国铁CTCS与城轨CBTC列控系统的多网融合方案研究

席武夷

随着全国干线高速铁路网的逐步形成和城市轨道交通的不断发展和完善,在经济发达的长三角、珠三角等地区,处于干线铁路和城市轨道交通衔接部位的城际铁路、市域铁路迎来了新的发展热潮,在城市群内部的出行通勤中,扮演了越来越重要的角色。2017年6月,国家发改委与多部门联合印发了《关于促进市域（郊）铁路发展的指导意见》（发改基础〔2017〕1173号）,要求推动干线铁路、城际铁路、市域铁路、城市轨道交通“四网融合”。

信号系统是支撑四网融合落地的关键系统之一。在2010年以后国内轨道交通大规模应用的主流信号系统中,按实际运营场景的不同,主要分为国铁CTCS信号系统和城轨CBTC信号系统。其中,CTCS信号系统的标准制定和建设管理,由中国国家铁路集团有限公司主导,分为CTCS-2级和CTCS-3级,未来会逐步演进发展到CTCS-4级,并在相应等级同时叠加了ATO子系统实现自动驾驶；CBTC信号系统的技术标准由中国城市轨道交通协会牵头制定,运营维护由各级地方政府下属的轨道交通集团公司或地铁公司负责。

在国内已开通的部分城际铁路、市域铁路中,信号系统制式也各不相同。例如,由广东省主导建设的莞惠城际、广佛肇等城际铁路,采用CTCS-2+ATO信号系统；由北京市主导建设的北京地铁大兴机场线,采用了CBTC信号系统［1］。

由于国铁CTCS信号系统和城轨CBTC信号系统在运营特点、设备组成和内外部接口上均存在较大差异,所以在城际铁路、市域铁路工程建设中,信号系统制式的选择经常成为争论的焦点。在四网融合的大趋势下,从CTCS信号系统和CBTC信号系统兼容的实际需求出发,本文对系统内部车载设备、地面设备的组成、功能特点等进行详细分析,提出了多网融合的具体实施方案建议。

1 国铁CTCS和城轨CBTC的应用情况及特点

随着铁路技术发展的多元化,我国轨道交通类型越来越多。按照最高运行速度、最小行车间隔、平均线路长度、平均站间距等的不同,轨道交通大致可以划分为高速铁路、城际铁路、市域铁路、地铁系统、轻轨系统、中低速磁浮、跨座式单轨、有轨电车等多种形式。表1对目前国内CTCS和CBTC信号系统的主要应用情况和运营特点进行简要对比［2］。

表1 国内CTCS和CBTC信号系统的主要应用情况和运营特点对比

2 国铁CTCS与城轨CBTC多网融合方案

考虑到CTCS-2/3级列控系统和城轨CBTC列控系统的差异,为实现多网融合跨线运行,基本上只有2种方案:一是地面同时兼容不同类型的车载设备；二是车载设备同时适应不同类型的地面轨旁设备。下面就对2个方案在技术实现方式上的可行性进行详细分析。

2.1 地面同时兼容不同类型的车载设备

在轨旁同时配置CTCS和CBTC地面设备,同时满足装备CTCS-2/3等级车载设备和装备CBTC车载设备的运行需求。由于地面设备变化较大,该方案只能实施在新建的城际铁路、市域铁路上,既有线路都不具备融合的条件。

1）CTCS-2/3级列控系统地面设备,主要包括轨道电路（TC）、应答器、计算机联锁（CI）、列控中心（TCC）、无线闭塞中心（RBC）、临时限速服务器（TSRS）和列车调度集中（CTC）［3］。轨道电路用于实现列车占用检查等；应答器向车载设备传输定位信息、线路参数、进路数据、临时限速等信息；计算机联锁在规定的联锁条件和时序下,对进路、信号和道岔进行控制；列控中心实现对轨道电路编码、有源应答器报文编制、区间通过信号机点灯、区间闭塞方向控制及区间占用逻辑检查等功能；临时限速服务器实现临时限速命令存储、校验、删除、拆分、设置和取消等管理功能；列车调度集中系统用于实现列车实时追踪显示、运行调整等功能。

2）城轨CBTC列控系统对应的地面设备,主要包括应答器、计算机联锁（CI）、区域控制器（ZC）列车自动监督系统（ATS）等［4］。其中,区域控制器负责根据列车所报告的位置信息、联锁所排列的进路和轨旁设备提供的轨道占用信息,为控制范围内的通信列车计算移动授权；列车自动监督系统也用于实现列车实时追踪显示、运行调整等功能。

