城際和城軌線路貫通運營的列車控制方法研究

姜宏闊

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

在我國軌道交通體系的發(fā)展過程中，城市群之間形成了以城際鐵路（簡稱“城際”）為主的交通運輸系統(tǒng)，城市內(nèi)部形成了地鐵為主的城市軌道交通（簡稱“城軌”）運輸系統(tǒng)。隨著“都市圈”“城市群”一體化發(fā)展，半小時、一小時通勤圈的需求被提出，這促使城際鐵路與城市軌道交通互聯(lián)互通、貫通運營、無縫銜接、零距離換乘的呼聲越來越高，需求越來越迫切［1-3］。

城軌和城際是兩種不同的運營管理體系，要實現(xiàn)貫通運營，涉及運營管理、線路車站工程、車輛型號、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及信號系統(tǒng)等多專業(yè)的管理和技術(shù)實現(xiàn)。目前國內(nèi)對城際和城軌線路貫通運營的研究基本處在需求探討階段，涉及的各個專業(yè)相關(guān)技術(shù)人員也對貫通運營需求下本專業(yè)的情況做了基礎(chǔ)的研究探討，比如車輛型號選擇、供電制式探討及線網(wǎng)銜接模式研究等［1-2］。就信號系統(tǒng)而言，目前其尚處于理論研究階段，專業(yè)人員曾對干線鐵路和城軌的差異進行了分析，對不同制式信號系統(tǒng)需滿足城際和城軌線路貫通運營的需求進行過理論探討和展望［3］。

城際鐵路與城市軌道交通列車控制（簡稱“列控”）系統(tǒng)制式不同，在系統(tǒng)功能、設(shè)備配置及車輛接口等方面都不統(tǒng)一，所以只裝備傳統(tǒng)城際列控系統(tǒng)的列車不能直接在城際線路和城軌線路上貫通、共線運營［4］。因此，需深入探討和研究城際與城軌貫通運營下的列車控制方法及技術(shù)實現(xiàn)可行性，從信號系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方面滿足列車在城際與城軌線路貫通運營的需求。

1 城軌與城際列控系統(tǒng)介紹

我國列控系統(tǒng)不斷發(fā)展并逐漸形成以中國列控系統(tǒng)（Chinese train control system，CTCS）和基于通信的列控（communication based train control，CBTC）系統(tǒng)為核心的局面。其中，CBTC系統(tǒng)是城市軌道交通領(lǐng)域主流列控系統(tǒng)；而CTCS系統(tǒng)是城際及干線鐵路主要的列控系統(tǒng)，主流系統(tǒng)為CTCS-2及CTCS-3。本文以CBTC和CTCS列控系統(tǒng)為研究對象開展相關(guān)研究。

1.1 CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)是一種利用高精度列車定位來實現(xiàn)雙向連續(xù)、大容量的車地數(shù)據(jù)通信和車載、地面安全功能處理的列車連續(xù)自動運行控制系統(tǒng)，主要由列車自動防護（automatic train protection，ATP）、列車自動駕駛（automatic train operation，ATO）、區(qū)域控制（zone controller，ZC）、計算機聯(lián)鎖（computer interlocking，CI）、列車自動監(jiān)控（automatic train supervision，ATS）及數(shù)據(jù)通信（data communication system，DCS）等子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)通過DCS構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)地面控制與車載控制結(jié)合、車站控制與中心控制結(jié)合，構(gòu)成一個以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運行控制以及列車駕駛自動化等功能為一體的城市軌道交通信號系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.1 Composition of CBTC system

