適用于重載鐵路智能駕駛系統(tǒng)的無(wú)線閉塞中心

李啟翮

（湖南中車(chē)時(shí)代通信信號(hào)有限公司 北京分公司，北京 100071）

0 引言

列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“列控系統(tǒng)”）以有效技術(shù)手段對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度、追蹤間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和超速防護(hù)，是保證行車(chē)安全并提高運(yùn)行效率的重要技術(shù)裝備。無(wú)線閉塞中心（radio block center，RBC）作為鐵路干線領(lǐng)域中基于連續(xù)式車(chē)地雙向無(wú)線通信的列控系統(tǒng)的地面自動(dòng)列車(chē)防護(hù)（automatic train protection，ATP）核心設(shè)備，其主要功能是通過(guò)無(wú)線通信接收列車(chē)所報(bào)告的位置、速度等狀態(tài)信息，并結(jié)合當(dāng)前地面狀態(tài)信息，計(jì)算生成行車(chē)許可、緊急命令、臨時(shí)限速等控車(chē)指令發(fā)送給車(chē)載ATP設(shè)備。歐洲列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（European train control system，ETCS）、中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（China train control system，CTCS）以及美國(guó)GE公司的增加型列控系統(tǒng)（incremental train control system，ITCS）都采用了RBC。

隨著軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展，無(wú)人駕駛技術(shù)被逐漸引入，成為該領(lǐng)域的重要研究方向，“列控系統(tǒng)+列車(chē)自動(dòng)駕駛（automatic train operation，ATO）”正是智能軌道交通必不可少的配置。在城市軌道交通領(lǐng)域，基于通信的列控系統(tǒng)（communication based train control system，CBTC）中ATO的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟多年，但還不能完全離開(kāi)司機(jī)的輔助；更進(jìn)一步，全無(wú)人駕駛系統(tǒng)（fully automatic operation，F(xiàn)AO）也已經(jīng)在部分線路開(kāi)始實(shí)施，其可以完全取代司機(jī)的角色。在干線鐵路領(lǐng)域，為CTCS系統(tǒng)增加ATO功能的相關(guān)研究從2013年就開(kāi)始了，2017年開(kāi)通的莞惠城際鐵路成為首條采用“CTCS-2+ATO”系統(tǒng)的高鐵線路，更加先進(jìn)的“CTCS-3+ATO”系統(tǒng)也于2018年在京沈高鐵上完成試驗(yàn)并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試用階段。作為CTCS系統(tǒng)規(guī)范制定基礎(chǔ)的ETCS系統(tǒng)也同樣積極應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，ATO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]正在制定中。

在重載貨運(yùn)鐵路領(lǐng)域，相關(guān)的研發(fā)工作也已經(jīng)開(kāi)展，由包神鐵路集團(tuán)神朔鐵路分公司、中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司與中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司合作研發(fā)的“神華號(hào)”機(jī)車(chē)智能駕駛系統(tǒng)，其第一階段工程于2019年10月正式開(kāi)通，成為我國(guó)首個(gè)在重載鐵路上正式開(kāi)通的智能駕駛系統(tǒng)。其信號(hào)系統(tǒng)分為車(chē)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分。車(chē)載設(shè)備主要包含LKJ-15C車(chē)載控制子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)和輔助駕駛模塊（assistant operation module，AOM）自動(dòng)喚醒裝置等。地面系統(tǒng)由智能調(diào)度子系統(tǒng)、無(wú)線信號(hào)控制子系統(tǒng)（即無(wú)線閉塞中心RBC在該智能駕駛系統(tǒng)中的名稱）、差分定位基站、出退勤子系統(tǒng)、安全與質(zhì)量分析子系統(tǒng)等組成，同時(shí)系統(tǒng)需要與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接口，以獲取進(jìn)路/閉塞分區(qū)等狀態(tài)信息。

安全是軌道交通中的頭等大事，因此承擔(dān)安全防護(hù)功能的ATP設(shè)備是智能駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在重載智能駕駛系統(tǒng)中，LKJ-15C裝置（簡(jiǎn)稱“LKJ-15C”）承擔(dān)了車(chē)載ATP的功能，RBC承擔(dān)著地面ATP核心功能。與ETCS/CTCS系統(tǒng)中的RBC相比，智能駕駛系統(tǒng)中的RBC除了既有RBC所應(yīng)具備的正常功能外，針對(duì)重載鐵路的特點(diǎn)還增加了新的功能，本文將對(duì)該設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行描述。

