城际和城轨线路贯通运营的列车控制方法研究

姜宏阔

（湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005）

0 引言

在我国轨道交通体系的发展过程中，城市群之间形成了以城际铁路（简称“城际”）为主的交通运输系统，城市内部形成了地铁为主的城市轨道交通（简称“城轨”）运输系统。随着“都市圈”“城市群”一体化发展，半小时、一小时通勤圈的需求被提出，这促使城际铁路与城市轨道交通互联互通、贯通运营、无缝衔接、零距离换乘的呼声越来越高，需求越来越迫切［1-3］。

城轨和城际是两种不同的运营管理体系，要实现贯通运营，涉及运营管理、线路车站工程、车辆型号、供电系统、通信系统及信号系统等多专业的管理和技术实现。目前国内对城际和城轨线路贯通运营的研究基本处在需求探讨阶段，涉及的各个专业相关技术人员也对贯通运营需求下本专业的情况做了基础的研究探讨，比如车辆型号选择、供电制式探讨及线网衔接模式研究等［1-2］。就信号系统而言，目前其尚处于理论研究阶段，专业人员曾对干线铁路和城轨的差异进行了分析，对不同制式信号系统需满足城际和城轨线路贯通运营的需求进行过理论探讨和展望［3］。

城际铁路与城市轨道交通列车控制（简称“列控”）系统制式不同，在系统功能、设备配置及车辆接口等方面都不统一，所以只装备传统城际列控系统的列车不能直接在城际线路和城轨线路上贯通、共线运营［4］。因此，需深入探讨和研究城际与城轨贯通运营下的列车控制方法及技术实现可行性，从信号系统设计和实现方面满足列车在城际与城轨线路贯通运营的需求。

1 城轨与城际列控系统介绍

我国列控系统不断发展并逐渐形成以中国列控系统（Chinese train control system，CTCS）和基于通信的列控（communication based train control，CBTC）系统为核心的局面。其中，CBTC系统是城市轨道交通领域主流列控系统；而CTCS系统是城际及干线铁路主要的列控系统，主流系统为CTCS-2及CTCS-3。本文以CBTC和CTCS列控系统为研究对象开展相关研究。

1.1 CBTC系统

CBTC系统是一种利用高精度列车定位来实现双向连续、大容量的车地数据通信和车载、地面安全功能处理的列车连续自动运行控制系统，主要由列车自动防护（automatic train protection，ATP）、列车自动驾驶（automatic train operation，ATO）、区域控制（zone controller，ZC）、计算机联锁（computer interlocking，CI）、列车自动监控（automatic train supervision，ATS）及数据通信（data communication system，DCS）等子系统组成。各子系统通过DCS构成闭环系统，实现地面控制与车载控制结合、车站控制与中心控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行控制以及列车驾驶自动化等功能为一体的城市轨道交通信号系统。CBTC系统构成如图1所示。

图1 CBTC系统构成示意Fig.1 Composition of CBTC system

CBTC系统设备主要由车站、中心和车载设备构成。在系统工作时，CI采集道岔、信号机等线路元素信息，根据线路元素的工作状态和防护条件等办理和防护进路，并将进路信息、区段信息等基础数据传输给ZC；ZC根据列车的运行情况和线路条件计算控区内列车的移动授权（movement authority，MA），将MA通过车地信息传输系统传输给ATP/ATO车载设备；车载设备根据接收到的MA采用连续速度-距离曲线对列车进行实时控制，从而实现整个列车的安全运行、速度防护、自动驾驶和节能运行等列控功能，保证运营组织的安全高效进行。

1.2 CTCS列控系统

CTCS列控系统是为了保证行车安全而统一制定的系列化、标准化中国列车运行控制系统，是普速国铁、高速铁路、城际铁路领域应用最为广泛的列控系统。依据铁路运输管理层、网络传输层、地面和车载设备层的框架和设计原则，为满足不同线路运输需求，CTCS列控系统被划分CTCS-0到CTCS-4共5级，其中城际铁路主要采用CTCS-2级列控系统。

CTCS-2级列控系统是基于轨道电路和点式设备传输信息的列车运行控制系统，系统设备由地面和车载两部分组成。其中，地面设备由列控中心、点式应答器、轨旁电子单元（lineside electronic unit，LEU）、ZPW-2000系列轨道电路、车站计算机联锁、调度集中系统（centralizedtraffic control，CTC）及临时限速服务器（temporary speed restriction server，TSRS）等组成；车载设备由轨道电路读取器（track circuit reader，TCR）、运行记录装置、ATP、人机接口（driver machine interface，DMI）以及应答器传输模块（balise transmission module，BTM）系统等组成。CTCS-2级列控系统构成如图2所示。

