青藏鐵路低密度列車運行 控制系統(tǒng)方案研究

趙東旭，程劍鋒，岳 林，劉 聰

（1.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；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 北京華鐵信息技術有限公司，北京 100081)

1 青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)總體方案設計

1.1 增強型列車運行控制系統(tǒng)(ITCS)

青藏鐵路(西寧—拉薩)是我國西部鐵路網(wǎng)的重要組成部分，在構建青?！鞑亓Ⅲw化交通，促進西部地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展，增進民族團結方面發(fā)揮著重要作用。目前，青藏鐵路(格爾木—拉薩)為單線非電氣化鐵路，采用增強型列車運行控制系統(tǒng)(ITCS)，應用全球定位系統(tǒng)(GPS)技術和鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)技術，軌旁設備適用于無人值守的鐵路。但是ITCS 已經(jīng)不適應青藏鐵路目前的需求與將來的發(fā)展。

（1）安全風險較高。車站采用的ITCS 沒有軌道電路，而且機車和車輛(如軌道車、工程車)未安裝ITCS 車載設備，在站內信號設備上無法顯示，需要通過人工防護確保作業(yè)安全；僅依靠列尾風壓檢查信息進行列車完整性檢查，未結合列尾定位信息；ITCS 僅依靠GPS 和GSM-R 定位，無后備模式，在受到外界干擾時，只能依靠調度命令人工目視行車。

（2）運輸能力較低。ITCS 未實現(xiàn)移動閉塞，在股道利用率方面，緩沖區(qū)占用約120 m 的股道有效長，對股道利用率產(chǎn)生影響，導致青藏鐵路每年損失約30 萬t 的運量。在調車作業(yè)方面，ITCS 需要人工確認車列的占用和出清，作業(yè)效率較低。在行車設備方面，ITCS 主要設備不具備雙套冗余，設備發(fā)生故障對行車影響較大。

（3）自主化核心技術不足。GPS 等核心技術依賴于國外技術提供方，無法獲得有力的技術支持，設備返修周期長，備品、備件購買困難。同時，站場改造也受制于國外技術提供方，改造成本高。ITCS 的核心技術未實現(xiàn)自主化，受制于人，不利于國家安全。

（4）互聯(lián)互通無法實現(xiàn)。ITCS 不屬于中國列車運行控制系統(tǒng)(CTCS)標準體系，列車無法跨線運行[1]，所有經(jīng)格爾木—拉薩區(qū)段運行的機車均需要安裝ITCS 車載設備，機車不能跨區(qū)段運行，列車必須在拉薩站或格爾木站換掛配置ITCS 的機車，限制了運輸組織的靈活性。

1.2 低密度列車運行控制系統(tǒng)目標

青藏鐵路格爾木—拉薩段開通至今，ITCS運用時間已超過13 年，亟需開發(fā)能夠滿足運輸需求的列車運行控制系統(tǒng)。青藏鐵路屬于低密度鐵路，特點是日常行車密度低，突發(fā)運能需求高，沿線氣候條件惡劣，人煙稀少，生活和工作條件艱苦，設備維護不便。目前，我國的CTCS-2 和CTCS-3 級列車運行控制系統(tǒng)技術體系先進，應用成熟，而軌旁設備復雜，運用和維護成本高，不適合在青藏鐵路低密度鐵路應用。因此，根據(jù)下一代列車運行控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢，青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)應在降低建設和維護成本的同時，采用具有自主知識產(chǎn)權的衛(wèi)星定位和無線通信等技術，適應青藏鐵路的運輸需求，保障國家經(jīng)濟、國防安全。

1.3 低密度列車運行控制系統(tǒng)總體方案

青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)由地面設備和車載設備組成，低密度列車運行控制系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

（1）車載設備。主要由ATP 單元、ATO 單元、LTE-R 通信單元、基于北斗衛(wèi)星導航的列車定位單元、應答器信息接收單元、軌道電路信息接收單元、司法記錄單元(JRU)、列車接口單元和人機界面單元(DMI)組成。由機車牽引的列車還裝備列車完整性檢查單元和列尾設備。LTE-R 單元一用于車載設備與無線閉塞中心(RBC)通信；LTE-R 單元二用于車載設備與列尾設備通信。

（2）地面設備?？梢苑譃槭覂仍O備和軌旁設備。①室內設備。包括中心設備和車站室內設備。中心設備集中設置，方便維護和屬地化管理，包括RBC、智能調度集中(CTC)、臨時限速服務器、列控維護中心和LTE-R 設備等；車站室內設備主要有CTC 車站自律機、列控聯(lián)鎖一體化設備和衛(wèi)星差分站等。②軌旁設備。軌旁設備通常布置在區(qū)間和車站。在區(qū)間中，根據(jù)需要在線路的接軌處布置實現(xiàn)等級轉換的無源應答器。有人值守車站布置軌道電路、信號機、轉轍機、應答器等軌旁設備，無人值守車站僅布置轉轍機等必要設備。

