都市圈市域快线多网融合列控系统_贾飞.pdf

第 1 期应用技术都市圈市域快线多网融合列控系统贾飞(中铁建电气化局集团第四工程有限公司，410016，长沙高级工程师)摘要随着都市圈经济发展成熟，市域快线已逐渐成为构建都市圈轨道交通的重要制式之一。为进一步优化都市圈轨道交通运营管理、科学配置资源、节约通勤时间，研究不同制式列控系统之间贯通运营势在必行。通过分析当前国内外轨道交通融合发展现状，对比国内干线铁路 CTCS(中国列车控制系统)列控系统与城市轨道交通 CBTC(基于通信的列车控制)列控系统在系统架构、功能逻辑、信息流向等方面的技术差异性，结合多网融合列控系统设计需求，提出适用于市域快线的多网融合列控系统。关键词市域快线;贯通运营;多网融合;列控系统;切换中图分类号U28448+2DOI:1016037/j1007869x202301039Multi-network Integrated Train Control System forMetropolitan Commuter ExpressJIA FeiAbstractWith the economic development of metropolitan ar-ea，commuter express has gradually become one of the impor-tant modes of constructing metropolitan rail transit In order tofurther optimize the operation management of metropolitan railtransit，to allocate resources scientifically and save commutingtime，it is necessary to study the through train operation amongdifferent train control systems By analyzing the current statusof rail transit integrated development in China and abroad，andcomparing the technical differences in system architecture，function logic and information flow of domestic trunk railwayCTCS and urban rail transit CBTC train control systems，amulti-network integrated train control system suitable for com-muter express is proposed considering multi-network integratedtrain control system design requirementsKey wordscommuter express;through operation;multi-net-work integration;train control system;switchAuthors addressChina ailway Construction ElectrificationBureauGroupNo 4EngineeringCo，Ltd，410016，Changsha，China1轨道交通融合发展概况日本由于受地域条件的限制，早期就实现了 J(日本铁路)和地铁互联互通运行。例如中央缓行线地下铁东西线及常盘缓行线地下铁千代田线，其列控系统是通过加装多套车载设备实现对地面列控系统的兼容1。伦敦中心城区隧道线路连接既有的西部和东部郊区线路，该项目也是通过安装三套车载系统，实现兼容核心线路 CBTC(基于通信的列车控制)、西部线路 ETCS(欧州列车控制系统)、东部线路 TPWS(列车保护和报警系统)三种制式的地面列控系统。法国大巴黎地区郊区线路及市域快轨(E)线路采用的列控系统有 KVB(列车速度控制系统)、SACEM(嵌入式系统)。为提高 E 线路中心城区的运能，在 E-E 率先采用 NExTEO(新东西线列车运行系统)，实现 KVB、SACEM 等系统与CBTC 系统的地面设备及车载设备融合，并可实现装备 NExTEO 系统车载的列车开行至装备 KVB 系统、SACEM 系统的线路，实现贯通运营2。上海轨道交通 2 号线更新改造采用“TBTC(基于轨道电路的列车控制)+CBTC”双信号异型冗余方案，实现新建系统兼容既有设备3;重庆地铁 2号线一期(较场口站天堂堡站)通过增设车载VOBC(车载控制器)设备升级至 CBTC 系统，兼容既有 ATP/TD(列车自动保护/列车检测)系统。