图2 CTCS-2系统构成示意图Fig.2 CTCS-2 system composition diagram

装备了CTCS-2设备的城际列车通过轨道电路，获取列车占用检查、行车许可及闭塞分区数量等列控信息；通过点式应答器，获取临时限速和进路信息、线路参数、线路限速、定位和闭塞分区长度等信息；车载ATP通过综合轨道电路信息、应答器信息、线路静态参数、临时限速信息及有关列控参数等信息，生成目标距离速度模式曲线，从而实时控制列车安全运行。

2 贯通运营列控方法研究

虽然城际列控系统（CTCS-2）和城轨列控系统（CBTC）是两套相互独立的系统，但通过梳理两个系统的组成框架及系统工作原理等，不难发现二者既有差异又有共通之处，因此可将差异和共通处作为切入点，研究并形成合理的列控方法，以满足城际和城轨列车在既有功能的基础上实现贯通运营的需求。CTCS-2系统和CBTC系统的差异及共通点对比如表1所示。

表1 CTCS-2系统和CBTC系统对比Tab.1 Comparison between CTCS-2 and CBTC systems

通过梳理CTCS-2系统和CBTC系统主要差异及共通点可知，装备两种不同制式系统的列车若要在城际和城轨线路贯通运营，则需要一种同时支持和满足两种系统既有功能的列控方法，因此可以通过采用设备融合型和兼容型两种列控方法来满足需求。

融合型列控方法，即将CTCS-2和CBTC两套系统的车载设备融为一体，在功能实现上采用一套软件，在外围设备及接口上采用一套设备及接口。列车进入城际线路，则执行城际线路的控车逻辑；若列车进入城轨线路，则执行城轨线路的控车逻辑。在车载软件功能融合上，可融合为列车位置管理、移动授权管理、曲线计算、安全防护、级别模式管理、折返管理、通信管理和自动过分相管理等多个功能模块。

兼容型列控方法，即在列车上装备CTCS-2和CBTC两套系统的车载设备，当列车从一种线路进入另一种线路（如从城际线路进入城轨线路）时，在目标线路入口前启动安全切换逻辑，完成列控系统不停车转换，使列车启用匹配目标线路列控系统的车载设备，控制列车安全行车。为保证行车安全，避免控车盲区，需设计合理的安全切换逻辑，以在进入不同的线路时无缝切换到相应列控系统。

融合型和兼容型列控方法都能满足城际与城轨贯通运营下的列控需求。相比较而言，融合型列控方法可节约车载设备安装空间，简化车载设备配置，但系统改动多、施工难度大、系统复杂度高，不适宜既有线路快速进行贯通改造；而兼容型列控方法无需改动CTCS-2和CBTC系统既有逻辑和功能，系统耦合风险低、改动小，更方便既有线路进行快速贯通改造。本文针对既有线路现状，重点对兼容型列控方法进行研究探讨。

3 兼容型列控方法

兼容型列控方法既要保证既有列控系统全功能，又要满足城际和城轨跨线贯通运营的需求。当设备进入不同线路区域时，需要切换到相应的列控系统，因此需要从地面信号设备布置、车载信号设备配置以及控车逻辑几方面入手进行研究。

3.1 地面信号设备布置

在兼容型列控方法下，列车从城际线路驶入城轨线路，应在特定位置区域触发切换流程，激活CBTC车载设备；当列车驶入城轨线路的相应控车条件得到完全满足后，列控系统由CTCS-2切换到CBTC，此时列车完全由CBTC控制。列车从城轨线路进入城际线路的操作类似。因此，在城轨线路和城际线路衔接处，应综合考虑相关技术条件，设置一段轨道作为转换轨；转换轨上应设置相应的信号设备（图3）。如图所示，为满足列车贯通运营时CTCS-2和CBTC系统的不停车无缝切换，转换轨上设置了如下信号设备，以实现相应功能：

图3 地面信号设备布置图Fig.3 Layout of ground signal equipments

（1）转换轨两端信号机CGR和CJR。CGR防护列车从转换轨进入城轨线路区域，CJR防护列车从转换轨进入城际线路区域。

（2）有源应答器VB-CGR和VB-CJR。VB-CGR为列车从转换轨进入城轨区域提供点式移动授权、精确位置等信息，并作为列车从城轨线路进入城际线路时列控系统切换的起点；VB-CJR为列车从转换轨进入城际区域提供点式移动授权、精确位置等信息，并作为列车从城际线路进入城轨线路时列控系统切换的起点。