1 RBC架構(gòu)

1.1 CTCS-3系統(tǒng)RBC

我國(guó)鐵路的CTCS是參考ETCS并結(jié)合我國(guó)鐵路的實(shí)際情況而制定的，分為CTCS-0～CTCS-4共5個(gè)等級(jí)。當(dāng)前在用的有CTCS-0（簡(jiǎn)稱“C0”）、CTCS-2（簡(jiǎn)稱“C2”）和CTCS-3（簡(jiǎn)稱“C3”）共3個(gè)等級(jí)，CTCS-1級(jí)（簡(jiǎn)稱“C1”）和CTCS-4級(jí)（簡(jiǎn)稱“C4”）尚處于研究規(guī)劃中[2]。

C0級(jí)系統(tǒng)應(yīng)用于普速線路，列車(chē)配置LKJ裝置；C2和C3級(jí)系統(tǒng)則專(zhuān)用于高速鐵路。

C3系統(tǒng)是我國(guó)正式應(yīng)用的最先進(jìn)的列控系統(tǒng)，適用于350 km/h及以上標(biāo)準(zhǔn)速度的線路，其基于ETCS-2級(jí)（簡(jiǎn)稱“E2”）系統(tǒng)而制定。C3系統(tǒng)需求規(guī)范[3]選取了ETCS系統(tǒng)[4]需求規(guī)范中適合中國(guó)高鐵的部分，去除了僅適用于普速線路和歐洲線路特征（例如道口、多種供電制式、多種車(chē)輛限界等）的部分，并配置了C2系統(tǒng)作為后備模式，是E2系統(tǒng)的中國(guó)本地化實(shí)現(xiàn)。E2系統(tǒng)與C3系統(tǒng)可被認(rèn)為是互相兼容的系統(tǒng)，裝備E2車(chē)載設(shè)備的列車(chē)也可在C3線路上運(yùn)行。

E2/C3系統(tǒng)的地面核心設(shè)備是RBC，其具有SIL4級(jí)安全完整度，通常采用2乘2取2或3取2的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（computer based interlocking，CBI）、相鄰RBC、調(diào)度集中（centralized traffic control，CTC）等地面設(shè)備交互，獲取線路的地面狀態(tài)信息；通過(guò)GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與列控車(chē)載設(shè)備（即車(chē)載ATP）實(shí)時(shí)通信，獲取列車(chē)狀態(tài)信息；綜合車(chē)地信息計(jì)算出控車(chē)命令（行車(chē)許可/緊急命令等）并經(jīng)無(wú)線信道即時(shí)發(fā)送給列車(chē)，車(chē)載ATP根據(jù)所收到的命令控制列車(chē)安全運(yùn)行。

C4系統(tǒng)目前還處于研究中，其規(guī)劃也同樣基于尚處于研究中的E3系統(tǒng)而制定的。在規(guī)劃中，其控車(chē)方式與E2/C3系統(tǒng)的相似，車(chē)載ATP與RBC之間同樣采用車(chē)地雙向無(wú)線通信的方式交互信息。C4系統(tǒng)與E2/C3系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：

（1）軌旁不再配置占用檢測(cè)設(shè)備（如軌道電路、計(jì)軸等）；

（2）列車(chē)完整性由車(chē)載設(shè)備報(bào)告給地面；

（3）地面所發(fā)送的行車(chē)許可（movement authority，MA）采用移動(dòng)閉塞制式（C3為準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式，依然以閉塞分區(qū)或進(jìn)路為單位，實(shí)際屬于固定閉塞范疇）。

在C3系統(tǒng)中，RBC與外圍設(shè)備的連接關(guān)系如圖1所示[5]。圖中，臨時(shí)限速服務(wù)器TSRS是CTCS相對(duì)于ETCS系統(tǒng)增加的專(zhuān)有設(shè)備，用于作為CTC與RBC之間臨時(shí)限速命令的下達(dá)中介，管理和存儲(chǔ)CTC的臨時(shí)限速命令；而ETCS通常由RBC與CTC直接交互臨時(shí)限速命令。CSM與RBC維護(hù)單元連接，接收RBC所發(fā)的設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警信息，相關(guān)信息在RBC維護(hù)單元中也會(huì)被同時(shí)存儲(chǔ)。

