新型重載列車移動閉塞系統(tǒng)設計及關鍵技術研究

熊飛

(中國鐵路設計集團有限公司 電化電信工程設計研究院，天津 300308)

我國貨運鐵路移動閉塞系統(tǒng)研究主要是以軌旁設備為核心，基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)，早在2014年就開始基于車車追蹤的重載鐵路移動閉塞系統(tǒng)關鍵技術和裝備研究，并引入了慣性導航(以下簡稱“慣導”)/衛(wèi)星組合的導航系統(tǒng)，作為新的定位和測速方案。目前移動閉塞系統(tǒng)在重載鐵路大型車站中相關應用[1]、重載鐵路移動閉塞降級系統(tǒng)[2]、基于LTE技術重載鐵路移動閉塞通信系統(tǒng)[3]等方案，都在朔黃鐵路(神池南—黃驊港)通過測試且應用情況較好。但這些研究都建立在CTCS-3級列控系統(tǒng)架構之上，基于LTE網(wǎng)絡實現(xiàn)車地雙向通信，但沒有考慮到貨運鐵路列控系統(tǒng)對列車自動駕駛(Automatic Train Operation，ATO)、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、數(shù)字孿生技術、5G-R通信網(wǎng)絡等相關復雜需求。

為彌補上述不足，提出以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為基礎的、基于5G-R通信網(wǎng)絡、具備ATO功能的重載列車移動閉塞系統(tǒng)(以下簡稱“TBTCHY-3系統(tǒng)”)，其具備ATO新特性，且系統(tǒng)運維采用數(shù)字孿生技術。ATO多用于城際鐵路和市域鐵路中，我國對ATO應用于重載鐵路的研究較少。目前已開通的具有城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)且能實現(xiàn)自動駕駛功能的主要有2種制式：一種是基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control，CBTC)，ATO系統(tǒng)作為ATC系統(tǒng)的子系統(tǒng)；另一種是基于CTCS-2/3級列控系統(tǒng)并增加ATO功能。TBTCHY-3級重載列車控制系統(tǒng)是基于CTCS-3級列控系統(tǒng)并增加了ATO功能。基于此，分析TBTCHY-3系統(tǒng)組成，設計適用于貨運鐵路的ATO功能，以更好推動貨運鐵路產業(yè)體系升級發(fā)展。

1 系統(tǒng)組成

與以軌旁設備為核心的移動閉塞相比較，TBTCHY-3系統(tǒng)承接了《高速鐵路ATO系統(tǒng)總體暫行技術規(guī)范》(鐵科信[2019]21號)、朔黃鐵路重載移動閉塞的階段性實驗成果，借鑒了CTCS-3列控系統(tǒng)架構，使用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為列車定位和測速測距，同時包含了貨運列車所需的ATO部分功能。

地面設備由控制中心、設備集中站設備、軌旁設備構成。控制中心主要包括列控中心(Train Control Center，TCC)、調度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control，CTC)、臨時限速服務器(Temporary Speed Restriction Server，TSRS)、無限閉塞中心(Radio Block Center，RBC)、數(shù)據(jù)記錄服務器；設備集中站設備主要包括聯(lián)鎖(Computer Interlocking，CI)、CTC車站設備、RBC、5G網(wǎng)絡設備；軌旁設備包括信號機、道岔、軌道占用(檢查)設備、無源應答器，以及傳輸車-地雙向數(shù)據(jù)的5G基站。車載設備由車載主機(ATP柜、車載5G-R設備)、天線和應答器傳輸模塊(BTM)、速度傳感器、雷達傳感器、人機交互設備(MMI)、車載記錄器等構成，TBTCHY-3級系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 TBTCHY-3級系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of TBTCHY-3 level system

