國鐵CTCS與城軌CBTC列控系統(tǒng)的多網(wǎng)融合方案研究

席武夷

隨著全國干線高速鐵路網(wǎng)的逐步形成和城市軌道交通的不斷發(fā)展和完善,在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長三角、珠三角等地區(qū),處于干線鐵路和城市軌道交通銜接部位的城際鐵路、市域鐵路迎來了新的發(fā)展熱潮,在城市群內(nèi)部的出行通勤中,扮演了越來越重要的角色。2017年6月,國家發(fā)改委與多部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)市域（郊）鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改基礎(chǔ)〔2017〕1173號(hào)）,要求推動(dòng)干線鐵路、城際鐵路、市域鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”。

信號(hào)系統(tǒng)是支撐四網(wǎng)融合落地的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。在2010年以后國內(nèi)軌道交通大規(guī)模應(yīng)用的主流信號(hào)系統(tǒng)中,按實(shí)際運(yùn)營場(chǎng)景的不同,主要分為國鐵CTCS信號(hào)系統(tǒng)和城軌CBTC信號(hào)系統(tǒng)。其中,CTCS信號(hào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定和建設(shè)管理,由中國國家鐵路集團(tuán)有限公司主導(dǎo),分為CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí),未來會(huì)逐步演進(jìn)發(fā)展到CTCS-4級(jí),并在相應(yīng)等級(jí)同時(shí)疊加了ATO子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛；CBTC信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由中國城市軌道交通協(xié)會(huì)牽頭制定,運(yùn)營維護(hù)由各級(jí)地方政府下屬的軌道交通集團(tuán)公司或地鐵公司負(fù)責(zé)。

在國內(nèi)已開通的部分城際鐵路、市域鐵路中,信號(hào)系統(tǒng)制式也各不相同。例如,由廣東省主導(dǎo)建設(shè)的莞惠城際、廣佛肇等城際鐵路,采用CTCS-2+ATO信號(hào)系統(tǒng)；由北京市主導(dǎo)建設(shè)的北京地鐵大興機(jī)場(chǎng)線,采用了CBTC信號(hào)系統(tǒng)［1］。

由于國鐵CTCS信號(hào)系統(tǒng)和城軌CBTC信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)營特點(diǎn)、設(shè)備組成和內(nèi)外部接口上均存在較大差異,所以在城際鐵路、市域鐵路工程建設(shè)中,信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇經(jīng)常成為爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。在四網(wǎng)融合的大趨勢(shì)下,從CTCS信號(hào)系統(tǒng)和CBTC信號(hào)系統(tǒng)兼容的實(shí)際需求出發(fā),本文對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部車載設(shè)備、地面設(shè)備的組成、功能特點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)分析,提出了多網(wǎng)融合的具體實(shí)施方案建議。

1 國鐵CTCS和城軌CBTC的應(yīng)用情況及特點(diǎn)

隨著鐵路技術(shù)發(fā)展的多元化,我國軌道交通類型越來越多。按照最高運(yùn)行速度、最小行車間隔、平均線路長度、平均站間距等的不同,軌道交通大致可以劃分為高速鐵路、城際鐵路、市域鐵路、地鐵系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、中低速磁浮、跨座式單軌、有軌電車等多種形式。表1對(duì)目前國內(nèi)CTCS和CBTC信號(hào)系統(tǒng)的主要應(yīng)用情況和運(yùn)營特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比［2］。

表1 國內(nèi)CTCS和CBTC信號(hào)系統(tǒng)的主要應(yīng)用情況和運(yùn)營特點(diǎn)對(duì)比

2 國鐵CTCS與城軌CBTC多網(wǎng)融合方案

考慮到CTCS-2/3級(jí)列控系統(tǒng)和城軌CBTC列控系統(tǒng)的差異,為實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合跨線運(yùn)行,基本上只有2種方案:一是地面同時(shí)兼容不同類型的車載設(shè)備；二是車載設(shè)備同時(shí)適應(yīng)不同類型的地面軌旁設(shè)備。下面就對(duì)2個(gè)方案在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式上的可行性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 地面同時(shí)兼容不同類型的車載設(shè)備

