軌道交通不同制式信號(hào)系統(tǒng)的兼容性及其互聯(lián)互通

張國慧

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 610031，成都 ∥ 高級(jí)工程師)

1 研究背景

2019年9月，中國共產(chǎn)黨中央委員會(huì)和國務(wù)院正式印發(fā)了《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》(以下簡為“《綱要》”)?！毒V要》明確提出了“建設(shè)城市群一體化交通網(wǎng)，推進(jìn)干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通融合發(fā)展”(以下稱為“四網(wǎng)融合”)的要求，以及“提高城市群內(nèi)軌道交通通勤化水平，推廣城際道路客運(yùn)公交化運(yùn)行模式，打造旅客聯(lián)程運(yùn)輸系統(tǒng)”的服務(wù)目標(biāo)。城際鐵路和城市軌道交通主要承擔(dān)通勤職能，在軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的主要形態(tài)基本以放射線為主。在新的發(fā)展背景下，四網(wǎng)融合的互聯(lián)互通具體包括：干線鐵路或城際鐵路同市域鐵路互聯(lián)互通，城市快軌列車同市域鐵路互聯(lián)互通，多條市域鐵路間互聯(lián)互通。

我國城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)多采用CBTC(基于通信的列車控制) 系統(tǒng)。城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通系列規(guī)范已經(jīng)于2018 年陸續(xù)發(fā)布。CBTC系統(tǒng)的主要供應(yīng)商均已研發(fā)出滿足互聯(lián)互通要求的設(shè)備。重慶軌道交通已實(shí)現(xiàn)了不同供應(yīng)商CBTC系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。

我國鐵路信號(hào)系統(tǒng)采用CTCS(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng))。城際鐵路多采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)(2級(jí)CTCS+列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng))，其典型線路為廣惠(廣州—惠州)城際鐵路和廣佛肇(廣州—佛山—肇慶)城際鐵路。

而市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的制式。部分市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)。這些線路多采用CRH(中國鐵路高速)系列動(dòng)車組，連接鐵路車站，與鐵路貫通，并在樞紐或大型客流集散點(diǎn)與地鐵實(shí)現(xiàn)換乘。還有部分市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)采用了CBTC系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)多應(yīng)用于城市軌道交通(以下簡為“城軌”)線路。寧奉(寧波—奉化)城際鐵路、北京大興國際機(jī)場線等市域鐵路采用CBTC系統(tǒng)，其采用地鐵車型，可與普通鐵路換乘，并與客運(yùn)專線互通。但市域鐵路這兩種制式的信號(hào)系統(tǒng)無法滿足四網(wǎng)融合要求。

目前CTCS與CBTC系統(tǒng)尚無互聯(lián)互通的應(yīng)用先例。多數(shù)車站通過換乘來實(shí)現(xiàn)客流的交換運(yùn)輸。大鐵路、城際鐵路、市域鐵路和城市軌道交通路網(wǎng)不斷建設(shè)，城市間與城市內(nèi)混合運(yùn)行需求顯現(xiàn)，各信號(hào)系統(tǒng)承包商也已開展能夠兼容兩種制式的信號(hào)系統(tǒng)研發(fā)工作。本文將基于CTCS和CTCS-2+ATO系統(tǒng)的差異，提出可用于市域鐵路的新列車運(yùn)行控制(以下簡為“列控”)系統(tǒng)，從而滿足四網(wǎng)融合的要求。

2 兩種制式信號(hào)系統(tǒng)的差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)都遵循故障-安全原則，二者采用的控制理念與原理趨同。但在具體功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式方面，二者存在較大差異。

2.1 信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)均為保證列車安全、高效運(yùn)行的列控系統(tǒng)。由于服務(wù)對(duì)象和服務(wù)目的不同，二者的技術(shù)規(guī)格存在一定差異(如表1所示)。

表1 CBTC系統(tǒng)和CTCS2+ATO系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格差異

2.2 信號(hào)系統(tǒng)執(zhí)行的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)有各自需執(zhí)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，也有可共同執(zhí)行的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