TBTCHY-3級系統(tǒng)在TSRS新增ATO單元，并在CTC中心增加接口服務器與TSRS進行數(shù)據(jù)交互。RBC、CI、軌道占用檢查設備維持CTCS-3級不變[4]。TBTCHY-3級系統(tǒng)車載設備通過超可靠、超低時延的5G-R通信網(wǎng)絡，與CI，RBC，CTC之間信息傳輸，并對軌旁設備進行控制。系統(tǒng)采用的5G-R通信網(wǎng)絡是基于網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network，SDN)的網(wǎng)絡架構[5-6]，采用NFV架構優(yōu)勢是用軟、硬件解耦及功能抽象，使得技術升級不依賴于新的網(wǎng)絡設備，降低了造價和管理難度；采用SDN架構的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)面和控制面分離，使網(wǎng)絡控制更靈活有效，避免數(shù)據(jù)擁塞，并且能和“云計算”結合，如部署于SDN控制器上的網(wǎng)絡應用軟件，亦能部署于“云計算”虛擬機中。NFV應用于OSI模型的4至7層，SDN應用于OSI模型的2至3層。NFV與SDN兩者相互補充，且互不依賴，兩者各自發(fā)揮作用，使5G-R 網(wǎng)絡更智能，同時降低成本。

2 系統(tǒng)關鍵技術

基于TBTCHY-3系統(tǒng)組成的研究，對TBTCHY-3系統(tǒng)的導航系統(tǒng)、地面應答器進行設計，列車定位和測速采用慣導/衛(wèi)星組合系統(tǒng)(以下簡稱“組合導航系統(tǒng)”)作為主要手段，應答器作為輔助手段。應答器系統(tǒng)作為組合導航系統(tǒng)的補充，主要用于因密林、隧道等遮擋失去衛(wèi)星信號的列車定位。當衛(wèi)星信號丟失時，組合導航系統(tǒng)僅以慣導模式工作，直至衛(wèi)星信號恢復。組合導航系統(tǒng)信息恢復后，TBTCHY-3級系統(tǒng)按照預先設置的中斷事件參數(shù)重新對準，并計算位置、速度、加速度、距離。

2.1 基于北斗衛(wèi)星的組合導航系統(tǒng)

組合導航系統(tǒng)車載設備由慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、慣導主機、北斗衛(wèi)星導航接收模塊、組合計算機4部分組成，組合導航系統(tǒng)的車載組成如圖2所示。地面設備由地面差分站、地面接收天線組成。組合導航系統(tǒng)車載設備與車載控制器(Vehicle on-board controller，VOBC)設備的接口安裝于機車上。地面差分站與信號機械室合設，通過5G-R網(wǎng)絡實現(xiàn)差分站鏈路。地面接收天線設于既有無線列調鐵塔上或信號房屋頂部。

圖2 組合導航系統(tǒng)的車載組成Fig.2 On-board composition of integrated navigation system

組合導航系統(tǒng)可細分為以下3個功能。

（1）實時提供列車頭部衛(wèi)星定位信息。當組合導航系統(tǒng)設置為組合模式時，系統(tǒng)上電后向衛(wèi)星導航板卡輸出存儲的位置信息(根據(jù)需求)，北斗衛(wèi)星信號到來前，按一定頻率采集IMU數(shù)據(jù)，通過加速器(指測量線性加速度的一種傳感器)數(shù)據(jù)判斷列車是否為持續(xù)靜態(tài)，并將靜態(tài)位置信息持續(xù)保存，為車載的衛(wèi)星導航板卡解析并初次與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對準位置信息，提供基礎數(shù)據(jù)。當衛(wèi)星信號丟失，組合導航系統(tǒng)僅按照慣導模式工作，直至北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號恢復或車載設備通過應答器數(shù)據(jù)獲得定位位置信息為止；當北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號恢復后組合導航系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)重新對準位置信息或直接耦合位置信息，并在經過下一個應答器時，按應答器預先寫入的信息再次校正導航系統(tǒng)中的位置信息。

（2）對機車載體姿態(tài)、速度、位置的測量。作為新的速度傳導系統(tǒng)，組合導航系統(tǒng)不依賴其他設備，獨立完成列車測速、測距功能，突破既有的速度傳感器和雷達的測速方案，新的速度傳導系統(tǒng)能輔助列車測速，并判斷車輪是否空轉或打滑。

