高速鐵路列車運行控制與調度指揮一體化方案

陳爾超

（中國鐵路設計集團有限公司 電化電信工程設計研究院，天津 300308）

隨著我國高速鐵路的快速發展，至2021年12月底，其運營里程已突破4 萬km。高速鐵路信號系統作為高速鐵路的神經中樞，對保障運行安全、提升運營效率起著至關重要的作用。中國鐵路列車運行控制系統（CTCS，Chinese Train Control System）（簡稱：列控系統）按照閉塞技術的發展劃分為CTCS-0～CTCS-4級，適應我國鐵路的多類型線路，滿足多種速度需求[1-2]。2019年9月發布的《交通強國建設綱要》提出要打造一流設施、一流技術、一流管理、一流服務的交通強國，交通裝備先進適應、完全可控[3-4]。因此，對高速鐵路信號系統的理論基礎與實踐應用提出了更高的要求，研究高速鐵路列控與調度指揮一體化對鐵路運營、技術創新具有重要意義。

1 設計理念

高速鐵路列控與調度指揮一體化系統可實現運行控制與調度指揮的有機統一，提高信號系統的智能化水平，提升鐵路整體的運輸效率[5-7]。該一體化方案的設計理念包括以下6個方面。

（1）高速鐵路信號系統從車站聯鎖、區間閉塞、調度監督向列控與行車調度一體化轉化；列控從人的操作和確認向設備的智能化運行轉化；調度指揮從“列車調度—車站值班—司機”向列車調度直接控制列車轉化。

（2）系統設計時應充分考慮內部資源共享，避免相同信息重復傳輸和采集，減少與外部系統的接口。

（3）系統的運營維護功能要全面，對站內、區間、車載的設備狀態進行實時監督、準確定位。

（4）系統要實現列控兼調度指揮的功能，單個模塊功能不宜太過復雜，否則會影響整個系統的安全性和可靠性。

（5）系統應充分考慮安全性和可靠性，聯鎖、列控模塊及其相關接口采取2乘2取2或2乘3取2的安全冗余結構。

（6）一體化并不意味著所有邏輯運算處理均由同一個處理器完成，也可由多個處理單位構成，分工協作，但需在系統功能和軟件設計方面統一考慮。

2 列控與調度指揮一體化系統功能

高速鐵路列控與調度指揮一體化系統預期實現以下5項基本功能。

2.1 自動排列進路

根據列車的車次號信息，下載列車運行時刻表，由系統自動完成進路排列任務，取代人工進路辦理，避免人工處理的失誤。

2.2 列車自動駕駛

根據線路的曲線信息、坡度信息、列車運行許可或軌道電路空閑信息等，不斷優化速度—距離模式曲線，列車車載設備據此控制機車牽引和制動系統來實現自動運行。

2.3 自動跟蹤控制

線路上有多種速度限制，包括線路速度限制、進路允許速度、臨時速度限制、車輛構造速度等，系統在正常情況下根據速度—距離模式曲線給出的推薦速度行駛。當列車超過限制速度時，系統自動實施緊急制動或常用制動，從而保障運行安全。列車靠近站臺時，系統實時采集和比較列車速度、站臺距離，不斷與牽引和制動系統交互，實時控制列車對標，精確對位停車。

2.4 自動監督和報警

實時監督全線列車的運行狀況，集中顯示在控制中心大屏幕和調度工作站上，并自動記錄列車運行全過程。自動監督信號設備的運行狀況，集中顯示在維護工作站上，并對故障設備信息進行報警。

2.5 列車自動調整

列車自動調整包含列車自身的調整和時刻表的調整。列車自身可自動進行速度調整，即在列車行駛過程中，系統根據運行時刻表、追蹤間隔、臨時限速等，實時自動進行速度調整；當列車偏離計劃運行時刻表時，系統也可自動調整時刻表，即系統通過調整運行等級、停站時間、列車目的地等方式自動調整行車計劃。

