轨道交通不同制式信号系统的兼容性及其互联互通

张国慧

(中铁二院工程集团有限责任公司， 610031，成都 ∥ 高级工程师)

1 研究背景

2019年9月，中国共产党中央委员会和国务院正式印发了《交通强国建设纲要》(以下简为“《纲要》”)。《纲要》明确提出了“建设城市群一体化交通网，推进干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通融合发展”(以下称为“四网融合”)的要求，以及“提高城市群内轨道交通通勤化水平，推广城际道路客运公交化运行模式，打造旅客联程运输系统”的服务目标。城际铁路和城市轨道交通主要承担通勤职能，在轨道交通网络中的主要形态基本以放射线为主。在新的发展背景下，四网融合的互联互通具体包括：干线铁路或城际铁路同市域铁路互联互通，城市快轨列车同市域铁路互联互通，多条市域铁路间互联互通。

我国城市轨道交通信号系统多采用CBTC(基于通信的列车控制) 系统。城市轨道交通CBTC 系统互联互通系列规范已经于2018 年陆续发布。CBTC系统的主要供应商均已研发出满足互联互通要求的设备。重庆轨道交通已实现了不同供应商CBTC系统间的互联互通。

我国铁路信号系统采用CTCS(中国列车运行控制系统)。城际铁路多采用CTCS-2+ATO系统(2级CTCS+列车自动运行系统)，其典型线路为广惠(广州—惠州)城际铁路和广佛肇(广州—佛山—肇庆)城际铁路。

而市域铁路信号系统尚无统一的制式。部分市域铁路信号系统采用CTCS-2+ATO系统。这些线路多采用CRH(中国铁路高速)系列动车组，连接铁路车站，与铁路贯通，并在枢纽或大型客流集散点与地铁实现换乘。还有部分市域铁路信号系统采用了CBTC系统。CBTC系统多应用于城市轨道交通(以下简为“城轨”)线路。宁奉(宁波—奉化)城际铁路、北京大兴国际机场线等市域铁路采用CBTC系统，其采用地铁车型，可与普通铁路换乘，并与客运专线互通。但市域铁路这两种制式的信号系统无法满足四网融合要求。

目前CTCS与CBTC系统尚无互联互通的应用先例。多数车站通过换乘来实现客流的交换运输。大铁路、城际铁路、市域铁路和城市轨道交通路网不断建设，城市间与城市内混合运行需求显现，各信号系统承包商也已开展能够兼容两种制式的信号系统研发工作。本文将基于CTCS和CTCS-2+ATO系统的差异，提出可用于市域铁路的新列车运行控制(以下简为“列控”)系统，从而满足四网融合的要求。

2 两种制式信号系统的差异

CBTC系统和CTCS-2+ATO系统都遵循故障-安全原则，二者采用的控制理念与原理趋同。但在具体功能需求、系统架构和实现方式方面，二者存在较大差异。

2.1 信号系统的技术规格差异

CBTC系统和CTCS-2+ATO系统均为保证列车安全、高效运行的列控系统。由于服务对象和服务目的不同，二者的技术规格存在一定差异(如表1所示)。

表1 CBTC系统和CTCS2+ATO系统的技术规格差异

2.2 信号系统执行的规范及标准差异

CBTC系统和CTCS-2+ATO系统有各自需执行的规范和标准，也有可共同执行的规范及标准(见表2)。

表2 CBTC系统和CTCS2+ATO系统执行的规范标准

2.3 信号系统架构差异

CBTC系统和CTCS-2+ATO系统的主要子系统构成相似，但各子系统适用的制式、设备组成及自动化等级方面存在差异(见表3)。CBTC系统更深层地集成了ATO子系统功能。

2.4 功能实现方式差异

CBTC系统和CTCS-2+ATO系统在功能分配及逻辑处理等方面存在差异(见表4)。

表3 CBTC系统和CTCS-2+ATO系统架构差异

表4 CBTC系统和CTCS-2+ATO系统在功能分配及逻辑处理等方面的差异

3 不同制式信号系统的兼容性分析

本文基于粤港澳大湾区城轨CBTC系统和城际铁路CTCS-2+ATO系统互联互通的设想，分别从CBTC系统车载设备与CTCS-2+ATO系统轨旁设备的兼容性、CTCS-2+ATO系统车载设备与CBTC系统轨旁设备的兼容性、CBTC系统轨旁设备与CTCS-2+ATO系统轨旁设备的通用性、CBTC系统与城际CTCS-2+ATO系统设备互联互通的可行性等方面进行探讨。CBTC系统的车载设备结构见图1，CTCS-2系统的总体结构见图2。

