市域铁路中CBTC与CTCS互联互通设计分析

张甬涛，周 欣，金 捷，朱锁明

（1.卡斯柯信号有限公司，上海 200436；2.上海申通地铁集团有限公司，上海 200031）

设计速度100 ～160 km/h 的市域（郊）铁路，一般是中心城市连接外围城镇，作为快速便捷的交通系统多布局在经济发达、人口聚集都市圈内的中心城市，以满足1 h 通勤圈快速出行需求。文献[1]中划分都市快线和市郊铁路共同组成了市域快速轨道交通。国内的市域铁路有：温州S1 线、重庆江跳线、成都18 号线、北京S2 线、上海金山铁路等。国内市域（郊）铁路里程仅千余公里，远不及地铁的7 000 多km 里程。相较于发达国家的纽约、东京、伦敦等都市圈交通建设，市域铁路规模相对薄弱，发展潜力较大。

2004 年原铁道部参照欧洲列车控制系统标准，并结合中国铁路具体情况，定义了中国列车控制系统（Chinese Train Control System，CTCS）的5 个等级：CTCS-0、CTCS-1 级是用于普速铁路的固定闭塞模式控制系统；CTCS-2、CTCS-3 级是高速铁路和城际铁路常用的准移动闭塞模式列控系统；CTCS-4 级是基于无线的移动闭塞列车运行控制系统。地铁信号控制采用基于通信的列车自动控制系统（Communication Based Train Control System，CBTC）。近年来中国发布的《市域（郊）铁路设计规范》《市域快轨交通技术规范》中CTCS-2+ATO 列控系统及CBTC 系统均为推荐的列控系统[2]。其中文献[3]定义的原则：1）市域铁路信号可采用CTCS 制式或ATC 制式；2）与干线铁路、城际铁路跨线运行的市域铁路信号系统采用CTCS 制式。

CTCS 主要针对适用于城际铁路的CTCS-2+ATO 列车运行控制系统。由于市域铁路的站线范围、运营规程不同，信号系统关注的市域铁路特殊需求、追踪间隔和功能架构不同于国铁和CBTC。因此基于CTCS-2+ATO 和CBTC 的系统功能架构，为实现市域铁路和地铁互联互通有如下3 个方案：方案1 是完全独立方案，方案2 是大铁与地铁互相融合合并，方案3 是互联互通方案。

1 CTCS和CBTC完全独立方案

完全独立方案即轨旁核心设备互相独立。车载控制器主机(CBTC 或CTCS-2+ATO)的核心计算单元、外围设备接口单元、车辆I/O 采集单元都独立分开。包括车载设备测速和定位等设备全部独立部署。

对于CTCS-2+ATO 系统，列车通过线路应答器定位，结合轨道电路等读取线路数据，列车控制中心将进路状态和授权报文传给有源应答器发送至车载。车地通信将列车位置状态等发送给列车调度集中系统，结合轨道电路的占用/出清追踪列车实现调度运营[4]。市域铁路在CTCS-2 列控系统上新增功能有：自动运行、扣车、自动折返、区间运行等级调整、车门/站台门联动和防护、节能舒适运行等自动驾驶功能[5-6]。

CTCS-2+ATO 系统需增加精确定位应答器实现精确停车；增加车门/站台门联动功能；车载增加列车自动驾驶功能；CTC 升级运行等级调整功能；联锁额外开发备站台门和站台紧急关闭的采集驱动功能。城轨CBTC 列控系统组成有计算机联锁（CI）、区域控制器（ZC）和列车自动监督系统（ATS）等。联锁负责排列进路提供的轨道占用信息；ZC 主要计算列车的移动授权；ATS 对列车实时追踪显示、运行调整等功能。

因此，采用单一系统CBTC/CTCS-2+ATO 或者配置双系统均可，具体示意如图1 所示。

图1 CTCS-2和CBTC系统独立示意Fig.1 Schematic of independence between CTCS-2 and CBTC

配置两套独立的系统虽然均可实现信号控制的功能，但是系统之间不能实现互联互通。

2 CTCS与CBTC融合方案

国铁和城轨信号系统因为架构和设计及软件数据计算不同，国铁和城轨在通信交互、数据流、编码格式也不相同，相关规范和报文编码互异。地铁CBTC、铁路的CTCS-2+ATO 中的核心设备融合，列车控制中心（TCC）和ZC 融合、轨旁线路控制器（LC）和TCC、临时限速服务器（TSRS）或者至少是一定程度的融合或者合并。本文从车载融合、地面融合、系统融合、通信制式协议4 个方面描述融合兼容。