圖1 C3級(jí)RBC與外圍設(shè)備的連接Fig.1 C3 RBC with peripheral equipments

C3級(jí)RBC的主要控車(chē)功能如下：

（1）與車(chē)載ATP之間無(wú)線通信會(huì)話的管理；

（2）接受車(chē)載ATP的注冊(cè)與注銷(xiāo)；

（3）MA的計(jì)算與發(fā)送；

（4）緊急命令的發(fā)送；

（5）車(chē)載ATP等級(jí)轉(zhuǎn)換的控制；

（6）臨時(shí)限速命令的發(fā)送；

（7）與相鄰RBC之間的列車(chē)移交；

（8）調(diào)車(chē)的允許與拒絕。

1.2 智能駕駛系統(tǒng)RBC

在重載鐵路智能駕駛系統(tǒng)中，RBC作為地面列控設(shè)備的中心地位不變，依然承擔(dān)著地面ATP的核心功能，與其所關(guān)聯(lián)的外圍設(shè)備接口如圖2所示。

圖2 重載鐵路智能駕駛系統(tǒng)RBC子系統(tǒng)與外圍設(shè)備的連接Fig.2 Heavy haul railway intelligent driving system RBC with the external equipments

與圖1所示C3級(jí)RBC相比，重載鐵路智能駕駛系統(tǒng)RBC存在如下不同：

（1）采用與ETCS系統(tǒng)通用的架構(gòu)，由調(diào)度系統(tǒng)直接與RBC交互，并發(fā)送臨時(shí)限速命令，RBC將臨時(shí)限速命令直接存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中，省去TSRS，從而降低了成本。

（2）出于成本考慮，暫時(shí)未對(duì)既有信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（centralized signal monitoring system，CSM）進(jìn)行升級(jí)改造，未增加與RBC的接口。由于CSM接入的是RBC的維護(hù)單元，相關(guān)信息都已經(jīng)存儲(chǔ)在維護(hù)單元中，因此即使沒(méi)有該接口，也不影響RBC的可維護(hù)性。將來(lái)若有需要，RBC可以很容易地增加該接口。

（3）車(chē)載設(shè)備采用LKJ-15C，其承擔(dān)了車(chē)載ATP的功能，并且由于LKJ本身就是CTCS-0級(jí)的防護(hù)系統(tǒng)，因此具備與CTCS-0級(jí)系統(tǒng)的兼容性。相比再增加一套車(chē)載ATP設(shè)備的架構(gòu)，其大幅度降低了成本。

（4）RBC通過(guò)4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（LTE/LTE-R）與車(chē)載LKJ-15進(jìn)行雙向無(wú)線通信，通信速率更高、通信容量更大。

（5）直接采用以太網(wǎng)接口，不再需要配置ISDN PRI卡與移動(dòng)交換中心連接，降低了設(shè)備成本。

以上的不同并不影響該RBC應(yīng)有的控車(chē)功能。與C3級(jí)RBC相比，除了既有的8項(xiàng)主要控車(chē)功能外，該RBC還增加了調(diào)車(chē)防護(hù)、閉塞制式配置等功能，使之更加符合重載鐵路的要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)與功能的改進(jìn)

基于重載貨運(yùn)鐵路的實(shí)際特點(diǎn)，本文從閉塞制式、等級(jí)轉(zhuǎn)換、列車(chē)定位、車(chē)地交互、RBC/RBC交權(quán)以及增加自定義信息等6個(gè)方面對(duì)RBC進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 閉塞制式