在軌旁同時(shí)配置CTCS和CBTC地面設(shè)備,同時(shí)滿足裝備CTCS-2/3等級(jí)車載設(shè)備和裝備CBTC車載設(shè)備的運(yùn)行需求。由于地面設(shè)備變化較大,該方案只能實(shí)施在新建的城際鐵路、市域鐵路上,既有線路都不具備融合的條件。

1）CTCS-2/3級(jí)列控系統(tǒng)地面設(shè)備,主要包括軌道電路（TC）、應(yīng)答器、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、列控中心（TCC）、無線閉塞中心（RBC）、臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）和列車調(diào)度集中（CTC）［3］。軌道電路用于實(shí)現(xiàn)列車占用檢查等；應(yīng)答器向車載設(shè)備傳輸定位信息、線路參數(shù)、進(jìn)路數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速等信息；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在規(guī)定的聯(lián)鎖條件和時(shí)序下,對(duì)進(jìn)路、信號(hào)和道岔進(jìn)行控制；列控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道電路編碼、有源應(yīng)答器報(bào)文編制、區(qū)間通過信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈、區(qū)間閉塞方向控制及區(qū)間占用邏輯檢查等功能；臨時(shí)限速服務(wù)器實(shí)現(xiàn)臨時(shí)限速命令存儲(chǔ)、校驗(yàn)、刪除、拆分、設(shè)置和取消等管理功能；列車調(diào)度集中系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時(shí)追蹤顯示、運(yùn)行調(diào)整等功能。

2）城軌CBTC列控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的地面設(shè)備,主要包括應(yīng)答器、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、區(qū)域控制器（ZC）列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）等［4］。其中,區(qū)域控制器負(fù)責(zé)根據(jù)列車所報(bào)告的位置信息、聯(lián)鎖所排列的進(jìn)路和軌旁設(shè)備提供的軌道占用信息,為控制范圍內(nèi)的通信列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)；列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)也用于實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時(shí)追蹤顯示、運(yùn)行調(diào)整等功能。

CTCS-2/3等級(jí)列控系統(tǒng)和城軌CBTC列控系統(tǒng)地面設(shè)備的差異見表2［5-6］。

表2 CTCS-2/3等級(jí)列控系統(tǒng)和城軌CBTC列控系統(tǒng)地面設(shè)備的差異

CTCS-2/3等級(jí)列控系統(tǒng)地面設(shè)備在組成、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和功能上,與城軌CBTC列控系統(tǒng)存在較大差異,若各自配置為獨(dú)立的雙套設(shè)備,設(shè)備成本投入很大,且需要充分考慮各自系統(tǒng)的控制權(quán)限、軌旁設(shè)備布置等實(shí)際情況,在一些復(fù)雜區(qū)段或設(shè)備故障降級(jí)等特殊場(chǎng)景下,系統(tǒng)內(nèi)部的安全控制邏輯容易相互耦合影響,產(chǎn)生一些無法預(yù)料的問題；若將雙方的公共設(shè)備融合配置成為一個(gè)新系統(tǒng),需要對(duì)現(xiàn)行的地面設(shè)備規(guī)范體系進(jìn)行詳細(xì)梳理和修改,相關(guān)控制邏輯的確認(rèn)也非短期內(nèi)可以達(dá)成；此外,軌道交通列車共線運(yùn)行場(chǎng)景中,為保證行車安全,行車效率需向兼容型列控系統(tǒng)的短板看齊,這樣,線路最終的運(yùn)營效率就取決于CTCS-2等級(jí)列控系統(tǒng),CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)也無法體現(xiàn)。結(jié)合以上分析,地面同時(shí)兼容不同類型車載設(shè)備的方案,不具備可行性。