2.1 车载融合

CTCS-2 车载子系统主要功能包括：列车防护功能（计算列车速度位置、管理轨旁设备接口、计算制动曲线、管理制动命令），控车并与车辆交互信息，并将信息显示给司机，事件记录和审计，监控系统状态等。CBTC 车载则计算安全的驾驶移动信息、定位轨道上的列车、计算自动保护、设置并处理运行授权限制、监控列车能量、紧急制动触发、管理防护区域、管理列车车门、车站精确停车及全自动无人驾驶特色功能等。

CTCS-2 列控系统车载与城轨CBTC 列控系统车载的设备组成类似，主要包括主控单元、人机界面、速度传感器和雷达传感器等测速测距设备、点式应答器传输模块、轨旁无线传输、列车接口单元、ATO子系统、数据记录单元。同时，列控车载还有轨道电路读取器和机车综合无线通信子系统（CIR）。

CTCS-2 和CBTC 车载设备内部子系统的融合，具体技术融合方案如下：1）车载控制器：基于安全平台布置车载核心计算单元，或参考巴黎地铁RER-E 的技术方案，将CBTC 系统功能全部纳入欧洲列车控制系统（European Train Control System，ETCS）定义的专用传输模块（Specific Transmission Modulo，STM）中，额外增加扩展单元来实现多种CBTC 的相应接口。2）人机界面因按键和显示规范CTCS-2 和CBTC 差异较大，可统一显示界面，配置相同的按键和触摸屏，显示功能取舍合并至同一个显示屏。3）应答器传输系统、车辆接口硬线和网络、ATO 子系统和数据记录单元等互相统型，软硬件统一设计即可。4）外围设备：两套车载所需的外围设备（测速和定位设备）合并为一套部署。

2.2 地面融合

地面融合是指采用兼容的外围基础设备，如使用统一型号的轨道电路或计轴作为区段检测设备[11]，信号机统一显示。定位设备融合可采用相同的应答器设备和兼容的应答器系统软件。地面融合相对比较容易，地面设备和接口数据等采用通用的设计即可。

联锁系统主要的功能差异包括联锁管辖区域、站台相关功能、进路防护和道岔控制功能等。CBTC和CTCS-2 差异具体如下：CBTC 联锁系统实现了站区联锁一体化功能，而CTCS 仅实现站内联锁功能。CBTC 联锁具备站台门控制、站台区域防护和扣车防护等；CTCS 站台门的关闭防护需要TCC 控制。CBTC 联锁具有进路设置取消检查、自动触发进路、驱动轨旁设备等功能，同时具备道岔的强扳等独有功能。因此联锁融合方案主要是联锁逻辑和联锁功能在软件内部实现统一，存在一定的可能性。

2.3 系统融合

系统完全融合是在地面融合和车载融合均可实现的基础上，选择以CTCS 为标准或者CBTC 技术为标准的架构或者全新的架构，将CBTC 的功能和CTCS 的功能需求融合，选择合适的安全平台，开发一套全新的融合系统。

CTCS-2 列控系统的设备组成、技术方案和标准等与CBTC 系统差异巨大，系统的管理权限、技术架构规格等适用状况也不同。复杂场景或降级模式以及算法判断条件等两个系统互异，如果强行融合，在功能安全和软件安全等方面存在耦合异构排斥等复杂场景，如何保障安全将是重中之重；同时核心设备融合，底层硬件平台和软件平台需要统一架构，相关规范体系标准等需统筹合并，面对铁路和市域铁路以及地铁的复杂需求系统开发困难重重[7]。因此地面轨旁融合来兼容不同类型车载设备的方案难度非常大，开发一套全新系统的安全风险不可忽视。

