京津城际铁路CTC改造方案研究

王振东

（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京100081）

高速铁路在运输组织模式、设备安全等级以及系统复杂度方面，与普速铁路存在较大区别。随着我国高速铁路的发展，早期开通运营的线路逐渐进入大修期。京津城际铁路信号系统改造标准化工程是我国全路首条运营高铁更新改造项目。该线路信号设备的更新改造工程，在确保运输安全、降低对客运组织的干扰等方面，面临着诸多挑战。调度集中系统（CTC）国产化改造工作，作为该工程的核心内容，进行了有益的探索和尝试。因此，总结和梳理京津城际铁路CTC的工程实施方案及经验，对后续其他高铁运营线路的升级改造工作具有较大的借鉴和指导意义。

1 工程概况

1.1 线路概况

京津城际铁路为连接北京、天津两大直辖市的客运通道，起点为北京南城际场，终点为天津城际场，正线全长约118.3 km。全线共设5个车站、1个线路所、5个中继站，其中亦庄站、永乐站和武清站为中间站。该线路与京沪高铁始发站北京南高速场衔接，并经动车走行线连接至北京动车段；经南仓线路所、城际联线路所连接至京沪高铁天津西城际场；经天津城际场与天津津秦场的联络道岔和津秦高铁衔接。

1.2 CTC部署

京津城际铁路CTC由西门子设备更换为国产设备［1］。CTC车站分机系统分别设置于北京南城际场、亦庄站、永乐站、武清站、南仓线路所、天津城际场。作为示范性工程，人机界面的高度集中及减员增效是一项重要诉求。亦庄站、永乐站、南仓线路所的车务应急值守及施工“登/销”记工作，由其他车站代管，因此需要异地设置CTC远程控制终端。亦庄站、永乐站、武清站的运转室与信号机械室分布在站场两侧，布线长度超出了CTC常规信号控制线缆的有效传输距离。采用中继、放大、光电耦合的方式延长传输控制信号，会降低控制信号的安全性和可靠度，本工程采用容错度更高的分组交换/顺序分组交换协议（IPX/SPX协议）将局域网延展，从而把控制信号传输距离缩小至安全、可靠的有效范围内。CTC车站分机部署示意见图1。天津站城际场CTC报点辅助子系统在本工程中停用，并在该站新设标准化CTC车站分机。中心总机系统主要包括：信息转发子系统、接口转换子系统、网络子系统、维护子系统、调度子系统等［2］。

图1 CTC车站分机部署示意图

1.3 新建CTC与既有设备的接入情况

京津城际铁路车站纳入既有延伸线调度台统一管辖，延伸线调度台更名为京津城际调度台。临时限速功能由既有延伸线临时限速服务器（TSRS）增容覆盖。GSM-R网信息交互功能由延伸线既有接口服务器调整增容实现。本线CTC中心总机系统与城际延伸线共用的设备有：CTC应用服务器、CTC通信服务器、GSMR接口服务器、TSRS接口平台、调度台等。

北京南城际场和天津城际场的联锁设备利旧改造，北京南城际场的列控中心利旧改造。本线CTC车站子系统与这些既有设备接口通信，交互控制指令及表示信息。

2 实施方案

2.1 面临的问题

高速铁路CTC的特点是：系统结构复杂且安全责任大；系统部署及测试验证的工作量大；新建系统与既有系统结合紧密，工程实施对既有系统的影响范围大［3］。为降低新系统工程实施对既有系统的影响，保证新系统的安全开通和风险可控，新建高速铁路CTC实施方案设计遵循2个原则：（1）“先验证，后接入”原则，对新系统进行充分的测试验证，待验证通过后，新系统以功能完备、技术达标的状态整体接入既有系统。（2）“零风险”原则，即新系统开通工作仅包括管理层面的设备移交和系统启用，开通前已经排除所有不可控因素，无设备风险［4-5］。但以上方案设计原则不适用于开通运营状态下的京津城际铁路CTC改造工程，体现在以下2个方面：