圖1 低密度列車運行控制系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall solution of low density train control system

（3）控制流程。在正常行車的運營場景下，青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)的控制流程為CTC 發(fā)送進路請求至列控聯(lián)鎖一體化設備；列控聯(lián)鎖一體化設備完成必要的檢查后，通過目標控制器指揮軌旁設備動作，實現(xiàn)進路排列；目標控制器采集軌旁設備狀態(tài)，反饋至列控聯(lián)鎖一體化設備；經(jīng)列控聯(lián)鎖一體化設備驗證正確后，將進路信息、閉塞信息發(fā)送至RBC；RBC 結合臨時限速命令(CTC通過臨時限速服務器發(fā)送)、列車的位置信息等，形成行車許可，發(fā)送給列車；CTC 的調度命令通過LTE-R 設備直接發(fā)送給列車。青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)控制流程如圖2 所示。

圖2 青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)控制流程Fig.2 Control process of low density train control system of Qinghai-Tibet Railway

2 青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)關鍵技術

2.1 基于北斗衛(wèi)星導航的列車定位技術

由于青藏鐵路線路較長，沿線自然環(huán)境惡劣，但日常行車密度較低，大量布置軌道電路和應答器的建設成本和維護成本高昂，而采用基于衛(wèi)星導航的列車定位技術具有天然優(yōu)勢。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具有自主知識產(chǎn)權，其定位精度、測速精度等主要參數(shù)已達到世界先進水平，目前已經(jīng)進入大規(guī)模商用階段?；诒倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)進行列車定位有利于國家安全，同時可以減少對地面設備的依賴，減少軌旁設備，便于維護。

為了提高衛(wèi)星定位的精度，應在地面設置衛(wèi)星差分站。差分信息經(jīng)車—地無線通信系統(tǒng)發(fā)送給相應車載設備的定位系統(tǒng)。隧道內衛(wèi)星信號受到遮擋時，定位系統(tǒng)可以在慣性導航設備和數(shù)字軌道地圖的輔助下，在衛(wèi)星信號盲區(qū)實現(xiàn)連續(xù)的高精度測速測距[3]。

為了實現(xiàn)列車跨線運行，低密度列車運行控制系統(tǒng)的車載設備同時安裝速度傳感器及應答器信息接收設備。在青藏鐵路運行時，列車的車載定位單元根據(jù)衛(wèi)星差分定位信息、慣性導航信息、速度傳感器信息、應答器信息，結合電子地圖，產(chǎn)生多信息融合的定位信息，實現(xiàn)列車連續(xù)、可靠、高精度定位[4]；在CTCS-2或CTCS-3 級線路上運行時，列車根據(jù)速度傳感器和應答器信息進行定位，從而實現(xiàn)線路互聯(lián)互通，列車跨線運行。青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)列車定位原理如圖3 所示。

2.2 寬帶無線信息傳輸技術

圖3 青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)列車定位原理Fig.3 Train positioning principle of low density train control system of Qinghai-Tibet Railway

青藏鐵路目前使用的GSM-R 系統(tǒng)為窄帶通信系統(tǒng)，傳輸速率低，存在很多局限性，業(yè)務需求與頻率資源、系統(tǒng)承載能力的矛盾日益突出，難以承載列車智能控制等新的業(yè)務需求。而鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)(LTE-R)簡化了信令及通信設備，具備雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，數(shù)據(jù)傳輸速率高，建網(wǎng)成本低，減少了車—地通信設備和環(huán)節(jié)，可以滿足列車運行控制系統(tǒng)車—地信息傳輸實時性、可靠性和安全性的要求[5]。LTE-R 承載車—地信息傳輸如圖4 所示。實現(xiàn)的主要功能如下。

圖4 LTE-R 承載車—地信息傳輸Fig.4 LTE-R for train-wayside information transmission

（1）列車智能控制功能。青藏鐵路采用LTE-R系統(tǒng)進行車—地寬帶無線信息傳輸，可以滿足新型列車運行控制系統(tǒng)需求，實現(xiàn)列車智能駕駛、智能調度、移動閉塞等列車智能控制功能。采用LTE-R 系統(tǒng)，列車上只需要1 個無線電臺就能與多個設備建立通信鏈路，通信信道共享，資源利用率高。

