ETCS 中牽引系統(tǒng)切換方案優(yōu)化研究

鄭 藝，肖黎亞，陳 皓，方 昕，柯長博，沈 濤

（1. 湖南中車時代通信信號有限公司 北京分公司， 北京 100070；2. 株洲國創(chuàng)軌道科技有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

歐洲軌道交通歷史悠久，不同國家、不同時期建造的鐵路線采用的供電制式不統(tǒng)一，目前歐洲范圍內(nèi)使用的供電制式有AC 25 kV/50 Hz、AC 15 kV/16.7 Hz、DC 3 000 V 和DC 1 500 V 這4 種［1］。為了滿足高效的跨境聯(lián)運需求，世界主要車輛廠商先后研制出了可兼容多種供電制式的多流制電力機車［2］。多流制電力機車的廣泛采用，極大地促進了歐洲跨國鐵路運輸?shù)陌l(fā)展。近年來對多流制機車切換牽引供電系統(tǒng)的研究也隨之廣泛開展［3‐6］：文獻［4］介紹了列車通過無電區(qū)的供電切換方案，可采用不停車、不降弓的切換方式通過無電區(qū)；文獻［5］提出了一種新的退磁方法，實現(xiàn)了設(shè)備復(fù)用，減小了設(shè)備體積；文獻［6］詳細闡述了增程式多流制牽引系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)、工作原理及性能。這些研究從牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)難點著手，取得了眾多技術(shù)突破，為實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)切換奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

針對歐洲鐵路供電制式的多樣性現(xiàn)狀，歐洲主要鐵路信號廠商主導(dǎo)制定歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）需求規(guī)范［7］。其對多種制式牽引系統(tǒng)的切換需求進行了闡述，即通過地面軌旁設(shè)備向ETCS 車載設(shè)備傳輸牽引系統(tǒng)切換信息，將牽引系統(tǒng)切換命令在人機交互界面上按照顯示規(guī)范［8］進行顯示，并對司機進行提示。但目前其工程應(yīng)用上仍以司機手動介入進行切換為主。人工介入切換存在誤操作可能性，且操作耗時長。少數(shù)列車雖然可以支持自動切換，但也是通過配置固定參數(shù)來實現(xiàn)切換，冗余量大、影響行車效率。

本文在ETCS 現(xiàn)有標準基礎(chǔ)上，根據(jù)軌旁設(shè)備、ETCS車載設(shè)備、列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）系統(tǒng)之間交互牽引系統(tǒng)切換的數(shù)據(jù)信息以及相應(yīng)的牽引系統(tǒng)切換流程關(guān)鍵位置的處理邏輯，研究了人機接口（DMI）在牽引系統(tǒng)切換過程中的顯示方式以及自動切換失敗后的后備切換操作，形成一套包含線路、車載信號系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)、牽引系統(tǒng)、司機等多方面因素綜合并且兼容自動與人工切換牽引系統(tǒng)的方案，以實現(xiàn)高效、便捷、安全的不停車牽引系統(tǒng)切換。

1 牽引系統(tǒng)切換信息交互

牽引系統(tǒng)切換方案全流程涉及眾多階段的信息交互，主要包括牽引系統(tǒng)切換位置信息獲取、牽引系統(tǒng)切換命令執(zhí)行和牽引系統(tǒng)切換狀態(tài)顯示等。牽引系統(tǒng)切換相關(guān)信息交互示意如圖1所示。

圖1 牽引系統(tǒng)切換相關(guān)信息交互示意圖Fig.1 Schematic diagram of information exchange related to traction system changing

牽引系統(tǒng)切換涉及的接口主要包括地面設(shè)備與ETCS車載設(shè)備的車地通信接口、ETCS車載設(shè)備與車輛TCMS 通信接口和人機接口，本文對這些接口的信息交互進行分析和設(shè)計。

1.1 車地通信接口

地面應(yīng)答器、無線閉塞中心（RBC）等設(shè)備儲存了列車牽引系統(tǒng)變化點位置信息，ETCS 車載設(shè)備通過地面設(shè)備發(fā)送的牽引系統(tǒng)變化軌道條件的數(shù)據(jù)報文來獲取牽引系統(tǒng)變化點位置，并由此實時計算列車與牽引系統(tǒng)變化點位置的距離信息。