CTCS-2/3等级列控系统和城轨CBTC列控系统地面设备的差异见表2［5-6］。

表2 CTCS-2/3等级列控系统和城轨CBTC列控系统地面设备的差异

CTCS-2/3等级列控系统地面设备在组成、技术标准和功能上,与城轨CBTC列控系统存在较大差异,若各自配置为独立的双套设备,设备成本投入很大,且需要充分考虑各自系统的控制权限、轨旁设备布置等实际情况,在一些复杂区段或设备故障降级等特殊场景下,系统内部的安全控制逻辑容易相互耦合影响,产生一些无法预料的问题；若将双方的公共设备融合配置成为一个新系统,需要对现行的地面设备规范体系进行详细梳理和修改,相关控制逻辑的确认也非短期内可以达成；此外,轨道交通列车共线运行场景中,为保证行车安全,行车效率需向兼容型列控系统的短板看齐,这样,线路最终的运营效率就取决于CTCS-2等级列控系统,CBTC系统的优势也无法体现。结合以上分析,地面同时兼容不同类型车载设备的方案,不具备可行性。

2.2 车载同时适应不同类型的地面设备

要求车载设备能够同时在CTCS-2/3等级列控线路和城轨CBTC列控系统线路下运行,在同一线路条件允许时,只能有一种型号设备的主控系统在前台工作,实现超速防护等功能,而另一型号的主控系统应处于备用状态,不参与实际控车。在车载设备具备条件的前提下,该方案不仅适用于新建城际铁路、市域铁路,在符合技术要求的既有城轨CBTC线路下,也可以实现多网融合。

CTCS-2/3级列控系统车载设备与城轨CBTC列控系统车载设备的设备组成类似,主要包括主控单元（VC,采用二乘二取二或三取二架构）、人机界面（DMI/MMI,安装在驾驶室）、测速测距子系统（包含速度传感器、雷达传感器和测速测距单元）、BTM子系统（包含BTM主机和天线）、无线传输子系统（包含安全传输单元、GSM-R/LTE-M电台、车顶天线等）、列车接口单元（主要包括安全输入输出单元、输入输出单元、继电器等）、ATO子系统、司法记录单元（JRU/DRU）。此外,CTCS-2/3级列控系统车载设备还配置有轨道电路读取器（TCR）和CIR通信子系统。

2.2.1 融合方案

CTCS和城轨CBTC这2种类型车载设备内部子系统的融合,从技术实现上是完全可行的,各子系统的融合方案大致如下。

1）主控单元的融合可以分阶段实施,第1阶段采用独立的硬件模块,各模块负责各自的安全防护功能；第2阶段将CTCS和CBTC统一到同一台硬件单元内部,软件模块基于独立的任务周期,或者效仿巴黎地铁RER-E的技术路线,将城轨CBTC系列系统全部纳入ETCS系统定义的STM模块实现功能中,增加CTCS扩展单元,实现多种城轨CBTC系统适应接口。随着理论研究的深入和规范标准的形成,软件模块内部可实现深度的融合和统一。

2）人机界面因按键和显示规范差异较大,融合也需要分阶段实施,第1阶段仍然建议采用独立的显示屏,第2阶段再着手制定显示规范,统一按键设计或采用抗干扰性能符合要求的触摸屏,把应用软件融合到同一个显示屏内部。

3）无线传输子系统现阶段的通信方式和安全传输协议存在差异,需结合实际选择的车地无线通信方式,制定相应的融合方案。

4）BTM子系统、列车接口单元、ATO子系统、司法记录单元（JRU/DRU）的主体功能基本相同,具备硬件共用的条件。

2.2.2 实施阶段

考虑到CTCS和城轨CBTC车载设备的复杂性,系统实现第2阶段的融合需要充分考虑到设计联络、规范制定、软硬件研发和安全认证周期,整个过程至少需要3年的时间。基于以上分析,现场工程实施可以分为2个阶段进行。

1）对于3年内有明确多网融合需求的动车组,为降低双方融合的难度,满足工程时间要求,在设计时应尽可能保证CTCS和CBTC车载设备主体的独立性,车下安装的速度传感器天线、雷达天线等,为减小安装维护难度,采用双方共用方案。控车时,应保证同一时刻只有一种类型的车载设备处于前台工作模式,实现安全防护功能,另一类型的车载设备处于后备工作模式。

2）对于有5年以上开通时间的线路,可考虑CTCS和CBTC车载设备的深度融合,主控单元、BTM子系统、测速/测距子系统、无线传输子系统、ATO子系统等都应共用同一套硬件,通过模块化设计和现有软件移植,减少不必要的工作量和系统修改可能带来的安全风险。例如,主控单元基于同一套硬件,内部根据运行线路实现CTCS和CBTC前台、后台工作模式的调度切换。