CBTC系統(tǒng)設(shè)備主要由車站、中心和車載設(shè)備構(gòu)成。在系統(tǒng)工作時，CI采集道岔、信號機等線路元素信息，根據(jù)線路元素的工作狀態(tài)和防護條件等辦理和防護進路，并將進路信息、區(qū)段信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸給ZC；ZC根據(jù)列車的運行情況和線路條件計算控區(qū)內(nèi)列車的移動授權(quán)（movement authority，MA），將MA通過車地信息傳輸系統(tǒng)傳輸給ATP/ATO車載設(shè)備；車載設(shè)備根據(jù)接收到的MA采用連續(xù)速度-距離曲線對列車進行實時控制，從而實現(xiàn)整個列車的安全運行、速度防護、自動駕駛和節(jié)能運行等列控功能，保證運營組織的安全高效進行。

1.2 CTCS列控系統(tǒng)

CTCS列控系統(tǒng)是為了保證行車安全而統(tǒng)一制定的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化中國列車運行控制系統(tǒng)，是普速國鐵、高速鐵路、城際鐵路領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的列控系統(tǒng)。依據(jù)鐵路運輸管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、地面和車載設(shè)備層的框架和設(shè)計原則，為滿足不同線路運輸需求，CTCS列控系統(tǒng)被劃分CTCS-0到CTCS-4共5級，其中城際鐵路主要采用CTCS-2級列控系統(tǒng)。

CTCS-2級列控系統(tǒng)是基于軌道電路和點式設(shè)備傳輸信息的列車運行控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備由地面和車載兩部分組成。其中，地面設(shè)備由列控中心、點式應(yīng)答器、軌旁電子單元（lineside electronic unit，LEU）、ZPW-2000系列軌道電路、車站計算機聯(lián)鎖、調(diào)度集中系統(tǒng)（centralizedtraffic control，CTC）及臨時限速服務(wù)器（temporary speed restriction server，TSRS）等組成；車載設(shè)備由軌道電路讀取器（track circuit reader，TCR）、運行記錄裝置、ATP、人機接口（driver machine interface，DMI）以及應(yīng)答器傳輸模塊（balise transmission module，BTM）系統(tǒng)等組成。CTCS-2級列控系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 CTCS-2系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 CTCS-2 system composition diagram

裝備了CTCS-2設(shè)備的城際列車通過軌道電路，獲取列車占用檢查、行車許可及閉塞分區(qū)數(shù)量等列控信息；通過點式應(yīng)答器，獲取臨時限速和進路信息、線路參數(shù)、線路限速、定位和閉塞分區(qū)長度等信息；車載ATP通過綜合軌道電路信息、應(yīng)答器信息、線路靜態(tài)參數(shù)、臨時限速信息及有關(guān)列控參數(shù)等信息，生成目標(biāo)距離速度模式曲線，從而實時控制列車安全運行。

2 貫通運營列控方法研究

雖然城際列控系統(tǒng)（CTCS-2）和城軌列控系統(tǒng)（CBTC）是兩套相互獨立的系統(tǒng)，但通過梳理兩個系統(tǒng)的組成框架及系統(tǒng)工作原理等，不難發(fā)現(xiàn)二者既有差異又有共通之處，因此可將差異和共通處作為切入點，研究并形成合理的列控方法，以滿足城際和城軌列車在既有功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)貫通運營的需求。CTCS-2系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的差異及共通點對比如表1所示。

表1 CTCS-2系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)對比Tab.1 Comparison between CTCS-2 and CBTC systems

通過梳理CTCS-2系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)主要差異及共通點可知，裝備兩種不同制式系統(tǒng)的列車若要在城際和城軌線路貫通運營，則需要一種同時支持和滿足兩種系統(tǒng)既有功能的列控方法，因此可以通過采用設(shè)備融合型和兼容型兩種列控方法來滿足需求。

融合型列控方法，即將CTCS-2和CBTC兩套系統(tǒng)的車載設(shè)備融為一體，在功能實現(xiàn)上采用一套軟件，在外圍設(shè)備及接口上采用一套設(shè)備及接口。列車進入城際線路，則執(zhí)行城際線路的控車邏輯；若列車進入城軌線路，則執(zhí)行城軌線路的控車邏輯。在車載軟件功能融合上，可融合為列車位置管理、移動授權(quán)管理、曲線計算、安全防護、級別模式管理、折返管理、通信管理和自動過分相管理等多個功能模塊。