综上所述，国内外针对不同制式列控系统的贯通运营，除大巴黎地区 NExTEO 系统采用车地双向兼容的方案外，其余解决方案主要通过车载设备叠加增设方式实现车地单向兼容。2CTCS(中国列车控制系统)与 CBTC 系统架构及功能对比国铁 CTCS 列控系统以 CI(计算机联锁)、TCC(列车控制中心)为核心，采用 TDCS(列车调度指挥系统)，设置 TSS(临时限速服务器)及 LEU(轨旁电子单元)实现对列车控制及超速防护。信息传输以 GMS-(铁路移动通信系统)为主，辅以轨道电1912023 年路、应答器报文等传输方式，并设置集中监测系统46。以珠三角城际铁路为例，该项目在 CTCS列控系统中叠加 ATO(列车自动运行)子系统实现列车自动驾驶、站台门控制等功能，但其 ATO 模块仍基本独立于整体系统工作7。CTCS 构成及子系统间信息流向如图 1 所示。图 1CTCS 构成及子系统间信息流向图Fig1Diagram of CTCS composition and information flow a-mong subsystems城市轨道交通(以下简称“城轨”)CBTC 列控系统以 CI、ZC(区域控制器)、ATS(列车自动监控)为核心，实现一体化控制及集中调度，信息传输以WLAN/LTE-M(无线局域网/城市轨道交通车地综合通信系统)等无线技术为主。列车定位采用应答器和计 轴 组 合 方 式，并 设 置 集 中 监 测 系 统8。CBTC 系统构成及子系统间信息流向如图 2 所示。图 2CBTC 系统构成及子系统间信息流向图Fig2Diagram of CBTC system composition and informationflow among subsystems相较于国铁 CTCS 列控系统，城轨 CBTC 联锁子系统功能更加丰富，可实现车站区间一体化控制，集成了站台门、SPKS(轨旁作业人员防护开关)、防淹门等一系列接口，ZC 整合了 ATP/ATO 及限速管理等功能。因此较 CTCS-2 级列控系统集成度更高、信息更丰富、功能更完备。国铁 CTCS 和城轨 CBTC 系统架构及功能特点对比如表 1 所示。由表 1 可知，国铁列控系统和城轨列控系统的系统构成、信息流向、功能逻辑都相似，仅部分模块功能、传输媒介、接口形式有所差异。具体分析如下:表 1国铁 CTCS 与城轨 CBTC 系统架构及功能对比表Tab 1Comparison of architecture and functionalitybetween national railway CTCS and urban railtransit CBTC项目CTCS-2+ATOCBTC列控独立设置列控子系统，实现超速防护，轨道区段编码独立设置列控子系统，实现超速防护、自动驾驶、临时限速联锁独立设置联锁子系统，仅为车站联锁独立设置联锁子系统，车站区间一体化控制，具备进路触发、虚拟区段功能接口丰富集中调度TDCS 支持多线路接入，具备线网控制能力ATS 线路级控制，自动化程度高，具备进路自动触发、自动折返功能及多种运营模式车地通信方式GMS-(ATO 信息)、轨道电路、应答器WLAN/LTE(长 期 演进)临时限速设置临时限速服务器集成于区域控制器轨旁定位设备轨道电路、应答器计轴、应答器ATO独立设置 ATO，仅具备自动驾驶集成 ATO，实现自动驾驶、折返、精准停车、站台门联动车载独立车载，接口协议公开，支持互联互通独立车载，接口协议因厂家 而 异，互 联 互 通困难监测独立设置监测系统独立设置监测系统1)线路数据存储及移动授权方式不同。CTCS-2 级列控系统线路数据存储于地面设备，并通过地面应答器及轨道电路向车载设备发送目标点距离、线路速度和长度、临时限速等信息，车载ATP 据此计算列车控制曲线。CBTC 列控系统由车载设备保存线路地图信息，地面 ZC 通过无线方式向车载设备发送走行路径方向、目标点位置、临时限速等动态数据，车载设备根据自身定位自动计算列车移动授权9。2)车地通信技术不同。CTCS-2 级列控系统以轨道电路为主要传输媒介，叠加 ATO 模块后，还需增设 GSM-通道。传输方式方向单一、信道窄、迭代性 差。CBTC 列 控 系 统 传 输 方 式 以 LTE-M/WLAN 技术为主，且具备逐步向 5G(第 5 代移动通信技术)/6G(第 6 代移动通信技术)演进的能力，具有传输速率高、带宽大、双向传输、抗干扰能力强、技术更新换代能力快等特点。