基于互聯(lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)分析

張 輝

(蘭州市軌道交通有限公司,730030,蘭州∥高級工程師)

發(fā)改基礎(chǔ)[2017]1173號《關(guān)于促進市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》對市域(郊)鐵路的定義為:是城市中心城區(qū)連接周邊城鎮(zhèn)組團及其城鎮(zhèn)組團之間的通勤化、快速度、大運量的軌道交通系統(tǒng),提供城市公共交通服務(wù),是城市綜合交通體系的重要組成部分。國辦函[2020]116號《關(guān)于推動都市圈市域(郊)鐵路加快發(fā)展的意見》(以下簡稱《意見》)科學(xué)把握了現(xiàn)代化都市圈和市域(郊)鐵路發(fā)展規(guī)律,充分結(jié)合我國都市圈市域(郊)鐵路發(fā)展的實際和需求,從支撐引領(lǐng)現(xiàn)代化都市圈發(fā)展高度,提出市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)思想、基本原則等,對市域(郊)鐵路的規(guī)劃管理、建設(shè)實施、投融資創(chuàng)新、運營管理、發(fā)展機制等方面做出全面布署,具有很強的針對性和指導(dǎo)性,是促進都市圈市域(郊)鐵路發(fā)展的基本綱領(lǐng)性文件。

因此,市域(郊)鐵路建設(shè)應(yīng)充分考慮如何實現(xiàn)與既有干線線路、城際鐵路、城市軌道交通的一體化融合發(fā)展需求,即在特定線路、特定位置實現(xiàn)新建市域(郊)鐵路與既有干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的互聯(lián)互通運營。上述需求涵蓋線路、供電、車輛、土建等諸多專業(yè),其中最重要的環(huán)節(jié)是負責(zé)行車安全指揮的信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通。研究與開發(fā)應(yīng)用于市域(郊)鐵路互聯(lián)互通的信號系統(tǒng),使其既要實現(xiàn)與國鐵CTCS(中國列車控制系統(tǒng))系統(tǒng)的兼容,又要滿足與城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的雙重互聯(lián)互通運營需求。

1 基于互聯(lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)特性

市域(郊)鐵路對連接新城及新市鎮(zhèn)、減輕城市交通壓力、構(gòu)建便捷出行鏈起著紐帶作用,具有網(wǎng)絡(luò)化、高密度、公交化、通勤化的服務(wù)特性,因此基于互聯(lián)互通需求的信號系統(tǒng)具有如下技術(shù)特性:

1) 列車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化:①網(wǎng)內(nèi)互通。信號系統(tǒng)滿足市域(郊)鐵路線網(wǎng)內(nèi)跨線和共線運行。②網(wǎng)際互通。滿足與干線鐵路、城際鐵路及城市軌道交通的互通運行,車載和軌旁設(shè)備支持多制式配置。為實現(xiàn)上述技術(shù)目標,所采取的技術(shù)路線為:①市域(郊)鐵路新線及延伸線接入。車-地通信、地-地通信等接口標準化。②電子地圖。如應(yīng)用電子地圖技術(shù),電子地圖格式則應(yīng)標準化,并且應(yīng)實現(xiàn)動態(tài)加載。

2) 調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化:需要實現(xiàn)市域(郊)鐵路調(diào)度系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理、網(wǎng)絡(luò)化編圖、區(qū)域化調(diào)整、按線區(qū)域調(diào)度、與既有調(diào)度中心信息互通等功能,同時通過該調(diào)度系統(tǒng)能夠調(diào)度指揮不同信號系統(tǒng)制式列車。市域(郊)鐵路調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理與接口示意圖如圖1所示。

圖1 市域(郊)鐵路調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理與接口示意圖

3) 線路運營公交化:①通勤化。滿足站臺候車、同站臺短距離換乘需求。②高密度。實現(xiàn)最小行車追蹤間隔2.5 min,甚至滿足更短追蹤間隔需求。③快速度。支持最高160～200 km/h的運營速度,具有高速下全自動/司機輔助駕駛功能。④自動化。滿足GoA2(半自動化列車運行)自動化等級及以上需求,需要具備端站無人自動折返功能。⑤智能化。滿足多制式列車控制系統(tǒng)之間自適應(yīng)切換、多專業(yè)融合的智能調(diào)度、系統(tǒng)降級情況下自動聯(lián)動的應(yīng)急響應(yīng)等。