C3/E2系統(tǒng)僅支持準(zhǔn)移動(dòng)閉塞（仍屬于固定閉塞）制式，移動(dòng)閉塞功能按照規(guī)劃將由正在研究中的C4/E3系統(tǒng)提供，神朔鐵路智能駕駛系統(tǒng)第一階段也僅開(kāi)通固定閉塞功能。由于移動(dòng)閉塞對(duì)縮短追蹤間隔、提高運(yùn)輸能力具有積極的作用，因此在重載鐵路領(lǐng)域，部分項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)了移動(dòng)閉塞相關(guān)功能的試驗(yàn)。為此，本RBC預(yù)留了根據(jù)靜態(tài)配置數(shù)據(jù)確定是否使用移動(dòng)閉塞制式的功能。若配置邏輯為真，則支持移動(dòng)閉塞功能，MA的終點(diǎn)以前方列車(chē)的車(chē)尾（再后撤一個(gè)安全距離）作為目標(biāo)點(diǎn)；若配置邏輯為假，則仍然使用固定閉塞制式，所發(fā)送的MA以閉塞分區(qū)/進(jìn)路為組成單元。

2.2 等級(jí)轉(zhuǎn)換

在智能駕駛系統(tǒng)中，為列車(chē)定義了2個(gè)等級(jí)，即SSHTCS-3級(jí)和SSHTCS-0級(jí)。前者是所有系統(tǒng)正在工作工況下的等級(jí)，后者作為后備等級(jí)（控制方式與CTCS-0級(jí)的相似）。

在SSHTCS-3等級(jí)下，列車(chē)依據(jù)RBC所發(fā)送的MA運(yùn)行。與RBC無(wú)線通信斷開(kāi)后，智能駕駛系統(tǒng)降為SSHTCS-0級(jí)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)在人工模式下由司機(jī)負(fù)責(zé)行車(chē)安全，LKJ-15C限制列車(chē)在一個(gè)設(shè)定的低速下運(yùn)行；當(dāng)運(yùn)行至能看到下一個(gè)信號(hào)機(jī)后，再由司機(jī)手動(dòng)確認(rèn)轉(zhuǎn)為由LKJ-15C負(fù)責(zé)安全防護(hù)，按原有的三/四顯示固定閉塞制式行駛。當(dāng)無(wú)線通信重新建立并獲取到新的行車(chē)許可后，重新升級(jí)為SSHTCS-3級(jí)。

2.3 列車(chē)定位

列車(chē)的準(zhǔn)確定位是RBC控車(chē)的基礎(chǔ)，MA的計(jì)算和緊急命令的發(fā)送均基于列車(chē)當(dāng)前位置信息。

E2/C3系統(tǒng)采用應(yīng)答器作為標(biāo)準(zhǔn)定位設(shè)備，車(chē)載ATP讀取列車(chē)行駛過(guò)程中經(jīng)過(guò)的應(yīng)答器的數(shù)據(jù)并向RBC報(bào)告這些應(yīng)答器的ID和列車(chē)行駛方向、位置偏移等信息，從而使RBC能夠確定列車(chē)的位置和方向，是一種典型的點(diǎn)式定位方式。

若智能駕駛系統(tǒng)繼續(xù)采用應(yīng)答器定位，對(duì)于RBC，雖然可以使用成熟的定位算法來(lái)降低研發(fā)難度，但是由于需要在沿線安裝應(yīng)答器，增加了建設(shè)和維護(hù)成本。因此，系統(tǒng)僅在進(jìn)出站等極少數(shù)位置增加了應(yīng)答器；而對(duì)于線路的其余大部分區(qū)域，則采用虛擬應(yīng)答器的方式來(lái)解決定位問(wèn)題。

虛擬應(yīng)答器以基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）如GPS、北斗、GLONASS等的定位方式為基礎(chǔ)。當(dāng)前，無(wú)論是歐洲、美國(guó)還是中國(guó)，相關(guān)技術(shù)人員都在研究使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位列車(chē)的方法[6]以降低成本。智能駕駛系統(tǒng)在車(chē)載設(shè)備上增加衛(wèi)星定位裝置，并在地面股道數(shù)量多、站場(chǎng)布置復(fù)雜的地方加設(shè)地面差分定位基站以提高精度，通過(guò)預(yù)先測(cè)定線路的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，在運(yùn)行時(shí)根據(jù)列車(chē)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)來(lái)確定列車(chē)位置。RBC則需要預(yù)先在數(shù)據(jù)中配置各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的線路坐標(biāo)，當(dāng)收到LKJ-15C發(fā)的位置報(bào)告后，才能夠計(jì)算出列車(chē)在線路上的位置，從而以較低的成本解決列車(chē)定位問(wèn)題。

