國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS- RBC 中北斗應(yīng)用方案研究

蔣紅軍 韓 濤

（卡斯柯信號(hào)有限公司，北京100160）

1 青藏鐵路ITCS 系統(tǒng)概述

1.1 概述

青藏鐵路采用ITCS 增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱ITCS系統(tǒng)）作為列車控制的信號(hào)系統(tǒng)。ITCS 系統(tǒng)是以車載系統(tǒng)為中心，軌旁設(shè)備一體化的信號(hào)系統(tǒng)。車地通信基于無線傳輸，應(yīng)用GPS 技術(shù)完成衛(wèi)星定位，軌旁不設(shè)軌道電路計(jì)軸等次級(jí)檢測(cè)設(shè)備以降低技術(shù)要求和維修需求。軌旁設(shè)備（RBC、VHLC）完成列車集成虛擬自動(dòng)閉塞、站級(jí)聯(lián)鎖控制。青藏鐵路使用雙向通信的GSM-R 無線技術(shù)，以車載為主體系統(tǒng)完成移動(dòng)授權(quán)計(jì)算，超速防護(hù)控制于一體的列車控制系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行、提供預(yù)警及報(bào)警信息、超速防護(hù)觸發(fā)（或者需求時(shí)）列車實(shí)施緊急、常用制動(dòng)等手段，保障青藏線行車安全。

青藏鐵路既有ITCS 系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 青藏鐵路既有ITCS 系統(tǒng)架構(gòu)

以設(shè)備位置進(jìn)行劃分，ITCS 系統(tǒng)可以分為4 個(gè)子系統(tǒng)。

（1）中心系統(tǒng)：中心設(shè)置調(diào)度系統(tǒng)。（2）軌旁系統(tǒng)：軌旁系統(tǒng)針對(duì)始發(fā)站和普通站略有差別，在始發(fā)站中，增設(shè)始發(fā)站RBC，提供發(fā)車測(cè)試及地圖下載功能。軌旁系統(tǒng)主要包括安全邏輯控制器VHLC、無線閉塞中心RBC，以及用于衛(wèi)星定位的軌旁GPS差分站。經(jīng)GSM-R 無線通信連接軌旁和車載，將本RBC 管轄范圍內(nèi)安全控制點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)發(fā)送給車載系統(tǒng)以及接收列車報(bào)告的位置信息。（3）車載系統(tǒng)：車載系統(tǒng)包含車載主機(jī)、速度傳感器、GMS-R 電臺(tái)以及列尾設(shè)備EOT。車載系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法使用衛(wèi)星定位的GPS 信息（經(jīng)差分信息提升精度）、速傳信息完成列車安全定位。根據(jù)軌旁RBC 發(fā)送的軌旁安全點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)，完成安全移動(dòng)授權(quán)計(jì)算，使用連續(xù)制動(dòng)曲線完成列車超速防護(hù)，車載會(huì)提供司機(jī)相應(yīng)預(yù)警信息。GPS 授時(shí)也在系統(tǒng)中應(yīng)用。（4）通信網(wǎng)絡(luò)：分為有線通信和無線通信，無線通信采用GSM-R系統(tǒng)（包括軌旁移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC 設(shè)備和沿線設(shè)置的BTS等設(shè)備），主要服務(wù)于車地列控信息傳遞。

