莞惠城際鐵路信號系統集成技術

王 勇

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 項目概述

1.1 工程概況

莞惠城際鐵路自道滘站至小金口站，正線全長99.841 km。共設置道滘站、西平西站、東城南站、寮步站、松山湖北站、大朗鎮站、常平南站、常平東站、樟木頭東站、銀屏站、瀝林北站、仲愷站、惠環站、龍豐站、西湖東站、云山站、小金口站等17 座車站，其中地下站10 座、地面站1 座、高架站6 座；設置惠州北動車運用所1 座；以上車站共有7 個有岔站，11 個無配線站，其中2 個無配線站兼信號中繼站。小金口站設置綜合維修車間1 處，瀝林北站設置綜合維修工區1 處，各有岔站設置值班工區。

在下穿東江水域的西湖東站大里程端及西湖東站至云山站間區間各設置防淹門1 處。地下站采用屏蔽門，地面站和高架站采用安全門。設到發線車站滿足8 輛和諧號動車組編組停站條件，到發線有效長400 m；各車站站臺長度均為210 m。

1.2 系統集成

北京全路通信信號研究設計院集團有限公司作為本項目科研開發和集成實施的主承擔單位，牽頭完成城際鐵路 CTCS2+ATO 列控系統總體方案編制、產品和接口規范制定、地面設備CCS 和車載車載自動駕駛設備（ATO） 設備研發（含安全認證）、實驗室仿真測試、互聯互通測試、室內專家組測試、試驗段現場實車試驗、組織第三方驗證測試、集成實施等全過程（“前期需求—科研開發—現場試驗—系統集成實施”）的工作，如表1 所示。

表1 系統集成全過程工作Tab.1 The whole process of system integration

2 技術方案

莞惠城際鐵路信號系統由行車調度指揮系統、列控系統、聯鎖系統、信號集中監測系統、電源系統等子系統組成，其中列控系統采用CTCS2+ATO列控技術，滿足200 km/h 動車組和跨線動車組在本線雙線雙方向運行的需求，具備列車超速防護、列車自動運行調整、列車自動駕駛、站臺精確定位停車、車門/站臺門防護及聯動控制、折返作業、防淹門、站臺緊急關閉防護、列車運行節能控制等功能。

2.1 行車調度指揮系統

莞惠城際鐵路采用調度集中系統（CTC），全線各車站和區間納入在中國鐵路廣州局集團公司調度中心設置的珠三角城際鐵路調度指揮中心管轄，本工程僅設置莞惠城際調度臺。

在各個有岔站設置CTC 車站站機，在無配線車站綜合監控室設置CTC 車務終端。

CTC 系統滿足《分散自律調度集中系統（CTC）技術條件》相關要求外，還應具備運行時刻自動調整、對大站停列車和站站停列車分別管理、運行計劃自動觸發折返進路、調度臺界面增加ATO功能顯示信息（站臺門狀態、區間運行時分、站停時分、緊急關閉狀態、運行計劃設置、防淹門和人防門靜態位置等相關信息）。

2.2 列車運行控制系統

莞惠城際鐵路采用CTCS2+ATO 列控系統，地面設備配置兼容CTCS-2 級列控系統，與CTCS-2級列控系統相關的地面設備設置方式維持不變。在此基礎上，設置車載ATO 設備實現列車自動駕駛，在車載設備處于完全監控模式（FS）時才允許轉入自動駕駛模式（AM）；列控中心（TCC）接收通信控制服務器（CCS）控制命令，輸出站臺門的控制動作，并具備對防淹門、站臺門、緊急關閉相關的采集接口，實現緊急情況下的應急處理等功能；地面設置精確定位應答器（JD）實現列車精確定位；設置CCS 實現站臺門控制和運行計劃處理，并接安全數據網中實現與TCC 數據交互。列控系統采用GSM-R 網絡電路交換數據業務實現ATO 車地雙向通信。車載設備不具備ATO 功能使用條件時，列車可在ATP 車載設備安全監控下運行。