2.3.1 列車(chē)位置

使用真實(shí)應(yīng)答器時(shí)，列車(chē)位置采用經(jīng)過(guò)的應(yīng)答器加偏移的方式確定。由于安裝位置（須避開(kāi)信號(hào)機(jī)和道岔岔心等位置）和數(shù)量等相關(guān)要求，當(dāng)應(yīng)答器布置在道岔岔前時(shí)，列車(chē)經(jīng)過(guò)道岔后，其定位將出現(xiàn)歧義（圖3），即RBC將無(wú)法分辨列車(chē)究竟位于哪條股道。

圖3 列車(chē)定位歧義Fig.3 Ambiguous train position

由于采用了虛擬應(yīng)答器，應(yīng)答器的位置與數(shù)量將不再受到限制，因此本系統(tǒng)將所有信號(hào)機(jī)及岔心的位置均設(shè)置為虛擬應(yīng)答器所在，列車(chē)的位置報(bào)告也不再以單一應(yīng)答器為基準(zhǔn)，而同時(shí)以前后兩個(gè)虛擬應(yīng)答器為基準(zhǔn)確定其位置，即列車(chē)在位置報(bào)告中將向RBC同時(shí)指明當(dāng)前位置與前方應(yīng)答器及后方應(yīng)答器的距離。如圖4所示，用應(yīng)答器A和應(yīng)答器B可以確定列車(chē)1的位置，用應(yīng)答器A和應(yīng)答器C可以確定列車(chē)2的位置。采用該種定位方式，列車(chē)位置不再有歧義。

圖4 基于雙虛擬應(yīng)答器的列車(chē)定位Fig.4 Train location based on two virtual balises

2.3.2 列車(chē)方向

真實(shí)應(yīng)答器通常以應(yīng)答器組為單位進(jìn)行安裝（每組可包含多個(gè)應(yīng)答器），其根據(jù)列車(chē)經(jīng)過(guò)應(yīng)答器組中各應(yīng)答器的順序，可確定其相對(duì)于應(yīng)答器組的方向。而虛擬應(yīng)答器則無(wú)此功能，其采用結(jié)合多個(gè)位置報(bào)告的方式確定列車(chē)朝向：

（1）當(dāng)列車(chē)速度為0時(shí)，通過(guò)同一列車(chē)上的本務(wù)機(jī)車(chē)LKJ和非本務(wù)機(jī)車(chē)LKJ所報(bào)告的位置，可以確定列車(chē)的朝向（規(guī)定本務(wù)LKJ始終為當(dāng)前車(chē)頭所配置的LKJ）；

（2）當(dāng)列車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)列車(chē)前后兩次報(bào)告的位置的變化以及列車(chē)所報(bào)告的當(dāng)前是正向運(yùn)行還是反向運(yùn)行的信息，可確定列車(chē)的方向。

2.4 車(chē)地交互

“神華號(hào)”機(jī)車(chē)智能駕駛系統(tǒng)的車(chē)載ATP系統(tǒng)并非以E2/C3系統(tǒng)的車(chē)載ATP為基礎(chǔ)，而是采用LKJ-15C裝置作為車(chē)載ATP。新一代的LKJ裝置除了具備原有的CTCS-0級(jí)系統(tǒng)的功能之外，還增加了與車(chē)載北斗定位系統(tǒng)、車(chē)載調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)、ATO系統(tǒng)和AOM系統(tǒng)的接口；為了能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)地雙向無(wú)線通信，又增加了與RBC交互的功能。與C3系統(tǒng)相比，本智能駕駛系統(tǒng)的車(chē)地交互在無(wú)線通信制式、安全通信協(xié)議、MA、臨時(shí)限速等方面均有自己的特點(diǎn)，此外還增加了調(diào)車(chē)防護(hù)功能。

2.4.1 無(wú)線通信制式

由于E2/C3系統(tǒng)使用固定閉塞（準(zhǔn)移動(dòng)閉塞）制式，車(chē)地通信周期通常為6 s；而在移動(dòng)閉塞制式中，較長(zhǎng)的通信周期會(huì)使地面系統(tǒng)因無(wú)法及時(shí)獲取列車(chē)狀態(tài)信息而做出安全反應(yīng)，因此本智能駕駛系統(tǒng)采用城軌CBTC系統(tǒng)的通信頻率，每周期（300 ms）都進(jìn)行車(chē)地雙向通信。

