(jié)合服務器與TDMS中任何子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存在偏差，均會導致無法生成列車運行計劃。

T/D結(jié)合服務器升級改造的應急預案見圖3。明確京津城際鐵路開通后的7個自然日為過渡期，過渡期能夠覆蓋城際線路CTC列車運行圖的變化周期［9］。過渡期間，列車運行計劃的生成邏輯如下：

（1）在CTC內(nèi)增加基本運行圖，作為運行計劃上圖的主要來源。基本圖包括3種常用方案，即平時計劃、周末計劃、高峰計劃。

（2）從TDMS獲取計劃信息，作為校驗數(shù)據(jù)使用。

（3）自動給出校驗建議，當前時間點3 h內(nèi)計劃的校驗結(jié)果只做出提醒，由調(diào)度員確認處置辦法；3 h后的校驗結(jié)果直接鋪畫為列車運行線，并報警提示。

該計劃上圖方式既避免了班計劃信息錯誤對運輸組織的干擾，也有效利用了實際運用環(huán)境，對班計劃信息進行數(shù)據(jù)校驗和功能驗證。

圖3 T/D結(jié)合服務器升級改造應急預案示意圖

3 技術(shù)難點

3.1 轉(zhuǎn)線調(diào)車并保持運行線折返關(guān)聯(lián)

北京南城際場是京津城際鐵路的“始發(fā)/終到”站，動車組在該站折返運行。國產(chǎn)CTC系統(tǒng)能夠?qū)⑼粋€車底的終到計劃和發(fā)車計劃自動關(guān)聯(lián)，從而自動變更車次號以降低調(diào)度員的勞動強度。在傳統(tǒng)模式下，計劃關(guān)聯(lián)的判定邏輯是列車停穩(wěn)后，將終到列車計劃關(guān)聯(lián)至當前時間點后最近的同股道始發(fā)車計劃［10］。北京南城際場的上行咽喉區(qū)連接至調(diào)車場，上行列車在站內(nèi)股道終到停穩(wěn)后，沿調(diào)車進路運行至調(diào)車場，后轉(zhuǎn)線進入其他股道始發(fā)。動車組轉(zhuǎn)線，導致股道發(fā)生了變化，且轉(zhuǎn)線過程是通過調(diào)車進路完成的。在本工程中，CTC增設(shè)了調(diào)車進路關(guān)聯(lián)區(qū)域（見圖4）。

圖4 北京南城際場信號布置及調(diào)車進路關(guān)聯(lián)平面示意圖

終到列車和始發(fā)列車各關(guān)聯(lián)1條調(diào)車進路，并在調(diào)車場進行車次關(guān)聯(lián)，從而輔助站內(nèi)股道區(qū)域的計劃關(guān)聯(lián)。

3.2 跨站進路預告的發(fā)送問題

CTC系統(tǒng)在分散自律模式下具備自動發(fā)送接車進路預告的功能，通過GSM-R網(wǎng)絡，以文字方式將進路信息提供給動車組，從而保證司機及車載設(shè)備能夠提前獲取列車運行方向及停站信息。

天津樞紐線路連接示意見圖5。在天津樞紐地區(qū)，京津城際下行線動車組可以經(jīng)南倉線路所運行至天津西城際場（方向1），沿城際正線運行至天津城際場站內(nèi)（方向2），經(jīng)天津城際場聯(lián)絡道岔反位運行至天津津秦場（方向3）或天津普速場（方向4）。方向1和方向2的接車進路預告信息，可以分別由南倉線路所和天津城際場的CTC分機發(fā)出。由于方向3和方向4的列車運行徑路不包括天津城際場站內(nèi)股道，所以天津城際場無法發(fā)送接車進路預告信息。天津津秦場歸屬于津秦高鐵，當動車組進入津秦高鐵GSM-R網(wǎng)絡覆蓋范圍后才能收到接車進路預告信息，此時動車組已經(jīng)運行至道岔區(qū)段，獲取進路信息的時機過晚。在本次工程實施中，建立了CTC跨線的安全信息交互機制，天津津秦場通過安全連接，將本站預告信息發(fā)送至天津城際場，再由城際場通過京津城際GSM-R網(wǎng)絡發(fā)送至動車組。方向4對應的天津普速場不是CTC設(shè)備，無法發(fā)送進路預告信息，動車組沒有收到進路預告信息，即可判定運行方向是天津普速場。

圖5 天津樞紐線路連接示意圖

4 結(jié)束語

運營高鐵線路的CTC升級改造不具備長時間調(diào)試并一次性接入既有系統(tǒng)的條件。在此提出模塊化驗證并多次接入既有系統(tǒng)的實施方案，并進一步設(shè)計了基于安全等級和既有系統(tǒng)依存度的雙維度系統(tǒng)分類方案；梳理開通工作中的風險點，并制定具有針對性的應急處置預案；總結(jié)2種特殊場景下的CTC功能實現(xiàn)策略。京津城際鐵路CTC在達成最高運營時速、最小追蹤間隔、最優(yōu)進路觸發(fā)時機等關(guān)鍵運營目標值的同時，高效、安全、準點、有序地完成了升級改造的各項工作，成為我國300～350 km/h高速鐵路CTC大修改造的成功范例，為高鐵信號系統(tǒng)施工組織、工程驗收、開通運營等方面積累了重要經(jīng)驗。