基于北斗衛星技術川藏鐵路列控系統展望與思考

李 強

(中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610081)

川藏鐵路沿線具有地質條件復雜、生態條件惡劣、基礎設施分布少、不適宜人居住等特點。根據國內智能高鐵發展戰略及CTCS級列控系統總體規劃，研究基于移動閉塞川藏鐵路CTCS-4級列車運行控制系統，在確保安全前提下，可大大縮短列車追蹤間隔，提高川藏鐵路運輸效率，簡化設備地面軌旁設備，減少現場維護工作。

1 青藏鐵路列車運行控制系統概況

青藏鐵路信號系統是采用基于GSM-R與GPS衛星差分定位技術的單線雙向虛擬自動閉塞的ITCS（International Train Control System）增強型列車控制系統。ITCS系統由中心設備（CTC調度中心、維護中心）、車站設備（計算機聯鎖車站、VHLC車站）、車載設備（車載計算機、列尾）、通信網絡（數字通信網絡、GSM-R）等組成，系統結構如圖1所示[1-2]。

圖1 ITCS系統結構Fig.1 ITCS system structure

2 川藏鐵路與青藏鐵路情況分析

川藏鐵路具有地質環境更惡劣、建設難度更大、速度等級更高、動車與客貨車混合運行、行車密度大、運輸更繁忙、列車追蹤間隔小等特點，如表1所示。這些對川藏鐵路信號基礎設施智能化、信息化、維修養護、應急管理等提出更大挑戰，要求川藏鐵路列控系統具有安全可靠、智能化程度高、軌旁設備簡單、維護少、免維護等特征，適應高原山區鐵路的特殊環境。

表1 青藏鐵路與川藏鐵路基本情況分析Tab.1 Basic situation analysis of Qinghai-Tibet railway and Sichuan-Tibet railway

3 川藏鐵路列車運行控制系統

鑒于川藏鐵路特殊高原復雜地理環境，借鑒青藏鐵路ITCS系統成功運行的豐富經驗，川藏鐵路信號系統采用基于北斗衛星導航的列車自主定位技術，利用新一代鐵路專用移動通信系統5G-R的無線傳輸平臺，實現精準列車定位的移動閉塞，適用川藏鐵路時速200 km客貨混跑的CTCS-4 級智能列車運行控制系統[3]，實現列車運行控制的全面感知、安全運行、移動追蹤、高可靠性、少維護的目標[4]。

3.1 系統組成及主要功能

列車運行控制系統主要由中心設備、車站設備、車載設備3部分組成，采用鐵路數據通信網絡平臺、鐵路專用移動通信系統5G-R、北斗衛星網絡實現數據交換，全線區間不設軌道電路、信號機、應答器等軌旁設備。

中心設備: RBC負責管理列控數字軌道地圖庫，利用5G-R無線通信平臺，完成列車精準定位、移動授權計算、行車許可生成、移動閉塞、臨時限速管理等功能。北斗差分服務器管理北斗衛星差分基準站，實現北斗衛星的差分定位功能，并負責向北斗應用服務平臺提供服務。調度集中CTC中心設備下達調度指揮計劃、聯鎖集中控制指令、列控限速命令等，融合GIS 技術實現智能調度指揮。

車站設備：包括列控聯鎖一體化車站、區域控制車站、調度集中CTC車站設備、信號集中監測設備、北斗衛星差分基準站等。列控聯鎖一體化車站完成有人值守車站列控、聯鎖等功能，設有信號機。區域控制車站完成無人值守車站列控、聯鎖等功能，不設信號機。同時利用北斗衛星差分基準站、車站進站口設置有源應答器等，提高列車車站定位精度[5]。

車載設備：包括車載安全計算機、5G-R無線通信單元、北斗定位單元（車頭、車尾）等。車載安全計算機完成列車超速防護功能（ATP）、列車自動駕駛功能（ATO）。5G-R無線通信單元通過車載電臺與地面RBC設備建立車地間大容量連續雙向通信通道，實現車地信息安全通信。北斗定位單元采用北斗衛星差分及多傳感器組合的定位技術，提高列車定位精度，并在車尾安裝北斗定位單元，建立機車與列尾間無線通信鏈路，實現列車完整性檢查[6]。

