基于互聯互通需求的市域(郊)鐵路信號系統分析

張 輝

(蘭州市軌道交通有限公司,730030,蘭州∥高級工程師)

發改基礎[2017]1173號《關于促進市域(郊)鐵路發展的指導意見》對市域(郊)鐵路的定義為:是城市中心城區連接周邊城鎮組團及其城鎮組團之間的通勤化、快速度、大運量的軌道交通系統,提供城市公共交通服務,是城市綜合交通體系的重要組成部分。國辦函[2020]116號《關于推動都市圈市域(郊)鐵路加快發展的意見》(以下簡稱《意見》)科學把握了現代化都市圈和市域(郊)鐵路發展規律,充分結合我國都市圈市域(郊)鐵路發展的實際和需求,從支撐引領現代化都市圈發展高度,提出市域(郊)鐵路發展的指導思想、基本原則等,對市域(郊)鐵路的規劃管理、建設實施、投融資創新、運營管理、發展機制等方面做出全面布署,具有很強的針對性和指導性,是促進都市圈市域(郊)鐵路發展的基本綱領性文件。

因此,市域(郊)鐵路建設應充分考慮如何實現與既有干線線路、城際鐵路、城市軌道交通的一體化融合發展需求,即在特定線路、特定位置實現新建市域(郊)鐵路與既有干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的互聯互通運營。上述需求涵蓋線路、供電、車輛、土建等諸多專業,其中最重要的環節是負責行車安全指揮的信號系統的互聯互通。研究與開發應用于市域(郊)鐵路互聯互通的信號系統,使其既要實現與國鐵CTCS(中國列車控制系統)系統的兼容,又要滿足與城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統的雙重互聯互通運營需求。

1 基于互聯互通需求的市域(郊)鐵路信號系統技術特性

市域(郊)鐵路對連接新城及新市鎮、減輕城市交通壓力、構建便捷出行鏈起著紐帶作用,具有網絡化、高密度、公交化、通勤化的服務特性,因此基于互聯互通需求的信號系統具有如下技術特性:

1) 列車控制系統網絡化:①網內互通。信號系統滿足市域(郊)鐵路線網內跨線和共線運行。②網際互通。滿足與干線鐵路、城際鐵路及城市軌道交通的互通運行,車載和軌旁設備支持多制式配置。為實現上述技術目標,所采取的技術路線為:①市域(郊)鐵路新線及延伸線接入。車-地通信、地-地通信等接口標準化。②電子地圖。如應用電子地圖技術,電子地圖格式則應標準化,并且應實現動態加載。

2) 調度系統網絡化:需要實現市域(郊)鐵路調度系統的網絡化管理、網絡化編圖、區域化調整、按線區域調度、與既有調度中心信息互通等功能,同時通過該調度系統能夠調度指揮不同信號系統制式列車。市域(郊)鐵路調度系統網絡化管理與接口示意圖如圖1所示。

圖1 市域(郊)鐵路調度系統網絡化管理與接口示意圖

3) 線路運營公交化:①通勤化。滿足站臺候車、同站臺短距離換乘需求。②高密度。實現最小行車追蹤間隔2.5 min,甚至滿足更短追蹤間隔需求。③快速度。支持最高160～200 km/h的運營速度,具有高速下全自動/司機輔助駕駛功能。④自動化。滿足GoA2(半自動化列車運行)自動化等級及以上需求,需要具備端站無人自動折返功能。⑤智能化。滿足多制式列車控制系統之間自適應切換、多專業融合的智能調度、系統降級情況下自動聯動的應急響應等。

2 基于互聯互通需求的市域(郊)鐵路信號系統關鍵技術

考慮到市域(郊)鐵路公交化及網絡化的運營需求,市域(郊)鐵路信號系統需要按照特定線路在線網中的具體位置及需求靈活配置,既要支持高密度、公交化的運營,也要實現與干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的互聯互通。這就需要市域(郊)鐵路信號系統可以同時兼容城市軌道交通CBTC信號系統及干線鐵路/城際鐵路CTCS-2(中國列車控制系統第二級)信號系統。