3.1 CBTC系统车载设备与CTCS-2+ATO系统轨旁设备的兼容性

CBTC系统车载设备通过BTM(应答器传输模块)天线可接收CTCS-2+ATO系统地面设备应答器发送的信息。这些信息包括有源应答器发送的进路参数信息、临时限速信息，以及无源应答器发送的列车定位信息和一定范围内的线路参数。两种制式信号系统的应答器数据编码格式存在差异，统一标准后方可兼容。

CBTC系统通常采用计轴器作为列车区段占用检测设备，其车载设备无法接收轨道电路叠加的载频信息。CBTC系统的车载ATP设备同TCC及RBC之间的信息交互兼容难度大。CBTC系统的车载设备采用贯通线连接，其冗余备用设备为热备或温备。CBTC系统车载设备在理论上可同时兼容GSM-R、WIFI(无线网络)及TD-LTE(时分双工长期演进)无线网络。

3.2 CTCS-2+ATO系统车载设备与CBTC系统轨旁设备的兼容性

CTCS-2+ATO系统车载设备通过天线单元和BTM来接收地面应答器发送的上行链路信息给车载主机单元。这些信息包括有源应答器发送的进路参数信息、线路数据信息和临时限速信息等，以及无源应答器发送的列车定位信息和一定范围内的线路参数。同时，CTCS-2+ATO系统车载设备向应答器传输射频能量，周期性检测及探测应答器功能等信息。《城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统(CBTC)接口规范-互联互通接口规范》的编制参照了《应答器传输系统技术条件》中应答器的报文结构及报文编码规则。因此，两种制式信号系统的应答器数据传输内容虽受信号显示方案和线路数据存储位置影响而存在差异，却可在统一标准后兼容。

图1 CBTC系统车载设备结构框图

图2 CTCS-2系统的总体结构框图

CTCS-2+ATO系统车载设备通过轨道电路天线的供电电路信息读取模块，可以接收多个载频，并从中解调出低频信息。理论上，可在城轨CBTC系统线路上安装CTCS-2制式的数字轨道电路，以取代计轴器成为列车区段占用检测设备， 此时CTCS-2+ATO系统车载设备可根据地面轨道电路设备发送的控车信息和线路数据等相关信息，生成制动曲线，以监控列车运行的安全。《IEEE Standard for CommunicationsBased Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements》中定义的CBTC系统包括独立轨道电路而不是计轴器。但城际铁路CTCS-2+ATO系统在列车车头和车尾的车载设备互不通信，其无线车地通信车载设备无法同时兼容GSM-R、WIFI或TD-LTE网络。

我国经典的CBTC系统采用车地无线通信系统和无源应答器来实现列车与轨旁设备的通信和列车定位，其中绝大多数采用计轴磁头(轮轴检测器)作为列车定位的次级检测设备。计算机联锁子系统通过其与室内计轴主机的接口获得区段占用/出清信息。CTCS-2+ATO系统车载设备可通过CBTC系统的计算机联锁子系统来获得室外计轴磁头的检测信息。目前，计轴设备在城际铁路中应用较少，主要作为辅助检测手段使用。这主要因为交流牵引供电系统及回流系统对计轴磁头有不规律的电磁干扰。

3.3 CBTC系统轨旁设备与CTCS-2+ATO系统轨旁设备的通用性

在CBTC系统与CTCS-2+ATO系统中：转辙机设备可通用，只是安装装置尺寸差异较大；CBTC系统与CTCS-2+ATO系统的信号机设备可通用，只是显示方案目前无法兼容；应答器设备可通用，但报文信息受系统制式差异影响，内容差别较大；计轴设备可通用，但TCC、ZC及LC(区间控制器)设备的功能差异较大，实现功能的方式及通信协议差异也极大，目前不具备兼容条件，需要重新开发设备或采用冷备切换的方式来满足跨线运营需求。