文獻［8］規(guī)定了車地通信接口傳輸牽引系統(tǒng)軌道條件變化報文的內(nèi)容信息，如表1 所示，其中，NID_PACKET 為數(shù)據(jù)包ID，用來標識數(shù)據(jù)包類型；Q_DIR 為傳輸數(shù)據(jù)有效方向；L_PACKET 為數(shù)據(jù)包的bit長度；Q_SCALE為距離數(shù)據(jù)的單位；D_TRACTION為牽引系統(tǒng)切換距離，數(shù)據(jù)單位通過Q_SCALE字段說明；M_VOLTAGE為牽引系統(tǒng)電壓；NID_CTRACTION為牽引系統(tǒng)國家標識符［9］。

表1 牽引系統(tǒng)軌道條件變化報文Tab.1 Packet of track condition change in traction system

牽引系統(tǒng)電壓軌道條件報文部分字段的詳細取值說明如表2~表4所示。

表2 Q_DIR 取值說明Tab.2 Q_DIR value description

表3 Q_SCALE 取值說明Tab.3 Q_SCALE value description

表4 M_VOLTAGE 取值說明Tab.4 M_VOLTAGE value description

1.2 ETCS-TCMS通信接口

目前，ETCS 與TCMS 多采用MVB 總線進行通信。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸?，須使用滿足標準IEC 61375‐2‐3 要求的安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［10］。ETCS 車載設(shè)備獲取牽引系統(tǒng)變化的線路信息后，要將該信息立即轉(zhuǎn)發(fā)到TCMS，以供列車準確地執(zhí)行牽引系統(tǒng)切換動作。TCMS根據(jù)收到的牽引系統(tǒng)切換命令，執(zhí)行切換牽引系統(tǒng)動作，并實時向ETCS 車載設(shè)備發(fā)送當(dāng)前牽引系統(tǒng)國家標識符、牽引系統(tǒng)電壓和主斷路器閉合等狀態(tài)信息。ETCS 根據(jù)此類狀態(tài)信息判斷是否完成牽引系統(tǒng)切換。

本方案設(shè)計了完善的TCMS與ETCS車載設(shè)備的MVB 通信協(xié)議。其中，牽引系統(tǒng)切換命令信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示；牽引系統(tǒng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 牽引系統(tǒng)切換命令信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the data structure of traction system changing command information

圖3 牽引系統(tǒng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the data structure of traction system status information

1.3 人機接口

ETCS 車載設(shè)備在收到牽引系統(tǒng)變化的線路條件信息后，將該信息在人機接口單元上進行顯示，司機根據(jù)DMI的信息提示進行相應(yīng)的操作。DMI界面顯示的牽引系統(tǒng)切換信息提示符號如圖4所示。

圖4 牽引系統(tǒng)切換預(yù)告符號Fig.4 Change of traction system announcement symbols

圖4中的灰色圖標表示列車自動執(zhí)行牽引系統(tǒng)切換，黃色圖標則表示需司機人工執(zhí)行牽引系統(tǒng)切換。圖4（a）、圖4（b）表示線路安裝的是AC 25 kV/50 Hz供電系統(tǒng)，圖4（c）、圖4（d）表示線路安裝的是AC 15 kV/16.7 Hz 的供電系統(tǒng)，圖4（e）、圖4（f）表示線路安裝的是DC 3 000 V 的供電系統(tǒng)，圖4（g）、圖4（h）表示線路安裝的是DC 1 500 V的供電系統(tǒng)。

2 牽引系統(tǒng)切換方案

牽引系統(tǒng)的切換方式按照是否有司機介入可以被分為兩類，分別是人工切換和自動切換。牽引系統(tǒng)切換方式選擇是由列車相應(yīng)功能決定的。傳統(tǒng)的牽引系統(tǒng)切換是通過司機介入實現(xiàn)的，本文提出的方案是通過ETCS系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)自動切換并兼容人工切換。本文提出的ETCS中牽引系統(tǒng)切換方案如圖5所示。本方案的切換過程主要分為以下7個階段：

圖5 牽引系統(tǒng)切換示意圖Fig.5 Schematic diagram of the traction system changing

（1）列車在經(jīng)過存儲有牽引系統(tǒng)切換信息的應(yīng)答器（圖5中A點）或接收來自RBC的牽引系統(tǒng)切換信息時，車載信號設(shè)備獲取牽引系統(tǒng)切換位置信息以及即將切換的牽引系統(tǒng)類型信息等。

（2）ETCS 車載控制器實時計算牽引系統(tǒng)切換的距離信息，并通過多功能車輛總線（MVB）的安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)送給車輛TCMS系統(tǒng)。