兼容型列控方法，即在列車上裝備CTCS-2和CBTC兩套系統(tǒng)的車載設(shè)備，當(dāng)列車從一種線路進入另一種線路（如從城際線路進入城軌線路）時，在目標(biāo)線路入口前啟動安全切換邏輯，完成列控系統(tǒng)不停車轉(zhuǎn)換，使列車啟用匹配目標(biāo)線路列控系統(tǒng)的車載設(shè)備，控制列車安全行車。為保證行車安全，避免控車盲區(qū)，需設(shè)計合理的安全切換邏輯，以在進入不同的線路時無縫切換到相應(yīng)列控系統(tǒng)。

融合型和兼容型列控方法都能滿足城際與城軌貫通運營下的列控需求。相比較而言，融合型列控方法可節(jié)約車載設(shè)備安裝空間，簡化車載設(shè)備配置，但系統(tǒng)改動多、施工難度大、系統(tǒng)復(fù)雜度高，不適宜既有線路快速進行貫通改造；而兼容型列控方法無需改動CTCS-2和CBTC系統(tǒng)既有邏輯和功能，系統(tǒng)耦合風(fēng)險低、改動小，更方便既有線路進行快速貫通改造。本文針對既有線路現(xiàn)狀，重點對兼容型列控方法進行研究探討。

3 兼容型列控方法

兼容型列控方法既要保證既有列控系統(tǒng)全功能，又要滿足城際和城軌跨線貫通運營的需求。當(dāng)設(shè)備進入不同線路區(qū)域時，需要切換到相應(yīng)的列控系統(tǒng)，因此需要從地面信號設(shè)備布置、車載信號設(shè)備配置以及控車邏輯幾方面入手進行研究。

3.1 地面信號設(shè)備布置

在兼容型列控方法下，列車從城際線路駛?cè)氤擒壘€路，應(yīng)在特定位置區(qū)域觸發(fā)切換流程，激活CBTC車載設(shè)備；當(dāng)列車駛?cè)氤擒壘€路的相應(yīng)控車條件得到完全滿足后，列控系統(tǒng)由CTCS-2切換到CBTC，此時列車完全由CBTC控制。列車從城軌線路進入城際線路的操作類似。因此，在城軌線路和城際線路銜接處，應(yīng)綜合考慮相關(guān)技術(shù)條件，設(shè)置一段軌道作為轉(zhuǎn)換軌；轉(zhuǎn)換軌上應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的信號設(shè)備（圖3）。如圖所示，為滿足列車貫通運營時CTCS-2和CBTC系統(tǒng)的不停車無縫切換，轉(zhuǎn)換軌上設(shè)置了如下信號設(shè)備，以實現(xiàn)相應(yīng)功能：

圖3 地面信號設(shè)備布置圖Fig.3 Layout of ground signal equipments

（1）轉(zhuǎn)換軌兩端信號機CGR和CJR。CGR防護列車從轉(zhuǎn)換軌進入城軌線路區(qū)域，CJR防護列車從轉(zhuǎn)換軌進入城際線路區(qū)域。

（2）有源應(yīng)答器VB-CGR和VB-CJR。VB-CGR為列車從轉(zhuǎn)換軌進入城軌區(qū)域提供點式移動授權(quán)、精確位置等信息，并作為列車從城軌線路進入城際線路時列控系統(tǒng)切換的起點；VB-CJR為列車從轉(zhuǎn)換軌進入城際區(qū)域提供點式移動授權(quán)、精確位置等信息，并作為列車從城際線路進入城軌線路時列控系統(tǒng)切換的起點。

