國產冗余型ITCS- RBC 中北斗應用方案研究

蔣紅軍 韓 濤

（卡斯柯信號有限公司，北京100160）

1 青藏鐵路ITCS 系統概述

1.1 概述

青藏鐵路采用ITCS 增強型列車控制系統（以下簡稱ITCS系統）作為列車控制的信號系統。ITCS 系統是以車載系統為中心，軌旁設備一體化的信號系統。車地通信基于無線傳輸，應用GPS 技術完成衛星定位，軌旁不設軌道電路計軸等次級檢測設備以降低技術要求和維修需求。軌旁設備（RBC、VHLC）完成列車集成虛擬自動閉塞、站級聯鎖控制。青藏鐵路使用雙向通信的GSM-R 無線技術，以車載為主體系統完成移動授權計算，超速防護控制于一體的列車控制系統。通過實時監測系統運行、提供預警及報警信息、超速防護觸發（或者需求時）列車實施緊急、常用制動等手段，保障青藏線行車安全。

青藏鐵路既有ITCS 系統的架構如圖1 所示。

圖1 青藏鐵路既有ITCS 系統架構

以設備位置進行劃分，ITCS 系統可以分為4 個子系統。

（1）中心系統：中心設置調度系統。（2）軌旁系統：軌旁系統針對始發站和普通站略有差別，在始發站中，增設始發站RBC，提供發車測試及地圖下載功能。軌旁系統主要包括安全邏輯控制器VHLC、無線閉塞中心RBC，以及用于衛星定位的軌旁GPS差分站。經GSM-R 無線通信連接軌旁和車載，將本RBC 管轄范圍內安全控制點信號狀態發送給車載系統以及接收列車報告的位置信息。（3）車載系統：車載系統包含車載主機、速度傳感器、GMS-R 電臺以及列尾設備EOT。車載系統采用卡爾曼濾波算法使用衛星定位的GPS 信息（經差分信息提升精度）、速傳信息完成列車安全定位。根據軌旁RBC 發送的軌旁安全點信號狀態，完成安全移動授權計算，使用連續制動曲線完成列車超速防護，車載會提供司機相應預警信息。GPS 授時也在系統中應用。（4）通信網絡：分為有線通信和無線通信，無線通信采用GSM-R系統（包括軌旁移動業務交換中心MSC 設備和沿線設置的BTS等設備），主要服務于車地列控信息傳遞。

1.2 存在問題及影響

1.2.1 硬件單套軌旁子系統。軌旁RBC、VHLC 硬件目前均為單套配置，單點故障會導致該站點RBC、VHLC 系統無法正常工作。1.2.2 唯一的衛星定位系統。ITCS 采用GPS 作為衛星定位和授時系統，存在特定條件下系統限制應用的情況，極端情況下會導致ITCS 系統無法使用，影響青藏鐵路正常運輸秩序及運輸安全。1.2.3 網絡非冗余通信系統。由于既有ITCS 系統中軌旁和車載系統全部為單套設計，軌旁RBC 與ITCS WAN 局域網的通信鏈路為單通道，因此VHLC 設備、GPS 設備須通過串口/以太網轉換器連接，增加了網絡連接的復雜度，通信通道故障直接影響系統的服務可用性。國產冗余型ITCS-RBC 支持冗余網絡，其可以直接接入同步改造完成的冗余網絡（由通信專業提供冗余數據通道）完成系統級網絡冗余能力提升。由于通信系統是外部提供，針對3）問題不在此文中詳細展開。以格拉段“扎加藏布-托居”區間為例，正常按虛擬自動閉塞分區追蹤運行，如ITCS-RBC 故障（或者GPS 不可用），轉為站間閉塞方式運行，分析可知：區間通過列車數將由一個周期80min 通過4 列車（追蹤間隔10min），降低為一個周期60min 通過2 列車。依據相關的理論分析，虛擬閉塞降至站間閉塞，運輸效能下降可達40%。如果極端情況下GPS 衛星信號不可用導致授時無效，全線ITCS系統可能癱瘓，即便采用人工調度模式恢復運營，運輸秩序也將受到極大影響。為降低系統單套單點故障和衛星定位系統唯一依賴對行車組織的影響，從提高系統可用性角度出發，重點針對唯一的衛星定位系統，提出ITCS-RBC 冗余方案,即，國產冗余型ITCS-RBC。

2 國產冗余型ITCS RBC

2.1 ITCS RBC 功能需求

青藏線冗余設計的ITCS-RBC 子系統主要需求如下。2.1.1具備既有ITCS 系統的RBC 子系統的全部功能，能替換既有RBC 設備，兼容現有RBC 外部接口。2.1.2 采用二乘二取二架構，實現冗余配置。單系故障時切換至另一系，確保整個系統仍能正常工作。2.1.3 在配置CBI 子系統的車站以及新建車站中，不配置VHLC，ITCS-RBC 需能與CBI 協同工作，共同實現原來由CBI+VHLC+ITCS-RBC 完成的功能。2.1.4 配置國產冗余型ITCS-RBC 的車站能夠完成與臨站既有RBC 正常通信，又可與新建車站國產冗余型ITCS-RBC 通信，實現各個不同類型車站的新舊ITCS 系統兼容混跑。2.1.5 未配置CBI 子系統的既有車站升級改造，ITCS-RBC 需能實現原來由VHLC 完成的相關功能，即實現簡單聯鎖功能。

