新型重载列车移动闭塞系统设计及关键技术研究

熊飞

(中国铁路设计集团有限公司 电化电信工程设计研究院，天津 300308)

我国货运铁路移动闭塞系统研究主要是以轨旁设备为核心，基于无线通信的列车运行控制系统，早在2014年就开始基于车车追踪的重载铁路移动闭塞系统关键技术和装备研究，并引入了惯性导航(以下简称“惯导”)/卫星组合的导航系统，作为新的定位和测速方案。目前移动闭塞系统在重载铁路大型车站中相关应用[1]、重载铁路移动闭塞降级系统[2]、基于LTE技术重载铁路移动闭塞通信系统[3]等方案，都在朔黄铁路(神池南—黄骅港)通过测试且应用情况较好。但这些研究都建立在CTCS-3级列控系统架构之上，基于LTE网络实现车地双向通信，但没有考虑到货运铁路列控系统对列车自动驾驶(Automatic Train Operation，ATO)、北斗卫星导航系统、数字孪生技术、5G-R通信网络等相关复杂需求。

为弥补上述不足，提出以北斗卫星导航系统为基础的、基于5G-R通信网络、具备ATO功能的重载列车移动闭塞系统(以下简称“TBTCHY-3系统”)，其具备ATO新特性，且系统运维采用数字孪生技术。ATO多用于城际铁路和市域铁路中，我国对ATO应用于重载铁路的研究较少。目前已开通的具有城市轨道交通列车运行控制系统且能实现自动驾驶功能的主要有2种制式：一种是基于通信的列车控制系统(Communication Based Train Control，CBTC)，ATO系统作为ATC系统的子系统；另一种是基于CTCS-2/3级列控系统并增加ATO功能。TBTCHY-3级重载列车控制系统是基于CTCS-3级列控系统并增加了ATO功能。基于此，分析TBTCHY-3系统组成，设计适用于货运铁路的ATO功能，以更好推动货运铁路产业体系升级发展。

1 系统组成

与以轨旁设备为核心的移动闭塞相比较，TBTCHY-3系统承接了《高速铁路ATO系统总体暂行技术规范》(铁科信[2019]21号)、朔黄铁路重载移动闭塞的阶段性实验成果，借鉴了CTCS-3列控系统架构，使用北斗卫星导航系统作为列车定位和测速测距，同时包含了货运列车所需的ATO部分功能。

地面设备由控制中心、设备集中站设备、轨旁设备构成。控制中心主要包括列控中心(Train Control Center，TCC)、调度集中系统(Centralized Traffic Control，CTC)、临时限速服务器(Temporary Speed Restriction Server，TSRS)、无限闭塞中心(Radio Block Center，RBC)、数据记录服务器；设备集中站设备主要包括联锁(Computer Interlocking，CI)、CTC车站设备、RBC、5G网络设备；轨旁设备包括信号机、道岔、轨道占用(检查)设备、无源应答器，以及传输车-地双向数据的5G基站。车载设备由车载主机(ATP柜、车载5G-R设备)、天线和应答器传输模块(BTM)、速度传感器、雷达传感器、人机交互设备(MMI)、车载记录器等构成，TBTCHY-3级系统结构如图1所示。

图1 TBTCHY-3级系统结构Fig.1 Structure of TBTCHY-3 level system

TBTCHY-3级系统在TSRS新增ATO单元，并在CTC中心增加接口服务器与TSRS进行数据交互。RBC、CI、轨道占用检查设备维持CTCS-3级不变[4]。TBTCHY-3级系统车载设备通过超可靠、超低时延的5G-R通信网络，与CI，RBC，CTC之间信息传输，并对轨旁设备进行控制。系统采用的5G-R通信网络是基于网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)和软件定义网络(Software Defined Network，SDN)的网络架构[5-6]，采用NFV架构优势是用软、硬件解耦及功能抽象，使得技术升级不依赖于新的网络设备，降低了造价和管理难度；采用SDN架构的优势是数据面和控制面分离，使网络控制更灵活有效，避免数据拥塞，并且能和“云计算”结合，如部署于SDN控制器上的网络应用软件，亦能部署于“云计算”虚拟机中。NFV应用于OSI模型的4至7层，SDN应用于OSI模型的2至3层。NFV与SDN两者相互补充，且互不依赖，两者各自发挥作用，使5G-R 网络更智能，同时降低成本。