表2 CBTC系統(tǒng)和CTCS2+ATO系統(tǒng)執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

2.3 信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)構(gòu)成相似，但各子系統(tǒng)適用的制式、設(shè)備組成及自動(dòng)化等級(jí)方面存在差異(見表3)。CBTC系統(tǒng)更深層地集成了ATO子系統(tǒng)功能。

2.4 功能實(shí)現(xiàn)方式差異

CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)在功能分配及邏輯處理等方面存在差異(見表4)。

表3 CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)架構(gòu)差異

表4 CBTC系統(tǒng)和CTCS-2+ATO系統(tǒng)在功能分配及邏輯處理等方面的差異

3 不同制式信號(hào)系統(tǒng)的兼容性分析

本文基于粵港澳大灣區(qū)城軌CBTC系統(tǒng)和城際鐵路CTCS-2+ATO系統(tǒng)互聯(lián)互通的設(shè)想，分別從CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設(shè)備的兼容性、CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備與CBTC系統(tǒng)軌旁設(shè)備的兼容性、CBTC系統(tǒng)軌旁設(shè)備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設(shè)備的通用性、CBTC系統(tǒng)與城際CTCS-2+ATO系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)互通的可行性等方面進(jìn)行探討。CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1，CTCS-2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖2。

3.1 CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設(shè)備的兼容性

CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備通過BTM(應(yīng)答器傳輸模塊)天線可接收CTCS-2+ATO系統(tǒng)地面設(shè)備應(yīng)答器發(fā)送的信息。這些信息包括有源應(yīng)答器發(fā)送的進(jìn)路參數(shù)信息、臨時(shí)限速信息，以及無源應(yīng)答器發(fā)送的列車定位信息和一定范圍內(nèi)的線路參數(shù)。兩種制式信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)答器數(shù)據(jù)編碼格式存在差異，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后方可兼容。

CBTC系統(tǒng)通常采用計(jì)軸器作為列車區(qū)段占用檢測設(shè)備，其車載設(shè)備無法接收軌道電路疊加的載頻信息。CBTC系統(tǒng)的車載ATP設(shè)備同TCC及RBC之間的信息交互兼容難度大。CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備采用貫通線連接，其冗余備用設(shè)備為熱備或溫備。CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備在理論上可同時(shí)兼容GSM-R、WIFI(無線網(wǎng)絡(luò))及TD-LTE(時(shí)分雙工長期演進(jìn))無線網(wǎng)絡(luò)。

3.2 CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備與CBTC系統(tǒng)軌旁設(shè)備的兼容性

CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備通過天線單元和BTM來接收地面應(yīng)答器發(fā)送的上行鏈路信息給車載主機(jī)單元。這些信息包括有源應(yīng)答器發(fā)送的進(jìn)路參數(shù)信息、線路數(shù)據(jù)信息和臨時(shí)限速信息等，以及無源應(yīng)答器發(fā)送的列車定位信息和一定范圍內(nèi)的線路參數(shù)。同時(shí)，CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備向應(yīng)答器傳輸射頻能量，周期性檢測及探測應(yīng)答器功能等信息?！冻鞘熊壍澜煌ɑ谕ㄐ诺牧熊囘\(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)接口規(guī)范-互聯(lián)互通接口規(guī)范》的編制參照了《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》中應(yīng)答器的報(bào)文結(jié)構(gòu)及報(bào)文編碼規(guī)則。因此，兩種制式信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)答器數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容雖受信號(hào)顯示方案和線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置影響而存在差異，卻可在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后兼容。

圖1 CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

圖2 CTCS-2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備通過軌道電路天線的供電電路信息讀取模塊，可以接收多個(gè)載頻，并從中解調(diào)出低頻信息。理論上，可在城軌CBTC系統(tǒng)線路上安裝CTCS-2制式的數(shù)字軌道電路，以取代計(jì)軸器成為列車區(qū)段占用檢測設(shè)備， 此時(shí)CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備可根據(jù)地面軌道電路設(shè)備發(fā)送的控車信息和線路數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，生成制動(dòng)曲線，以監(jiān)控列車運(yùn)行的安全?！禝EEE Standard for CommunicationsBased Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements》中定義的CBTC系統(tǒng)包括獨(dú)立軌道電路而不是計(jì)軸器。但城際鐵路CTCS-2+ATO系統(tǒng)在列車車頭和車尾的車載設(shè)備互不通信，其無線車地通信車載設(shè)備無法同時(shí)兼容GSM-R、WIFI或TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。

