多網(wǎng)融合的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)研究*

潘 亮 洪玲嬌 邢艷陽(yáng)

(卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

2019年2月21日出臺(tái)的《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出：要打造軌道上的都市圈，統(tǒng)籌考慮都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)布局，構(gòu)建以軌道交通為骨干的通勤圈。其重點(diǎn)在于整合都市圈區(qū)域內(nèi)的城市軌道交通資源，加強(qiáng)建設(shè)多種制式的城市軌道交通，使之能適應(yīng)城市的圈層化發(fā)展,滿足區(qū)域出行新需求。

為了滿足城市組團(tuán)間高速、短間隔且無(wú)縫銜接的運(yùn)營(yíng)需求，必須實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合，即實(shí)現(xiàn)不同制式軌道交通的互聯(lián)互通。具體來(lái)講，不僅要實(shí)現(xiàn)市域鐵路與一般鐵路的互聯(lián)互通，還要實(shí)現(xiàn)市域鐵路與城市軌道交通的互聯(lián)互通。

列車運(yùn)行控制(以下簡(jiǎn)為“列控”) 系統(tǒng)是多網(wǎng)融合方案中的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。本文針對(duì)多網(wǎng)融合的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 既有列控系統(tǒng)方案

目前，國(guó)內(nèi)的成熟列控系統(tǒng)有兩類。

1) 面向一般鐵路的CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“CTCS-2系統(tǒng)”)最為常用，其采用軌道電路和點(diǎn)式信息設(shè)備(應(yīng)答器)來(lái)傳輸列控信息。軌道電路負(fù)責(zé)完成占用檢測(cè)檢查，并連續(xù)向列車發(fā)送控制信息；點(diǎn)式信息設(shè)備負(fù)責(zé)傳輸定位、限速和停車信息。因此，CTCS-2系統(tǒng)屬于點(diǎn)-連式列控系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，城際軌道交通采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)(CTCS-2級(jí)系統(tǒng)+列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng))。CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“CTCS-3系統(tǒng)”)也較常見(jiàn)，其采用無(wú)線通信系統(tǒng)和應(yīng)答器來(lái)傳輸列控信息，由軌道電路負(fù)責(zé)完成占用檢測(cè)，由點(diǎn)式信息設(shè)備負(fù)責(zé)定位，屬于連續(xù)式列控系統(tǒng)。CTCS-2系統(tǒng)和CTCS-3系統(tǒng)適用于不同目標(biāo)速度的線路，且均為準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式。市域鐵路的列車運(yùn)行目標(biāo)速度一般為120～160 km/h，可采用CTCS-2級(jí)系統(tǒng)或CTCS-2+ATO系統(tǒng)。

2) 面向城市軌道交通的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)為移動(dòng)閉塞制式，其控制精度高，具有更高的效率和靈活性，可實(shí)現(xiàn)UTO(無(wú)人駕駛)。CBTC系統(tǒng)已具備滿足高密度開(kāi)行和公交化運(yùn)營(yíng)需求的能力。

鐵路和城市軌道交通分別自成體系。要滿足多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求，市域鐵路的列控系統(tǒng)方案就不能簡(jiǎn)單照搬。因此，本文將在CTCS-2與CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究多網(wǎng)融合下的列控系統(tǒng)方案。

2 列控系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的融合分析

基于表1各方案的比較，對(duì)調(diào)度指揮系統(tǒng)、臨時(shí)限速系統(tǒng)、駕駛模式、軌旁列控子系統(tǒng)等4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的多網(wǎng)融合進(jìn)行分析。

2.1 調(diào)度指揮系統(tǒng)的融合

2.1.1 調(diào)度指揮系統(tǒng)的差異

鐵路的調(diào)度指揮系統(tǒng)為CTC(中央調(diào)度集中)系統(tǒng)，城市軌道交通的調(diào)度指揮系統(tǒng)為ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)，二者差別較大。

表1 列控系統(tǒng)方案對(duì)比

1) 應(yīng)用環(huán)境不同。ATS系統(tǒng)用于城市軌道交通封閉線路。此類線路內(nèi)作業(yè)的規(guī)律性較強(qiáng)，相應(yīng)的列車運(yùn)營(yíng)組織自動(dòng)化程度較高、運(yùn)營(yíng)效率較高。CTC系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境較復(fù)雜。鐵路列車的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃受不同速度等級(jí)列車運(yùn)行的互相影響、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)線路的影響及站內(nèi)特殊作業(yè)等的影響，容易被干擾。

2) 崗位設(shè)置不同。城市軌道交通的調(diào)度指揮系統(tǒng)為全線集中管理，其作業(yè)流程相對(duì)簡(jiǎn)潔，各類特殊作業(yè)干擾較小，自動(dòng)化程度較高，故運(yùn)營(yíng)指揮相關(guān)人員的崗位層級(jí)較少。鐵路的調(diào)度崗位細(xì)化分工較多，非運(yùn)營(yíng)類的特殊作業(yè)較多，故在鐵路列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，各調(diào)度崗位之間的作業(yè)流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)也較多，流程復(fù)雜。