1.2 存在問題及影響

1.2.1 硬件單套軌旁子系統(tǒng)。軌旁RBC、VHLC 硬件目前均為單套配置，單點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致該站點(diǎn)RBC、VHLC 系統(tǒng)無法正常工作。1.2.2 唯一的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。ITCS 采用GPS 作為衛(wèi)星定位和授時(shí)系統(tǒng)，存在特定條件下系統(tǒng)限制應(yīng)用的情況，極端情況下會(huì)導(dǎo)致ITCS 系統(tǒng)無法使用，影響青藏鐵路正常運(yùn)輸秩序及運(yùn)輸安全。1.2.3 網(wǎng)絡(luò)非冗余通信系統(tǒng)。由于既有ITCS 系統(tǒng)中軌旁和車載系統(tǒng)全部為單套設(shè)計(jì)，軌旁RBC 與ITCS WAN 局域網(wǎng)的通信鏈路為單通道，因此VHLC 設(shè)備、GPS 設(shè)備須通過串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接，增加了網(wǎng)絡(luò)連接的復(fù)雜度，通信通道故障直接影響系統(tǒng)的服務(wù)可用性。國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 支持冗余網(wǎng)絡(luò)，其可以直接接入同步改造完成的冗余網(wǎng)絡(luò)（由通信專業(yè)提供冗余數(shù)據(jù)通道）完成系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)冗余能力提升。由于通信系統(tǒng)是外部提供，針對(duì)3）問題不在此文中詳細(xì)展開。以格拉段“扎加藏布-托居”區(qū)間為例，正常按虛擬自動(dòng)閉塞分區(qū)追蹤運(yùn)行，如ITCS-RBC 故障（或者GPS 不可用），轉(zhuǎn)為站間閉塞方式運(yùn)行，分析可知：區(qū)間通過列車數(shù)將由一個(gè)周期80min 通過4 列車（追蹤間隔10min），降低為一個(gè)周期60min 通過2 列車。依據(jù)相關(guān)的理論分析，虛擬閉塞降至站間閉塞，運(yùn)輸效能下降可達(dá)40%。如果極端情況下GPS 衛(wèi)星信號(hào)不可用導(dǎo)致授時(shí)無效，全線ITCS系統(tǒng)可能癱瘓，即便采用人工調(diào)度模式恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，運(yùn)輸秩序也將受到極大影響。為降低系統(tǒng)單套單點(diǎn)故障和衛(wèi)星定位系統(tǒng)唯一依賴對(duì)行車組織的影響，從提高系統(tǒng)可用性角度出發(fā)，重點(diǎn)針對(duì)唯一的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，提出ITCS-RBC 冗余方案,即，國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC。

2 國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS RBC

2.1 ITCS RBC 功能需求

青藏線冗余設(shè)計(jì)的ITCS-RBC 子系統(tǒng)主要需求如下。2.1.1具備既有ITCS 系統(tǒng)的RBC 子系統(tǒng)的全部功能，能替換既有RBC 設(shè)備，兼容現(xiàn)有RBC 外部接口。2.1.2 采用二乘二取二架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)冗余配置。單系故障時(shí)切換至另一系，確保整個(gè)系統(tǒng)仍能正常工作。2.1.3 在配置CBI 子系統(tǒng)的車站以及新建車站中，不配置VHLC，ITCS-RBC 需能與CBI 協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)原來由CBI+VHLC+ITCS-RBC 完成的功能。2.1.4 配置國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 的車站能夠完成與臨站既有RBC 正常通信，又可與新建車站國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 通信，實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同類型車站的新舊ITCS 系統(tǒng)兼容混跑。2.1.5 未配置CBI 子系統(tǒng)的既有車站升級(jí)改造，ITCS-RBC 需能實(shí)現(xiàn)原來由VHLC 完成的相關(guān)功能，即實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單聯(lián)鎖功能。

2.2 ITCS RBC 架構(gòu)

根據(jù)上述需求分析，提出了基于通用軌旁安全平臺(tái)與安全輸入輸出平臺(tái)的國(guó)產(chǎn)冗余ITCS-RBC 設(shè)備，它與既有RBC 及VHLC 功能對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 ITCS-RBC 功能與既有RBC 及VHLC 功能對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2.1 ITCS-RBC 系統(tǒng)完成既有ITCS 系統(tǒng)的RBC 及VHLC的全部功能，且兼容既有的RBC 所有對(duì)外接口及通信協(xié)議。

2.2.2 ITCS-RBC 系統(tǒng)基于2*2oo2 構(gòu)成，滿足雙系冗余切換的需求。安全輸入輸出平臺(tái)是IO 信號(hào)驅(qū)采單元，同樣為2*2oo2 架構(gòu)，滿足系統(tǒng)冗余需求。2.2.3 對(duì)未配置CBI 的車站，若不新增CBI 設(shè)備，ITCS RBC 可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有VHLC 的控制功能，此時(shí)ITCS-RBC 通過安全輸入輸出平臺(tái)完成驅(qū)采。2.2.4 針對(duì)已配置CBI 的既有車站，ITCS-RBC 可以通過安全輸入輸出平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與CBI 的繼電接口。

3 國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 與北斗系統(tǒng)的通信

3.1 北斗系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

北斗系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國(guó)完全自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)已進(jìn)入尾聲階段。依據(jù)《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告》（4.0 版），目前在鐵路及軌道交通應(yīng)用尚屬發(fā)展初期，在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前也僅僅在試驗(yàn)段初步開展。既有ITCS 系統(tǒng)中，GPS 系統(tǒng)作為唯一衛(wèi)星定位系統(tǒng)，提供定位以及授時(shí)信息。在極端場(chǎng)景及故障模式下，其成為系統(tǒng)服務(wù)可靠性的制約因素。因此需引入新的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對(duì)于青藏鐵路的國(guó)家定位，引入自主可控的北斗系統(tǒng)成為首選。