（3）計軸設(shè)備JZ1。在信號機CGR對應(yīng)計軸回撤一個最小車長的位置設(shè)置一組計軸JZ1，構(gòu)成篩選區(qū)域，用于列車進入城軌區(qū)域升級CBTC系統(tǒng)控制級別時的車頭篩選。

（4）軌道電路。在轉(zhuǎn)換軌區(qū)域敷設(shè)軌道電路，并納入城際線路地面列控中心控制，用于列車從轉(zhuǎn)換軌進入城際線路前獲取相關(guān)碼位信息。

（5）校輪應(yīng)答器WB1和WB2。在轉(zhuǎn)換軌設(shè)置校輪應(yīng)答器，用于列車從轉(zhuǎn)換軌進入城軌區(qū)域前的輪徑校正，同時輔助列車完成進入城軌或城際正線前的初始定位。

3.2 車載信號設(shè)備配置

在城際和城軌線路貫通運營的列車上同時裝備CTCS-2車載設(shè)備和CBTC車載設(shè)備，兩套設(shè)備主機間互相通信；DMI、BTM及其天線、測速單元、車輛接口等控車輔助設(shè)備可被共享復(fù)用；同時裝備CTCS-2控車所需軌道電路接收模塊及天線，裝備CBTC控車所需DCS車載系統(tǒng)。設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

圖4 車載信號設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系圖Fig.4 Association diagram of onboard signal equipments

車載主機是列控系統(tǒng)控車核心設(shè)備，為滿足列車在城際和城軌間貫通運營需求，CTCS-2和CBTC車載主機需在其既有傳統(tǒng)控車功能基礎(chǔ)上增加CTCS-2與CBTC車載主機間的通信功能、控制權(quán)交接功能以及變更相關(guān)外圍設(shè)備數(shù)據(jù)解析功能。DMI、BTM及天線、測速單元、車輛接口是控車輔助設(shè)備及接口，分別于CTCS-2車載主機和CBTC車載主機通信時提供相關(guān)控車基礎(chǔ)信息。軌道電路傳輸系統(tǒng)是城際車載信號專有輔助設(shè)備，城軌車地?zé)o線通信是城軌信號車載專有輔助設(shè)備?？剀囆盘柦?jīng)車輛接口輸出給列車，車輛信息經(jīng)車輛接口被傳輸?shù)杰囕d主機，通過主機和各輔助設(shè)備的配合實現(xiàn)控車目標(biāo)。

3.3 控車邏輯設(shè)計

在城際線路和城軌線路上貫通運營的列車，其控車邏輯應(yīng)包括既有控車邏輯和控制權(quán)交接邏輯。在兼容型列控方法中，CTCS-2和CBTC既有控車邏輯不變，保證了各自系統(tǒng)的全功能；但為實現(xiàn)貫通，需增加控制權(quán)交接邏輯。

3.3.1 安全原則

在設(shè)計控制權(quán)交接邏輯時，應(yīng)至少遵循以下幾條安全原則：

（1）同一時刻只能由CTCS-2或CBTC中的一套列控系統(tǒng)控制列車。

（2）CTCS-2（CBTC）控車的移動授權(quán)耗盡但仍然未完成CTCS-2和CBTC的控制權(quán)交接，則CTCS-2（CBTC）控制列車停在城軌線路（城際線路）入口信號機前，不能進入城軌（城際）線路。

（3）列控車載系統(tǒng)具備人控優(yōu)先原則，CTCS-2車載系統(tǒng)和CBTC車載系統(tǒng)均設(shè)置旁路開關(guān)，可由人工選擇旁路任一列控車載系統(tǒng)或所有列控車載系統(tǒng)，以保證在系統(tǒng)故障工況下的列車運行。

3.3.2 控車邏輯

基于上述安全原則及其他行車安全原則，貫通運營的列車在轉(zhuǎn)換軌應(yīng)按如下邏輯進行CTCS-2和CBTC的控制權(quán)交接，移交機制示意如圖5所示。