（3）列車完整性檢查。此功能需要通過具有定位功能的可控列尾配合實現(xiàn)，TBTCHY-3級系統(tǒng)檢查通過組合導航系統(tǒng)設備和可控列尾，實時獲取列車首尾的定位信息。發(fā)車前，司機通過MMI輸入當前列車的種類、列車車輛編組數(shù)目、車長等信息，車長是經由車載系統(tǒng)自動換算成整列車的長度。在非隧道區(qū)域場景下，列尾設備將周期性獲得的衛(wèi)星定位信息通過5G-R網(wǎng)絡發(fā)送給車載設備，車載設備通過可控列尾獲得的定位信息與車載主機獲得的衛(wèi)星定位信息比較，計算出頭車坐標到列尾坐標的距離|DA|，正常情況下，|DA|的值應小于車長、車頭BD模塊定位誤差、車尾BD模塊定位誤差、完整性判斷余量4部分的和值；否則，系統(tǒng)認為列車已經解編或失去完整性，出于安全考慮，系統(tǒng)將采取緊急制動停車且不能緩解。在隧道區(qū)域場景下，通過北斗衛(wèi)星向車頭車尾以發(fā)送北斗短報文的方式檢查列車完整性時，需要先保證隧道內整個網(wǎng)絡覆蓋。工程上是通過基站結合光纖直放站、泄露電纜等方式進行網(wǎng)絡覆蓋；如遇到連續(xù)隧道的應用場景，在相鄰的隧道之間，采用小區(qū)合并技術，多個射頻拉遠單元(Remote Radio Unit，RRU)能復用1個小區(qū)，達到減少隧道間切換，保證信號傳輸質量。在隧道覆蓋中，常用方案是信源設備通過多系統(tǒng)接入平臺(Point Of Interface，POI)合路，然后將合路后的信號分到室外天線或饋入漏纜中，同時采用上下行分纜方式，增加纜與纜之間的空間隔離距離，同時充分考慮隧道避車洞的分布位置、上端站的位置，合理組網(wǎng)，并在隧道口設置多頻外延天線，以解決隧道口信號強度覆蓋弱的問題，保障整個網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋[7]。

2.2 地面應答器設置方案

在西部鐵路或者較空曠區(qū)域，組合導航系統(tǒng)向VOBC實時輸出列車頭部的位置，實現(xiàn)車車追蹤功能，應答器設置可間隔距離較大，采用如下方案。

（1）在隧道口的始端和末端，及區(qū)間每1 km設置1個定位應答器，作為該系統(tǒng)定位的校正和補充。

（2）在信號機外方布置2個無源定位應答器，用途是目視行車模式下，列車通過該信號機時能獲得位置信息，且前方信號機為開放狀態(tài)時，系統(tǒng)通過5GR網(wǎng)絡接收到RBC行車許可，然后自動升級為完全監(jiān)控模式。

（3）站臺(裝車臺)兩端位置各設1個無源應答器，用于停車前最后一次精確位置校正。站臺中適當位置(距離端部無源應答器200 m)各設置1個無源應答器，列車提前接收到停車位置信息，以實現(xiàn)貨運列車控制系統(tǒng) ATO精確定位功能。

3 系統(tǒng)新增ATO特性

在車載設備中，TBTCHY-3級系統(tǒng)運用成熟的ATP硬件，并在此基礎上結合重載列車的使用需求，針對ATO子系統(tǒng)功能進行設計與新增。

3.1 牽引和制動

現(xiàn)有的CTCS-2/3+ATO系統(tǒng)中，動車組車載設備和ATO子系統(tǒng)之間經由多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，ATO子系統(tǒng)分級控制，定速巡航時，列車會在牽引、制動2個狀態(tài)間頻繁切換。由于重載列車普遍車長較長，制動距離相對較大時，且制動后又不能快速緩解制動，這樣在切換過程中導致列尾風壓不足，嚴重時導致重載列車制動力不足，進而危及行車安全；另外重載列車在牽引力施加時，車鉤突然從壓縮狀態(tài)轉變?yōu)槔鞝顟B(tài)，容易導致出現(xiàn)車鉤斷鉤問題；為此，在施加牽引力的過程中需要逐步順滑加載[8]。因此，在保證安全的前提下，ATO車載設備根據(jù)地面設備提供的運行計劃，結合列車的實際運行情況、線路條件(線路速度、線路坡度、曲線半徑等)合理牽引和制動。