在E2/C3系統(tǒng)中，RBC與車(chē)載ATP之間通過(guò)GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，該網(wǎng)絡(luò)屬于2G網(wǎng)絡(luò)，通信帶寬較低。與之相比，“神華號(hào)”機(jī)車(chē)智能駕駛系統(tǒng)由于要支持移動(dòng)閉塞以及調(diào)車(chē)防護(hù)功能，通信數(shù)據(jù)量大、通信頻率高，因此對(duì)車(chē)地之間的通信帶寬要求更高?；?G無(wú)線通信技術(shù)的LTE-R網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始作為鐵路專(zhuān)用通信制式在我國(guó)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，取得了良好的效果，因此本文選擇4G通信網(wǎng)作為車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。在還未部署LTE-R網(wǎng)絡(luò)的地方，可以先采用移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商所提供公共4G網(wǎng)絡(luò)（使用VPN的方式），但通信的可靠性會(huì)降低。

2.4.2 安全通信協(xié)議

E2/C3系統(tǒng)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn) Subset-037[7]規(guī)定的車(chē)地?zé)o線安全通信協(xié)議防范風(fēng)險(xiǎn)，其采用GSM-R的電路交換的通信制式，該協(xié)議僅支持車(chē)地之間建立一條通信通道，而沒(méi)有冗余。

本智能駕駛系統(tǒng)使用了4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。為了提高通信可靠性，減少列車(chē)降級(jí)可能，在車(chē)地之間同時(shí)建立兩條互為冗余的通信通道，并使用了符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)Subset-098[8]的 RSSP-II安全通信協(xié)議[9]以支持冗余通信。

2.4.3 行車(chē)許可

在E2/C3系統(tǒng)中，RBC向車(chē)載ATP發(fā)送MA時(shí)，不僅包括列車(chē)能繼續(xù)運(yùn)行的距離、臨時(shí)限速、模式曲線等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，還包括在許可范圍內(nèi)的全部靜態(tài)線路數(shù)據(jù)，如靜態(tài)限速、坡度、應(yīng)答器列表、軸重限速、黏著系數(shù)，甚至分相區(qū)、無(wú)線盲區(qū)、隧道停車(chē)區(qū)、禁停區(qū)、限界和牽引供電制式等信息。由于LKJ-15C自身已配置了所需的靜態(tài)線路數(shù)據(jù)，因此RBC發(fā)送MA時(shí)無(wú)需再向其發(fā)送靜態(tài)線路數(shù)據(jù)，從而節(jié)約了通信數(shù)據(jù)流量。

2.4.4 臨時(shí)限速

在C3/E2系統(tǒng)中，RBC僅向車(chē)載ATP發(fā)送MA范圍內(nèi)的臨時(shí)限速。由于C3系統(tǒng)采用了臨時(shí)限速服務(wù)器以同時(shí)向C3的RBC和C2的TCC下達(dá)臨時(shí)限速命令，即使列車(chē)從C3等級(jí)降為C2等級(jí)，依然能確保列車(chē)通過(guò)C2系統(tǒng)時(shí)能及時(shí)獲取最新的臨時(shí)限速（經(jīng)由有源應(yīng)答器）。

由于LKJ長(zhǎng)期應(yīng)用于既有線路，有自己的臨時(shí)限速命令接受方式，即一次性地將全部臨時(shí)限速命令寫(xiě)入存儲(chǔ)卡中供LKJ讀取。該方式的缺點(diǎn)在于列車(chē)運(yùn)行途中無(wú)法修改既有臨時(shí)限速（temporary speed restriction，TSR）命令。本智能駕駛系統(tǒng)增加了RBC，因此具備了采用無(wú)線通信方式實(shí)時(shí)發(fā)送TSR命令的基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)是命令可以隨時(shí)被修改，且不受存儲(chǔ)卡的讀寫(xiě)壽命限制。但若沿用C3系統(tǒng)的TSR命令發(fā)送方式，即僅發(fā)送MA范圍內(nèi)命令，一旦由于無(wú)線通信斷開(kāi)導(dǎo)致系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行，列車(chē)將無(wú)法獲得其前方的臨時(shí)限速，必然會(huì)導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，本RBC采用了新的命令發(fā)送方式，即在列車(chē)注冊(cè)時(shí)就把整個(gè)管轄范圍內(nèi)的全部限速下發(fā)給列車(chē)，以確保列車(chē)即使因無(wú)線通信斷開(kāi)而降級(jí)，也不會(huì)缺少后續(xù)行駛范圍的臨時(shí)限速。