2 基于互聯(lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

考慮到市域(郊)鐵路公交化及網(wǎng)絡(luò)化的運營需求,市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)需要按照特定線路在線網(wǎng)中的具體位置及需求靈活配置,既要支持高密度、公交化的運營,也要實現(xiàn)與干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的互聯(lián)互通。這就需要市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)可以同時兼容城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)及干線鐵路/城際鐵路CTCS-2(中國列車控制系統(tǒng)第二級)信號系統(tǒng)。

從技術(shù)路線來說,在地面設(shè)置雙套系統(tǒng)共管區(qū)域,用于兩套系統(tǒng)之間的過渡;在跨線列車上設(shè)置雙套獨立或融合型CTCS/CBTC車載設(shè)備,用于跨線運營。

2.1 地面共管區(qū)域設(shè)備架構(gòu)

地面共管區(qū)域設(shè)備按功能劃分應(yīng)包括控制中心行車指揮系統(tǒng)、車站行車指揮系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖、TCC(列車控制中心)、TSRS(臨時限速服務(wù)器)、CCS(通信控制服務(wù)器)(可選)、LEU(軌旁電子單元)、有源及無源應(yīng)答器、軌道電路、計軸、ZC(區(qū)域控制器)、DSU(線路數(shù)據(jù)服務(wù)器)、GSM-R(車地?zé)o線通信系統(tǒng))、LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))等。在共管區(qū),聯(lián)鎖應(yīng)合并設(shè)置,CTCS線路應(yīng)統(tǒng)一采用軌道電路作為軌道占用檢測設(shè)備,CBTC線路部分應(yīng)統(tǒng)一采用計軸作為軌道占用檢測設(shè)備;軌道區(qū)段劃分應(yīng)遵循統(tǒng)一設(shè)計原則,并分別與聯(lián)鎖及TCC接口。

共線區(qū)域長度設(shè)置需要結(jié)合線路運營實際需求,考慮列車運行速度、車輛參數(shù)、土建參數(shù)、制動距離、切換區(qū)車地通信呼叫時間等信息,在項目實施階段進行詳細計算,以滿足停車和不停車兩種切換場景。共線區(qū)域應(yīng)答器布置需考慮CBTC及CTCS兩種制式需求。若車載設(shè)備采用獨立設(shè)計方式,應(yīng)答器設(shè)置應(yīng)保持系統(tǒng)間的相互獨立,具體需求包含ATO(列車自動運行)站臺精確停車,以及CTCS獲取線路數(shù)據(jù)、載頻信息、CCS ID(通信控制服務(wù)器編號)等,同時需要考慮CBTC車載定位冗余,且需考慮列車雙向運行需求等。若車載設(shè)備采用融合設(shè)計方式,則應(yīng)答器宜合并設(shè)置?；诨ヂ?lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)地面共管區(qū)域設(shè)備架構(gòu)如圖2所示。

2.2 車載設(shè)備架構(gòu)

車載設(shè)備可采用CTCS-2+ATO與CBTC兩種制式獨立設(shè)置的車載設(shè)備,通過增加雙制式切換裝置實現(xiàn)與車輛接口的自適配,亦可采用CTCS-2+ATO與CBTC兩種制式融合的車載設(shè)備,綜合實現(xiàn)制式選擇與車輛接口。不同車載設(shè)備構(gòu)架下CBTC及CTCS-2+ATO的駕駛模式如表1所示。

表1 不同車載設(shè)備構(gòu)架下CBTC及CTCS-2+ATO的駕駛模式

車載設(shè)備與車輛接口包含硬線和網(wǎng)絡(luò)兩部分,硬線可以分為干接點接口和電平接口兩種方式,TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)接口采用實時以太網(wǎng)TRDP(列車以太網(wǎng)通信協(xié)議)或MVB(多功能車輛總線)。車載設(shè)備DMI(司機人機界面)可以分屏設(shè)置,也可以合并設(shè)置,通過模式選擇自動切換。乘務(wù)人員根據(jù)當天運營計劃,可通過CTCS-2車載DMI顯示屏幕將列車長度、載頻信息、司機號、車次號輸入車載設(shè)備,且車載設(shè)備應(yīng)記憶上述信息,用于制式切換時使用;切換區(qū)CCS ID及載頻信息也可放入切換區(qū)域應(yīng)答器中,用于實現(xiàn)制式自動切換。