3.2 精確定位

ATO子系統(tǒng)控制列車停車功能，即列車精確定位功能。地面設備，如股道中間需增加精準定位應答器，考慮到重載列車運營方式和城際鐵路有較大區(qū)別，相比于城際鐵路ATO子系統(tǒng)需要站臺精確停車并聯(lián)動屏蔽門的應用場景，TBTCHY-3級系統(tǒng)的ATO子系統(tǒng)對停車精度的要求相對不高。基于成本、人工、施工改造難易程度的考慮，可減少股道中間的精確定位應答器個數(shù)。

3.3 列車運營計劃接收與執(zhí)行

ATO子系統(tǒng)通過司機輸入的車次號，自動請求列車編組、轉換車長、總重量等信息用于控車，司機只負責核對該編組信息是否正確，減輕了司機勞動強度。新增的注冊列車數(shù)量、列車總重量等信息先由車載傳遞到TSRS，并由TSRS轉發(fā)至CTC，TSRS實時接收CTC運行計劃，并將站間線路數(shù)據(jù)傳遞至ATO車載設備。由列車超速防護系統(tǒng)生成移動授權，控制列車運行[9]。當運行計劃改變或者運行計劃失效時，RBC子系統(tǒng)及時通過MMI提醒司機，同時以北斗短報文的方式，將列車的實時運行狀態(tài)信息反饋至地面CTC中心，調度員隨時掌握車輛運行情況，正確下達相應調度命令。

3.4 遠動控制

鐵路信號遠動控制技術是遙控、遙信、遙測技術的總集。重載列車經常采用多機重聯(lián)模式運行，ATO子系統(tǒng)通過5G-R網(wǎng)絡，在控制本務列車的同時，也能實現(xiàn)遠程控制重聯(lián)機車[10]，即調度員通過ATO子系統(tǒng)發(fā)出控制命令控制本務機車和重聯(lián)機車。

3.5 AI學習優(yōu)化

ATO子系統(tǒng)具有一定的人工智能、學習優(yōu)化功能。重載列車往往機車交路長度大，經常跨鐵路局集團公司跨線運行，且牽引重載列車的機車型號較多，牽引特性亦不完全一致。ATO子系統(tǒng)需要有良好的通用性和一定的人工智能，通過采用數(shù)字孿生技術收集并自主分析司機人工操縱時的習慣動作，尋找出司機的關鍵操作點、關鍵操作時刻，ATO子系統(tǒng)從而吸收司機人工操縱的優(yōu)點，并不斷自我訓練，持續(xù)優(yōu)化輔助控車水平，從而提高運輸效率，降低司機勞動強度，間接起到保障運輸安全的功能。

4 結束語

通過研究和分析，提出新型重載列車移動閉塞系統(tǒng)，新增部分ATO特性，在保證行車安全的前提下，在九礦—苗圃—寶豐3站2區(qū)間測試了發(fā)車間隔時間，并進行單相追蹤運輸試驗和上、下行追蹤運行試驗，在上、下行追蹤運行測試中，42 min內上、下行共計可通過4列車，大幅提升區(qū)間交會能力，系統(tǒng)順利通過測試，為展開進一步的工程化實驗研究提供了理論支撐，也為開展進一步的工程化實施創(chuàng)造了條件。系統(tǒng)的應用可推動設計、產品研發(fā)單位提高貨運專線鐵路的技術水平，也有助于重載鐵路進一步增運上量，同時達到降本、增效的作用。