3 列控與調度指揮一體化系統架構

高速鐵路列控與調度指揮一體化系統總體架構如圖1所示，系統由調度指揮子系統、列控聯鎖子系統、維護監測子系統構成。系統內部通過各類數據網絡連接，包括信號系統安全數據網、調度集中數據網、信號集中監測數據網。按物理位置劃分為中心設備層、車站設備層、軌旁與車載設備層。其中，軌旁與車載設備層與現行高速鐵路ATO（Automatic Train Operation）系統一致[8]，本文著重描述中心設備層、車站設備層。在現行列控系統基礎上，先進行列控與聯鎖系統的結合，實現列車控制與地面設備控制的統一；再將結合后的系統（即：列控聯鎖子系統）與調度指揮子系統有機融合，實現列控與調度指揮的一體化設計；并在維護監測子系統的支持下，實現安全有序運行。

圖1 系統總體架構

正常情況下，由列控與調度指揮一體化系統根據時刻表自動完成列控與調度指揮，列控聯鎖子系統實時向調度指揮子系統提供列車運行狀態信息，維護監測子系統實時采集信號設備的狀態信息；當發生故障或遇到特殊情況時，調度員可介入進行調度指揮，下達行車調度命令給列控聯鎖子系統。

3.1 調度指揮子系統

調度指揮子系統由調度集中（ CTC，Centralized Traffic Control）中心設備、CTC站機設備、調度模塊、中心操作工作站、車站操作工作站組成，子系統架構，如圖2所示。

圖2 調度指揮子系統架構

（1）CTC中心設備

CTC中心設備主要由數據庫服務器、應用服務器、通信服務器、網絡交換機組成。數據庫服務器用于儲存系統數據，如離線存儲的線路數據、軌道數據，在線存儲的列車運行計劃、到發時間等。應用服務器安裝有應用軟件，用于處理數據和功能執行。通信服務器與網絡交換機用于實現與其他系統間的接口，通過以太網連接其他系統。

（2）中心操作工作站

中心操作工作站是CTC中心設備與調度中心人員的人機交互界面，可通過操作菜單欄完成調度功能，也可監督和控制所管轄車站的聯鎖區段，進而實現對列車的直接控制。可按線路控制范圍配置若干個中心操作工作站，實現精確控制。此外，中心操作工作站配有時刻表編輯功能，用于離線生成和在線記錄運行時刻表。

（3）車站操作工作站

根據列控聯鎖設備的部署，每個列控聯鎖車站配置1套本地操作工作站，通過調度集中數據網與CTC中心設備進行連接。一般情況下，車站僅進行監視功能；特殊情況下，可實現本站人員的人工介入控制。

（4）調度模塊

調度模塊實時收集列車運行數據，并與計劃時刻表進行比較，若運行數據產生偏差，則觸發調整指令，系統自動調整時刻表，并據此生成新的速度—距離模式曲線，指導列車運行控制。

3.2 列控聯鎖子系統

列控聯鎖子系統采用列控聯鎖一體化設備方案，基于CTCS-3級列控系統，結合計算機聯鎖設備功能，實現兩者有機融合、聯動控制。列控聯鎖子系統主要包括列控聯鎖主處理單元、臨時限速模塊、應答器模塊、軌道電路模塊，子系統架構，如圖3所示。

圖3 列控聯鎖子系統架構

（1）列控聯鎖主處理單元

列控聯鎖主處理單元采用安全冗余結構進行設計[9]，用于聯鎖邏輯和行車許可的運算，滿足車站和區間的聯鎖要求，控制列車的追蹤間隔。每個車站均配置列車聯鎖主處理單元，經通信控制服務器與CTC設備進行通信，向CTC中心設備提供列車運行狀態信息，并接收CTC設備的控制命令。

