高速鐵路列車運(yùn)行控制與調(diào)度指揮一體化方案

陳爾超

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，至2021年12月底，其運(yùn)營里程已突破4 萬km。高速鐵路信號系統(tǒng)作為高速鐵路的神經(jīng)中樞，對保障運(yùn)行安全、提升運(yùn)營效率起著至關(guān)重要的作用。中國鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS，Chinese Train Control System）（簡稱：列控系統(tǒng)）按照閉塞技術(shù)的發(fā)展劃分為CTCS-0～CTCS-4級，適應(yīng)我國鐵路的多類型線路，滿足多種速度需求[1-2]。2019年9月發(fā)布的《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》提出要打造一流設(shè)施、一流技術(shù)、一流管理、一流服務(wù)的交通強(qiáng)國，交通裝備先進(jìn)適應(yīng)、完全可控[3-4]。因此，對高速鐵路信號系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐應(yīng)用提出了更高的要求，研究高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化對鐵路運(yùn)營、技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)理念

高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制與調(diào)度指揮的有機(jī)統(tǒng)一，提高信號系統(tǒng)的智能化水平，提升鐵路整體的運(yùn)輸效率[5-7]。該一體化方案的設(shè)計(jì)理念包括以下6個方面。

（1）高速鐵路信號系統(tǒng)從車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、調(diào)度監(jiān)督向列控與行車調(diào)度一體化轉(zhuǎn)化；列控從人的操作和確認(rèn)向設(shè)備的智能化運(yùn)行轉(zhuǎn)化；調(diào)度指揮從“列車調(diào)度—車站值班—司機(jī)”向列車調(diào)度直接控制列車轉(zhuǎn)化。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮內(nèi)部資源共享，避免相同信息重復(fù)傳輸和采集，減少與外部系統(tǒng)的接口。

（3）系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)功能要全面，對站內(nèi)、區(qū)間、車載的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督、準(zhǔn)確定位。

（4）系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)列控兼調(diào)度指揮的功能，單個模塊功能不宜太過復(fù)雜，否則會影響整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（5）系統(tǒng)應(yīng)充分考慮安全性和可靠性，聯(lián)鎖、列控模塊及其相關(guān)接口采取2乘2取2或2乘3取2的安全冗余結(jié)構(gòu)。

（6）一體化并不意味著所有邏輯運(yùn)算處理均由同一個處理器完成，也可由多個處理單位構(gòu)成，分工協(xié)作，但需在系統(tǒng)功能和軟件設(shè)計(jì)方面統(tǒng)一考慮。

2 列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)功能

高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下5項(xiàng)基本功能。

2.1 自動排列進(jìn)路

根據(jù)列車的車次號信息，下載列車運(yùn)行時刻表，由系統(tǒng)自動完成進(jìn)路排列任務(wù)，取代人工進(jìn)路辦理，避免人工處理的失誤。

2.2 列車自動駕駛

根據(jù)線路的曲線信息、坡度信息、列車運(yùn)行許可或軌道電路空閑信息等，不斷優(yōu)化速度—距離模式曲線，列車車載設(shè)備據(jù)此控制機(jī)車牽引和制動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行。

2.3 自動跟蹤控制

線路上有多種速度限制，包括線路速度限制、進(jìn)路允許速度、臨時速度限制、車輛構(gòu)造速度等，系統(tǒng)在正常情況下根據(jù)速度—距離模式曲線給出的推薦速度行駛。當(dāng)列車超過限制速度時，系統(tǒng)自動實(shí)施緊急制動或常用制動，從而保障運(yùn)行安全。列車靠近站臺時，系統(tǒng)實(shí)時采集和比較列車速度、站臺距離，不斷與牽引和制動系統(tǒng)交互，實(shí)時控制列車對標(biāo)，精確對位停車。

2.4 自動監(jiān)督和報(bào)警

實(shí)時監(jiān)督全線列車的運(yùn)行狀況，集中顯示在控制中心大屏幕和調(diào)度工作站上，并自動記錄列車運(yùn)行全過程。自動監(jiān)督信號設(shè)備的運(yùn)行狀況，集中顯示在維護(hù)工作站上，并對故障設(shè)備信息進(jìn)行報(bào)警。

2.5 列車自動調(diào)整

列車自動調(diào)整包含列車自身的調(diào)整和時刻表的調(diào)整。列車自身可自動進(jìn)行速度調(diào)整，即在列車行駛過程中，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時刻表、追蹤間隔、臨時限速等，實(shí)時自動進(jìn)行速度調(diào)整；當(dāng)列車偏離計(jì)劃運(yùn)行時刻表時，系統(tǒng)也可自動調(diào)整時刻表，即系統(tǒng)通過調(diào)整運(yùn)行等級、停站時間、列車目的地等方式自動調(diào)整行車計(jì)劃。