2.2 車載同時(shí)適應(yīng)不同類型的地面設(shè)備

要求車載設(shè)備能夠同時(shí)在CTCS-2/3等級(jí)列控線路和城軌CBTC列控系統(tǒng)線路下運(yùn)行,在同一線路條件允許時(shí),只能有一種型號(hào)設(shè)備的主控系統(tǒng)在前臺(tái)工作,實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)等功能,而另一型號(hào)的主控系統(tǒng)應(yīng)處于備用狀態(tài),不參與實(shí)際控車。在車載設(shè)備具備條件的前提下,該方案不僅適用于新建城際鐵路、市域鐵路,在符合技術(shù)要求的既有城軌CBTC線路下,也可以實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合。

CTCS-2/3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備與城軌CBTC列控系統(tǒng)車載設(shè)備的設(shè)備組成類似,主要包括主控單元（VC,采用二乘二取二或三取二架構(gòu)）、人機(jī)界面（DMI/MMI,安裝在駕駛室）、測(cè)速測(cè)距子系統(tǒng)（包含速度傳感器、雷達(dá)傳感器和測(cè)速測(cè)距單元）、BTM子系統(tǒng)（包含BTM主機(jī)和天線）、無線傳輸子系統(tǒng)（包含安全傳輸單元、GSM-R/LTE-M電臺(tái)、車頂天線等）、列車接口單元（主要包括安全輸入輸出單元、輸入輸出單元、繼電器等）、ATO子系統(tǒng)、司法記錄單元（JRU/DRU）。此外,CTCS-2/3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備還配置有軌道電路讀取器（TCR）和CIR通信子系統(tǒng)。

2.2.1 融合方案

CTCS和城軌CBTC這2種類型車載設(shè)備內(nèi)部子系統(tǒng)的融合,從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上是完全可行的,各子系統(tǒng)的融合方案大致如下。

1）主控單元的融合可以分階段實(shí)施,第1階段采用獨(dú)立的硬件模塊,各模塊負(fù)責(zé)各自的安全防護(hù)功能；第2階段將CTCS和CBTC統(tǒng)一到同一臺(tái)硬件單元內(nèi)部,軟件模塊基于獨(dú)立的任務(wù)周期,或者效仿巴黎地鐵RER-E的技術(shù)路線,將城軌CBTC系列系統(tǒng)全部納入ETCS系統(tǒng)定義的STM模塊實(shí)現(xiàn)功能中,增加CTCS擴(kuò)展單元,實(shí)現(xiàn)多種城軌CBTC系統(tǒng)適應(yīng)接口。隨著理論研究的深入和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的形成,軟件模塊內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)深度的融合和統(tǒng)一。

2）人機(jī)界面因按鍵和顯示規(guī)范差異較大,融合也需要分階段實(shí)施,第1階段仍然建議采用獨(dú)立的顯示屏,第2階段再著手制定顯示規(guī)范,統(tǒng)一按鍵設(shè)計(jì)或采用抗干擾性能符合要求的觸摸屏,把應(yīng)用軟件融合到同一個(gè)顯示屏內(nèi)部。

3）無線傳輸子系統(tǒng)現(xiàn)階段的通信方式和安全傳輸協(xié)議存在差異,需結(jié)合實(shí)際選擇的車地?zé)o線通信方式,制定相應(yīng)的融合方案。

4）BTM子系統(tǒng)、列車接口單元、ATO子系統(tǒng)、司法記錄單元（JRU/DRU）的主體功能基本相同,具備硬件共用的條件。

2.2.2 實(shí)施階段

考慮到CTCS和城軌CBTC車載設(shè)備的復(fù)雜性,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第2階段的融合需要充分考慮到設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)、規(guī)范制定、軟硬件研發(fā)和安全認(rèn)證周期,整個(gè)過程至少需要3年的時(shí)間?；谝陨戏治?現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)施可以分為2個(gè)階段進(jìn)行。