圖5 CTCS-2與CBTC控制權(quán)移交機制示意圖Fig.5 Schematic diagram of control authorization transfer between CTCS-2 and CBTC systems

（1）CTCS-2控車時，其移動授權(quán)終點計算到城軌線路入口信號機外側(cè)特定的安全防護點，CTCS-2控制列車從城際線路進入轉(zhuǎn)換軌的速度在轉(zhuǎn)換軌入口限速內(nèi)（如60 km/h）；當(dāng)列車收到城際到城軌方向的轉(zhuǎn)換應(yīng)答器信號（如圖3的VB-CJR）后，啟動第一次移交，CTCS-2車載系統(tǒng)向CBTC車載系統(tǒng)發(fā)出控制權(quán)第一次移交請求信息。

（2）CBTC車載系統(tǒng)收到CTCS-2車載系統(tǒng)的第一次移交請求信息，啟動CBTC車載系統(tǒng)自檢；自檢成功后，CBTC車載系統(tǒng)由待機模式進入熱備模式，即可進行正常的控車邏輯運算，但不進行控車輸出。當(dāng)自身系統(tǒng)自檢正常、具備控車能力且可進入控車模式時，向CTCS-2車載系統(tǒng)回復(fù)第一次接收確認(rèn)信息并驅(qū)動接收繼電器，輸出接收繼電信號。

（3）CTCS-2車載系統(tǒng)收到第一次接收確認(rèn)信息并采集到接收繼電信號且列車速度低于切換速度（如25 km/h），則退出控車并進入熱備模式；同時驅(qū)動移交繼電器，輸出移交繼電信號，并向CBTC車載系統(tǒng)發(fā)出第二次移交請求信息。

（4）CBTC車載系統(tǒng)收到CTCS-2車載系統(tǒng)的第二次移交請求信息并采集到移交繼電信號，則立即從熱備模式進入控車模式；同時釋放接收繼電信號，并向CTCS-2車載系統(tǒng)回復(fù)第二次接收確認(rèn)信息。

（5）CTCS-2車載系統(tǒng)收到第二次接收確認(rèn)信息，則終止發(fā)送交接請求，釋放移交繼電信號，并進入待機模式，完成控制權(quán)交接。列車由CBTC控制行車，進入城軌線路運營。

4 應(yīng)用實例

為驗證本文所提城際和城軌線路貫通運營的列控方法的可行性，現(xiàn)以列車從城際線路進入城軌線路的典型場景為例進行控車過程演示。應(yīng)用場景示意如圖6所示。

圖6 應(yīng)用場景示意Fig.6 Schematic diagram of application scenarios

T0102列車當(dāng)前處于城際線路，其移動授權(quán)終點計算到了城軌線路入口信號機CGR外側(cè)回撤一個安全距離的位置。T0102列車將從城際線路經(jīng)由轉(zhuǎn)換軌進入城軌線路，在不同時刻其工況如下：

（1）T1時段。列車由CTCS-2控車，CBTC車載系統(tǒng)處于待機模式；CTCS-2計算的列車移動授權(quán)終點在城軌入口信號機CGR外側(cè)回撤一個安全距離處，列車在CTCS-2控制下從城際線路駛向轉(zhuǎn)換軌；CTCS-2控制列車在進入轉(zhuǎn)換軌時列車速度低于轉(zhuǎn)換軌入口限速。

（2）T2時段。列車進入轉(zhuǎn)換軌，收到切換應(yīng)答器VB-CJR信號，啟動控制權(quán)移交機制；CTCS-2車載系統(tǒng)向CBTC車載系統(tǒng)發(fā)送控制權(quán)第一次移交請求。

（3）T3時段。CBTC車載系統(tǒng)收到CTCS-2車載系統(tǒng)的第一次移交請求信息，啟動CBTC車載系統(tǒng)自檢；CBTC車載系統(tǒng)自檢成功后由待機模式進入熱備模式。

