市域鐵路CTCS-2與CBTC列控系統切換方案

全宏宇，張敏慧

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

市域鐵路介于城際鐵路和城市軌道交通之間，具有高密度、小編組、公交化的特點，最高運行速度為100 ～160 km/h，最小行車間隔為4 min。隨著中國城鎮化進程加快，目前市域鐵路正在快速發展，成為城市綜合交通系統的重要組成部分[1]。根據《市域鐵路設計規范》，市域鐵路列控系統應與其線路特點和運營需求相匹配，可采用中國列車控制系統（Chinese Train Control System，CTCS）制式，也可以采用城市軌道交通列車自動控制（Automatic Train Control，ATC）制式[2]。對于CTCS 制式，開行動車組和有列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）功能需求的市域鐵路一般采用CTCS-2 列控系統；ATC 制式主要以基于通信的列車自動控制系統（Communication Based Train Control System，CBTC）為主。

但是CTCS-2 和CBTC 列控系統為兩種不同的制式，為滿足軌道交通多網融合和一體化運營，需研究兩種制式列控系統切換。目前國內已針對干線鐵路和城市軌道交通列控系統切換開展了相關研究，席武夷研究國鐵CTCS 與城軌CBTC 列控系統的多網融合方案，提出了地面兼容、車載兼容兩種方案及對策[3]；面向多網融合運營需求，蔡昌俊等提出CTCS-2 和CBTC 列控系統雙套車載控制模式切換方案[4]；英國倫敦Crossrail 實現了ETCS-2 和CBTC 列控系統切換，并于2022 年投入運營[5]。但是以上研究并未對CTCS-2 和CBTC 列控系統切換相關的系統接口、切換流程，以及設備布置應用方案進行研究。

目前，CTCS-2 和CBTC 列控系統切換尚無相關標準規范和應用案例，跨信號系統制式互聯互通將成為制約市域鐵路網絡化發展的關鍵問題。本文從市域鐵路列控系統互聯互通出發，對CTCS-2 和CBTC 列控系統的特點及差異性進行分析，研究并提出列控系統切換的系統接口、切換流程，進一步探討CTCS-2 和CBTC 列控系統切換設備布置應用方案，以滿足市域鐵路互聯互通和資源共享的運營要求。

1 CTCS-2與CBTC列控系統切換場景

1.1 CTCS-2與CBTC列控系統

CTCS-2 級列控系統是基于軌道電路和應答器傳輸行車許可信息，采用目標-距離模式曲線監控列車安全運行的列車運行控制系統[6]。CBTC 列控系統是基于通信的列控系統，并集成聯鎖、自動監控和自動進路控制、自動駕駛子系統，可實現移動閉塞和無人駕駛[7]。

CTCS-2 列控系統與CBTC 列控系統的對比如表1 所示。可以看出，CTCS-2 列控系統具有更高的運行速度；而CBTC 列控系統最小運營間隔較小，自動化程度更高。同時，CTCS-2 與CBTC 列控系統存在較大差異，CTCS-2 列控系統采用軌道電路和應答器進行地-車通信，而CBTC 列控系統采用無線通信方式，且線路數據存儲于車載[8-10]。

表 1 CTCS-2列控系統與CBTC列控系統的對比Tab.1 Comparison between CTCS-2 and CBTC train control systems

1.2 CTCS-2與CBTC列控系統切換場景

市域鐵路可采用CTCS-2 列控系統，也可以采用CBTC 列控系統，當不同列控制式的線路跨線運營時，則存在列控系統切換場景，如圖1 所示。CTCS-2 和CBTC 線路各自裝備相應的列控系統地面設備，跨線運行列車裝備CTCS-2 和CBTC 兩套車載。在CTCS-2 線路以CTCS-2 車載控制列車運行，在CBTC 線路以CBTC 車載控制列車運行，在邊界處進行CTCS-2 與CBTC 列控系統切換[11]。

圖1 CTCS-2與CBTC列控系統切換場景Fig.1 Scenario of switching between CTCS-2 and CBTC train control systems

2 CTCS-2與CBTC列控系統切換方案

當列車裝備CTCS-2 和CBTC 兩套車載，為實現跨制式運行時列控系統自動切換，需在現有CTCS-2 和CBTC 列控系統架構基礎上，研究列控系統切換方案，先對列控系統切換接口進行分析，進而再提出系統切換的功能要求。