3 列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)架構(gòu)

高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由調(diào)度指揮子系統(tǒng)、列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)、維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)部通過各類數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，包括信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、調(diào)度集中數(shù)據(jù)網(wǎng)、信號集中監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)。按物理位置劃分為中心設(shè)備層、車站設(shè)備層、軌旁與車載設(shè)備層。其中，軌旁與車載設(shè)備層與現(xiàn)行高速鐵路ATO（Automatic Train Operation）系統(tǒng)一致[8]，本文著重描述中心設(shè)備層、車站設(shè)備層。在現(xiàn)行列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，先進(jìn)行列控與聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)列車控制與地面設(shè)備控制的統(tǒng)一；再將結(jié)合后的系統(tǒng)（即：列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)）與調(diào)度指揮子系統(tǒng)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)列控與調(diào)度指揮的一體化設(shè)計(jì)；并在維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)的支持下，實(shí)現(xiàn)安全有序運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

正常情況下，由列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)根據(jù)時刻表自動完成列控與調(diào)度指揮，列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)實(shí)時向調(diào)度指揮子系統(tǒng)提供列車運(yùn)行狀態(tài)信息，維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)實(shí)時采集信號設(shè)備的狀態(tài)信息；當(dāng)發(fā)生故障或遇到特殊情況時，調(diào)度員可介入進(jìn)行調(diào)度指揮，下達(dá)行車調(diào)度命令給列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)。

3.1 調(diào)度指揮子系統(tǒng)

調(diào)度指揮子系統(tǒng)由調(diào)度集中（ CTC，Centralized Traffic Control）中心設(shè)備、CTC站機(jī)設(shè)備、調(diào)度模塊、中心操作工作站、車站操作工作站組成，子系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 調(diào)度指揮子系統(tǒng)架構(gòu)

（1）CTC中心設(shè)備

CTC中心設(shè)備主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于儲存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如離線存儲的線路數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)，在線存儲的列車運(yùn)行計(jì)劃、到發(fā)時間等。應(yīng)用服務(wù)器安裝有應(yīng)用軟件，用于處理數(shù)據(jù)和功能執(zhí)行。通信服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)間的接口，通過以太網(wǎng)連接其他系統(tǒng)。

（2）中心操作工作站

中心操作工作站是CTC中心設(shè)備與調(diào)度中心人員的人機(jī)交互界面，可通過操作菜單欄完成調(diào)度功能，也可監(jiān)督和控制所管轄車站的聯(lián)鎖區(qū)段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對列車的直接控制?？砂淳€路控制范圍配置若干個中心操作工作站，實(shí)現(xiàn)精確控制。此外，中心操作工作站配有時刻表編輯功能，用于離線生成和在線記錄運(yùn)行時刻表。

（3）車站操作工作站

根據(jù)列控聯(lián)鎖設(shè)備的部署，每個列控聯(lián)鎖車站配置1套本地操作工作站，通過調(diào)度集中數(shù)據(jù)網(wǎng)與CTC中心設(shè)備進(jìn)行連接。一般情況下，車站僅進(jìn)行監(jiān)視功能；特殊情況下，可實(shí)現(xiàn)本站人員的人工介入控制。

（4）調(diào)度模塊

調(diào)度模塊實(shí)時收集列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與計(jì)劃時刻表進(jìn)行比較，若運(yùn)行數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，則觸發(fā)調(diào)整指令，系統(tǒng)自動調(diào)整時刻表，并據(jù)此生成新的速度—距離模式曲線，指導(dǎo)列車運(yùn)行控制。

3.2 列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)

列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)采用列控聯(lián)鎖一體化設(shè)備方案，基于CTCS-3級列控系統(tǒng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)兩者有機(jī)融合、聯(lián)動控制。列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)主要包括列控聯(lián)鎖主處理單元、臨時限速模塊、應(yīng)答器模塊、軌道電路模塊，子系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 列控聯(lián)鎖子系統(tǒng)架構(gòu)

（1）列控聯(lián)鎖主處理單元

列控聯(lián)鎖主處理單元采用安全冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]，用于聯(lián)鎖邏輯和行車許可的運(yùn)算，滿足車站和區(qū)間的聯(lián)鎖要求，控制列車的追蹤間隔。每個車站均配置列車聯(lián)鎖主處理單元，經(jīng)通信控制服務(wù)器與CTC設(shè)備進(jìn)行通信，向CTC中心設(shè)備提供列車運(yùn)行狀態(tài)信息，并接收CTC設(shè)備的控制命令。

（2）臨時限速模塊

臨時限速模塊負(fù)責(zé)校驗(yàn)、存儲、提示臨時限速命令，而臨時限速命令的設(shè)置和取消統(tǒng)一由CTC中心下達(dá)，并由CTC中心統(tǒng)一管理。同時，將臨時限速命令傳輸給列控聯(lián)鎖主處理單元，列控聯(lián)鎖主處理單元據(jù)此計(jì)算行車許可。