3.4 CBTC系统与CTCS-2+ATO系统相关设备互联互通的可行性

车载设备安装了5G/LTE、BTM、TCR(轨道电路读取器)、GSM-R等多种模式的传输设备，利用模块化软件来实现不同通信方式接口协议的同步传输。线路之间通过继电接口(或互联互通通信接口)来交互道岔状态、信号机、照查及上电锁闭状态等信息。车载设备只有经过重新研制改造，才能实现互联互通，否则只能通过硬切换方式来实现跨线运营。

有线通信系统须统一其各类联锁通信接口，并采用RSSP(铁路信号安全通信协议)，以满足EN 50159-1安全通信要求。关键复示信息采用安全可靠的接口。CBTC系统的联锁子系统或ATP子系统须支持CTCS的轨道电路接口。车-地无线通信接口兼容VOBC-ZC(车载控制器)、VOBC-CI、VOBC-ATS通信接口，以及WLAN、GSM-R等接口，并采用RSSP和私有安全通信协议，以满足EN 50159-2《开放传输系统中的安全相关通信》 的安全通信要求。应答器通信接口的安全编码和解码采用欧州标准Subset-036安全编解码技术。各设备之间的通信接口和通信协议目前尚不能通用。

基于传统测速定位方式，将北斗卫星精准定位、激光雷达定位及惯性导航定位方式融合，形成可兼容CBTC系统与CTCS-2+ATO系统的列车定位关键技术。开发一体化的界面设计，并探索使用界面切换技术，进而实现统一人机界面设备对于不同制式的兼容。面对四网融合的需求，上述问题亟待解决。

4 市域铁路的兼容方案

基于上述两种制式信号系统兼容性及可行性分析，针对市域铁路运营特点，为实现同CBTC系统及CTCS系统的互联互通，构建新的市域铁路列控系统(STCS)总体架构如图3所示。STCS包括行车调度设备、临时限速TSRS设备、TCC设备、车站联锁设备、区域控制器设备、车载控制设备、DCS(数据通信系统)设备、应答器/LEU设备、维护监测设备、培训设备、信号电源、计轴设备、信号机等。

STCS的区域控制器和车载控制设备采用CBTC制式。 此外，STCS采用CTCS2+ATO制式的设备有： TCC、 LEU(线路电子单元)、TC(轨道电路)、有源应答器、无源应答器、BTM、TCR及TSRS。

ZC设备可用于列车追踪，能追踪管辖范围内所有列车的位置。STCS采用连续移动授权计算方法，能根据其他列车的位置、道岔状态、轨道区段状态等信息为列车预留轨道并计算移动授权。

跨线运营的车载设备通过应答器来读取不同线路的轨旁线路信息，并通过读取应答器的模式转换信息来进行驾驶等级转换。STCS不仅能兼容不同的供电制式，还能兼容不同的车地无线通信制式。

图3 新的市域铁路列控系统总体结构图

一方面，STCS能满足本线列车高效的移动闭塞模式运营需求，实现短间隔、高自动化水平的运营，并将CTCS-2设备用于后备操作模式；另一方面，对于进入本线的铁路列车或者采用CTCS-2+ATO系统列车，STCS还能提供CTCS-2系统或者CTCS-2+ATO系统的部分相应功能。当然在这种特殊情况下，该列车与其他的本线列车之间按照CTCS-2系统的固定闭塞模式进行跟踪。

如市域铁路信号系统采用CBTC制式，则其CBTC系统也应按照互联互通标准进行构建，从而实现CBTC系统与铁路CTCS-2系统的互联互通。

5 结语

大铁路、城际铁路及市域铁路的信号系统应以CTCS 系列标准列控系统为基础，并实现不同等级列控系统间的兼容，进而实现全国范围内列车的跨线运行和互联互通。

欧洲联盟一直在制定完善欧洲铁路交通管理系统(ERTMS)，致力于确保国家铁路系统的互操作性，降低信号系统的购买和维护成本，同时提高列车速度、基础设施容量和铁路运输安全水平。我国利用5G技术构建轨道交通无线通信网，制定国内铁路系统运营和交通管理子系统相关的互操作性技术规范，实现我国轨道交通信号系统的互联互通将指日可待。本文从新一代列控系统需求的角度出发，提出新列控系统的架构、功能和接口设计，希望通过行业共同努力，能制定完善科学的顶层设计和清晰的发展路线，实现不同制式信号系统的互联互通，真正实现四网融合。