在通信接口、协议方面，CTCS-2 级列控系统接口相对公开、单一;而 CBTC 列控系统以各自厂家为技术牵头方，接口私有化，难以满足不同厂家互联互通设计要求。3)ATO 功能及实现方式不同。CTCS-2 级列291第 1 期应用技术控系统中，ATO 作为相对独立单元可选配，但启用ATO 功能时，需额外开辟 GSM-通道以实现移动数据传输，并同步对 TCC、TSS 设备软硬件配套进行修改，以满足列车自动驾驶功能。CBTC 列控系统通过对 ATO 模块与 ATP 接口、联锁接口进行深化设计，使其功能深度嵌入其列控系统之中，列控设备一体化趋势尤为明显9。另外，城轨 ATO 功能较 CTCS2 级列控系统也更为丰富。4)列控系统设备组成及功能不同。CBTC 列控系统无 TCC、TSS 设备，其相应功能分别由 ZC和 CI 设备实现。另外，CBTC 列控系统中的 ATS、CI 与 CTCS-2 级列控系统中的 CTC、CI 设备功能亦存在差异。3多网融合列控系统设计需求分析多网融合列控系统若要实现列车在不同系统间的贯通运营，需在设计层面统一需求。多网融合列控系统应至少满足如下几个方面的需求:1)选择多家供货商或多种协议互通的设备，以确保系统持久有效;2)接口协议需标准化、透明化，供货商各自的技术方案需相互独立;3)建议数据传输和控制方案间保持相互独立，协议转换不得导致数据错误或失效;4)子系统层面需独立开发、独立运行，打造一个公开、透明应用平台，提升系统通用性、兼容性;5)系统应实现模块化、参数化设计，便于日后运营维护、更换及系统升级;6)符合 EN 50126、EN 50128、EN 50129 安全标准(SIL4 级);7)遵 守 基 于 通 信 的 列 控 标 准(CTCS 及CBTC)性能和功能要求(IEEE 14741)。4多网融合列控系统41多网融合列控系统车载方案结合多网融合列控系统设计需求，设计 CTCS-2与 CBTC 统一车载设备系统(即通用式列控系统:General Train Control System，GTCS)，该通用车载系统遵循统一接口协议、融合功能设计、兼容各类终端的设计思路，实现车载信息共享及计算输出。根据接收到的轨旁信息(轨道电路)和存储的电子地图数据，自动判断当前采取何种工作模式，实现不停车切换 CTCS-2 或 CBTC 两种制式。基于 CTCS+CBTC 的融合列控系统车载架构图如图 3 所示。包括主控单元(ATP/ATO，采用二乘二取二或三取二架构)、DMI/MMI(桌面管理接口/人机界面)、测速测距系统(包含速度传感器、雷达传感器和测速测距单元)、BTM(应答器信息接收单元)系统(包含 BTM 主机和天线)、无线传输系统(包含 GSM-/LTE-M 电台、车顶天线等)、列车接图 3基于 CTCS+CBTC 融合列控系统车载架构图Fig3Onboard architecture diagram of integrated train control system based on CTCS+CBTC3912023 年口单元(主要包括安全输入输出单元、继电器等)及司法记录单元(包括 JU/DU(司法记录单元/数据记录单元)及监测模块)。同时，为融合 CTCS-2/3 级列控系统还需配置 TC(轨道电路读取器)和CI(机车综合无线通信设备)。1)列车定位系统标准化。铁路信号系统的定位应答器制式有欧标、美标两种。为支持列车在线路间跨线运行时及时获得地面应答器的有效报文信息，需实现统一的应答器定位方案。多网融合列控系统车载设备需结合应答器定位系统的车地通信结构及接口连接方式、应答器报文结构及应答器报文编码规则等，参照 T/CAMET 0401112018城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统(CBTC)互联互通接口规范 第 1 部分:应答器报文 和 CTCS-3 级列控系统应答器应用原则(V20)的通知(科技运 2010 21 号)，对其车载 MVB(车辆多功能总线)接口进行规范定义。2)测速系统标准化。测速系统作为列控系统的关键安全设备，通过连续测量并整合列车的瞬时行驶速度获得列车的行驶距离，其功能实现与轨旁设备无关联，测速信息准确与否主要依赖车轮转速测量的准确性。随着测速设备融合技术发展，采用多种测速设备(如速度传感器、加速度计、多普勒雷达等)进行数据及算法融合，提高测速精度。同时，车载标准化方案考虑预留常用协议的物理接口或协议转换，满足不同设备、制式计数需求，并开发与之相匹配的软件，以实现列车速度计量功能。3)车地无线通信标准化。LTE-(一种铁路专用)技术凭着传输速率高、抗干扰性强等优点发展迅速，已逐步成为城市轨道交通车地综合通信系统标准化技术。