2.1 系統切換接口

根據CTCS-2 和CBTC 列控系統組成，CTCS-2和CBTC 列控系統切換接口如圖2 所示。

圖2 CTCS-2與CBTC列控系統切換接口Fig.2 Interfaces for switching between CTCS-2 and CBTC train control systems

兩種系統切換存在以下接口。

1）接口A：CTCS-2 的車載與CBTC 的車載接口，進行列車控制權移交信息交互。

2）接口B：CTCS-2 的調度集中中心與CBTC的ATS 中心接口，進行列車運行計劃、列車進路設置和狀態等信息交互。

3）接口C：CTCS-2 的臨時限速服務器與CBTC 的區域控制器接口，進行臨時限速信息交互。

4）接口D：CTCS-2 的列控中心與CBTC 的聯鎖接口，進行進路聯鎖控制數據信息交互。

5）接口E：CTCS-2 的聯鎖與CBTC 的聯鎖接口，進行信號機、軌道區段、道岔以及進路狀態信息交互。

接口A 可通過安全繼電器或總線進行接口，接口B 和接口C 可通過冗余的專用通信通道實現接口，接口D 和接口E 可通過采集安全繼電器信息或構建冗余的安全數據網進行通信。

2.2 CTCS-2與CBTC切換流程及功能要求

1）CTCS-2 至CBTC 切換

CTCS-2 至CBTC 切換流程如圖3 所示，包括：

圖3 CTCS-2至CBTC系統切換Fig.3 Switching from CTCS-2 to CBTC system

a. CTCS-2 車載控制列車運行；

b. CTCS-2 車載收到切換預告應答器組信息，向CBTC 車載發送命令并激活CBTC 車載，司機對切換預告進行確認；

c. CBTC 車載激活后，與地面區域控制器建立無線通信連接；

d. CBTC 車載經過位置報告應答器組時，通過無線通信向地面區域控制器報告位置后，收到區域控制器發送的行車許可，并準備控制列車；

e. CTCS-2 車載收到切換執行應答器組的信息時，經司機確認切換后，CBTC 車載接管并控制列車運行，CTCS-2 車載進入待激活狀態（不處理軌道電路及應答器信息）。

2）CBTC 至CTCS-2 切換

CBTC 至CTCS-2 切換流程如圖4 所示，包括：

圖4 CBTC至CTCS-2系統切換Fig.4 Switching from CBTC to CTCS-2 system

a. CBTC 車載控制列車運行；

b. CBTC 車載收到切換預告應答器組信息，向CTCS-2 車載發送命令并激活CTCS-2 車載，司機對切換預告進行確認；

c. CTCS-2 車載激活后，收到軌道電路提供的行車許可和地面應答器組提供的線路數據、臨時限速信息，并準備控制列車；

d. CBTC 車載收到切換執行應答器組的信息時，經司機確認切換后，CTCS-2 車載接管并控制列車運行，CBTC 車載向地面區域控制器注銷和斷開連接，并進入待激活狀態（不再處理無線及應答器信息）。

3）功能要求

CTCS-2 和CBTC 列控系統切換應實現不停車切換，切換過程應向司機提供信息提示并由司機進行確認；若未切換成功，原列控系統應繼續控制列車在切換區內安全停車，停車后由人工進行切換。

切換目標列控系統應提前獲取必備的行車許可和線路數據，并準備控制列車。CTCS-2 與CBTC系統切換時調度權應同步切換，實現列車調度的切換、顯示及管理。

列控系統切換預告點至執行點的距離應至少考慮目標列控系統車載激活反應時間內走行的距離加上司機確認時間內走行的距離和目標列控車載準備行車許可所需時間內列車走行的距離；執行點后方的附加距離應至少考慮司機確認切換時間內走行的距離和原列控系統車載切換點后常用制動停車距離，當切換不成功時確保原列控車載控制列車安全停車。

3 CTCS-2與CBTC列控系統切換應用

為實現CTCS-2 和CBTC 列控系統切換的應用，下面進一步對列控系統切換的車載設備、地面設備設置進行探討。

3.1 車載設備設置

跨線運行列車同時裝置CTCS-2 和CBTC 列控系統車載設備，二者之間增加接口進行切換信息交互。初始狀態下以其中一個列控系統為激活狀態，并由其通知和設置另一列控系統為待激活狀態，同時可由司機人工進行選擇。為減少對現有設備的修改，建議CTCS-2 和CBTC 車載各自獨立設置應答器接收模塊、測速測距模塊、人機接口等外圍設備。