1）對(duì)于3年內(nèi)有明確多網(wǎng)融合需求的動(dòng)車組,為降低雙方融合的難度,滿足工程時(shí)間要求,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能保證CTCS和CBTC車載設(shè)備主體的獨(dú)立性,車下安裝的速度傳感器天線、雷達(dá)天線等,為減小安裝維護(hù)難度,采用雙方共用方案?？剀嚂r(shí),應(yīng)保證同一時(shí)刻只有一種類型的車載設(shè)備處于前臺(tái)工作模式,實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能,另一類型的車載設(shè)備處于后備工作模式。

2）對(duì)于有5年以上開通時(shí)間的線路,可考慮CTCS和CBTC車載設(shè)備的深度融合,主控單元、BTM子系統(tǒng)、測(cè)速/測(cè)距子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)等都應(yīng)共用同一套硬件,通過模塊化設(shè)計(jì)和現(xiàn)有軟件移植,減少不必要的工作量和系統(tǒng)修改可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。例如,主控單元基于同一套硬件,內(nèi)部根據(jù)運(yùn)行線路實(shí)現(xiàn)CTCS和CBTC前臺(tái)、后臺(tái)工作模式的調(diào)度切換。

3 系統(tǒng)融合中的關(guān)鍵問題及對(duì)策

3.1 地面信號(hào)設(shè)備的類型選擇

按照上述分析,由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,地面設(shè)備同時(shí)適應(yīng)CTCS-2/3級(jí)和CBTC車載設(shè)備的難度較大,采用車載設(shè)備同時(shí)適應(yīng)CTCS-2/3級(jí)和CBTC地面信號(hào)設(shè)備的方案可行性較高。但地面信號(hào)設(shè)備是采用CTCS-2/3級(jí)的地面信號(hào)設(shè)備,還是CBTC地面信號(hào)設(shè)備的方案,還需充分考慮系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)營場(chǎng)景和未來的多網(wǎng)融合需求。

若系統(tǒng)投入運(yùn)營后,未來最主要的需求是車載設(shè)備跨線運(yùn)行到城際鐵路、市域鐵路以外的CTCS-2級(jí)線路,運(yùn)行到城市內(nèi)部地鐵線路的需求較弱,則選擇CTCS-2/3級(jí)的地面信號(hào)系統(tǒng)可行性更強(qiáng)；若系統(tǒng)未來最主要的需求是車載設(shè)備跨線運(yùn)行到城際鐵路、市域鐵路以外的地鐵線路,則更適合選擇CBTC地面信號(hào)設(shè)備方案。

此外,還需要充分考慮到2個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)后期升級(jí)維護(hù)的影響:在CTCS-2/3級(jí)列控系統(tǒng)中,線路數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在軌旁地面設(shè)備中,車載設(shè)備不存儲(chǔ)線路數(shù)據(jù)；在CBTC列控系統(tǒng)中,設(shè)備信息、線路信息等數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)在車載和地面設(shè)備中,且以車載設(shè)備為主［7］,不太適用于運(yùn)行交路范圍較廣的情況。若運(yùn)行交路范圍內(nèi)一旦接入新的線路,或其他原因引起數(shù)據(jù)變化,都需要更新車載側(cè)電子地圖數(shù)據(jù)；若投入運(yùn)營的車輛較多,頻繁調(diào)整數(shù)據(jù),對(duì)后期的維護(hù)會(huì)帶來較大的工作量,同時(shí)容易出現(xiàn)安全性問題,這種情況下選擇CTCS-2/3級(jí)的地面信號(hào)系統(tǒng)也更符合實(shí)際情況。

3.2 車載設(shè)備的切換方式

車載設(shè)備在CTCS-2/3級(jí)地面設(shè)備列控線路和CBTC控制系統(tǒng)地面設(shè)備線路對(duì)應(yīng)的跨線位置運(yùn)行時(shí),需要進(jìn)行控制模式的切換。

