四網融合的信號系統方案研究

劉名元，戴 宏

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

從2020 年12 月國務院辦公廳轉發《關于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發展的意見》到2022年，國家鐵路局在鐵路行業《“十四五”現代綜合交通體系發展規劃》中均從不同角度提出，“推進‘四網融合’發展，構建層次清晰、綠色安全、融合一體、快捷順暢、經濟高效的鐵路客運服務網絡?！痹谏鲜鰢艺叩闹敢?，“四網融合”已經成為國鐵、城際、市域（郊）、城市軌道交通發展的方向。

對于信號系統而言，目前國鐵和部分城際、市域（郊）鐵路均采用CTCS-2 列控系統，城市軌道交通多采用CBTC 列控系統，因此信號系統的“四網融合”主要指CTCS-2 和CBTC 兩種制式的兼容與融合。本文將針對信號系統在“四網融合”過程中存在的問題和解決思路進行深入的探討。

1 各軌道交通線路的運營特點

國鐵、城際、市域（郊）鐵路主要用于城市與城市之間或城市與其郊區的旅客出行，其特點是“快速直達”“服務頻次低”“各線互聯互通”。城市軌道交通線路主要用于市區內不同區域之間的乘客服務，其特點是“公交化運營”“服務頻率高”“各線獨自運營”。對于乘客而言，國鐵、城際、市域（郊）鐵路和城市軌道交通線路的最大區別在于“互聯互通”和“公交化運營”。城際鐵路的優勢在快速直達，地鐵的優勢在公交化運營，服務質量高。

2 信號系統與軌道交通線路運營特點的匹配性

2.1 “互聯互通”的匹配性

為實現不同運營線路之間的互聯互通，信號系統的互相兼容是重要基礎條件。CBTC 系統最早由貝爾-阿爾卡特應用于加拿大天車線，后續逐步有諸多廠家參與，并在國內軌道交通市場得到了廣泛應用，但由于參與廠家眾多，各地建設單位需求不一致，導致CBTC 系統沒有統一的國家或者行業標準，系統的準入門檻較低。國內目前只有重慶地鐵初步實現了不同廠家/制式CBTC 系統之間的互聯互通，并且方案還在進一步完善過程中。因此，CBTC 系統在互聯互通這一特點的匹配性上還有一系列的工作需要開展。

CTCS 系列列控系統由于在研制初期，就由鐵道部統一了相應的規范和標準，并且在工程應用中逐步得到了完善和發展，目前已經是國鐵統一的系統制式，不同廠家的設備均遵循同樣的標準，其互聯互通特性已經在國鐵得到了廣泛的驗證。

2.2 “公交化運營”的匹配性

公交化運營體現在較短的追蹤間隔和折返間隔。城市軌道交通工程所用的信號系統制式一般均為CBTC 系統，在歷經了各地工程的驗證之后，正線追蹤能力和折返能力均可滿足線路公交化運營需求，系統實現2 min 的折返和追蹤間隔已無爭議。

根據《城際鐵路設計規范》（TB 10623-2014）要求，CTCS-2 列控系統最小行車間隔應按照運輸需求研究確定，宜采用3 min，其系統能力主要體現在正線的追蹤間隔上，但是折返間隔一般在15 ～20 min，無法滿足公交化運營需求。

2.3 典型都市圈城際線網運營需求

CTCS-2 列控系統可以實現互聯互通，但實現不了公交化運營；CBTC 列控系統可以實現公交化運營，但城市軌道交通一般為各線獨自運營，在互聯互通方面又稍顯不足。

在粵港澳大灣區、長三角等都市圈城際運營需求中，“互聯互通”“公交化”已經越來越成為提升服務水平的切入點。由于城際鐵路、國鐵干線等主要實現的是長距離、高速度的客運目標，與城市軌道交通的公交化運營目的并不一致，因此單獨從折返能力上來對比CTCS-2 和CBTC 兩種列控系統并不合適。但是，如果要在現有都市圈城際鐵路實現公交化運營，那么CTCS-2 列控系統的部分短板就會被放大，由此給工程設計目標的實現帶來巨大風險。CBTC 系統和CTCS-2 系統的特點明顯，目前又暫不具備融合條件，如何兼顧“公交化運營”和“互聯互通”，就成為系統亟需解決的問題。

3 信號系統融合思路

CBTC 列控系統和CTCS-2 列控系統在車載ATP/ATO 具體功能實現方式有所不同，但硬件架構基本類似，都是由外圍接口單元、核心處理單元、電源單元、通信單元和無線單元等組成。在具體功能實現方式中，CBTC 列控系統的通信單元新增了雙端列車通信單元，CTCS-2 列控系統通信單元新增了軌道電路接收單元。在無線單元的功能中，CBTC 列控系統主要實現與WLAN 網絡或者LTE 網絡的接口，CTCS-2 列控單元主要實現與GSM-R 的接口。

如圖1 所示，在原有CBTC 系統的硬件架構基礎上，通過新增司法記錄單元、軌道電路讀取器、GSM-R 電臺等無線通信設備，即可為實現兼容CBTC 和CTCS-2 系統功能的車載設備提供必備的外部條件。