3.2 國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 與北斗系統(tǒng)的連接

在青藏線ITCS 系統(tǒng)中，衛(wèi)星定位信息用于信號(hào)系統(tǒng)安全控制，要求軌旁GPS 差分站硬件上不同型號(hào)的設(shè)備，需要在軌旁設(shè)置雙套BDS/GPS 衛(wèi)星差分站。主流的BDS 差分站硬件通常支持串口和網(wǎng)口，從功能服務(wù)和維護(hù)角度，建議使用RJ-45 型網(wǎng)絡(luò)接口。國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 對(duì)2 種接口方式全部支持，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇應(yīng)用。

在ITCS 系統(tǒng)中，基于衛(wèi)星定位的過程主要來自兩方面的信息:a.裝備在車載系統(tǒng)中的衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)直接接收來自導(dǎo)航衛(wèi)星的定位信息。b.車載控制主機(jī)接收來自RBC 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)過來的差分信號(hào)；通常差分信息以RTCM標(biāo)準(zhǔn)10403.2 協(xié)議中定義的格式，通過車地?zé)o線消息發(fā)送至車載系統(tǒng)。衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)將差分信號(hào)與導(dǎo)航衛(wèi)星定位信息進(jìn)行融合，利用差分信息中提供的相關(guān)參數(shù)修正來自導(dǎo)航衛(wèi)星的定位信息，并將最終定位信息反饋給車載控制主機(jī)，用于列車位置的計(jì)算。

3.3 ITCS-RBC 兼容設(shè)計(jì)

青藏線ITCS 系統(tǒng)目前既有原GE 公司裝備的ITCS 單套車載系統(tǒng)，同時(shí)也有經(jīng)改造實(shí)施的冗余型車載系統(tǒng)。既有ITCS 單套車載使用GPS 系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航，冗余型車載系統(tǒng)支持GPS和BDS 雙模定位。因此，ITCS RBC 在功能設(shè)計(jì)中，必須考慮兼容設(shè)計(jì)，支持“新老交替”，以備后續(xù)ITCS 系統(tǒng)的平滑過渡，以提升系統(tǒng)服務(wù)的可靠性。基于兼容設(shè)計(jì)原則，必須在國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 的功能設(shè)計(jì)中，對(duì)兩種車型進(jìn)行區(qū)分處理才能保證系統(tǒng)平滑穩(wěn)定。根據(jù)注冊(cè)的列車相關(guān)信息，在ITCS-RBC 中記錄新老車型信息。ITCS-RBC 在差分信息處理組件中，對(duì)不同車型回復(fù)不同的差分信息。3.3.1 對(duì)既有ITCS 系統(tǒng)的車載系統(tǒng)，回復(fù)滿足RTCM2.3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的GPS 差分信息。3.3.2 對(duì)冗余型車載系統(tǒng)，回復(fù)滿足RTCM3.2 標(biāo)準(zhǔn)的BDS/GSP 差分信息。3.3.3 對(duì)于不同類型的差分消息，根據(jù)實(shí)際工程需求情況配置發(fā)送周期，逐步驗(yàn)證滿足定位需求下的最大發(fā)送間隔，提升空中接口利用率?；谏鲜黾嫒菰O(shè)計(jì)原則的北斗應(yīng)用方案，在試驗(yàn)室中已完成系統(tǒng)功能集成功能測(cè)試，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

4 結(jié)論

既有ITCS 系統(tǒng)中單套硬件、單一衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)可靠性存在瓶頸，同時(shí)存在極端情況下現(xiàn)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)不可用導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)降級(jí)的場(chǎng)景。針對(duì)北斗系統(tǒng)在ITCS 系統(tǒng)中應(yīng)用，對(duì)ITCS-RBC 進(jìn)行需求分析，采用兼容“新老交替”原則形成應(yīng)用方案。國(guó)產(chǎn)冗余型ITCS-RBC 不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)單套硬件的升級(jí)，同時(shí)也是對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路信號(hào)控制領(lǐng)域工程應(yīng)用探索。方案采用“新老交替”的兼容設(shè)計(jì)，綜合考慮未來在系統(tǒng)更新改造過程中的平穩(wěn)有序，結(jié)合冗余型車載系統(tǒng)支持平滑過渡工程實(shí)施方案，支持北斗系統(tǒng)在整個(gè)ITCS 系統(tǒng)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)中國(guó)自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中應(yīng)用，突破單一GPS 系統(tǒng)的應(yīng)用局限。