3 系统融合中的关键问题及对策

3.1 地面信号设备的类型选择

按照上述分析,由于标准不统一,地面设备同时适应CTCS-2/3级和CBTC车载设备的难度较大,采用车载设备同时适应CTCS-2/3级和CBTC地面信号设备的方案可行性较高。但地面信号设备是采用CTCS-2/3级的地面信号设备,还是CBTC地面信号设备的方案,还需充分考虑系统当前的实际运营场景和未来的多网融合需求。

若系统投入运营后,未来最主要的需求是车载设备跨线运行到城际铁路、市域铁路以外的CTCS-2级线路,运行到城市内部地铁线路的需求较弱,则选择CTCS-2/3级的地面信号系统可行性更强；若系统未来最主要的需求是车载设备跨线运行到城际铁路、市域铁路以外的地铁线路,则更适合选择CBTC地面信号设备方案。

此外,还需要充分考虑到2个系统的特点对后期升级维护的影响:在CTCS-2/3级列控系统中,线路数据全部存储在轨旁地面设备中,车载设备不存储线路数据；在CBTC列控系统中,设备信息、线路信息等数据同时存储在车载和地面设备中,且以车载设备为主［7］,不太适用于运行交路范围较广的情况。若运行交路范围内一旦接入新的线路,或其他原因引起数据变化,都需要更新车载侧电子地图数据；若投入运营的车辆较多,频繁调整数据,对后期的维护会带来较大的工作量,同时容易出现安全性问题,这种情况下选择CTCS-2/3级的地面信号系统也更符合实际情况。

3.2 车载设备的切换方式

车载设备在CTCS-2/3级地面设备列控线路和CBTC控制系统地面设备线路对应的跨线位置运行时,需要进行控制模式的切换。

从CTCS-2/3级到CBTC控制模式,为保证在转换边界位置的列车不停车运行,且转换模式后不引起制动,CTCS-2/3级车载设备主控单元应根据接收到的应答器报文信息,提前一定距离向CBTC车载设备主控单元提供所需的行车许可、线路数据和临时限速等信息。模式转换应同时设置预告点和执行点,在转换预告点处向司机提示即将转入CBTC控车的转换预告,在转换执行点处转入CBTC控车。从CBTC控制模式到CTCS-2/3级的切换方式类似。

3.3 车地无线通信方式

国有干线铁路和地铁线路的车地无线通信方式不同,CBTC对应的车地无线通信基本都基于LTE-M和WLAN方式,而干线铁路CTCS-2/3级信号系统采用GSM-R实现车地数据传输。基于5G承载信号系统车地数据传输的方案,双方都在积极研究中,目前还没有正式的商用线路。为实现国铁CTCS系统与城轨CBTC系统的多网融合,作为衔接环节的城际铁路、市域铁路,其车地无线通信方式需要系统考虑。

承载CBTC车地通信的WLAN轨旁AP接入点的间距一般为220～240 m,列车在运行过程中无线切换次数频繁,实际测试条件下一般只支持120 km/h以下的运行速度,无法满足城际铁路、市域铁路的运行速度需求。另外,WLAN技术基于802.11 b/g标准,工作频段为2.4 GHz,与民用设备采用的频段基本相同,采用CBTC列控系统对应的城市地铁线路大多都处于地下隧道内部,受外部环境干扰的影响较小,而城际铁路、市域铁路会有很大一部分线路位于地上,电磁环境复杂度较高,容易受到民用AP、蓝牙等2.4 GHz频段附近信号的干扰,难以保证数据通信的可靠性［8］。因此,城际铁路、市域铁路采用基于WLAN的车地无线通信方式不可行。

目前,国内移动设备厂商研制的5G通信模块,普遍能够向下兼容LTE和GSM网络。采用同时兼容5G-R、LTE-M和GSM-R网络技术的无线电台,实现CBTC和CTCS-2/3级列控系统车地无线通信方式的兼容,通过后端的无线控制单元实现不同通信方式的切换,会逐步演进过渡成为多网融合下较为合理的方案［9］。

4 展望

2021年6月,国家发展改革委官网正式公布了《长江三角洲地区多层次轨道交通规划》,提出到2025年,基本建成轨道上的长三角,形成干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通多层次、优衔接、高品质的轨道交通系统。本文针对国铁CTCS信号系统和城轨CBTC信号系统多网融合提出的方案建议,对于指导城际铁路、市域铁路信号系统相关的工程设计和建设实施,具有重要的指导意义和实用价值。希望在相关业内专家的共同努力下,共同推进方案的验证和工程化,早日实现国铁CTCS信号系统和城轨CBTC信号系统的融合,更好地服务人民群众的出行。