（3）列車行駛至B 點時，DMI 開始顯示牽引系統(tǒng)切換預(yù)告。

（4）列車行駛至C點時，若為自動切換牽引系統(tǒng)，則TCMS根據(jù)ETCS車載設(shè)備發(fā)送的距離信息或切換牽引系統(tǒng)命令來判斷此時是否要開始進行牽引系統(tǒng)切換，一旦確定，立即向牽引系統(tǒng)發(fā)出切換命令；若為手動切換牽引系統(tǒng)，則司機根據(jù)DMI上的切換牽引系統(tǒng)提示信息進行相應(yīng)的切換操作。

（5）列車行駛至D點時，若為自動切換牽引系統(tǒng)，此時TCMS 系統(tǒng)如果監(jiān)測到主斷路器是閉合狀態(tài)，則ETCS 的DMI 立即顯示“自動切換失敗，轉(zhuǎn)入人工切換”文本信息，提示司機介入；司機看到提示后需手動確認該消息，并斷開主斷路器，后續(xù)按照人工切換牽引系統(tǒng)操作流程進行。若超時未確認該文本提示信息，ETCS 則立即施加緊急制動，避免列車駛?cè)氩煌瑺恳╇妳^(qū)域之間的無電區(qū)。D點位置是由無電區(qū)起點、當(dāng)前列車速度和列車制動性能共同確定的。

（6）列車經(jīng)過D 點后，在行駛至E 點前，ETCS 車載控制器根據(jù)TCMS 上報的牽引供電系統(tǒng)電壓、主斷路器閉合狀態(tài)等信息判斷牽引系統(tǒng)切換是否完畢，并依據(jù)此信息在DMI上顯示新牽引系統(tǒng)相關(guān)信息。

（7）列車行駛過F 點時，DMI 取消新牽引系統(tǒng)的信息顯示，牽引系統(tǒng)切換流程結(jié)束。

考慮到自動切換存在失效風(fēng)險，本方案增加了人工介入的后備模式，即通過ETCS 實時監(jiān)控列車主斷路器閉合狀態(tài)來確認是否及時、準確地進入切換流程。如果在自動執(zhí)行牽引系統(tǒng)過程中，自動切換失效，隨機啟用人工切換后備操作流程，則DMI會顯示文本提示信息“自動切換失敗，轉(zhuǎn)入人工切換”。該信息需司機手動確認，司機確認后隨即執(zhí)行人工切換牽引系統(tǒng)操作；若司機確認文本超時，則ETCS主動施加制動，以避免列車駛?cè)霟o電區(qū)。

3 方案應(yīng)用

包含本文提出的牽引系統(tǒng)切換方案的ETCS車載ATP 信號系統(tǒng)已獲得ISA（independent safety assessment）的SIL4（safety integrity level 4）安全認證證書，并通過歐洲第三方TSI（technical specification for interoperability）實驗室測試，獲得歐盟ETCS 最新版本的TSI 認證證書。目前，采用該方案的ETCS 車載系統(tǒng)已成功應(yīng)用于捷克、匈牙利、羅馬尼亞等國的多個車載信號系統(tǒng)項目中。

4 結(jié)語

研究設(shè)計完善的ETCS 牽引系統(tǒng)切換方案，有利于促進多流制電力機車在歐洲實現(xiàn)更高效、更安全的跨境聯(lián)運，對提升軌道交通運輸效率具有重要意義；并且契合當(dāng)前干線鐵路、城際鐵路、市域鐵路、城軌等軌道交通系統(tǒng)融合的國際化發(fā)展趨勢，其是當(dāng)前國內(nèi)外研究熱點。本文在ETCS現(xiàn)有標準基礎(chǔ)上，完善牽引系統(tǒng)切換控制邏輯，設(shè)計了一套涉及車輛與信號系統(tǒng)的安全通信協(xié)議、基于位置的自動/人工切換操作流程、采用DMI顯示的牽引系統(tǒng)切換方案。該方案可為中國先進軌道交通信號系統(tǒng)“走出去”提供技術(shù)支撐；同時，其相關(guān)技術(shù)也適用于國內(nèi)“四網(wǎng)融合”的應(yīng)用場景。此外，通過信號系統(tǒng)和車輛的信息交互，采用該方案可實現(xiàn)自動駕駛過程中的牽引切換，這對實現(xiàn)列車跨線自動駕駛具有重要的工程化應(yīng)用意義。