3) 列車運(yùn)行調(diào)整功能不同。鐵路運(yùn)輸情況復(fù)雜、多變，CTC系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)完成列車的運(yùn)行調(diào)整。當(dāng)列車運(yùn)行圖被打亂后，CTC系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出多種可供選擇的修改方案，供調(diào)度員進(jìn)行人工選擇確認(rèn)并下發(fā)更新后的運(yùn)行計(jì)劃。而ATS系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整列車運(yùn)行速度和停站時(shí)間，與ATO系統(tǒng)配合，高效完成列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整。

2.1.2 融合方案

基于上述分析，面向多網(wǎng)融合的調(diào)度指揮系統(tǒng)，不僅要結(jié)合ATS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，還要在管理層面優(yōu)化運(yùn)營(yíng)組織、組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸管理流程及線路作業(yè)(特別是折返交路作業(yè)等)，以提高自動(dòng)化程度。在市域鐵路聯(lián)絡(luò)線與CTC接口時(shí)，需做好市域鐵路與鐵路運(yùn)行計(jì)劃的高效銜接。

因此，市域鐵路列控系統(tǒng)可以在ATS系統(tǒng)基礎(chǔ)上疊加CTC系統(tǒng)的功能，也可以在CTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上融入ATS系統(tǒng)的高效運(yùn)營(yíng)調(diào)整理念，從而實(shí)現(xiàn)高密度市域鐵路多車型混跑條件下的運(yùn)行控制及協(xié)同調(diào)度。

2.2 臨時(shí)限速系統(tǒng)的融合

CTCS-2系統(tǒng)的臨時(shí)限速功能通過(guò)臨時(shí)限速服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。CBTC系統(tǒng)的臨時(shí)限速功能通過(guò)軌旁ATP(列車自動(dòng)防護(hù))系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果CTCS-2系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)的臨時(shí)限速功能都按既有的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，則市域鐵路臨時(shí)限速操作及臨時(shí)限速設(shè)置狀態(tài)難以在兩個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步。

為確保不同制式列車能在同一區(qū)域獲取相同的臨時(shí)限速，臨時(shí)限速功能應(yīng)由統(tǒng)一且獨(dú)立的子系統(tǒng)執(zhí)行。臨時(shí)限速子系統(tǒng)需要將設(shè)定的臨時(shí)限速值同步發(fā)送至TCC(列車控制中心)和ZC(區(qū)域控制器)，并驗(yàn)證發(fā)送至ZC與TCC中的臨時(shí)限速狀態(tài)是否一致。

2.3 駕駛模式的融合

在城市軌道交通與市域鐵路的接駁中，能兼容CBTC和CTCS等不同制式的車載信號(hào)系統(tǒng)駕駛模式 ，對(duì)整體運(yùn)營(yíng)效率的提升、運(yùn)營(yíng)成本的減少，都具有重要的意義。

目前不同制式的駕駛模式差異較大。CBTC模式下的列車控制等級(jí)為CBTC級(jí)別、點(diǎn)式列車控制級(jí)別和聯(lián)鎖控制級(jí)別。

CTCS-2系統(tǒng)屬于點(diǎn)連式列車控制級(jí)別?；谲壍离娐愤B續(xù)發(fā)送的速度碼及應(yīng)答器發(fā)送的限速信息，列車在控制區(qū)域內(nèi)以自動(dòng)駕駛模式或完全監(jiān)控模式下的人工駕駛模式運(yùn)行。

在不同列車控制級(jí)別下，CBTC系統(tǒng)和CTCS分配至應(yīng)答器的功能不同。首先，CTCS的應(yīng)答器除了用于列車定位以外，還用于發(fā)送速度等其他信息，而CBTC系統(tǒng)的應(yīng)答器負(fù)責(zé)提供信號(hào)顯示信息；其次，CBTC系統(tǒng)和CTCS在應(yīng)答器數(shù)據(jù)信息定義格式不同；再次， CTCS-2級(jí)系統(tǒng)屬于點(diǎn)連式的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，而CBTC系統(tǒng)屬于連續(xù)式的移動(dòng)閉塞，故二者點(diǎn)式應(yīng)答器作用不同；最后，應(yīng)答器的布置要求差別巨大。

考慮到CTCS-2級(jí)系統(tǒng)的行車效率比CBTC系統(tǒng)在點(diǎn)式列車控制級(jí)別的行車效率高，也為了有效規(guī)避應(yīng)答器的兼容性問(wèn)題，列控系統(tǒng)多網(wǎng)融合可將CTCS-2級(jí)系統(tǒng)作為CBTC系統(tǒng)的降級(jí)模式備用系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化多網(wǎng)融合下的列控方案，提高列控系統(tǒng)的可用性。