圖1 融合車載構成Fig.1 Composition ofintegrated onboard equipment

為同時兼容CTCS-2 系統和CBTC 系統，減少科研開發的難度，盡可能利用既有CTCS-2 系統和CBTC 系統的成熟經驗，兼容性信號系統方案要盡可能復用既有信號系統設備，例如CTCS-2 系統配置的列控中心、臨時限速服務器、ZPW-2000 設備等，CBTC 系統配置的區域控制器等；聯鎖、CTC設備、車載設備則屬于通用產品，在CTCS-2 系統和CBTC 系統中均有采用，可以考慮在既有產品上升級改造。

3.1 車載設備升級改造

在原有CBTC 車載設備的基礎上，將點式ATO/ATP 軟件模塊替換為CTCS-2 軟件模塊，同時，增加軌道電路接收天線和GSM-R 車載電臺。該方案中，通過對車載設備的軟件、硬件升級改造，控制了系統升級改造影響范圍，具有較大的工程可實施性。

3.1.1 軟件功能升級

點式ATO 軟件模塊升級為CTCS-2 模塊過程中，應制定完整的版本升級、回退機制。確定版本回退的范圍和方式，確保新舊模塊之間的數據和配置信息能夠順利轉換。同時監控系統運行狀況，及時解決因模塊功能升級引起的各種問題。

CTCS-2 模塊與現有系統的硬件環境相匹配，包括與既有車底通信服務單元、各種外設傳感器、人機界面等接口的適配。

模塊安裝之后，需進行詳細的配置工作。這包括設置參數、調試功能以及與系統其他部分的接口對接等。

在配置過程中，應保證原有系統的穩定性和性能，確保引入的新模塊不會給系統帶來新的隱患或負面影響。

3.1.2 硬件升級工作

在既有系統上新增軌道電路接收天線和GSM-R車載天線時，需要考慮一系列因素。首先，要明確系統的需求，選擇適合的設備，并制定詳細的安裝計劃。在安裝過程中，要確保天線的兼容性和穩定性，并進行全面的測試。這包括功能測試、性能測試以及安全性測試。確保天線與系統完美協同工作，并滿足各項指標要求。同時根據測試結果，對天線和系統進行必要的優化和調整。這可能包括調整天線的參數、增強信號穩定性等。優化后，再次進行測試以確保系統的穩定性和可靠性。

通過全面規劃、合理實施和管理維護，能夠成功地在既有系統上新增軌道電路天線和GSM-R 天線并提高系統的整體性能。

3.2 地面設備升級改造

在CTCS2+ATO 既有地面設備的基礎上，新增區域控制器（ZC），以及LTE 無線通信設備。增加ZC 與列控中心（TCC）、聯鎖（CI）及臨時限速服務器（TSRS）設備的接口。本文以ZC 和TCC、CI 之間接口為例進行說明。

3.2.1 ZC和TCC接口

ZC 和TCC 均為列控系統核心設備，分別為CBTC 模式列車和CTCS-2 模式列車提供ATP 計算和防護。在融合信號系統中，兩種軌旁ATP 設備應解決的主要問題是在分界面的交接權問題。

為了保證列車在不同軌旁ATP 控制下的安全交接，ZC 和TCC 在分界點兩側應實現冗余覆蓋。當列車尚未駛過邊界時，僅接受ZC 的移動授權信息。當列車進入重疊區后，也就是從A 區向B 區運行時，同時接收ZC 和TCC 的列控信息，由車載信號系統根據需求自動選用。具體交接示意如圖2 所示，交互信息如下。

圖2 ATP控制權移交示意Fig.2 Schematic diagram of ATP control handover

步驟1：當列車剛剛進入管轄重疊區時，此時移動授權尚未越過邊界，列車同時與ZC 和TCC 建立通信關系，ZC 和TCC 均獨立計算列車移動授權，列車根據所處位置，自動選用所在管轄區的移動授權信息。

步驟2：當列車在重疊區繼續運行，移動授權需要越過邊界時，由ZC 根據和TCC 完成的信息交互，在TCC 控制范圍內，繼續計算移動授權，并將相關信息發送至列車。

步驟3：當列車運行至控制邊界時，列車根據自身定位，當在ZC 控制范圍時候，接收ZC 移動授權；當在TCC 控制范圍時，接收TCC 移動授權；當列車在邊界點時候，由于ZC 和TCC 均在持續計算移動授權，并且列車在持續接收，此時由列車判斷選用。

步驟4：當列車已經完全進入ZC 管轄重疊區，也就是進入了TCC 管轄范圍后，列車只需保留與TCC 的通信鏈路，納入TCC 管轄范圍，此時完成邊界范圍的移動授權交接。

上文簡要論述了ZC 和TCC 在分界區交接列車控制權的信息交互流程。在實際工程應用中，降級模式列車和常規列車之間的混跑，也涉及大量的列車信息交互，其基本原理與上圖類似，應結合具體的場景需求，開展進一步細化工作。