为兼容国铁 CTCS 级列控系统，车载通信单元以 LTE-M 为基础，增加 GMS-单元，采用双模冗余的架构，提升车载通信接口的兼容能力。4)信号车辆接口标准化。列控系统的输入输出接口类型多、差异大。要实现基于多网融合列控系统的车载信号车辆接口标准化，需根据现有车载接口形式和数据定义类型，如模拟量数据、ATCTCMS(列车控制与管理系统)通信数据、输入输出接口等，制定统一的、通用的、车辆侧可执行的输入输出接口标准。通过规范信号、车辆厂家接口，既可简化信号车辆接口设计，强化接口功能，又可保证满足不同厂家、不同制式的通信输入接入。42多网融合列控系统地面切换方案为实现地面控制无缝、自动切换，地面 CTCS+CBTC 多网融合列控系统线路控制区域按制式的不同可划分 CTCS 控制区、CBTC 控制区及共管区。图 4 为 CTCS+CBTC 多网融合列控系统的地面区域管理划分示意图。图 4CTCS+CBTC 多网融合列控系统的地面区域管理划分图Fig4Ground area management division diagram of multi-network integrated train control system based on CTCS+CBTC车载设备在共管区域实施地面控制系统的切换。本文将转换车站设置为 CBTC 与 CTCS-2 的切换区段，车载设备在切换区段实施地面控制系统切换，如图 5 所示。在既有 CTCS2 系统地面设备基础上叠加定位应答器、系统切换预告应答器、系统切换应答器，用于 ATP/ATO 向 TSS 注册列车信息，实现列车控制权限交接，并连续向转换区内的列车发送移动授权和自动驾驶指令。在转换车站，CBTC 与 CTCS-2 系统共用一套联锁设备，由联锁保证进路安全，进路办理由 CTCS491第 1 期应用技术图 5CTCS+CBTC 多网融合列控系统切换示意图Fig5Switching diagram of CTCS+CBTC multi-network inte-grated train control system控制实现。综上所述，CTCS+CBTC 多网融合列控系统以车载、地面为基础，实施多网融合，涉及的主要技术改进内容及与原系统技术发展对比分析如表 2 所示。由表 2 可知，基于多网融合的产品在车载设备互通、轨旁切换、兼容原地面系统等方面较为科学，符合技术本身的发展趋势，也符合我国列控系统技术特点及发展目标。表 2多网融合列控系统及与原系统技术发展对比表Tab2Comparison between multi-network integrated traincontrol system and technological development of theoriginal system项目车载设备轨旁切换地面系统多网融合列控系统无 线 技 术 改 进，增 加LTE-M、GMS-通道;优化车载终端接口协议，增加协议转换及多样性;增加自动驾驶功能，实现移动闭塞;修改车地通信报文协议;统一信号车辆接口增 加 定 位设备;补充切 换 应 答器;增加轨旁 系 统 之间 信 息 传输通道未发生变化原系统技术发展趋势无线传输技术更新，提升带宽、安全、抗干扰能力;增加自动驾驶功能，实现移动闭塞;优化车载设备冗余度，提升系统可靠性、可用性深度融合、优 化 切 换机制列 控 联 锁一 体 化 融合;执行单元电子化、集成化、智能化5结语本文通过对比分析国铁 CTCS 列控系统与城轨CBTC 列控系统在系统架构、功能逻辑、信息流向等方面的差异性，结合多网融合列控系统设计需求，提出 CTCS+CBTC 多网融合列控系统的车载、地面切换贯通运营方案，实现融合车载控制单元、统一车载接口类型、兼容车载通信、增强自动驾驶等功能，并对轨旁切换方案做简要设计。多网融合列控系统车载设备可以兼容当前国内列控系统，又符合列控系统技术发展趋势，为市域、市郊铁路信号系统互通性设计提供参考，也为不同制式信号系统的互通性发展提供思路。参考文献1马大炜东京地铁副都心线的信号系统 新型的地下铁道信号系统J现代城市轨道交通，2012(5):89MA DaweiSignaling system of Tokyo Metro Fukutoshin Linenew type of underground railroad signaling systemJModernUrban ail Transit，2012(5):892陈宇坤，李卫锋欧盟铁路信号系统互联互通技术规范研究J铁路通信信号工程技术，2021，18(10):111CHEN Yukun，LI WeifengTechnical 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