2.2 ITCS RBC 架構

根據上述需求分析，提出了基于通用軌旁安全平臺與安全輸入輸出平臺的國產冗余ITCS-RBC 設備，它與既有RBC 及VHLC 功能對應關系如圖2 所示。

圖2 ITCS-RBC 功能與既有RBC 及VHLC 功能對應關系

2.2.1 ITCS-RBC 系統完成既有ITCS 系統的RBC 及VHLC的全部功能，且兼容既有的RBC 所有對外接口及通信協議。

2.2.2 ITCS-RBC 系統基于2*2oo2 構成，滿足雙系冗余切換的需求。安全輸入輸出平臺是IO 信號驅采單元，同樣為2*2oo2 架構，滿足系統冗余需求。2.2.3 對未配置CBI 的車站，若不新增CBI 設備，ITCS RBC 可實現現有VHLC 的控制功能，此時ITCS-RBC 通過安全輸入輸出平臺完成驅采。2.2.4 針對已配置CBI 的既有車站，ITCS-RBC 可以通過安全輸入輸出平臺實現與CBI 的繼電接口。

3 國產冗余型ITCS-RBC 與北斗系統的通信

3.1 北斗系統在鐵路系統中的應用現狀

北斗系統，即北斗衛星導航系統，是中國完全自主研發的全球衛星導航系統。作為國家重要的基礎設施，其建設已進入尾聲階段。依據《北斗衛星導航系統發展報告》（4.0 版），目前在鐵路及軌道交通應用尚屬發展初期，在鐵路信號系統中的應用，目前也僅僅在試驗段初步開展。既有ITCS 系統中，GPS 系統作為唯一衛星定位系統，提供定位以及授時信息。在極端場景及故障模式下，其成為系統服務可靠性的制約因素。因此需引入新的衛星定位系統，對于青藏鐵路的國家定位，引入自主可控的北斗系統成為首選。

3.2 國產冗余型ITCS-RBC 與北斗系統的連接

在青藏線ITCS 系統中，衛星定位信息用于信號系統安全控制，要求軌旁GPS 差分站硬件上不同型號的設備，需要在軌旁設置雙套BDS/GPS 衛星差分站。主流的BDS 差分站硬件通常支持串口和網口，從功能服務和維護角度，建議使用RJ-45 型網絡接口。國產冗余型ITCS-RBC 對2 種接口方式全部支持，可以根據實際情況進行選擇應用。

在ITCS 系統中，基于衛星定位的過程主要來自兩方面的信息:a.裝備在車載系統中的衛星信號接收機直接接收來自導航衛星的定位信息。b.車載控制主機接收來自RBC 設備轉發過來的差分信號；通常差分信息以RTCM標準10403.2 協議中定義的格式，通過車地無線消息發送至車載系統。衛星信號接收機將差分信號與導航衛星定位信息進行融合，利用差分信息中提供的相關參數修正來自導航衛星的定位信息，并將最終定位信息反饋給車載控制主機，用于列車位置的計算。

3.3 ITCS-RBC 兼容設計

青藏線ITCS 系統目前既有原GE 公司裝備的ITCS 單套車載系統，同時也有經改造實施的冗余型車載系統。既有ITCS 單套車載使用GPS 系統進行定位導航，冗余型車載系統支持GPS和BDS 雙模定位。因此，ITCS RBC 在功能設計中，必須考慮兼容設計，支持“新老交替”，以備后續ITCS 系統的平滑過渡，以提升系統服務的可靠性。基于兼容設計原則，必須在國產冗余型ITCS-RBC 的功能設計中，對兩種車型進行區分處理才能保證系統平滑穩定。根據注冊的列車相關信息，在ITCS-RBC 中記錄新老車型信息。ITCS-RBC 在差分信息處理組件中，對不同車型回復不同的差分信息。3.3.1 對既有ITCS 系統的車載系統，回復滿足RTCM2.3 協議標準的GPS 差分信息。3.3.2 對冗余型車載系統，回復滿足RTCM3.2 標準的BDS/GSP 差分信息。3.3.3 對于不同類型的差分消息，根據實際工程需求情況配置發送周期，逐步驗證滿足定位需求下的最大發送間隔，提升空中接口利用率。基于上述兼容設計原則的北斗應用方案，在試驗室中已完成系統功能集成功能測試，并在現場進行試驗驗證工作。

4 結論

既有ITCS 系統中單套硬件、單一衛星定位系統應用導致系統服務可靠性存在瓶頸，同時存在極端情況下現有衛星定位系統不可用導致運營降級的場景。針對北斗系統在ITCS 系統中應用，對ITCS-RBC 進行需求分析，采用兼容“新老交替”原則形成應用方案。國產冗余型ITCS-RBC 不僅實現對單套硬件的升級，同時也是對北斗衛星導航系統在鐵路信號控制領域工程應用探索。方案采用“新老交替”的兼容設計，綜合考慮未來在系統更新改造過程中的平穩有序，結合冗余型車載系統支持平滑過渡工程實施方案，支持北斗系統在整個ITCS 系統中應用，實現中國自主的北斗衛星導航系統在鐵路信號系統中應用，突破單一GPS 系統的應用局限。