為了保持兼容性和操作人員的習(xí)慣，系統(tǒng)沒(méi)有使用C3系統(tǒng)的命令格式，而是延續(xù)原LKJ所使用的命令格式。

在性能方面，C3系統(tǒng)要求能同時(shí)處理至少50個(gè)臨時(shí)限速；而本系統(tǒng)為了與原使用習(xí)慣相兼容，與既有LKJ一樣支持224個(gè)臨時(shí)限速。

2.4.5 調(diào)車(chē)防護(hù)

在C3系統(tǒng)中，RBC并不涉及具體調(diào)車(chē)功能，標(biāo)準(zhǔn)中所定義的調(diào)車(chē)功能，僅是針對(duì)列車(chē)轉(zhuǎn)入調(diào)車(chē)模式的申請(qǐng)進(jìn)行允許或拒絕。即當(dāng)列車(chē)申請(qǐng)調(diào)車(chē)時(shí)，RBC對(duì)列車(chē)當(dāng)前狀態(tài)做一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷，若列車(chē)處于調(diào)車(chē)區(qū)且車(chē)速為0，則允許調(diào)車(chē)；否則，拒絕。當(dāng)車(chē)載設(shè)備接收到調(diào)車(chē)允許之后，轉(zhuǎn)入調(diào)車(chē)模式，RBC將主動(dòng)注銷(xiāo)列車(chē)，不再干預(yù)調(diào)車(chē)。

對(duì)于重載貨運(yùn)鐵路，調(diào)車(chē)是系統(tǒng)的重要功能之一，若智能駕駛系統(tǒng)不能控制調(diào)車(chē)，則系統(tǒng)功能不完整。我國(guó)鐵路既有的調(diào)車(chē)防護(hù)功能由無(wú)線調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)與監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)[10]。該系統(tǒng)分為地面裝置和車(chē)載裝置兩部分，地面裝置通常使用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的方式向車(chē)載裝置發(fā)送調(diào)車(chē)防護(hù)信息，并接收車(chē)載裝置發(fā)送的機(jī)車(chē)狀態(tài)信息。調(diào)車(chē)防護(hù)信息中包括站場(chǎng)信號(hào)、區(qū)段狀態(tài)、進(jìn)路信息及調(diào)車(chē)作業(yè)單等。在本系統(tǒng)中，除調(diào)車(chē)作業(yè)單改由智能調(diào)度子系統(tǒng)下發(fā)外，其余信息均由RBC發(fā)送給車(chē)載調(diào)防裝置。車(chē)載調(diào)防系統(tǒng)根據(jù)收到的信息，完成調(diào)車(chē)防護(hù)功能，并將機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息發(fā)給智能調(diào)度子系統(tǒng)。使用智能駕駛系統(tǒng)，可以取消原調(diào)監(jiān)系統(tǒng)地面裝置以降低成本，同時(shí)由于RBC使用了安全通信協(xié)議，能更好地保障調(diào)車(chē)防護(hù)信息傳遞的安全性。

2.4.6 無(wú)線報(bào)文

C3系統(tǒng)需求規(guī)范中[3]規(guī)定了車(chē)地通信的無(wú)線消息與信息包，然而既有的無(wú)線報(bào)文僅能滿足我國(guó)高鐵既有C3列控系統(tǒng)的交互需求，對(duì)于本智能駕駛系統(tǒng)的一些特殊需求并無(wú)定義。針對(duì)擴(kuò)展需求，CTCS規(guī)范延續(xù)了ETCS標(biāo)準(zhǔn)的方式，在制定消息格式時(shí)已經(jīng)預(yù)留了拓展方法，本智能駕駛系統(tǒng)據(jù)此自定義了一部分信息包，如調(diào)車(chē)相關(guān)信息、重載列車(chē)數(shù)據(jù)信息等。