3.2 地面設備設置

切換區地面設備設置需滿足CTCS-2 和CBTC列控系統切換所需的軌旁設備及通信網絡，包含軌道占用檢查設備、應答器以及通信網絡的設置。

1）地面設備設置原則

a.軌道占用檢查設備

CTCS-2 列控系統采用ZPW-2000 軌道電路進行軌道占用檢查并提供傳輸行車許可，CBTC 列控系統一般采用計軸作為軌道占用檢查設備，在切換區需考慮軌道電路和計軸設備的疊加設置。

CTCS-2 切換至CBTC 列控系統后，將采用無線通信傳輸控車信息，但若切換不成功，將由CTCS-2 列控系統繼續控制列車停車，因此建議切換點后方在計軸設備基礎上疊加設置軌道電路，為CTCS-2 列控系統提供行車許可。

CBTC 至CTCS-2 列控切換時，由于CTCS-2列控系統由軌道電路提供行車許可，因此CBTC 至CTCS-2 列控系統切換點前方的區段需在計軸設備基礎上疊加設置ZPW-2000 軌道電路設備。

b.應答器

CTCS-2 和CBTC 列控系統切換在預告點和執行點由應答器向車載設備提供切換預告和執行信息。另外，CBTC 至CTCS-2 列控系統切換需在切換前設置應答器向CTCS-2 車載提供線路數據、臨時限速等信息[12]。

c.通信網絡

CTCS-2 至CBTC 切換，CBTC 的無線通信應延伸覆蓋至預告點，使CBTC 車載建立無線連接；CBTC 至CTCS-2 切換，CBTC 的無線通信再覆蓋至執行點一段距離，滿足CBTC 車載向地面區域控制器注銷和斷開連接。

同時，在CTCS-2 與CBTC 列控系統邊界需按“2.1 系統切換接口”要求增加通信通道，進行聯鎖、列車運行控制以及列車調度指揮的信息交互。

2）切換區地面設備布置方案

一種CTCS-2 和CBTC 列控系統切換區地面設備布置方案示意如圖5 所示。可在對各自原有的地面設備影響較小的前提下實現CTCS-2 和CBTC 列控系統不停車切換。

圖5 CTCS-2和CBTC列控系統切換區地面設備布置方案Fig.5 Plans for wayside equipment in the switching zones between CTCS-2 and CBTC systems

a.CTCS-2 至CBTC 切 換，CTCS-2 區 域 設 置ZPW-2000 軌道電路；CBTC 區域設置計軸設備，并在執行點后方CTCS-2 列控系統常用制動距離區域內疊加設置ZPW-2000 軌道電路； CTCS-2 區域增加設置切換預告、位置報告和切換執行應答器（可與CTCS-2 應答器組共用）； CBTC 無線網絡覆蓋至切換預告應答器組。

b.CBTC 至CTCS-2 切 換 如 圖5（b） 所 示。CBTC 區域設置計軸設備，并在切換預告至切換執行區域疊加設置ZPW-2000 軌道電路，CTCS-2 區域設置ZPW-2000 軌道電路；CBTC 區域增加設置切換預告、線路數據及臨時限速、切換執行應答器；線路數據及臨時限速應答器按冗余布置，并納入CTCS-2 列控系統控制。CBTC 無線網絡覆蓋至切換執行后一段距離，以滿足CBTC 車載向地面區域控制器注銷和斷開連接。

當系統切換地點設于車站站內時，其地面設備設置原則與上述設備配置相同，但行車許可需考慮到站內可變的進路控制信息，條件相對復雜。若是CTCS-2+ATO 列控系統與CBTC 列控系統切換，則CBTC 至CTCS-2+ATO 列控系統切換前，還需設置ATO 呼叫應答器并提供自動運行計劃等信息。另外，切換區地面設備布置需考慮調度管轄范圍，并配套實現調度權的有序切換。

4 結論

隨著市域鐵路快速建設，市域鐵路逐漸網絡化，CTCS-2 和CBTC 列控系統互聯互通是必然的要求。本文提出的CTCS-2 和CBTC 列控系統切換方案，維持現有CTCS-2 和CBTC 列控系統架構基礎，減少對既有系統的修改，實現列車裝備兩套車載的情況下列控系統自動切換，以促進市域鐵路互聯互通和資源共享。研究結果對于CTCS-2 和CBTC 列控系統切換技術標準化，以及設備研發、工程設計和實施應用具有指導意義和實用價值。