兩種制式切換裝置僅可在停車時為可用,且在停車后帶有強制切換屬性,即切換時不需要檢查來自另一制式車載是否允許切換的條件。非停車狀態(tài)下,主控車載應(yīng)不響應(yīng)CBTC與CTCS的相互切換。當制式切換裝置處于自動位時,應(yīng)支持不停車切換,切換前需要車載設(shè)備確認當前運行狀態(tài)下是否允許切換。

日間正常運營過程中,在跨線運營的接駁車站,車載設(shè)備應(yīng)保證在當前制式下控制車門開關(guān)及站臺門聯(lián)動,待乘客換乘完成、車門及安全門正常關(guān)閉后,再進行自動或人工制式轉(zhuǎn)換,避免由于制式轉(zhuǎn)換故障影響乘客換乘。

采用雙套獨立的車載設(shè)備,兩套系統(tǒng)邊界比較清晰,便于當前工程實施的邊界劃分,滿足合規(guī)性需求。然而,兩套車載設(shè)備體積過于龐大,接口之間切換復(fù)雜,車體外掛設(shè)備多,因此應(yīng)研發(fā)融合型車載設(shè)備,滿足市域(郊)鐵路列車跨線運營需求。市域(郊)鐵路融合型車載設(shè)備與車輛接口如圖3所示。

圖3 市域(郊)鐵路融合型車載設(shè)備與車輛接口

2.3 跨線運營場景

列車從CTCS-2+ATO線路進入CBTC線路的運營場景如圖4所示。

圖4 列車從CTCS-2+ATO線路進入CBTC線路運營場景

1) 列車進入共管區(qū)后,車載設(shè)備仍按CTCS-2軌旁設(shè)備提供的行車許可信息運行,在經(jīng)過2個CBTC應(yīng)答器定位后,向CBTC軌旁設(shè)備ZC進行注冊。

2) 注冊成功后,CBTC軌旁設(shè)備ZC為列車計算移動授權(quán)。

3) 當列車運行到共管區(qū)軌道電路(計軸)邊界點前方設(shè)定距離時,完成列車頭部動態(tài)篩選,融合型車載設(shè)備內(nèi)部CBTC-CM(CBTC人工駕駛模式)模式自動建立,但并不控制列車,列車控制仍然由CTCS-2+ATO車載設(shè)備或模塊執(zhí)行。

4) CTCS-2+ATO車載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點處向司機提示制式轉(zhuǎn)換,同時激活CBTC制式下的DMI(如分設(shè)),由系統(tǒng)自動確認,或由司機進行人工確認。

5) 車載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換執(zhí)行點處自動轉(zhuǎn)換為CBTC制式,駕駛模式維持同等級模式,即CTCS-2-ATO模式自動轉(zhuǎn)換為CBTC-ATO模式,CTCS-2-FS人工駕駛模式自動轉(zhuǎn)換為CBTC-CM模式。

6) 轉(zhuǎn)換為CBTC制式后,車載設(shè)備通過當前制模式下的DMI向司機提示轉(zhuǎn)換成功,列車不停車從共管區(qū)進入CBTC線路。

7) 如轉(zhuǎn)換不成功,車載設(shè)備在CTCS-2+ATO制式下的DMI上向司機提示轉(zhuǎn)換失敗原因并報警,列車按常用制動停在線路制式轉(zhuǎn)換邊界外方入口信號機前。

列車從CBTC線路進入CTCS-2+ATO線路運營場景如圖5所示。

圖5 列車從CBTC線路進入CTCS-2+ATO線路運營場景

1) 列車進入共管區(qū)后,車載設(shè)備按CBTC軌旁設(shè)備ZC提供的移動授權(quán)運行,并從應(yīng)答器獲取線路數(shù)據(jù)和臨時限速,從軌道電路獲取行車許可信息,實時計算CTCS-2級列車運行曲線。