我國經(jīng)典的CBTC系統(tǒng)采用車地?zé)o線通信系統(tǒng)和無源應(yīng)答器來實(shí)現(xiàn)列車與軌旁設(shè)備的通信和列車定位，其中絕大多數(shù)采用計(jì)軸磁頭(輪軸檢測器)作為列車定位的次級(jí)檢測設(shè)備。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)通過其與室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)的接口獲得區(qū)段占用/出清信息。CTCS-2+ATO系統(tǒng)車載設(shè)備可通過CBTC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)來獲得室外計(jì)軸磁頭的檢測信息。目前，計(jì)軸設(shè)備在城際鐵路中應(yīng)用較少，主要作為輔助檢測手段使用。這主要因?yàn)榻涣鳡恳╇娤到y(tǒng)及回流系統(tǒng)對(duì)計(jì)軸磁頭有不規(guī)律的電磁干擾。

3.3 CBTC系統(tǒng)軌旁設(shè)備與CTCS-2+ATO系統(tǒng)軌旁設(shè)備的通用性

在CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)中：轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備可通用，只是安裝裝置尺寸差異較大；CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)設(shè)備可通用，只是顯示方案目前無法兼容；應(yīng)答器設(shè)備可通用，但報(bào)文信息受系統(tǒng)制式差異影響，內(nèi)容差別較大；計(jì)軸設(shè)備可通用，但TCC、ZC及LC(區(qū)間控制器)設(shè)備的功能差異較大，實(shí)現(xiàn)功能的方式及通信協(xié)議差異也極大，目前不具備兼容條件，需要重新開發(fā)設(shè)備或采用冷備切換的方式來滿足跨線運(yùn)營需求。

3.4 CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備互聯(lián)互通的可行性

車載設(shè)備安裝了5G/LTE、BTM、TCR(軌道電路讀取器)、GSM-R等多種模式的傳輸設(shè)備，利用模塊化軟件來實(shí)現(xiàn)不同通信方式接口協(xié)議的同步傳輸。線路之間通過繼電接口(或互聯(lián)互通通信接口)來交互道岔狀態(tài)、信號(hào)機(jī)、照查及上電鎖閉狀態(tài)等信息。車載設(shè)備只有經(jīng)過重新研制改造，才能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，否則只能通過硬切換方式來實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)營。

有線通信系統(tǒng)須統(tǒng)一其各類聯(lián)鎖通信接口，并采用RSSP(鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議)，以滿足EN 50159-1安全通信要求。關(guān)鍵復(fù)示信息采用安全可靠的接口。CBTC系統(tǒng)的聯(lián)鎖子系統(tǒng)或ATP子系統(tǒng)須支持CTCS的軌道電路接口。車-地?zé)o線通信接口兼容VOBC-ZC(車載控制器)、VOBC-CI、VOBC-ATS通信接口，以及WLAN、GSM-R等接口，并采用RSSP和私有安全通信協(xié)議，以滿足EN 50159-2《開放傳輸系統(tǒng)中的安全相關(guān)通信》 的安全通信要求。應(yīng)答器通信接口的安全編碼和解碼采用歐州標(biāo)準(zhǔn)Subset-036安全編解碼技術(shù)。各設(shè)備之間的通信接口和通信協(xié)議目前尚不能通用。

基于傳統(tǒng)測速定位方式，將北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)定位、激光雷達(dá)定位及慣性導(dǎo)航定位方式融合，形成可兼容CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)的列車定位關(guān)鍵技術(shù)。開發(fā)一體化的界面設(shè)計(jì)，并探索使用界面切換技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一人機(jī)界面設(shè)備對(duì)于不同制式的兼容。面對(duì)四網(wǎng)融合的需求，上述問題亟待解決。