（1）京津城际铁路信号系统改造工程中的CTC设备调试、验证工作需要结合既有信号系统共同完成，高铁线路既有系统的“天窗点”为4 h，单次施工时长有限。每次涉及接入既有系统的工程推进工作都必须在4 h内完成并适当回退，以保证既有系统功能的完备及可靠。因此先试验、后接入调度中心的实施顺序不适用于开通运营线路，需要结合设备特性，设计差别化的分类接入方案。

（2）京津城际铁路CTC改造工程中，部分CTC子系统的换装范围大且功能调试复杂，在4 h内无法完成部署、新功能验证并回退至既有功能。因此，这部分子系统的改造工作是不可逆的，只能在开通节点前一次性实施完成并同步移交设备管理单位。针对不可逆转的实施内容，必须设计应急处置预案，从而在最大程度上降低干扰运输组织的风险［6］。

2.2 分类接入方案

CTC改造工程接入方案的设计原则包含2个方面：

（1）安全最大化原则。所有可以切分至以4 h为单位的实施内容，均进行完备的复联验证，不纳入开通节点的一次性实施范围。

（2）工程推进最优化原则。所有不影响运输业务或可以通过临时运用管理办法应对的工程实施内容，不占用“天窗点”。

京津城际铁路CTC设备在安全等级和对既有系统依存度方面分别划分为4个层级，基于安全级别及部署方式的CTC设备分类示意见图2。

图2 基于安全级别及部署方式的CTC设备分类示意图

结合以上设计原则及分类，将CTC不同设备或子系统的接入方式分成以下4个类型：

（1）新部署且独立实现自身全部功能的设备。在接入前完成所有部署及测试工作，并具备开通条件。

（2）需要依托既有系统实现部分功能的新设备或子系统，且安全等级较低。纳入临时管理办法并直接上线运用。

（3）具有较高安全等级且待接入的核心设备，以及具备功能预留条件的利旧升级设备。纳入以4 h为单位“天窗点”实施范围，逐项实施、验证并回退，以正确而可靠的设备状态在开通节点倒切上线。

（4）具有较高安全等级且无法纳入4 h“天窗点”实施的利旧升级设备。纳入开通节点不可逆转的一次性实施范围。

2.3 开通应急预案

在开通节点升级改造的设备是GSM-R信息交互服务器，以及铁路运输管理信息系统/调度指挥管理信息系统结合服务器（T/D结合服务器）。GSM-R信息交互服务器的功能是向动车组发送进路预告信息以及无线调度命令；接收动车组的GSM-R网车次号校核信息和停稳信息［7］。T/D结合服务器的功能是自动提取班计划信息并生成动车组运行图。

2.3.1 GSM-R信息交互服务器相关应急预案

GSM-R信息交互服务器升级后，存在接收类信息阻塞、校验码与GSM-R不一致，以及GSM-R信息覆盖范围错误等风险。GSM-R信息覆盖范围错误和校验码不一致是数据类问题，测试序列中的第1趟试验列车，即可暴露全部此类问题，且问题处理方式简单、可控，处理时间较短。应急预案是：盯控第1趟试验列车并修改数据，分析第2～4趟试验列车的GSM-R数据并确认数据修改的准确性。

接收类信息阻塞问题的产生原因较为复杂，包括信道分配不准确、信息过滤规则不合理、信息跳变抑制策略不合理等。解决此类问题需要经过多趟试验列车的验证与反复调试。因此存在测试序列完成后，仍然无法解决问题的可能性。此类问题会导致车次号信息不准确，以及无法获取列车停稳信息，并进一步影响CTC自动报点的准确性以及进路预告信息准确送达动车组。设备问题引发的结果，对于发车间隔短、运行公交化的京津城际铁路列车运输组织而言，是无法接受的。应急解决办法包括2个方面：

（1）在CTC应用服务器中增加动车组GSM-R网信息缓存机制，缓存时间为45 min，能够覆盖京津城际铁路单次动车组的全程运行时间，从而保证运行中的动车组GSM-R网络注册信息准确而稳定。

（2）提升CTC判定列车停稳的优先级，当列车运行速度递减并低于5 km/h时，CTC在10 s后判定列车为停稳状态［8］，可以基本消除由于GSM-R网络停稳信息缺失导致的报点错误。