2 系统关键技术

基于TBTCHY-3系统组成的研究，对TBTCHY-3系统的导航系统、地面应答器进行设计，列车定位和测速采用惯导/卫星组合系统(以下简称“组合导航系统”)作为主要手段，应答器作为辅助手段。应答器系统作为组合导航系统的补充，主要用于因密林、隧道等遮挡失去卫星信号的列车定位。当卫星信号丢失时，组合导航系统仅以惯导模式工作，直至卫星信号恢复。组合导航系统信息恢复后，TBTCHY-3级系统按照预先设置的中断事件参数重新对准，并计算位置、速度、加速度、距离。

2.1 基于北斗卫星的组合导航系统

组合导航系统车载设备由惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、惯导主机、北斗卫星导航接收模块、组合计算机4部分组成，组合导航系统的车载组成如图2所示。地面设备由地面差分站、地面接收天线组成。组合导航系统车载设备与车载控制器(Vehicle on-board controller，VOBC)设备的接口安装于机车上。地面差分站与信号机械室合设，通过5G-R网络实现差分站链路。地面接收天线设于既有无线列调铁塔上或信号房屋顶部。

图2 组合导航系统的车载组成Fig.2 On-board composition of integrated navigation system

组合导航系统可细分为以下3个功能。

（1）实时提供列车头部卫星定位信息。当组合导航系统设置为组合模式时，系统上电后向卫星导航板卡输出存储的位置信息(根据需求)，北斗卫星信号到来前，按一定频率采集IMU数据，通过加速器(指测量线性加速度的一种传感器)数据判断列车是否为持续静态，并将静态位置信息持续保存，为车载的卫星导航板卡解析并初次与北斗卫星导航系统对准位置信息，提供基础数据。当卫星信号丢失，组合导航系统仅按照惯导模式工作，直至北斗卫星导航系统信号恢复或车载设备通过应答器数据获得定位位置信息为止；当北斗卫星导航系统信号恢复后组合导航系统与北斗卫星导航系统重新对准位置信息或直接耦合位置信息，并在经过下一个应答器时，按应答器预先写入的信息再次校正导航系统中的位置信息。

（2）对机车载体姿态、速度、位置的测量。作为新的速度传导系统，组合导航系统不依赖其他设备，独立完成列车测速、测距功能，突破既有的速度传感器和雷达的测速方案，新的速度传导系统能辅助列车测速，并判断车轮是否空转或打滑。

（3）列车完整性检查。此功能需要通过具有定位功能的可控列尾配合实现，TBTCHY-3级系统检查通过组合导航系统设备和可控列尾，实时获取列车首尾的定位信息。发车前，司机通过MMI输入当前列车的种类、列车车辆编组数目、车长等信息，车长是经由车载系统自动换算成整列车的长度。在非隧道区域场景下，列尾设备将周期性获得的卫星定位信息通过5G-R网络发送给车载设备，车载设备通过可控列尾获得的定位信息与车载主机获得的卫星定位信息比较，计算出头车坐标到列尾坐标的距离|DA|，正常情况下，|DA|的值应小于车长、车头BD模块定位误差、车尾BD模块定位误差、完整性判断余量4部分的和值；否则，系统认为列车已经解编或失去完整性，出于安全考虑，系统将采取紧急制动停车且不能缓解。在隧道区域场景下，通过北斗卫星向车头车尾以发送北斗短报文的方式检查列车完整性时，需要先保证隧道内整个网络覆盖。工程上是通过基站结合光纤直放站、泄露电缆等方式进行网络覆盖；如遇到连续隧道的应用场景，在相邻的隧道之间，采用小区合并技术，多个射频拉远单元(Remote Radio Unit，RRU)能复用1个小区，达到减少隧道间切换，保证信号传输质量。在隧道覆盖中，常用方案是信源设备通过多系统接入平台(Point Of Interface，POI)合路，然后将合路后的信号分到室外天线或馈入漏缆中，同时采用上下行分缆方式，增加缆与缆之间的空间隔离距离，同时充分考虑隧道避车洞的分布位置、上端站的位置，合理组网，并在隧道口设置多频外延天线，以解决隧道口信号强度覆盖弱的问题，保障整个网络连续覆盖[7]。

2.2 地面应答器设置方案

在西部铁路或者较空旷区域，组合导航系统向VOBC实时输出列车头部的位置，实现车车追踪功能，应答器设置可间隔距离较大，采用如下方案。

（1）在隧道口的始端和末端，及区间每1 km设置1个定位应答器，作为该系统定位的校正和补充。

（2）在信号机外方布置2个无源定位应答器，用途是目视行车模式下，列车通过该信号机时能获得位置信息，且前方信号机为开放状态时，系统通过5GR网络接收到RBC行车许可，然后自动升级为完全监控模式。

