CTCS-2级+ATO列车运行控制系统方案研究

王 杰

广佛环线佛山西至广州南站为城际铁路，速度目标值定为200 km/h。线路正线长36.6 km，全线新设5座车站，其中地下站2座，地面站1座，高架站2座。作为珠三角城际铁路线网的一部分，广佛环线与先期建设的佛肇城际在佛山西站接轨，与待建的广佛江珠线在东平新城站接轨，与同期建设的佛莞线在广州南站接轨。在这种条件下，如何既要保证城际列车与国铁列车互联互通，又要确保行车安全和提高运输效率就成为亟待解决的问题，为此提出如下的列车运行控制系统方案。

1 列控系统总体方案

根据铁道部的相关规定和规范，广佛环线采用CTCS-2级的列车运行控制系统，但结合本线城际铁路的运营需要，还需在CTCS-2级系统基础上增加ATO系统功能，配备必要的地面和车载设备。

1.1 地面设备构成

地面设备主要包括临时限速服务器 (TSRS)、列控中心 (TCC)、ZPW-2000(UM)系列轨道电路、应答器和地面电子单元 (LEU)，以及信号安全数据传输网等。

1．列控中心 (TCC)。在各车站均有设置，负责车站、区间轨道电路发送端与接收端的切换控制、轨道电路的编码、站间信息传输、有源应答器的报文控制等，并向车站联锁、CTC提供区间列车占用轨道信息。该线增加与车-地双向通信的接口，以及列控中心与屏蔽门控制系统的接口。

2．轨道电路。正线区间采用国产ZPW-2000(UM)系列计算机编码的无绝缘轨道电路设备，站内采用与区间同制式的轨道电路。

3．应答器。正线按照 CTCS-2级标准布设应答器，用于向列控系统车载设备提供进路、位置、等级转换、定位、线路参数、限速、自动过分相等信息。在车站股道增加精确停车定位应答器，实现列车在ATO控制下的精确停车。

4．电子编码器 (LEU)。原则上设置于室内，负责接收从列控中心传送的应答器报文信息，并传送给有源应答器。控制高速正线有源应答器的LEU设备按1+1热备冗余设置;控制侧线有源应答器的LEU设备按N+1冷备用冗余配置。

5．临时限速服务器 (TSRS)。在满足运输安全的情况下，实现灵活设置。临时限速命令由TSRS统一管理，在临近调度中心车站设置TSRS及临时限速维护终端。临时限速命令下发是列控系统的重要功能，只允许在CTC行调台或TSRS操作终端上下达，且限速的下达原则统一。

6．信号安全数据传输网。为满足信息传输的可靠性、安全性和实时性的要求，采用信号安全数据传输网。信号安全数据传输网接入设备包括:列控中心 (TCC)、计算机联锁 (CBI)及临时限速服务器 (TSRS)。信号安全数据传输网满足TCC、TSRS及CBI之间的安全信息传输。同时，设置网络管理系统，用于对列控设备进行集中监控和管理，该网管系统纳入集中监测系统。

1.2 车载设备

该线动车组按CTCS-2级增加ATO功能装备列控车载设备，由车载安全计算机、轨道信息接收单元 (STM)、应答器信息接收单元 (BTM)、ATO单元设备、人机界面 (DMI)、速度传感器、记录单元等组成，组成原理图如图1所示。

车载控制系统根据地面设备提供的信号信息、线路参数、临时限速信息及有关列车数据等，生成控制速度和目标距离曲线，控制列车运行。同时记录单元对列控系统有关数据及操作状态信息实时动态记录。但该线车载设备需新增1套ATO单元设备，负责ATO功能的实现。具体调整功能如下。

1．在CTCS-2基础上增加ATO驾驶曲线。

2．车载ATP向ATO单元提供列车运行状态、ATP监控曲线、司机驾驶状态、允许开关车门以及向车载ATO单元设备发出行车许可等信息。

3．ATO处理单元直接向动车组输出常用制动、施加牵引、切除牵引、开闭动车车门等信息。

4．车载ATP新增动车组车门监控接口，当列车未停稳或者实际停车点超出了允许停车误差范围，则禁止打开车门。

图1 车载设备组成框图

5．增加车载ATP双向通信设备。

2 区间闭塞

区间正向运行采用自动闭塞，追踪间隔按照3 min设计，反向运行按照自动站间闭塞方式设计。区间轨道电路设备采用计算机编码控制的ZPW-2000(UM)系列无绝缘移频轨道电路，区间地面不设通过信号机，闭塞分区分界点处设停车标志牌。闭塞分区的设置考虑电气化分相绝缘器的位置，防止动车组停车再启动时无法越过无电区。