（3）應(yīng)答器模塊

綜合考慮CTCS-3級列控系統(tǒng)兼容CTCS-2級列控系統(tǒng)，配置應(yīng)答器模塊及進(jìn)站、出站、區(qū)間、定位、等級轉(zhuǎn)換等應(yīng)答器組。應(yīng)答器組包括有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器，有源應(yīng)答器提供臨時限速、進(jìn)路信息，無源應(yīng)答器提供線路信息、定位信息，有源應(yīng)答器的電源和報(bào)文由應(yīng)答器模塊提供。

（4）軌道電路模塊

軌道電路模塊用于實(shí)現(xiàn)區(qū)段的占用檢查，同時保障在CTCS-3降級后通過鋼軌傳遞信號編碼信息。軌道電路模塊考慮采用ZPW-2000系列軌道電路，區(qū)間設(shè)置無絕緣軌道電路，中間站設(shè)置相同的機(jī)械絕緣軌道電路，樞紐站設(shè)置25 Hz相敏軌道電路。按照區(qū)間、車站的配線統(tǒng)一設(shè)置軌道電路載頻，軌道電路編碼由列控聯(lián)鎖主處理單元控制完成。

3.3 維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能的發(fā)展，高速鐵路列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)需要更全面、更精準(zhǔn)的監(jiān)測與感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)測與智能分析。維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器、維護(hù)監(jiān)測工作站、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、障礙物檢測設(shè)備，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)

（1）維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器

維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器設(shè)置于中心設(shè)備層，用于集中處理和存儲維修信息，并通過模式識別、大數(shù)據(jù)等智能分析技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、輔助現(xiàn)場維修、診斷故障原因、指導(dǎo)故障處理。

（2）維護(hù)監(jiān)測工作站

維護(hù)監(jiān)測工作站從維護(hù)監(jiān)測服務(wù)器得到信息并進(jìn)行展示，包括設(shè)備的狀態(tài)、列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)、診斷報(bào)警信息等。

（3）數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)與被監(jiān)測設(shè)備、元件保持連接，連續(xù)收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)全面，如軌道電路的發(fā)送端和接收端的電壓監(jiān)測、轉(zhuǎn)轍機(jī)的動作曲線、道岔表示電壓監(jiān)測、信號機(jī)點(diǎn)燈電流監(jiān)測、電源漏泄電流監(jiān)測，以及調(diào)度指揮、列控聯(lián)鎖主機(jī)的監(jiān)測等。

（4）障礙物檢測設(shè)備

區(qū)間設(shè)置障礙物檢測設(shè)備，采用激光雷達(dá)探測、視頻聯(lián)動、感知技術(shù)等，實(shí)時監(jiān)測列車運(yùn)行前方及沿線障礙物。當(dāng)異物侵入時，實(shí)時報(bào)警，并發(fā)送至一體化系統(tǒng)，為安全運(yùn)行提供保障。

3.4 與外部系統(tǒng)的接口

列控與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)充分考慮內(nèi)部資源共享，通過中心設(shè)備層統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)接口的集中設(shè)置與管理。

（1）防災(zāi)系統(tǒng)接口

一體化系統(tǒng)與防災(zāi)系統(tǒng)的接口通過CTC中心設(shè)備實(shí)現(xiàn)，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，由防災(zāi)系統(tǒng)發(fā)送防災(zāi)信息給一體化系統(tǒng)，并在中心操作工作站與大屏幕上顯示報(bào)警信息。

（2）大屏幕系統(tǒng)接口

一體化系統(tǒng)與大屏幕系統(tǒng)接口通過CTC中心設(shè)備實(shí)現(xiàn)，并在中心操作工作站與大屏幕上顯示報(bào)警信息。

（3）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)接口

一體化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)的接口通過CTC中心設(shè)備實(shí)現(xiàn)，接收接觸網(wǎng)系統(tǒng)的供電狀態(tài)信息，并進(jìn)行集中顯示。

（4）鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)接口

一體化系統(tǒng)與鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R，Globle System of Mobile for Railway）的接口是實(shí)現(xiàn)一體化系統(tǒng)車地間雙向?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，列車經(jīng)車載設(shè)備，通過IGSM-R接口接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)，地面經(jīng)列控聯(lián)鎖主處理單元，通過IFIX接口接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)我國高速鐵路技術(shù)裝備智能化、信息化的建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合列車運(yùn)行控制與調(diào)度指揮一體化研究熱點(diǎn)，從設(shè)計(jì)方案角度進(jìn)行了初步探討，給出了高速鐵路列車運(yùn)行控制與調(diào)度指揮一體化系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與配置方案，為下一步研究工作提供了設(shè)計(jì)思路。