從技術路線來說,在地面設置雙套系統共管區域,用于兩套系統之間的過渡;在跨線列車上設置雙套獨立或融合型CTCS/CBTC車載設備,用于跨線運營。

2.1 地面共管區域設備架構

地面共管區域設備按功能劃分應包括控制中心行車指揮系統、車站行車指揮系統、車站聯鎖、TCC(列車控制中心)、TSRS(臨時限速服務器)、CCS(通信控制服務器)(可選)、LEU(軌旁電子單元)、有源及無源應答器、軌道電路、計軸、ZC(區域控制器)、DSU(線路數據服務器)、GSM-R(車地無線通信系統)、LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統)等。在共管區,聯鎖應合并設置,CTCS線路應統一采用軌道電路作為軌道占用檢測設備,CBTC線路部分應統一采用計軸作為軌道占用檢測設備;軌道區段劃分應遵循統一設計原則,并分別與聯鎖及TCC接口。

共線區域長度設置需要結合線路運營實際需求,考慮列車運行速度、車輛參數、土建參數、制動距離、切換區車地通信呼叫時間等信息,在項目實施階段進行詳細計算,以滿足停車和不停車兩種切換場景。共線區域應答器布置需考慮CBTC及CTCS兩種制式需求。若車載設備采用獨立設計方式,應答器設置應保持系統間的相互獨立,具體需求包含ATO(列車自動運行)站臺精確停車,以及CTCS獲取線路數據、載頻信息、CCS ID(通信控制服務器編號)等,同時需要考慮CBTC車載定位冗余,且需考慮列車雙向運行需求等。若車載設備采用融合設計方式,則應答器宜合并設置。基于互聯互通需求的市域(郊)鐵路信號系統地面共管區域設備架構如圖2所示。

2.2 車載設備架構

車載設備可采用CTCS-2+ATO與CBTC兩種制式獨立設置的車載設備,通過增加雙制式切換裝置實現與車輛接口的自適配,亦可采用CTCS-2+ATO與CBTC兩種制式融合的車載設備,綜合實現制式選擇與車輛接口。不同車載設備構架下CBTC及CTCS-2+ATO的駕駛模式如表1所示。

表1 不同車載設備構架下CBTC及CTCS-2+ATO的駕駛模式

車載設備與車輛接口包含硬線和網絡兩部分,硬線可以分為干接點接口和電平接口兩種方式,TCMS(列車控制和管理系統)網絡接口采用實時以太網TRDP(列車以太網通信協議)或MVB(多功能車輛總線)。車載設備DMI(司機人機界面)可以分屏設置,也可以合并設置,通過模式選擇自動切換。乘務人員根據當天運營計劃,可通過CTCS-2車載DMI顯示屏幕將列車長度、載頻信息、司機號、車次號輸入車載設備,且車載設備應記憶上述信息,用于制式切換時使用;切換區CCS ID及載頻信息也可放入切換區域應答器中,用于實現制式自動切換。

兩種制式切換裝置僅可在停車時為可用,且在停車后帶有強制切換屬性,即切換時不需要檢查來自另一制式車載是否允許切換的條件。非停車狀態下,主控車載應不響應CBTC與CTCS的相互切換。當制式切換裝置處于自動位時,應支持不停車切換,切換前需要車載設備確認當前運行狀態下是否允許切換。

日間正常運營過程中,在跨線運營的接駁車站,車載設備應保證在當前制式下控制車門開關及站臺門聯動,待乘客換乘完成、車門及安全門正常關閉后,再進行自動或人工制式轉換,避免由于制式轉換故障影響乘客換乘。

采用雙套獨立的車載設備,兩套系統邊界比較清晰,便于當前工程實施的邊界劃分,滿足合規性需求。然而,兩套車載設備體積過于龐大,接口之間切換復雜,車體外掛設備多,因此應研發融合型車載設備,滿足市域(郊)鐵路列車跨線運營需求。市域(郊)鐵路融合型車載設備與車輛接口如圖3所示。

圖3 市域(郊)鐵路融合型車載設備與車輛接口

2.3 跨線運營場景

列車從CTCS-2+ATO線路進入CBTC線路的運營場景如圖4所示。

圖4 列車從CTCS-2+ATO線路進入CBTC線路運營場景

1) 列車進入共管區后,車載設備仍按CTCS-2軌旁設備提供的行車許可信息運行,在經過2個CBTC應答器定位后,向CBTC軌旁設備ZC進行注冊。

2) 注冊成功后,CBTC軌旁設備ZC為列車計算移動授權。

3) 當列車運行到共管區軌道電路(計軸)邊界點前方設定距離時,完成列車頭部動態篩選,融合型車載設備內部CBTC-CM(CBTC人工駕駛模式)模式自動建立,但并不控制列車,列車控制仍然由CTCS-2+ATO車載設備或模塊執行。