2.5 RBC/RBC交權(quán)

既有的C3系統(tǒng)的RBC所使用的列車(chē)交權(quán)方式與E2系統(tǒng)的相同[11-12]，目前僅能支持固定閉塞制式下的交權(quán)。當(dāng)配置為移動(dòng)閉塞制式后，需要傳遞更多的信息才能保證列車(chē)以移動(dòng)閉塞的方式不減速地越過(guò)RBC/RBC邊界。因此與車(chē)地?zé)o線報(bào)文一樣，本系統(tǒng)自定義了數(shù)個(gè)用于地地（相鄰RBC）之間交互的自定義信息包，用于傳遞交權(quán)列車(chē)頭尾篩狀態(tài)、交權(quán)邊界區(qū)段的占用狀態(tài)等信息。此外，部分自定義車(chē)地信息包也會(huì)應(yīng)用在交權(quán)過(guò)程，例如列車(chē)數(shù)據(jù)、調(diào)車(chē)防護(hù)信息等。

2.6 自定義信息

根據(jù)E2/C3的系統(tǒng)需求規(guī)范，編號(hào)為44的信息包Packet 44（簡(jiǎn)寫(xiě)為“P44”）專(zhuān)用于自定義信息包，以擴(kuò)展自定義功能。每個(gè)P44都有一個(gè)自身的編號(hào)NID_XUSER，其為一個(gè)9位的數(shù)字（二進(jìn)制），取值范圍從0到511。由于中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司已經(jīng)定義了數(shù)個(gè)自定義P44用于我國(guó)鐵路的一些專(zhuān)有功能，其編號(hào)從1開(kāi)始，為了避免沖突，本系統(tǒng)從127開(kāi)始定義。每個(gè)自定義信息包及其變量的格式定義均符合CTCS/ETCS標(biāo)準(zhǔn)的要求，這有利于未來(lái)該系統(tǒng)與CTCS系統(tǒng)的整合。

表1中，方向?yàn)椤暗亍?chē)”的信息包由RBC發(fā)送給LKJ，“車(chē)→地”的信息包由LKJ發(fā)送給RBC，“地→地”的信息包則是相鄰RBC之間互傳的信息。

表1 自定義信息包Tab.1 Custom packets

3 應(yīng)用

根據(jù)“神華號(hào)”機(jī)車(chē)智能駕駛系統(tǒng)對(duì)RBC的功能需求，本文共編制了541個(gè)測(cè)試用例，并在半實(shí)物仿真測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，相關(guān)功能均達(dá)到預(yù)期。

目前，本文所提出的RBC系統(tǒng)已應(yīng)用于“神華號(hào)”機(jī)車(chē)智能駕駛系統(tǒng)并已在神朔鐵路開(kāi)通了第一階段功能，即系統(tǒng)使用固定閉塞方式并具備調(diào)車(chē)防護(hù)功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，智能駕駛系統(tǒng)的控車(chē)率超過(guò)90%，不僅在減少能耗、降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度等方面發(fā)揮了作用，同時(shí)重載列車(chē)的平均運(yùn)營(yíng)速度提高了4～5 km/h（經(jīng)換算每日可多開(kāi)行5～6列萬(wàn)噸重載列車(chē)）[13]，顯著提升了運(yùn)營(yíng)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在既有CTCS-3級(jí)RBC的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)重載鐵路的特點(diǎn)，針對(duì)車(chē)地?zé)o線通信、安全通信協(xié)議、臨時(shí)限速、行車(chē)許可、調(diào)車(chē)防護(hù)、列車(chē)定位、閉塞制式配置等功能進(jìn)行了改進(jìn)或增加，使RBC能夠適用于重載貨運(yùn)鐵路，為重載智能機(jī)車(chē)駕駛系統(tǒng)提供列車(chē)安全防護(hù)。

由于重載鐵路使用移動(dòng)閉塞以進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)效率是未來(lái)的發(fā)展方向，后續(xù)將對(duì)機(jī)車(chē)智能駕駛系統(tǒng)的地面和車(chē)載設(shè)備進(jìn)行全面升級(jí)以支持該功能，而本文所提出的無(wú)線閉塞中心已經(jīng)具備了相關(guān)功能，僅需修改相關(guān)的配置數(shù)據(jù)和與外接設(shè)備的接口協(xié)議就可以支持系統(tǒng)的升級(jí)[14]。