（2）列車實時視頻監(jiān)控業(yè)務。LTE-R 系統(tǒng)的大帶寬、高速率、低時延特性還可以支撐列車實時視頻監(jiān)控業(yè)務，包括線路路況視頻監(jiān)控、司機室視頻監(jiān)控、列車車廂視頻監(jiān)控和列車關鍵設備視頻監(jiān)控等。利用安裝在司機室、列車車廂、列車關鍵設備處的視頻監(jiān)控設備，采集線路路況、司機操作情況、列車車廂情況、關鍵設備狀態(tài)的視頻，通過LTE-R 系統(tǒng)實時傳輸給地面控制中心。地面控制中心全面掌握路況信息和列車信息，可以提高青藏鐵路的應急處理能力和運用維護水平。

（3）旅客信息服務。現(xiàn)代生活方式使旅客對列車的無線通信服務提出了很高的要求。列車高速運行過程中，公網(wǎng)無線通信難以保證服務質量，而LTE-R 系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的寬帶接入服務，滿足旅客即時通信、娛樂等需求，為旅客提供更加舒適、愉快的乘車體驗。

2.3 移動閉塞技術

格爾木—拉薩段ITCS 雖然具備虛擬閉塞列車追蹤運行功能，但由于各種條件限制未啟用，運輸效率難以提高，成為制約青藏鐵路運輸能力的瓶頸。低密度列車運行控制系統(tǒng)應采用移動閉塞，縮短列車追蹤間隔時間，提高青藏鐵路的運輸能力。

移動閉塞列車追蹤場景如圖5 所示。在移動閉塞方式下，移動授權的終點是前車的安全尾部，并隨著前車的移動而實時變化[6]。實現(xiàn)移動閉塞，依托于北斗衛(wèi)星導航與LTE-R 通信系統(tǒng)[7]?；诒倍沸l(wèi)星導航的列車定位系統(tǒng)實時、精確地計算自身位置，通過LTE-R 傳輸給地面RBC，RBC 根據(jù)收到的前行列車位置信息和線路狀態(tài)，生成后行列車的移動授權并發(fā)送給后行列車。后行列車車載設備接受移動授權，并結合線路參數(shù)、列車參數(shù)、列車運動狀態(tài)，實施安全間隔控制，確保運行安全。移動閉塞基于列車自主定位進行區(qū)段占用檢查和列車完整性檢查，不設置軌道電路。當列車在區(qū)間發(fā)生脫鉤時，列車運行控制系統(tǒng)能及時采取措施，保證行車 安全。

圖5 移動閉塞列車追蹤場景Fig.5 Train tracking scenario under moving block

列車定位信息既用于RBC 計算移動授權，也用于列車計算控車曲線，執(zhí)行超速防護功能，如計算緊急制動干預曲線和常用制動干預曲線。由圖5 可知，列車追蹤的目標點不再是前行列車所在閉塞分區(qū)的起點，而是前行列車的安全尾部。安全尾部根據(jù)前行列車的尾部位置，加上一定的安全距離確定。采用移動閉塞可以在確保列車運行安全的前提下，縮短列車追蹤距離，壓縮列車追蹤間隔時間，大幅提升青藏鐵路的通過能力。相比目前采用的站間閉塞，移動閉塞可以將現(xiàn)在格爾木—拉薩段的一晝夜列車開行對數(shù)提高1 倍以上。

2.4 列車完整性檢查技術

青藏鐵路不宜全線設置軌道電路，無法采用區(qū)段占用檢查的方式實現(xiàn)列車完整性檢查。目前，青藏鐵路格爾木—拉薩段ITCS 的列車完整性檢查僅依靠列尾風壓的檢查信息，在風壓檢查設備故障時，列車完整性檢查無法進行，對行車安全造成影響。為防止列車在區(qū)間發(fā)生脫鉤，影響運行安全，應采取完善的列車完整性檢查措施，確保在列車在完整性受到破壞時，車載設備能夠及時通知地面設備，建立確保列車運行安全的防護區(qū)段[8]。

青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)的列車完整性檢查由車載設備和列尾設備(EOT)共同實現(xiàn)。EOT 由北斗導航設備、慣性導航設備、風壓監(jiān)測單元、主控單元組成。列車完整性檢查功能如圖6所示。

圖6 列車完整性檢查功能Fig.6 Train integrity monitoring function

采用車載設備和EOT 共同進行列車完整性檢查，可以彌補ITCS 列車完整性檢查的缺陷，確保運輸安全。列車尾部安裝EOT，持續(xù)采集列尾的風壓、位置、速度等信息，通過LTE-R 通信系統(tǒng)發(fā)送給安裝在列車頭部的列車完整性檢查單元。列車完整性檢查單元實時比較機車和列尾的風壓、位置、速度等信息，并結合列車長度參數(shù)，檢車列車完整性。車載設備向地面RBC 匯報列車完整性狀態(tài)，如果發(fā)生列車完整性受到破壞的情況，車載設備發(fā)出報警，RBC 將列車頭部到列車尾部所在的區(qū)段設置為占用狀態(tài)，后行列車不能進入該區(qū)段。