（3）计轴设备JZ1。在信号机CGR对应计轴回撤一个最小车长的位置设置一组计轴JZ1，构成筛选区域，用于列车进入城轨区域升级CBTC系统控制级别时的车头筛选。

（4）轨道电路。在转换轨区域敷设轨道电路，并纳入城际线路地面列控中心控制，用于列车从转换轨进入城际线路前获取相关码位信息。

（5）校轮应答器WB1和WB2。在转换轨设置校轮应答器，用于列车从转换轨进入城轨区域前的轮径校正，同时辅助列车完成进入城轨或城际正线前的初始定位。

3.2 车载信号设备配置

在城际和城轨线路贯通运营的列车上同时装备CTCS-2车载设备和CBTC车载设备，两套设备主机间互相通信；DMI、BTM及其天线、测速单元、车辆接口等控车辅助设备可被共享复用；同时装备CTCS-2控车所需轨道电路接收模块及天线，装备CBTC控车所需DCS车载系统。设备关联关系如图4所示。

图4 车载信号设备关联关系图Fig.4 Association diagram of onboard signal equipments

车载主机是列控系统控车核心设备，为满足列车在城际和城轨间贯通运营需求，CTCS-2和CBTC车载主机需在其既有传统控车功能基础上增加CTCS-2与CBTC车载主机间的通信功能、控制权交接功能以及变更相关外围设备数据解析功能。DMI、BTM及天线、测速单元、车辆接口是控车辅助设备及接口，分别于CTCS-2车载主机和CBTC车载主机通信时提供相关控车基础信息。轨道电路传输系统是城际车载信号专有辅助设备，城轨车地无线通信是城轨信号车载专有辅助设备。控车信号经车辆接口输出给列车，车辆信息经车辆接口被传输到车载主机，通过主机和各辅助设备的配合实现控车目标。

3.3 控车逻辑设计

在城际线路和城轨线路上贯通运营的列车，其控车逻辑应包括既有控车逻辑和控制权交接逻辑。在兼容型列控方法中，CTCS-2和CBTC既有控车逻辑不变，保证了各自系统的全功能；但为实现贯通，需增加控制权交接逻辑。

3.3.1 安全原则

在设计控制权交接逻辑时，应至少遵循以下几条安全原则：

（1）同一时刻只能由CTCS-2或CBTC中的一套列控系统控制列车。

（2）CTCS-2（CBTC）控车的移动授权耗尽但仍然未完成CTCS-2和CBTC的控制权交接，则CTCS-2（CBTC）控制列车停在城轨线路（城际线路）入口信号机前，不能进入城轨（城际）线路。

（3）列控车载系统具备人控优先原则，CTCS-2车载系统和CBTC车载系统均设置旁路开关，可由人工选择旁路任一列控车载系统或所有列控车载系统，以保证在系统故障工况下的列车运行。

3.3.2 控车逻辑

基于上述安全原则及其他行车安全原则，贯通运营的列车在转换轨应按如下逻辑进行CTCS-2和CBTC的控制权交接，移交机制示意如图5所示。

图5 CTCS-2与CBTC控制权移交机制示意图Fig.5 Schematic diagram of control authorization transfer between CTCS-2 and CBTC systems

（1）CTCS-2控车时，其移动授权终点计算到城轨线路入口信号机外侧特定的安全防护点，CTCS-2控制列车从城际线路进入转换轨的速度在转换轨入口限速内（如60 km/h）；当列车收到城际到城轨方向的转换应答器信号（如图3的VB-CJR）后，启动第一次移交，CTCS-2车载系统向CBTC车载系统发出控制权第一次移交请求信息。

（2）CBTC车载系统收到CTCS-2车载系统的第一次移交请求信息，启动CBTC车载系统自检；自检成功后，CBTC车载系统由待机模式进入热备模式，即可进行正常的控车逻辑运算，但不进行控车输出。当自身系统自检正常、具备控车能力且可进入控车模式时，向CTCS-2车载系统回复第一次接收确认信息并驱动接收继电器，输出接收继电信号。

（3）CTCS-2车载系统收到第一次接收确认信息并采集到接收继电信号且列车速度低于切换速度（如25 km/h），则退出控车并进入热备模式；同时驱动移交继电器，输出移交继电信号，并向CBTC车载系统发出第二次移交请求信息。

（4）CBTC车载系统收到CTCS-2车载系统的第二次移交请求信息并采集到移交继电信号，则立即从热备模式进入控车模式；同时释放接收继电信号，并向CTCS-2车载系统回复第二次接收确认信息。