在有岔站和無配線車站（兼中繼站）分別新設TCC，其余無配線車站不設置；對應莞惠調度臺設置1 套臨時限速服務器（TSRS）和CCS，并在調度中心設置CTC-TSRS 接口服務器和CTC-CCS 接口服務器；各車站設置安全數據網設備，接入設備包括：TCC、CBI、TSRS、CCS，并設置EMS 網管服務器；在維持CTCS-2 列控系統應答器布置原則的基礎上，在車站到發線股道上設置5 組精確定位應答器，定位應答器組均由單應答器組成，新增的應答器在滿足ATO 系統要求的前提下不影響CTCS-2 級列控系統的運行。

2.3 計算機聯鎖系統

在有岔站設置二乘二取二型計算機聯鎖設備；無配線站不設計算機聯鎖設備，其信號聯鎖邏輯關系，由鄰近的有岔站的聯鎖設備完成。無配線車站的進站信號機和出站信號機并置。

計算機聯鎖除滿足《計算機聯鎖技術條件》系統功能外，還應具備對防淹門、站臺門、緊急關閉相關的采集接口。站臺門未鎖閉時，聯鎖不允許對應進站、出站信號開放；緊急關閉按鈕按下時，聯鎖應立即關閉對應的進站、出站信號；防淹門關閉時，防淹門相鄰車站的聯鎖應禁止開放相應的出站信號。

2.4 其他信號系統

在惠州北運用所區域監測中心新設監測系統總機設備，滿足珠三角地區城際鐵路規劃整體布局和運維、容量的要求，各有岔站和無配線車站（兼中繼站）分別新設信號集中監測站機，各有岔站工區、維修工區和維修車間設置監測終端設備。信號集中監測系統應增加對CCS、防淹門、站臺門、緊急關閉等相關信息的監測。

各有岔站和無配線車站（兼做中繼站）分別新設智能電源屏，配置雙套大容量UPS；其余無配線車站CTC 車務終端電源采用綜合監控室墻面插座電源，并配置單套UPS。供給計算機聯鎖、列控中心（含安全數據網）、CTC 站機等的電源屏模塊冗余設置。

3 創新成果

1）通過高速鐵路CTCS 技術與城市軌道交通CBTC 技術的融合，形成城際鐵路列控系統高安全性、高智能化和綜合自動化的集成創新

CTCS2+ATO 列控系統是以我國高速鐵路CTCS-2 級列控系統為基礎，通過借鑒CTCS-3 級列控系統車地無線安全通信技術并融合城市軌道交通CBTC 系統自動駕駛相關技術進行集成創新的城際鐵路列控系統。

在CTCS-2 級列控系統基礎上通過對既有設備的適配修改，并新增地面CCS 和ATO 實現列車自動駕駛、車門自動控制、車門與站臺門聯動控制、運行計劃管理等相關功能，是具有高安全性、高可靠性、高智能化和綜合自動化的適用于速度200 km/h 及以下城際鐵路并滿足高速鐵路與城際鐵路混合運輸模式的列車運行控制系統。

2）首次完整確立了運營速度200 km/h 的高鐵CTCS 列控系統增加ATO 功能的技術標準和技術體系，形成CTCS 列控系統的制式創新

CTCS2+ATO 列控系統的研發和應用實現了CTCS-2 級列控系統增加ATO 功能，形成了配套的總體規范、設備及接口規范、測試規范和實施方案等體系文件，在國際上首次完整確立了適用于運行速度200 km/h 的列控系統增加ATO 功能的技術體系和相關標準，并為后續速度300 km/h 的CTCS-3 級列控系統增加ATO 功能奠定了良好的技術基礎，如表2 所示。

3）首次基于GSM-R 車地通信技術及信號安全數據網，實現站臺門集中安全管理及車地門聯動的安全控制

CTCS2+ATO 列控系統中的CCS，是基于GSM-R 進行車地安全通信，并通過信號安全數據網實現對站臺門的集中安全控制和車地門聯動的安全控制。

表2 CTCS2+ATO列控系統標準體系文件Tab.2 Standard system documents of CTCS2+ATO system

通信控制服務器設備采用二乘二取二安全冗余結構，安全完整度等級達到SIL4 級，采用了具有獨立一致性校驗和拒絕機制的二取二安全冗余技術，系內二取二比較由主、從兩個CPU 進行，相互獨立的兩個 CPU 采用不對稱的方式在任務級的協調機制下同步運行，各自分別對運算結果的一致性進行比較及安全性處理。