由于该线隧道比例较大，隧道内的复杂条件对轨道电路的道床及参数都有较大的影响，因此对隧道内轨道电路设计要从轨道电路加分割、计轴加环线、计轴加轨道电路3种方案中选择其一。计轴加环线、计轴加轨道电路都需增加大量室外设备，投资也较大，考虑到设备便于维护、维修，建议采用轨道电路加分割方案。

3 车站联锁系统

3.1 技术要求

系统应满足各站运输作业需要，保证行车安全，具有高可靠性，并符合故障-安全原则。系统具有自动监测信号设备工作状态、信息储存、打印、状态再现等功能，并向维修中心提供系统状态信息，实现远程故障诊断，具有全面的自诊断功能。

联锁系统通过安全接口与列控系统互相通信，完成相应的列控编码和互锁功能，对已建立的列控授权进路，联锁系统不能随意取消;同时，联锁系统与调度集中车站设备连接，实现现场状态的上传和进路控制命令的接收，并为信号计算机监测系统提供相关信息。

3.2 联锁设备选型

该线正线各车站均采用硬件安全冗余结构型计算机联锁，包括2种设置方案:一是计算机联锁设备和列控中心设备合用1套，称为联锁列控一体化系统，它可同时完成车站联锁功能和区间闭塞功能，代表了当今世界铁路信号安全控制技术的发展方向，但由于属于一种新型系统，需要开发、研制的周期较长;另一种方案是计算机联锁设备和列控中心设备分开设置。

3.3 轨道电路

站内正线及到发线均采用与区间相同制式的ZPW-2000(UM)系列轨道电路，为避免轨道电路机车信号邻线干扰，采用载频交叉配置的方式。

4 自动运行系统 (ATO)

根据线路特点，广佛环线考虑设置自动运行系统 (ATO)。ATO系统在ATP的保护与监督之下，根据当前车辆的速度、目标距离、线路限速、控制命令等，控制列车安全、舒适、高效的行驶，自动完成对列车的启动、牵引、巡航、惰行和制动的控制，确保达到设计间隔及旅行速度。通过ATO系统实现列车自动折返、在站台处精确定位停车、站台屏蔽门/安全门与车门联动等功能。

列车自动运行系统由车载设备和地面设备组成。车载设备由车载ATO处理单元、车载双向通信设备等组成。地面设备主要包括精确定位 (ATO应答器组)、轨旁双向通信设备 (交叉感应电缆环线)等。

4.1 车-地信息双向传输

ATO系统需要车-地双向传递信息，把列车运行情况、车次号、列车停稳信息、制动力保持信息、车门信息等从车上传输到地面，同时从地面接收列车运行自动控制、目标点信息、列车运行计划、线路信息，在有折返作业的车站还应接收自动折返相关信息等，完成地对车的一系列信息传输。

目前可选择的车对地信息传输技术手段主要包括:交叉感应环线、GSM-R、无线局域网等。GSM-R为地面无线控制中心和车载控制设备之间的数据传输提供安全的无线传输通道，但GSM-R连接建立存在时延，另外，采用这种方式需要对国铁GSM-R网进行一定修改，涉及配套的相关设备，同时需要开展相关技术攻关和研究。无线局域网技术需在轨旁布置漏泄电缆或波导管或无线天线等，对轨道专业的维护和其他轨旁设备的安装有一定的影响，同时，由于无线局域网技术在高速时数据丢包率较高，目前在地铁的车-地双向通信中仅速度目标值在120 km/h及以下的线路上应用，更高速度的线路没有成熟应用经验。因此本次设计车-地信息双向传输推荐采用交叉感应环线方案。

交叉感应环线作为车-地信息传输媒介，车-地直接通过电磁感应方式交换信息，传输特性好，抗干扰能力强;基于交叉感应环线的信号系统在世界范围的城市轨道交通和干线铁路领域使用多年，有成熟的运用经验;它是一种专用的通信系统，不仅可作为列车与地面之间的双向数据通信媒体，还可以用于列车定位。