4) CTCS-2+ATO車載設備在制式轉換預告點處向司機提示制式轉換,同時激活CBTC制式下的DMI(如分設),由系統自動確認,或由司機進行人工確認。

5) 車載設備在制式轉換執行點處自動轉換為CBTC制式,駕駛模式維持同等級模式,即CTCS-2-ATO模式自動轉換為CBTC-ATO模式,CTCS-2-FS人工駕駛模式自動轉換為CBTC-CM模式。

6) 轉換為CBTC制式后,車載設備通過當前制模式下的DMI向司機提示轉換成功,列車不停車從共管區進入CBTC線路。

7) 如轉換不成功,車載設備在CTCS-2+ATO制式下的DMI上向司機提示轉換失敗原因并報警,列車按常用制動停在線路制式轉換邊界外方入口信號機前。

列車從CBTC線路進入CTCS-2+ATO線路運營場景如圖5所示。

圖5 列車從CBTC線路進入CTCS-2+ATO線路運營場景

1) 列車進入共管區后,車載設備按CBTC軌旁設備ZC提供的移動授權運行,并從應答器獲取線路數據和臨時限速,從軌道電路獲取行車許可信息,實時計算CTCS-2級列車運行曲線。

2) CBTC車載設備在制式轉換預告點處,通過CBTC制式下的DMI向司機提示制式轉換,同時激活CTCS-2+ATO制式下的DMI(如分設),系統自動或由司機進行確認。

3) 車載設備在制式轉換執行點處自動轉換為CTCS-2制式,駕駛模式維持同等級模式,即CBTC-ATO模式自動轉換為CTCS-2-ATO模式,CBTC-CM人工駕駛模式自動轉換為CTCS-2-FS人工駕駛模式。

4) 轉換為CTCS-2等級后,車載設備通過當前制式下的DMI向司機提示轉換成功,列車從共管區不停車進入CTCS-2線路。

5) 如轉換不成功,車載設備在CBTC制式下的DMI上向司機提示轉換失敗原因并報警,列車按常用制動停在制式轉換邊界外方入口信號機前。

采用雙制式車載設備的運營場景如下:

1) 正常情況下,CBTC的車載設備、CTCS的車載設備同時熱備工作,且同時采集車輛相關輸入信息,但同一時刻只有主用模式的車載設備與車輛接口實現輸出,兩種車載設備通過安全接口實現與車輛的輸出通道的切換。

2) 兩種列車控制制式切換預告、制式切換結果、切換失敗原因等信息應在主控制式下的DMI上進行顯示,并給出語音提示或報警。

3) 在共線運行區域或跨線區域,行車指揮系統通過不同信息傳輸路徑,同時給兩套車載設備發送運行任務,兩套車載ATO同時接收運行任務。制式切換后,主控車載的ATO可以利用之前接收的運行任務繼續控車運行。

4) 當制式切換裝置處于自動位時,兩套車載設備之間應通過硬線或實時通信方式交互切換請求與切換應答、控制制式切換過程。當CBTC車載設備與CTCS2+ATO車載設備間通信中斷,或切換過程中發生任何切換失敗,或設備故障時,主控車載設備將保持切換前的制式繼續控車,直到到達當前制式下切換區終點邊界后正常停車,等待人工處理。

3 結語

從國家層面看,研究與實現面向多層次軌道交通的市域(郊)鐵路信號系統,滿足市域(郊)鐵路“四網融合”背景下的網絡化運營需求是時代的需要,也是行業發展的機遇。

為了滿足市域(郊)鐵路兼容制式的信號系統的開發、工程化應用、實際工程項目建設及合規性需求,需要盡快建立市域(郊)鐵路信號系統行業規范體系。通過規范的制定與推行,使得市域(郊)鐵路兼容制式信號系統規范化、合法化、統一化,最終為實現真正意義上 “四網融合”的目標奠定基礎。這就需要行業主管部門、市域(郊)鐵路建設公司、設計院、信號系統廠家等在實際的工程項目中不斷凝練需求,制定地方標準乃至行業標準,進而形成覆蓋市域(郊)鐵路信號系統產品需求、設計、接口、測試及驗證、驗收及安全評估的標準體系。通過產品研發與迭代實現市域(郊)鐵路互聯互通新功能,滿足新需求,從而更好地服務于市域(郊)鐵路互聯互通建設。