2.3.2 T/D结合服务器相关应急预案

T/D结合服务器的升级与运输调度管理系统（TDMS）同步实施，TDMS包括客车调度、货车调度、车辆调度、机车调度、值班主任终端、施工管理系统等。多种信息相互卡控，融合形成当班（日）的列车运行计划，并自动铺画在调度台上。T/D结合服务器与TDMS中任何子系统的数据存在偏差，均会导致无法生成列车运行计划。

T/D结合服务器升级改造的应急预案见图3。明确京津城际铁路开通后的7个自然日为过渡期，过渡期能够覆盖城际线路CTC列车运行图的变化周期［9］。过渡期间，列车运行计划的生成逻辑如下：

（1）在CTC内增加基本运行图，作为运行计划上图的主要来源。基本图包括3种常用方案，即平时计划、周末计划、高峰计划。

（2）从TDMS获取计划信息，作为校验数据使用。

（3）自动给出校验建议，当前时间点3 h内计划的校验结果只做出提醒，由调度员确认处置办法；3 h后的校验结果直接铺画为列车运行线，并报警提示。

该计划上图方式既避免了班计划信息错误对运输组织的干扰，也有效利用了实际运用环境，对班计划信息进行数据校验和功能验证。

图3 T/D结合服务器升级改造应急预案示意图

3 技术难点

3.1 转线调车并保持运行线折返关联

北京南城际场是京津城际铁路的“始发/终到”站，动车组在该站折返运行。国产CTC系统能够将同一个车底的终到计划和发车计划自动关联，从而自动变更车次号以降低调度员的劳动强度。在传统模式下，计划关联的判定逻辑是列车停稳后，将终到列车计划关联至当前时间点后最近的同股道始发车计划［10］。北京南城际场的上行咽喉区连接至调车场，上行列车在站内股道终到停稳后，沿调车进路运行至调车场，后转线进入其他股道始发。动车组转线，导致股道发生了变化，且转线过程是通过调车进路完成的。在本工程中，CTC增设了调车进路关联区域（见图4）。

图4 北京南城际场信号布置及调车进路关联平面示意图

终到列车和始发列车各关联1条调车进路，并在调车场进行车次关联，从而辅助站内股道区域的计划关联。

3.2 跨站进路预告的发送问题

CTC系统在分散自律模式下具备自动发送接车进路预告的功能，通过GSM-R网络，以文字方式将进路信息提供给动车组，从而保证司机及车载设备能够提前获取列车运行方向及停站信息。

天津枢纽线路连接示意见图5。在天津枢纽地区，京津城际下行线动车组可以经南仓线路所运行至天津西城际场（方向1），沿城际正线运行至天津城际场站内（方向2），经天津城际场联络道岔反位运行至天津津秦场（方向3）或天津普速场（方向4）。方向1和方向2的接车进路预告信息，可以分别由南仓线路所和天津城际场的CTC分机发出。由于方向3和方向4的列车运行径路不包括天津城际场站内股道，所以天津城际场无法发送接车进路预告信息。天津津秦场归属于津秦高铁，当动车组进入津秦高铁GSM-R网络覆盖范围后才能收到接车进路预告信息，此时动车组已经运行至道岔区段，获取进路信息的时机过晚。在本次工程实施中，建立了CTC跨线的安全信息交互机制，天津津秦场通过安全连接，将本站预告信息发送至天津城际场，再由城际场通过京津城际GSM-R网络发送至动车组。方向4对应的天津普速场不是CTC设备，无法发送进路预告信息，动车组没有收到进路预告信息，即可判定运行方向是天津普速场。

图5 天津枢纽线路连接示意图

4 结束语

运营高铁线路的CTC升级改造不具备长时间调试并一次性接入既有系统的条件。在此提出模块化验证并多次接入既有系统的实施方案，并进一步设计了基于安全等级和既有系统依存度的双维度系统分类方案；梳理开通工作中的风险点，并制定具有针对性的应急处置预案；总结2种特殊场景下的CTC功能实现策略。京津城际铁路CTC在达成最高运营时速、最小追踪间隔、最优进路触发时机等关键运营目标值的同时，高效、安全、准点、有序地完成了升级改造的各项工作，成为我国300～350 km/h高速铁路CTC大修改造的成功范例，为高铁信号系统施工组织、工程验收、开通运营等方面积累了重要经验。