2.5 智能調度集中技術

傳統(tǒng)的CTC 系統(tǒng)在發(fā)生線上列車故障、惡劣天氣影響行車等情況下，需要調度員人工調整運行計劃，對調度員的工作要求較高，無法確保運輸效率。智能CTC 系統(tǒng)以現(xiàn)有CTC 系統(tǒng)為基礎，在不改變現(xiàn)有CTC 系統(tǒng)架構的條件下，結合智能控制、大數(shù)據(jù)等技術，新增列車運行計劃自動調整、計劃和進路安全卡控、行車信息數(shù)據(jù)平臺、行車調度綜合仿真和ATO 功能應用。

采用智能CTC 系統(tǒng)可以提升低密度列車運行控制系統(tǒng)的運輸效率。智能CTC 系統(tǒng)實時獲取線路信息和全部列車運行狀態(tài)，采用基于大數(shù)據(jù)的列車運行智能調度方法，融合智能控制技術，進行列車運行實時在線調整與故障快速恢復，實現(xiàn)線路整體運行效率最優(yōu)化。在正常情況下，智能CTC系統(tǒng)根據(jù)擬定的列車運行計劃，向運行控制系統(tǒng)發(fā)送運行計劃和調度命令，實現(xiàn)列車進路控制自動化。同時，實時監(jiān)控信號系統(tǒng)和列車運行狀態(tài)、線路狀態(tài)，自動追蹤列車運行位置，反饋列車在車站的到發(fā)時刻，實時生成列車實績運行圖。在運行計劃不能正常執(zhí)行時，智能CTC 系統(tǒng)根據(jù)實時采集的信息，作出運行計劃的最優(yōu)決策，輔助調度員快速制訂新的列車運行調整計劃，實現(xiàn)列車運行指揮自動化，顯著提升青藏鐵路運輸效率。

2.6 列車自動駕駛技術

青藏鐵路全長1 956 km，列車運行距離較長。司機駕駛列車時，不僅需要實時觀察線路前方情況，還需要實時觀察列車狀態(tài)顯示及車載設備的DMI 顯示，在高寒缺氧的高海拔地帶，司機的勞動強度很大。因此，青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)應采用ATO 技術，實現(xiàn)列車的自動駕駛，減輕司機勞動強度，為此應在ATP 的基礎上增加ATO 單元。ATO 的控車策略是在ATP 確保運行安全的前提下，根據(jù)CTC下發(fā)的運行計劃，優(yōu)先考慮列車運行正點，同時兼顧舒適、能耗等因素，制訂最優(yōu)控車曲線，可以實現(xiàn)列車自動發(fā)車、自動加速、自動減速、自動停車、自動開關門等 功能。

我國已經(jīng)在珠江三角洲地區(qū)城際軌道交通CTCS-2 級列車運行控制系統(tǒng)和京張高速鐵路(北京北—張家口) CTCS-3 級列車運行控制系統(tǒng)上實現(xiàn)了ATO 功能[9]，列車自動駕駛技術在我國鐵路的應用成熟，具備在青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)中實現(xiàn)ATO 功能的技術條件。青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)采用ATO 技術，可以降低司機的勞動強度，使列車運行安全、正點、高效、節(jié)能[10]，提高旅客乘車舒適度，還可以達到節(jié)能環(huán)保的目的。

3 結束語

青藏鐵路低密度列車運行控制系統(tǒng)采用基于北斗衛(wèi)星導航的列車定位、LTE-R 無線通信、移動閉塞等自主知識產(chǎn)權技術，降低系統(tǒng)復雜度，改善系統(tǒng)可靠性，提升系統(tǒng)的建設和運營效益。低密度列車運行控制系統(tǒng)沿襲了CTCS 技術體系，可以實現(xiàn)低密度鐵路與全國鐵路網(wǎng)的互聯(lián)互通，為我國西部低密度鐵路的列車運行控制系統(tǒng)建設和升級改造提供借鑒。將來低密度列車運行控制系統(tǒng)將由“以地面設備為主體”向“以車載設備為主體”進一步發(fā)展，地面設備進一步簡化，而基于列車自主定位技術和車—車通信技術的車載設備將自主計算行車許可。屆時，低密度列車運行控制系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護性將進一步提高。