通信控制服務器設備采用標準的RSSP-II 安全通信協議，與CTC、TCC、ATP 等其他信號核心安全系統實現安全數據傳輸；在系統內部各層次的通信中普遍采用了傳輸數據安全側編碼、時間戳校驗、雙地址碼校驗、持續重復發送和信源編碼等安全信息傳輸技術，并嚴格遵循檢錯而不糾錯的原則，任何檢出的異常都將導致傳輸數據被置為安全側。

4）解決了200 km/h 動車組的自動駕駛問題，在國際及國內尚屬首次

CTCS2+ATO 列控系統中的ATO，安全完整度等級達到SIL2 級，實現了適應速度200 km/h 高速動車組運行等級動態調整與控車算法和平滑的控制策略。

城軌列車最高運營速度一般不超過80 km/h，部分線路可達到100 ～120 km/h，大部分列車在全速度區間的制動性能較好，列車動力學制動性能較簡單，線性度很好；城際動車組最高運營速度可達到200 km/h，列車動力學性能更復雜。ATO 設備在適應更復雜的城際列車時，需匹配動車組的牽引/制動特性，并根據線路坡度優化ATO 控車算法，實現城際動車組的自動駕駛控制。適用于城際動車組的ATO 控制算法具有很強的魯棒性與自適應能力，能夠大幅度適應車輛由老化原因以及長時間運營引起的動力學性能變化，大幅度減少后期維護量。

5）建立基于應答器+傳感器的列車精確定位模型，解決了與干線鐵路互通運行條件下的精確定位停車問題

提出基于精確定位應答器組自主校正算法的列車高精定位技術，優化應答器位置判斷機制，提高應答器接收位置的準確性，并通過速度傳感器和雷達的數據融合，提高列車運行精確定位停車的精度，滿足城際鐵路±35 cm 的站停誤差的要求。

莞惠城際正式開通運營以來，動車組列車精確停站率（±35 cm 停車窗口）達到100%。

6）提出設備層互聯互通測試方法，解決了城際鐵路各廠家實驗室和現場互聯互通測試問題

首次制訂的《城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統測試大綱》（科技運函[2014]101 號），成為指導城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統測試的重要規范文件，根據不同的系統需求和運營場景，并編制全套測試序列。

針對實驗室互聯互通測試，通過網絡接口方式，實現每個廠家的車載設備和地面設備異地部署的互聯互通測試；針對現場互聯互通測試，結合現場施工進度、動車組生產情況及現場試驗內容等制約條件，創造性地提出了不同廠家的車載設備在動車組兩端差異配置，不同廠家的地面CCS 設備分時設置、TCC 設備分站設置的試驗方案，在完成城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統功能測試的基礎上，同步完成設備層面的互聯互通測試，這在國內多廠家信號系統綜合試驗方面屬于首創，極大地提高了測試的效率，確保莞惠城際如期開通。

7）建立了符合城際鐵路信號系統的測試仿真平臺和測試體系

城際鐵路信號系統屬于復雜分布式控制系統，測試仿真平臺采用半實物仿真測試技術進行實現及優化。測試仿真平臺根據功能及接口分類將整個測試平臺進行組合和層次劃分，按“半實物仿真運行系統”、“綜合監控系統”和“綜合測評系統”3 層的系統結構進行設計和集成，在此基礎上建設測試仿真平臺。

8）國際上首次實現了速度200 km/h 城際動車組增加ATO 功能的商業應用

莞惠城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統已于2016 年3 月30 日開通運營，國際上首次實現了速度200 km/h 動車組列車自動駕駛、車站定點停車、運行計劃自動調整、車門及站臺門安全防護及聯動控制以及列車節能運行的商業應用。

4 結束語

城際鐵路主要服務于相鄰城市間或城市群，是新興的軌道交通運輸方式和我國鐵路建設的重要方向。本項目形成的各種規范和系統集成實施方案，更是為城際鐵路信號系統的建設統一了技術規范和工程標準。莞惠城際是國內首次應用CTCS2+ATO系統制式的城際鐵路，對今后珠三角地區城際鐵路建設具有示范和影響意義，也為國內城際鐵路信號系統建設和發展提供了指導意義，更是國內高速鐵路走向自動駕駛的一次飛躍，從而實現高速鐵路的綜合自動化和智能化。