3.2 北斗衛星技術

采用北斗衛星定位技術，實現高精度列車定位、軌道區段占用檢查、列車完整性、列車連續性檢查，大大提升車-地通信、車-車通信傳輸信息量，實現具有閉環控制、安全高效功能的移動閉塞，取消區間軌道電路、信號機、應答器，大大減少軌旁設備，實現設備互操作性和安全性，大大降低設備成本，減少現場維護工作量 。

3.2.1 基于北斗-慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS）多傳感器組合鐵路站場列車定位技術

利用北斗衛星采集站場的道岔、信號機、股道、區段、車站中心等目標的經度、緯度、高差等離散、無規律的數據，經坐標系轉換為鐵路信號系統可識別的公里標位置信息。通過地圖匹配法，將衛星定位數據與列控數字軌道地圖庫匹配，利用北斗- INS組合定位，輔助里程計、測試電機、多普勒雷達等傳感器，結合進站口有源應答器校準技術，準確計算出列車在站場的具體位置，可以提高列車定位的精度和完整性[7]。

3.2.2 基于北斗組合定位虛擬應答器（Virtual Balise）技術

基于北斗組合定位技術，通過軟件處理北斗衛星組合定位單元的導航信息，匹配列控數字軌道地圖庫，實現區間虛擬應答器定位功能，提高列車定位的精度和完整性。虛擬應答器與列控系統標準定義的列控車載設備規范兼容，功能可以完全替代真實的應答器，無需軌旁布置應答器，降低區間鋪設大量軌旁設備成本和現場維修養護，非常適合高原鐵路的現狀[8-9]。

3.2.3 北斗路基地段增強及隧道覆蓋增強技術

1）北斗路基地段增強技術

在鐵路沿線車站不超過60 km分別布置北斗衛星差分基準站，連續觀察、接收覆蓋范圍內所有可見北斗衛星信號，通過鐵路數據通信網，接入冗余設置的北斗衛星差分服務器。差分服務器利用接收的數據計算衛星的差分改正、完好性信息，通過5G-R網絡發送給對應的無線閉塞中心RBC。RBC根據當前列車位置，把相應差分改正、完好性信息發送給列車，以提高列車導航定位精度和完整性，同時差分服務器將衛星信息實時發送給鐵路北斗衛星平臺，為智能運營維護、應急通信等提供服務，如圖2所示。

圖2 北斗路基地段增強系統結構示意Fig.2 Structure diagram of Beidou railway bed section enhancement system

2）北斗隧道覆蓋增強技術

北斗隧道覆蓋系統基于北斗導航信號實時再生技術，利用隧道外設北斗衛星天線接收衛星信號，通過線纜把衛星信號由天線傳給基準單元，由間隔布置的中繼單元將北斗信號增強傳送至隧道屏蔽區域，實現隧道內北斗信號增強覆蓋。通過管理單元把系統設備納入網絡系統、北斗應用服務平臺，實現隧道內北斗智能運營維護，為應急搶險等提供服務，如圖3所示。

圖3 北斗隧道覆蓋增強系統結構示意Fig.3 Structure diagram of Beidou tunnel coverage enhancement system

利用北斗隧道覆蓋增強系統，通過鐵路數據通信網絡將管理單元與相鄰車站的基準差分站及差分服務器將信號發送至無線閉塞中心RBC，提高了列車在隧道屏蔽范圍內的導航定位精度和完整性。

3.2.4 基于北斗衛星+地理信息系統（Geographic Information System，GIS）調度指揮技術

北斗衛星具有定位、導航、短報文等功能，GIS以地理空間信息庫為基礎，具有數據采集、存儲、運算、分析、管理、顯示等功能。建立鐵路線路空間信息庫，利用北斗衛星+GIS技術，納入調度指揮系統，可以為運輸人員提供列車運行軌跡、線路運行環境狀態等綜合信息，在行車指揮、故障處置、應急搶險時提供智能導航、可視化的地理信息數據、應急資源數據，為智能調度指揮提供強有力的技術支撐。

3.2.5 基于北斗衛星時鐘同步技術通過北斗時鐘同步系統，與北斗衛星實現時鐘同步，為川藏鐵路調度指揮系統、列控聯鎖一體化系統、無線閉塞中心、臨時限速服務器、列控車載設備、信號集中監測系統等進行全面授時，確保時間統一準確，消除行車作業帶來安全隱患。