3.2.2 ZC和CI接口

ZC 和CI 接口是信號系統的關鍵組成部分，系統之間的信息傳遞對于列車的安全、穩定和高效運行至關重要。CBTC 系統和CTCS 系統內部，ZC 和CI 接口成熟，但是目前CBTC 系統中ZC 和CTCS列控系統中CI 接口之間需要傳遞哪些信息的研究尚不充分。下文將詳細介紹這些信息的內容以及它們的傳輸方式。

1）信息內容

列車位置信息：包括列車當前所在的位置、前方軌道的狀態（如是否可通行）等。這些信息由CI提供給ZC，用于配合ZC 判斷列車是否按預定進路行駛以及何時減速或停車等。

列車速度信息：包括列車當前的實際速度以及設定的速度限制等。這些信息由ZC 提供給CI，用于控制信號機的顯示以及道岔的開關狀態等。

線路狀態信息：包括線路占用狀態、道岔狀態等。這些信息由CI 提供給ZC，用于配合ZC 判斷前方是否有障礙物或者是否有其他列車占用同一段線路等。

2）信息傳輸方式

軌旁ZC 與CI 之間的信息傳輸通常采用專用的數據鏈路進行傳輸。這些數據鏈路一般包括以太網或光纖環網等技術手段。

3）安全傳輸措施

為了保證信息傳輸的安全可靠，軌旁ZC 與CI之間通常采用加密算法對傳輸的信息進行加密處理，并使用數字簽名等技術來驗證信息的真實性，防止非法篡改和偽造信息。

4）故障處理

如果發生信息傳輸中斷或錯誤等問題，軌旁ZC與CI 都有自身的故障檢測和恢復機制。例如，在ZC 中，一旦檢測到信息傳輸錯誤或缺失，就會立即啟動緊急制動程序，避免事故的發生；而在CI 中，則會在接收到錯誤信息時停止發送命令，等待正確的信息到達后再繼續發送指令。

軌旁ZC 與CI 之間的信息傳輸是鐵路運輸安全的關鍵環節之一，因此需要嚴格按照相關規定和技術要求進行設計、實施和維護，以確保信息傳輸的質量和安全。

綜上所述，方案理論上可以滿足本工程公交化、互聯互通的需求。在實際工程開展過程中，車載設備升級改造方案面對的問題相對較小，技術難度相對較低，工程可實施性較高。目前，粵港澳大灣區深大城際、深惠城際大鵬支線等工程均采用該設計方案。

4 運營維護管理

“四網融合”的信號系統其系統架構與原有CBTC 或者CTCS-2 系統不同，由此會帶來維護成本、難度和維護資源需求的增加。為保障列車的安全運營，可以采取以下的相關解決方案。

制定合理的維護計劃：根據設備的特點和使用情況，制定合理的維護計劃，包括定期檢查、保養、維修等，以確保設備始終處于良好狀態。

加強維護人員培訓：針對新增設備的維護要求，加強對維護人員的培訓，提高技能水平，以確保他們能夠正確地維護所有設備。

建立故障報告和響應機制：建立完善的故障報告和響應機制，及時響應和處理故障，以縮短故障時間和減少對系統的影響。

合理分配維護資源：根據設備的重要性和使用情況，合理分配維護資源，包括人力、物資和時間等，以確保所有設備得到及時維護。

實施預防性維護策略：通過實施預防性維護策略，提前發現和解決潛在問題，以減少故障率和維修時間。

5 行政許可相關問題

根據中國鐵路總公司（簡稱總公司）《鐵路信號產品運用管理辦法》（鐵總運[2015]105 號）要求，“鐵路信號產品實行資質準入管理。例如國家鐵路局行政許可目錄和列入產品認證目錄的鐵路信號產品必須分別取得相應的證書后方可上道使用”。因此，信號系統上道使用需取得如下兩個證書：第一是中鐵檢驗認證中心頒發的鐵路產品認證證書（CRCC證書）；第二是國家鐵路局頒發的《鐵路運輸基礎設備生產企業許可證》。

通過上述分析可知，若在國家鐵路局行政許可范圍內，采用“四網融合”列控系統，則需要滿足制訂相關技術標準及技術條件，并在此基礎上重新取得CRCC 認證。

若在地方主導建設、運營的工程中，依據城市軌道交通相關標準和既有工程應用案例，取得中國城市軌道交通協會CURC 認證，并通過獨立第三方完成的安全評估，即可投入工程應用。

6 結論

通過上文對比分析，對CTCS-2 列控系統進行優化，從技術角度分析具備較大的工程可實施性，但在行政許可等方面，仍然存在一定的不確定性。綜合分析考慮，可以有如下結論。

1）面對“四網融合”需求，在信號系統方案中，推薦采用車載設備升級改造方案為首選方案，地面設備升級改造方案作為備選方案。

2）在由地方主導的城際/市域鐵路建設過程中，“四網融合”信號系統從技術方案角度、安全評估角度是可行的。

3）隨著信號系統技術的不斷發展，結合國家鐵路和城市軌道交通不斷融合發展的趨勢，在未來實現國鐵和城市軌道交通的融合是一定可以實現的。