4 市域鐵路的兼容方案

基于上述兩種制式信號(hào)系統(tǒng)兼容性及可行性分析，針對(duì)市域鐵路運(yùn)營特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)同CBTC系統(tǒng)及CTCS系統(tǒng)的互聯(lián)互通，構(gòu)建新的市域鐵路列控系統(tǒng)(STCS)總體架構(gòu)如圖3所示。STCS包括行車調(diào)度設(shè)備、臨時(shí)限速TSRS設(shè)備、TCC設(shè)備、車站聯(lián)鎖設(shè)備、區(qū)域控制器設(shè)備、車載控制設(shè)備、DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))設(shè)備、應(yīng)答器/LEU設(shè)備、維護(hù)監(jiān)測設(shè)備、培訓(xùn)設(shè)備、信號(hào)電源、計(jì)軸設(shè)備、信號(hào)機(jī)等。

STCS的區(qū)域控制器和車載控制設(shè)備采用CBTC制式。 此外，STCS采用CTCS2+ATO制式的設(shè)備有： TCC、 LEU(線路電子單元)、TC(軌道電路)、有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器、BTM、TCR及TSRS。

ZC設(shè)備可用于列車追蹤，能追蹤管轄范圍內(nèi)所有列車的位置。STCS采用連續(xù)移動(dòng)授權(quán)計(jì)算方法，能根據(jù)其他列車的位置、道岔狀態(tài)、軌道區(qū)段狀態(tài)等信息為列車預(yù)留軌道并計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。

跨線運(yùn)營的車載設(shè)備通過應(yīng)答器來讀取不同線路的軌旁線路信息，并通過讀取應(yīng)答器的模式轉(zhuǎn)換信息來進(jìn)行駕駛等級(jí)轉(zhuǎn)換。STCS不僅能兼容不同的供電制式，還能兼容不同的車地?zé)o線通信制式。

圖3 新的市域鐵路列控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

一方面，STCS能滿足本線列車高效的移動(dòng)閉塞模式運(yùn)營需求，實(shí)現(xiàn)短間隔、高自動(dòng)化水平的運(yùn)營，并將CTCS-2設(shè)備用于后備操作模式；另一方面，對(duì)于進(jìn)入本線的鐵路列車或者采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)列車，STCS還能提供CTCS-2系統(tǒng)或者CTCS-2+ATO系統(tǒng)的部分相應(yīng)功能。當(dāng)然在這種特殊情況下，該列車與其他的本線列車之間按照CTCS-2系統(tǒng)的固定閉塞模式進(jìn)行跟蹤。

如市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)采用CBTC制式，則其CBTC系統(tǒng)也應(yīng)按照互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)與鐵路CTCS-2系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

5 結(jié)語

大鐵路、城際鐵路及市域鐵路的信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)以CTCS 系列標(biāo)準(zhǔn)列控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)列控系統(tǒng)間的兼容，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)列車的跨線運(yùn)行和互聯(lián)互通。

歐洲聯(lián)盟一直在制定完善歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)(ERTMS)，致力于確保國家鐵路系統(tǒng)的互操作性，降低信號(hào)系統(tǒng)的購買和維護(hù)成本，同時(shí)提高列車速度、基礎(chǔ)設(shè)施容量和鐵路運(yùn)輸安全水平。我國利用5G技術(shù)構(gòu)建軌道交通無線通信網(wǎng)，制定國內(nèi)鐵路系統(tǒng)運(yùn)營和交通管理子系統(tǒng)相關(guān)的互操作性技術(shù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)我國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通將指日可待。本文從新一代列控系統(tǒng)需求的角度出發(fā)，提出新列控系統(tǒng)的架構(gòu)、功能和接口設(shè)計(jì)，希望通過行業(yè)共同努力，能制定完善科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)和清晰的發(fā)展路線，實(shí)現(xiàn)不同制式信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，真正實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)融合。