從CTCS-2/3級(jí)到CBTC控制模式,為保證在轉(zhuǎn)換邊界位置的列車不停車運(yùn)行,且轉(zhuǎn)換模式后不引起制動(dòng),CTCS-2/3級(jí)車載設(shè)備主控單元應(yīng)根據(jù)接收到的應(yīng)答器報(bào)文信息,提前一定距離向CBTC車載設(shè)備主控單元提供所需的行車許可、線路數(shù)據(jù)和臨時(shí)限速等信息。模式轉(zhuǎn)換應(yīng)同時(shí)設(shè)置預(yù)告點(diǎn)和執(zhí)行點(diǎn),在轉(zhuǎn)換預(yù)告點(diǎn)處向司機(jī)提示即將轉(zhuǎn)入CBTC控車的轉(zhuǎn)換預(yù)告,在轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)處轉(zhuǎn)入CBTC控車。從CBTC控制模式到CTCS-2/3級(jí)的切換方式類似。

3.3 車地?zé)o線通信方式

國有干線鐵路和地鐵線路的車地?zé)o線通信方式不同,CBTC對(duì)應(yīng)的車地?zé)o線通信基本都基于LTE-M和WLAN方式,而干線鐵路CTCS-2/3級(jí)信號(hào)系統(tǒng)采用GSM-R實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?；?G承載信號(hào)系統(tǒng)車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?雙方都在積極研究中,目前還沒有正式的商用線路。為實(shí)現(xiàn)國鐵CTCS系統(tǒng)與城軌CBTC系統(tǒng)的多網(wǎng)融合,作為銜接環(huán)節(jié)的城際鐵路、市域鐵路,其車地?zé)o線通信方式需要系統(tǒng)考慮。

承載CBTC車地通信的WLAN軌旁AP接入點(diǎn)的間距一般為220～240 m,列車在運(yùn)行過程中無線切換次數(shù)頻繁,實(shí)際測(cè)試條件下一般只支持120 km/h以下的運(yùn)行速度,無法滿足城際鐵路、市域鐵路的運(yùn)行速度需求。另外,WLAN技術(shù)基于802.11 b/g標(biāo)準(zhǔn),工作頻段為2.4 GHz,與民用設(shè)備采用的頻段基本相同,采用CBTC列控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的城市地鐵線路大多都處于地下隧道內(nèi)部,受外部環(huán)境干擾的影響較小,而城際鐵路、市域鐵路會(huì)有很大一部分線路位于地上,電磁環(huán)境復(fù)雜度較高,容易受到民用AP、藍(lán)牙等2.4 GHz頻段附近信號(hào)的干擾,難以保證數(shù)據(jù)通信的可靠性［8］。因此,城際鐵路、市域鐵路采用基于WLAN的車地?zé)o線通信方式不可行。

目前,國內(nèi)移動(dòng)設(shè)備廠商研制的5G通信模塊,普遍能夠向下兼容LTE和GSM網(wǎng)絡(luò)。采用同時(shí)兼容5G-R、LTE-M和GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線電臺(tái),實(shí)現(xiàn)CBTC和CTCS-2/3級(jí)列控系統(tǒng)車地?zé)o線通信方式的兼容,通過后端的無線控制單元實(shí)現(xiàn)不同通信方式的切換,會(huì)逐步演進(jìn)過渡成為多網(wǎng)融合下較為合理的方案［9］。

4 展望

2021年6月,國家發(fā)展改革委官網(wǎng)正式公布了《長江三角洲地區(qū)多層次軌道交通規(guī)劃》,提出到2025年,基本建成軌道上的長三角,形成干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通多層次、優(yōu)銜接、高品質(zhì)的軌道交通系統(tǒng)。本文針對(duì)國鐵CTCS信號(hào)系統(tǒng)和城軌CBTC信號(hào)系統(tǒng)多網(wǎng)融合提出的方案建議,對(duì)于指導(dǎo)城際鐵路、市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)施,具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。希望在相關(guān)業(yè)內(nèi)專家的共同努力下,共同推進(jìn)方案的驗(yàn)證和工程化,早日實(shí)現(xiàn)國鐵CTCS信號(hào)系統(tǒng)和城軌CBTC信號(hào)系統(tǒng)的融合,更好地服務(wù)人民群眾的出行。