（4）T4時段。CBTC車載系統(tǒng)先后收到校輪應(yīng)答器WB1和WB2信號，完成列車定位和校輪；CBTC車載系統(tǒng)向城軌線路地面ZC和ATS等系統(tǒng)發(fā)起注冊請求。

（5）T5時段。CBTC車載系統(tǒng)具備控車能力，可根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)條件進入聯(lián)鎖級別或CBTC控制級別，可進入RM或CM或AM控車模式；CBTC車載系統(tǒng)向CTCS-2車載系統(tǒng)回復(fù)第一次接收確認(rèn)信息，驅(qū)動接收繼電器，輸出接收繼電信號。

（6）T6時段。CTCS-2車載系統(tǒng)收到第一次接收確認(rèn)信息并采集到接收繼電信號，且列車速度低于切換速度，則退出控車，由控車模式進入熱備模式；CTCS-2車載系統(tǒng)驅(qū)動移交繼電器，輸出移交繼電信號，并向CBTC車載系統(tǒng)發(fā)出第二次移交請求信息。

（7）T7時段。CBTC車載系統(tǒng)收到CTCS-2車載系統(tǒng)的第二次移交請求信息，且采集到移交繼電信號，則立即從熱備模式進入控車模式；CBTC系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前控車條件，以聯(lián)鎖級別或基于閉塞區(qū)段的列車控制或CBTC級別，以RM或CM或AM模式控制列車駛向城軌線路；CBTC車載系統(tǒng)釋放接收繼電信號，并向CTCS-2車載系統(tǒng)回復(fù)第二次接收確認(rèn)信息。

（8）T8時段。CTCS-2車載系統(tǒng)收到第二次接收確認(rèn)信息，則終止發(fā)送移交請求，釋放移交繼電信號，并進入待機模式，完成控制權(quán)交接；CBTC系統(tǒng)根據(jù)控車條件相對應(yīng)的控制級別控制列車以相應(yīng)駕駛模式進入城軌線路運行。

通過上述應(yīng)用場景舉例推演，T0102列車裝備的列控系統(tǒng)按照本文所提貫通運營的列控方法進行系統(tǒng)改造和軟件升級后，新列控系統(tǒng)可以控制列車完成在城際線路和城軌線路間不停車切換，滿足城際線路和城軌線路貫通運營的需求，驗證了本文所提貫通運營列控方法的可行性。

5 結(jié)語

本文在城際和城軌貫通運營的需求背景下，從列控系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過梳理CTCS和CBTC的差異及共通點，提出了融合型和兼容型兩種列控方法。由于兼容型列控方法降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，縮短了開發(fā)和工程實施周期，降低了系統(tǒng)耦合風(fēng)險，因此更適用于對既有線路進行貫通運營改造。

本文所提出的兼容型列控方法具有以下特點：（1）能實現(xiàn)列車在城際線路和城軌線路貫通運營時自動無縫切換不同制式的列控系統(tǒng)，可保證列車安全、高效的跨線貫通運營；（2）實現(xiàn)了列車在CTCS-2和CBTC列控系統(tǒng)間的全功能無縫切換，切換后的系統(tǒng)具有完整的既有列控功能；（3）控制權(quán)移交采用“軟件安全確認(rèn)機制+繼電器硬線信號互采”的雙重機制，通過軟、硬兩種方法提高了列車控制權(quán)移交的可靠性和安全性。該兼容型列控方法能夠滿足城際和城軌貫通運營需求，可為相關(guān)人員就城際和城軌貫通運營列控系統(tǒng)的研究與實施提供一些參考。后續(xù)將進一步研究如何優(yōu)化滿足貫通運營的列控系統(tǒng)架構(gòu)和功能，如最大限度地共用CBTC和CTCS的設(shè)備、精簡和融合CBTC和CTCS的功能等，使?jié)M足城際和城軌線路貫通運營的列控系統(tǒng)更精簡、更便于工程化應(yīng)用。