（5）CTCS-2车载系统收到第二次接收确认信息，则终止发送交接请求，释放移交继电信号，并进入待机模式，完成控制权交接。列车由CBTC控制行车，进入城轨线路运营。

4 应用实例

为验证本文所提城际和城轨线路贯通运营的列控方法的可行性，现以列车从城际线路进入城轨线路的典型场景为例进行控车过程演示。应用场景示意如图6所示。

图6 应用场景示意Fig.6 Schematic diagram of application scenarios

T0102列车当前处于城际线路，其移动授权终点计算到了城轨线路入口信号机CGR外侧回撤一个安全距离的位置。T0102列车将从城际线路经由转换轨进入城轨线路，在不同时刻其工况如下：

（1）T1时段。列车由CTCS-2控车，CBTC车载系统处于待机模式；CTCS-2计算的列车移动授权终点在城轨入口信号机CGR外侧回撤一个安全距离处，列车在CTCS-2控制下从城际线路驶向转换轨；CTCS-2控制列车在进入转换轨时列车速度低于转换轨入口限速。

（2）T2时段。列车进入转换轨，收到切换应答器VB-CJR信号，启动控制权移交机制；CTCS-2车载系统向CBTC车载系统发送控制权第一次移交请求。

（3）T3时段。CBTC车载系统收到CTCS-2车载系统的第一次移交请求信息，启动CBTC车载系统自检；CBTC车载系统自检成功后由待机模式进入热备模式。

（4）T4时段。CBTC车载系统先后收到校轮应答器WB1和WB2信号，完成列车定位和校轮；CBTC车载系统向城轨线路地面ZC和ATS等系统发起注册请求。

（5）T5时段。CBTC车载系统具备控车能力，可根据当前系统条件进入联锁级别或CBTC控制级别，可进入RM或CM或AM控车模式；CBTC车载系统向CTCS-2车载系统回复第一次接收确认信息，驱动接收继电器，输出接收继电信号。

（6）T6时段。CTCS-2车载系统收到第一次接收确认信息并采集到接收继电信号，且列车速度低于切换速度，则退出控车，由控车模式进入热备模式；CTCS-2车载系统驱动移交继电器，输出移交继电信号，并向CBTC车载系统发出第二次移交请求信息。

（7）T7时段。CBTC车载系统收到CTCS-2车载系统的第二次移交请求信息，且采集到移交继电信号，则立即从热备模式进入控车模式；CBTC系统根据当前控车条件，以联锁级别或基于闭塞区段的列车控制或CBTC级别，以RM或CM或AM模式控制列车驶向城轨线路；CBTC车载系统释放接收继电信号，并向CTCS-2车载系统回复第二次接收确认信息。

（8）T8时段。CTCS-2车载系统收到第二次接收确认信息，则终止发送移交请求，释放移交继电信号，并进入待机模式，完成控制权交接；CBTC系统根据控车条件相对应的控制级别控制列车以相应驾驶模式进入城轨线路运行。

通过上述应用场景举例推演，T0102列车装备的列控系统按照本文所提贯通运营的列控方法进行系统改造和软件升级后，新列控系统可以控制列车完成在城际线路和城轨线路间不停车切换，满足城际线路和城轨线路贯通运营的需求，验证了本文所提贯通运营列控方法的可行性。

5 结语

本文在城际和城轨贯通运营的需求背景下，从列控系统的角度出发，通过梳理CTCS和CBTC的差异及共通点，提出了融合型和兼容型两种列控方法。由于兼容型列控方法降低了系统的复杂度，缩短了开发和工程实施周期，降低了系统耦合风险，因此更适用于对既有线路进行贯通运营改造。

本文所提出的兼容型列控方法具有以下特点：（1）能实现列车在城际线路和城轨线路贯通运营时自动无缝切换不同制式的列控系统，可保证列车安全、高效的跨线贯通运营；（2）实现了列车在CTCS-2和CBTC列控系统间的全功能无缝切换，切换后的系统具有完整的既有列控功能；（3）控制权移交采用“软件安全确认机制+继电器硬线信号互采”的双重机制，通过软、硬两种方法提高了列车控制权移交的可靠性和安全性。该兼容型列控方法能够满足城际和城轨贯通运营需求，可为相关人员就城际和城轨贯通运营列控系统的研究与实施提供一些参考。后续将进一步研究如何优化满足贯通运营的列控系统架构和功能，如最大限度地共用CBTC和CTCS的设备、精简和融合CBTC和CTCS的功能等，使满足城际和城轨线路贯通运营的列控系统更精简、更便于工程化应用。