優(yōu)化后，不同的列控級(jí)別對(duì)應(yīng)的列車駕駛模式如表2所示。

表2 各列車控制級(jí)別下的駕駛模式

在列車控制級(jí)別由較低等級(jí)切換至較高等級(jí)時(shí)，可由車載列控系統(tǒng)自動(dòng)完成。在列車控制級(jí)別由較高等級(jí)切換至較低等級(jí)時(shí)，若不同控制級(jí)別下的設(shè)備都能正常工作，則由列車司機(jī)向列控系統(tǒng)發(fā)出人工降級(jí)請(qǐng)求；若較高控制等級(jí)的列控系統(tǒng)發(fā)生故障，則列車緊急停車，并在緩解緊急制動(dòng)后降級(jí)至較低列車控制級(jí)別運(yùn)行。

2.4 軌旁列控系統(tǒng)的融合

對(duì)于鐵路：軌旁CBI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)站內(nèi)的聯(lián)鎖進(jìn)路，以及信號(hào)、道岔、軌道電路等軌旁設(shè)備的監(jiān)控；TCC負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)間及區(qū)間無(wú)配線站的進(jìn)路方向與信號(hào)，還負(fù)責(zé)控制轄區(qū)內(nèi)所有線路的發(fā)碼。對(duì)于城市軌道交通：軌旁CBI子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化，負(fù)責(zé)整個(gè)區(qū)域軌旁信號(hào)設(shè)備的監(jiān)控及方向控制；ZC基于CBI的方向及信號(hào)設(shè)備狀態(tài)來(lái)計(jì)算行車許可。

基于不同軌旁列控系統(tǒng)的特點(diǎn)，可形成兩套融合方案，具體如表3所示。

融合方案一，在由TCC負(fù)責(zé)的區(qū)間范圍內(nèi)，若ZC基于TCC的方向及信號(hào)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)來(lái)計(jì)算行車許可，則CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)受TCC故障的影響，進(jìn)而降低信號(hào)系統(tǒng)可用性；此外，還需額外配置CSS(通信控制服務(wù)器)，以控制屏蔽門。

融合方案二，將區(qū)間的方向及信號(hào)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)統(tǒng)一分配至CBI子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由CBI子系統(tǒng)負(fù)責(zé)站內(nèi)和區(qū)間的方向控制，以及對(duì)線路所有信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控；TCC和ZC分別基于聯(lián)鎖方向和設(shè)備狀態(tài)信息來(lái)計(jì)算各自的行車許可，實(shí)現(xiàn)了判定行車許可基礎(chǔ)信息的同源，并確保兩級(jí)列控系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)行、互不影響。因此，從信號(hào)系統(tǒng)的可靠性及可用性來(lái)看，融合方案二比融合方案一更優(yōu)。

表3 軌旁列控子系統(tǒng)的融合方案

3 結(jié)語(yǔ)

在多網(wǎng)融合的框架下，面對(duì)市域鐵路的小運(yùn)行間隔、高行車密度及靈活化運(yùn)營(yíng)需求，其列控系統(tǒng)建議采用聯(lián)鎖區(qū)域化方案，既可以實(shí)現(xiàn)與鐵路列車的聯(lián)通聯(lián)運(yùn)，也可以在市域范圍內(nèi)相對(duì)獨(dú)立地以CBTC模式運(yùn)營(yíng)以確保線路的運(yùn)能。

臨時(shí)限速、站內(nèi)和區(qū)間的列車運(yùn)行方向、信號(hào)設(shè)備狀態(tài)等均由同一CBI設(shè)備計(jì)算，并同步發(fā)送至TCC和ZC用于行車許可的計(jì)算，從而使得信號(hào)系統(tǒng)功能高內(nèi)聚、系統(tǒng)間接口低耦合，進(jìn)而降低列控系統(tǒng)復(fù)雜度，提高信號(hào)系統(tǒng)的可靠性和可用性。

車載信號(hào)系統(tǒng)的駕駛模式將結(jié)合不同的制式靈活配置，既可單獨(dú)的配置CTCS-2或者CBTC相應(yīng)的車載設(shè)備，也可融CTCS-2和CBTC所有駕駛模式為一體，形成兼容兩種制式的車載信號(hào)子系統(tǒng)方案。靈活的組態(tài)方案可滿足多網(wǎng)融合不同制式下的運(yùn)營(yíng)需求。

軌道交通列控系統(tǒng)是多網(wǎng)融合方案中重要的一環(huán)。多網(wǎng)融合方案屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要以需求為導(dǎo)向，在線路規(guī)劃、運(yùn)輸組織、運(yùn)營(yíng)管理、行車能力、列車車輛、線路、限界、通信及供電等多個(gè)專業(yè)協(xié)同發(fā)展，共享網(wǎng)絡(luò)資源，共同實(shí)現(xiàn)多層次、多模式、多制式的軌道交通多網(wǎng)融合。