4.2 列车精确停车

在地下站设屏蔽门，在高架站设安全门，要求列车的定位技术更为安全、可靠，实现车门与站台屏蔽门/安全门的精确对位停车，满足在ATO控车模式时的停车误差。

目前典型应用的列车定位技术采用列车车载自身定位与地面绝对位置校正设备有效结合的方式，其中地面绝对位置校正设备包括:应答器、交叉环线、裂缝波导等，以及其他一些定位方式，如GPS、无线定位等。

因采用轨旁交叉电缆环线定位需要增加车载接收设备，而采用轨旁裂缝波导定位技术后期维护工作量较大，对设备的安装有非常高的要求，故本次设计方案采用轨旁应答器方式。在车站所有股道沿线设置定位应答器，校核列车里程误差，向车载设备提供“位置数据”信息，确保在车站站台的停车精确度。

4.3 车门与屏蔽门/安全门控制

ATO联动开门:列车进站停车，停稳且满足停车误差时，车载ATO通过车-地通信向地面列控中心发送列车停稳和位置信息;列控中心接收到该信息后，通过继电器接口向屏蔽门控制系统发出打开屏蔽门命令，并通过地-车通信向列车发送开门命令;车载ATO单元收到该命令后向动车组门控系统发出开门的命令，动车组车门打开。

ATO联动关门:列车停站时间到，车载ATO单元向动车组发出关闭车门的命令，同时通过车-地通信将命令发送给列控中心;地面列控中心通过继电器接口向屏蔽门系统发出关闭屏蔽门命令，待屏蔽门关闭后，将其关闭状态信息通过列控中心传给车载ATP设备;车载ATP设备检查动车组车门、屏蔽门/安全门完好关闭后，向ATO单元设备发出行车许可，司机按压发车按钮，列车在ATO单元控制下，自动驶离车站。

4.4 与屏蔽门/安全门的联锁

1．装备车载ATO单元列车。城际列车装备车载ATO单元，达到车-地双向通信、精确进站停车后，就可以实现车门与屏蔽门/安全门控制。当列车在进站时，或列车在站台区域内运行还没完全出清站台，如屏蔽门/安全门被错误打开或者没有接收到屏蔽门/安全门的关闭状态信息，则信号系统向列车发出紧急制动。在屏蔽门系统发生故障时，站台值班员或者司机可以通过按压“互锁解除”按钮，解除信号系统与屏蔽门系统的联动控制，并给司机提供显示信息。

2．非装备车载ATO单元列车。对于没有装备车载ATO单元的列车，在列车到达车站时，采用司机人工开关车门，屏蔽门/安全门由地面人员控制开关。

5 互联互通运行

1．国铁列车进入城际铁路。由于目前的国铁列车没有车载ATO设备，不具备ATO功能，国铁列车进入城际铁路将在ATP设备防护下由司机人工驾驶，地面屏蔽门由车站值班员人工控制。

2．城际列车进入国铁线路。城际列车进入国铁线路将切除ATO功能，在ATP设备防护下由司机人工驾驶，按CTCS-2级列控方式行车。

3．列控系统降级运行。当ATO系统故障时，列车驾驶模式转为ATP保护下的人工驾驶模式;当列控系统车载主机系统故障及地面设备因故停用时，按站间闭塞方式凭地面信号显示运行;救援车、维修车等不装设车载设备的列车，根据调度命令，司机凭地面信号显示，按站间闭塞方式运行。

6 结束语

信号系统以积极采用国内外先进、成熟、经济、适用、可靠的技术进行系统设计为指导思想，采用分散自律调度集中系统 (CTC)、CTCS-2级+ATO功能的列控系统。这些技术的实施，将使本段铁路逐步实现运输调度指挥和控制智能化、自动化，在保障运输安全、提高运输效率、优化运输组织方面发挥重要作用，为铁路发展提供技术支撑和保障，同时对类似城际铁路项目列车控制运行系统方案的确定具有一定的借鉴意义。

［1］ 铁集成［2007］124号.关于印发客运专线CTCS-2级列控系统配置及运用技术原则(暂行)的通知［S］．北京:中华人民共和国铁道部，2007，6．

［2］ 吴汶麒．城市轨道交通信号与通信系统［M］．北京:中国铁道出版社，1998:126－141．

［3］ 谢静高.CTCS-2级列控系统连续信息量与适应速度研究［J］．铁道通信信号，2010(7):34.

(责任编辑:温志红)