2) CBTC車載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點處,通過CBTC制式下的DMI向司機提示制式轉(zhuǎn)換,同時激活CTCS-2+ATO制式下的DMI(如分設(shè)),系統(tǒng)自動或由司機進行確認。

3) 車載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換執(zhí)行點處自動轉(zhuǎn)換為CTCS-2制式,駕駛模式維持同等級模式,即CBTC-ATO模式自動轉(zhuǎn)換為CTCS-2-ATO模式,CBTC-CM人工駕駛模式自動轉(zhuǎn)換為CTCS-2-FS人工駕駛模式。

4) 轉(zhuǎn)換為CTCS-2等級后,車載設(shè)備通過當前制式下的DMI向司機提示轉(zhuǎn)換成功,列車從共管區(qū)不停車進入CTCS-2線路。

5) 如轉(zhuǎn)換不成功,車載設(shè)備在CBTC制式下的DMI上向司機提示轉(zhuǎn)換失敗原因并報警,列車按常用制動停在制式轉(zhuǎn)換邊界外方入口信號機前。

采用雙制式車載設(shè)備的運營場景如下:

1) 正常情況下,CBTC的車載設(shè)備、CTCS的車載設(shè)備同時熱備工作,且同時采集車輛相關(guān)輸入信息,但同一時刻只有主用模式的車載設(shè)備與車輛接口實現(xiàn)輸出,兩種車載設(shè)備通過安全接口實現(xiàn)與車輛的輸出通道的切換。

2) 兩種列車控制制式切換預(yù)告、制式切換結(jié)果、切換失敗原因等信息應(yīng)在主控制式下的DMI上進行顯示,并給出語音提示或報警。

3) 在共線運行區(qū)域或跨線區(qū)域,行車指揮系統(tǒng)通過不同信息傳輸路徑,同時給兩套車載設(shè)備發(fā)送運行任務(wù),兩套車載ATO同時接收運行任務(wù)。制式切換后,主控車載的ATO可以利用之前接收的運行任務(wù)繼續(xù)控車運行。

4) 當制式切換裝置處于自動位時,兩套車載設(shè)備之間應(yīng)通過硬線或?qū)崟r通信方式交互切換請求與切換應(yīng)答、控制制式切換過程。當CBTC車載設(shè)備與CTCS2+ATO車載設(shè)備間通信中斷,或切換過程中發(fā)生任何切換失敗,或設(shè)備故障時,主控車載設(shè)備將保持切換前的制式繼續(xù)控車,直到到達當前制式下切換區(qū)終點邊界后正常停車,等待人工處理。

3 結(jié)語

從國家層面看,研究與實現(xiàn)面向多層次軌道交通的市域(郊)鐵路信號系統(tǒng),滿足市域(郊)鐵路“四網(wǎng)融合”背景下的網(wǎng)絡(luò)化運營需求是時代的需要,也是行業(yè)發(fā)展的機遇。

為了滿足市域(郊)鐵路兼容制式的信號系統(tǒng)的開發(fā)、工程化應(yīng)用、實際工程項目建設(shè)及合規(guī)性需求,需要盡快建立市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)行業(yè)規(guī)范體系。通過規(guī)范的制定與推行,使得市域(郊)鐵路兼容制式信號系統(tǒng)規(guī)范化、合法化、統(tǒng)一化,最終為實現(xiàn)真正意義上 “四網(wǎng)融合”的目標奠定基礎(chǔ)。這就需要行業(yè)主管部門、市域(郊)鐵路建設(shè)公司、設(shè)計院、信號系統(tǒng)廠家等在實際的工程項目中不斷凝練需求,制定地方標準乃至行業(yè)標準,進而形成覆蓋市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)產(chǎn)品需求、設(shè)計、接口、測試及驗證、驗收及安全評估的標準體系。通過產(chǎn)品研發(fā)與迭代實現(xiàn)市域(郊)鐵路互聯(lián)互通新功能,滿足新需求,從而更好地服務(wù)于市域(郊)鐵路互聯(lián)互通建設(shè)。