（2）臨時限速模塊

臨時限速模塊負責校驗、存儲、提示臨時限速命令，而臨時限速命令的設置和取消統一由CTC中心下達，并由CTC中心統一管理。同時，將臨時限速命令傳輸給列控聯鎖主處理單元，列控聯鎖主處理單元據此計算行車許可。

（3）應答器模塊

綜合考慮CTCS-3級列控系統兼容CTCS-2級列控系統，配置應答器模塊及進站、出站、區間、定位、等級轉換等應答器組。應答器組包括有源應答器和無源應答器，有源應答器提供臨時限速、進路信息，無源應答器提供線路信息、定位信息，有源應答器的電源和報文由應答器模塊提供。

（4）軌道電路模塊

軌道電路模塊用于實現區段的占用檢查，同時保障在CTCS-3降級后通過鋼軌傳遞信號編碼信息。軌道電路模塊考慮采用ZPW-2000系列軌道電路，區間設置無絕緣軌道電路，中間站設置相同的機械絕緣軌道電路，樞紐站設置25 Hz相敏軌道電路。按照區間、車站的配線統一設置軌道電路載頻，軌道電路編碼由列控聯鎖主處理單元控制完成。

3.3 維護監測子系統

隨著信息技術、網絡技術、人工智能的發展，高速鐵路列控與調度指揮一體化系統需要更全面、更精準的監測與感知設備，實現綜合監測與智能分析。維護監測子系統主要包括維護監測服務器、維護監測工作站、數據采集設備、障礙物檢測設備，系統架構如圖4所示。

圖4 維護監測子系統架構

（1）維護監測服務器

維護監測服務器設置于中心設備層，用于集中處理和存儲維修信息，并通過模式識別、大數據等智能分析技術提前發現設備隱患、輔助現場維修、診斷故障原因、指導故障處理。

（2）維護監測工作站

維護監測工作站從維護監測服務器得到信息并進行展示，包括設備的狀態、列車的運行數據、診斷報警信息等。

（3）數據采集設備

數據采集設備負責與被監測設備、元件保持連接，連續收集監測數據。監測內容應全面，如軌道電路的發送端和接收端的電壓監測、轉轍機的動作曲線、道岔表示電壓監測、信號機點燈電流監測、電源漏泄電流監測，以及調度指揮、列控聯鎖主機的監測等。

（4）障礙物檢測設備

區間設置障礙物檢測設備，采用激光雷達探測、視頻聯動、感知技術等，實時監測列車運行前方及沿線障礙物。當異物侵入時，實時報警，并發送至一體化系統，為安全運行提供保障。

3.4 與外部系統的接口

列控與調度指揮一體化系統充分考慮內部資源共享，通過中心設備層統一實現與外部系統接口的集中設置與管理。

（1）防災系統接口

一體化系統與防災系統的接口通過CTC中心設備實現，當災害發生時，由防災系統發送防災信息給一體化系統，并在中心操作工作站與大屏幕上顯示報警信息。

（2）大屏幕系統接口

一體化系統與大屏幕系統接口通過CTC中心設備實現，并在中心操作工作站與大屏幕上顯示報警信息。

（3）數據采集與監視控制系統接口

一體化系統和數據采集與監視控制（SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition）系統的接口通過CTC中心設備實現，接收接觸網系統的供電狀態信息，并進行集中顯示。

（4）鐵路綜合數字移動通信系統接口

一體化系統與鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R，Globle System of Mobile for Railway）的接口是實現一體化系統車地間雙向實時傳輸數據的關鍵，列車經車載設備，通過IGSM-R接口接入GSM-R網絡，地面經列控聯鎖主處理單元，通過IFIX接口接入GSM-R網絡。

4 結束語

本文根據我國高速鐵路技術裝備智能化、信息化的建設目標，結合列車運行控制與調度指揮一體化研究熱點，從設計方案角度進行了初步探討，給出了高速鐵路列車運行控制與調度指揮一體化系統的技術特點與配置方案，為下一步研究工作提供了設計思路。