3.3 鐵路專用移動通信系統(5G-R)車地雙向傳輸技術

5G-R技術能實現車地間大容量雙向無線通信，提高車地間通信傳輸帶寬和傳輸可靠性指標，具有安全、高效、便于維護特點，能提供列車運行控制、鐵路行車指揮、列車安全防護和預警、列車自動駕駛、動車組及機車運行狀態監測、地面基礎設施狀態監測、應急通信等業務，滿足川藏鐵路行車運用、智能運營維護、旅客服務3大類應用業務的需求[10]。

3.4 全電子列控聯鎖一體化系統

全電子列控聯鎖一體化系統是將列控中心和聯鎖集成一體化的系統，實現車站聯鎖、區間閉塞及有源應答器控制等功能，推動列控聯鎖一體化系統向著簡潔、集中、安全、統一化的方向發展，適合川藏鐵路的特殊環境，系統構架如圖4所示[11]。主要優點如下。

圖4 列控聯鎖一體化車站系統結構Fig.4 Structure diagram oftrain control& interlocking integrated station system

1）減少列控中心與聯鎖系統間數據交互，消除數據畸變，提高通信效率；列控聯鎖一體化后能夠降低數據傳輸的迂回性，提高系統數據實時性；優化列控、聯鎖信號系統架構、減少系統間接口；減少系統維護工作量，便于現場維護。

2）采用電子執行單元取代傳統計算機聯鎖系統執行層的I/O驅采電路和繼電器，設置道岔轉轍機單元、信號機單元、應答器單元、接口單元等，取消了機械室大部分繼電器組合架及繼電器設備，具有設備簡單且高度集中、機械室占地面積小、節省設備投資、縮短施工周期，大大減少現場維護工作量。同時全電子列控聯鎖一體化系統采用專用監測網絡，具備智能的維護診斷功能，有利于實現列控系統向著更高的智能化、網絡化、信息化方向發展。

3.5 智能化目標控制器

分布式全電子列控聯鎖系統執行單元與智能目標控制器結合，將智能目標控制器分散設置于軌旁，通過總線控制技術納入咽喉區域控制器控制，采用光纜以安全通信的方式與車站列控聯鎖系統連接通信，執行列控聯鎖命令，完成對軌旁的轉轍機、信號機、應答器等現場信號設備的控制、監測功能[12]，如圖5所示，主要優點如下。

圖5 目標控制器布置示意Fig.5 Layout of object controller

軌旁控制設備可靠性高、小型化、占用空間小，且大大減少信號機械室面積，適合有人值守的列控聯鎖車站和無人值守區域控制站。在保證設備安全可靠的前提下，將室內外間大量電纜變為少量電纜和光纜，實現由電氣傳輸改進為光傳輸，可顯著擴展傳輸距離，降低傳輸成本。同時，減少了室外的控制和通信電纜，消除電纜混線的安全隱患，提升系統的防雷性能。實現鐵路信號軌旁設備的控制命令發送、采集信息接收和通信管理等功能，易于實現軌旁信號設備的智能化、數字化水平，有利于實現車站聯鎖及信號系統的智能化。能大大縮短施工周期，減少現場系統調試和維護時間。

4 工作展望

提前構建列控數字軌道地圖庫標準，研究站內虛擬信號機、虛擬軌道電路、虛擬電碼化、虛擬應答器等融合發展的列控聯鎖技術，實現車站列控聯鎖一體化系統軌旁設備的虛擬化、稀疏化，進一步提升列控系統設備安全性、智能化、數字化、信息化水平，符合新一代智能列控系統發展趨勢。

及早研發既適用CTCS-4級的動車組列控車載設備，又滿足CTCS-4級運行普通機車、軌道車等不同車型的列控車載設備，合理配置降級后備模式，滿足動車組、客貨機車兼容不同等級線路，實現列車跨線運行、與路網兼容的要求。

北斗衛星導航系統支持短報文通信技術特點，研究北斗衛星導航系統作為列車后備車地通信技術方案，在5G-R網絡中斷等故障情況下車地通信應急恢復，無縫支持混合運營模式。

建立川藏鐵路新一代列控系統安全評估機制，正確處理智能化、信息化、數字化與安全的關系，在確保列控系統安全可靠前提下，經科學充分論證后，穩步實現列控系統的智能化、信息化、數字化，滿足鐵路運輸生產需要。

5 結束語

提前研究川藏鐵路新一代智能列車運行控制系統，適應高原山區鐵路“安全可靠穩定、技術先進智能、設備結構簡單、軌旁設備少、維修養護簡便”的要求，非常具有現場指導意義。