（3）站台(装车台)两端位置各设1个无源应答器，用于停车前最后一次精确位置校正。站台中适当位置(距离端部无源应答器200 m)各设置1个无源应答器，列车提前接收到停车位置信息，以实现货运列车控制系统 ATO精确定位功能。

3 系统新增ATO特性

在车载设备中，TBTCHY-3级系统运用成熟的ATP硬件，并在此基础上结合重载列车的使用需求，针对ATO子系统功能进行设计与新增。

3.1 牵引和制动

现有的CTCS-2/3+ATO系统中，动车组车载设备和ATO子系统之间经由多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，MVB)实现数据通信，ATO子系统分级控制，定速巡航时，列车会在牵引、制动2个状态间频繁切换。由于重载列车普遍车长较长，制动距离相对较大时，且制动后又不能快速缓解制动，这样在切换过程中导致列尾风压不足，严重时导致重载列车制动力不足，进而危及行车安全；另外重载列车在牵引力施加时，车钩突然从压缩状态转变为拉伸状态，容易导致出现车钩断钩问题；为此，在施加牵引力的过程中需要逐步顺滑加载[8]。因此，在保证安全的前提下，ATO车载设备根据地面设备提供的运行计划，结合列车的实际运行情况、线路条件(线路速度、线路坡度、曲线半径等)合理牵引和制动。

3.2 精确定位

ATO子系统控制列车停车功能，即列车精确定位功能。地面设备，如股道中间需增加精准定位应答器，考虑到重载列车运营方式和城际铁路有较大区别，相比于城际铁路ATO子系统需要站台精确停车并联动屏蔽门的应用场景，TBTCHY-3级系统的ATO子系统对停车精度的要求相对不高。基于成本、人工、施工改造难易程度的考虑，可减少股道中间的精确定位应答器个数。

3.3 列车运营计划接收与执行

ATO子系统通过司机输入的车次号，自动请求列车编组、转换车长、总重量等信息用于控车，司机只负责核对该编组信息是否正确，减轻了司机劳动强度。新增的注册列车数量、列车总重量等信息先由车载传递到TSRS，并由TSRS转发至CTC，TSRS实时接收CTC运行计划，并将站间线路数据传递至ATO车载设备。由列车超速防护系统生成移动授权，控制列车运行[9]。当运行计划改变或者运行计划失效时，RBC子系统及时通过MMI提醒司机，同时以北斗短报文的方式，将列车的实时运行状态信息反馈至地面CTC中心，调度员随时掌握车辆运行情况，正确下达相应调度命令。

3.4 远动控制

铁路信号远动控制技术是遥控、遥信、遥测技术的总集。重载列车经常采用多机重联模式运行，ATO子系统通过5G-R网络，在控制本务列车的同时，也能实现远程控制重联机车[10]，即调度员通过ATO子系统发出控制命令控制本务机车和重联机车。

3.5 AI学习优化

ATO子系统具有一定的人工智能、学习优化功能。重载列车往往机车交路长度大，经常跨铁路局集团公司跨线运行，且牵引重载列车的机车型号较多，牵引特性亦不完全一致。ATO子系统需要有良好的通用性和一定的人工智能，通过采用数字孪生技术收集并自主分析司机人工操纵时的习惯动作，寻找出司机的关键操作点、关键操作时刻，ATO子系统从而吸收司机人工操纵的优点，并不断自我训练，持续优化辅助控车水平，从而提高运输效率，降低司机劳动强度，间接起到保障运输安全的功能。

4 结束语

通过研究和分析，提出新型重载列车移动闭塞系统，新增部分ATO特性，在保证行车安全的前提下，在九矿—苗圃—宝丰3站2区间测试了发车间隔时间，并进行单相追踪运输试验和上、下行追踪运行试验，在上、下行追踪运行测试中，42 min内上、下行共计可通过4列车，大幅提升区间交会能力，系统顺利通过测试，为展开进一步的工程化实验研究提供了理论支撑，也为开展进一步的工程化实施创造了条件。系统的应用可推动设计、产品研发单位提高货运专线铁路的技术水平，也有助于重载铁路进一步增运上量，同时达到降本、增效的作用。