2.4 通信制式和协议

无线传输制式，国内CBTC 系统多采用WLAN 或者LTE-M，其中WLAN 支持列车运行 速 度120 km/h 以 下，LTE 支 持300 km/h[8]。CTCS-2 多采用GSM-R 无线，因此建议互联互通采用LTE 通信。安全传输协议：CBTC 系统安全协议常用FSFB2、RSSP_Ⅰ及RSSP_Ⅱ，CTCS-2 系统常用RSSP_Ⅱ（Sub037）协议。互联互通可采用安全传输RSSP_Ⅱ协议，应用层协议需要CBTC 和CTCS 双方统筹编号。而且对于应用层协议：一般CTCS 采用铁路总公司的协议标准，CBTC 采用私有协议或者中城协互联互通接口协议，因此需要统筹选择其中一方作为主导[9]。

从安全通信协议的分析来看，CTCS 与CBTC系统融合合并存在问题较大，而核心逻辑独立地面设备融合车载兼容是具备一定的可行性。

3 CTCS与CBTC互联互通分析

两者互联互通主要需要考虑车载和联锁及ATS调度、ZC、线路控制器（LC）、列车控制中心（TCC）和临时限速服务器（TSRS）等。整个开发过程需满足欧标、国标和行业标准，完成产品测试同时通过产品安全评估和系统评估[10]，并获取相关认证。

3.1 互联互通方案

CTCS-2 和CBTC 从设计编制、功能需求、软硬件架构、轨旁设备等方面均存在较大差异，互相融合合并存在较大难度。CBTC 和CTCS-2 互联互通主要考虑两个系统核心设备的信息交互，保持各自制式不变，在接口处进行，主要是在联锁、核心轨旁实现主要数据的交互。

3.2 互相接口

TCC 和ZC 的接口通信模型如图2 所示。

图2 TCC和ZC间通信协议模型Fig.2 Model of communication protocol between TCC and ZC

交互机制：ZC 和TCC 间通信采用周期发送的方式进行通信；通信双方均采用大端字节序列进行数据传输。数据类型定义包括ZC 和TCC 之间通信的所有应用信息类型及其含义、发送方向、长度范围、发送方式（周期/非周期）进行定义。具体应用信息类型需要根据详细应用场景定义。

3.3 叠加覆盖转换切换区域设置来实现双套切换

信号系统为通信列车设置车辆检测与控制切换功能，通过在设置的转换区域实现两套系统控制权的交接。具体为，首先设置重叠区（Common Area）。其次定义列车详细的移交流程。列车设置两套车载控制器（CC），联锁和ATS 及轨旁互相独立，双方的设备在重叠区共同布置。同时尽可能地采用高可信嵌入式软件实现地铁系统与铁路系统的无缝切换。

3.3.1 边界列车安全包络处理方案

列车安全包络是计算列车定位的重要模型，在CBTC 系统和CTCS 系统互联互通中需要设置安全包络的转换区域。

如图3 所示，列车安全包络：近端近侧包络到远端远侧包络范围，列车最大安全前端到列车最小安全后端范围。近端、远端：以ZC 移交边界为基准，向ZC 内部计算，靠近ZC 移交边界的列车端为近端，远离ZC 移交边界的列车端为远端；近侧、远侧：以某点为基准，该点靠近ZC 移交边界的一侧为该点的近侧，远离ZC 移交边界的一侧为该点的远侧。

图3 列车安全包络示意Fig.3 Schematic of train safety envelope

3.3.2 列车控制权切换正常流程示例

列车控制权切换的正常流程示例如图4 所示，其中ZC1 为移交设备，TCC 为接管设备。通过设置ZC1 和TCC 管辖边界及重叠区域作为转换的流程。

图4 列车控制权切换流程示例Fig.4 Example of switchover flow of train control right

控制权转换需要考虑：ZC 和TCC 将包络处于重叠区域内的列车位置报告等列车信息周期互传，边界点的移交状态等信息周期互传。移交流程如下。步骤1：列车1 安全包络未进入ZC1 重叠区范围，仅与ZC1 建立通信，移交流程未启动。列车1 完全受ZC1 的控制，使用ZC1 发送的移动授权运行。步骤2：列车1 对应最大安全包络驶入ZC1 管辖重叠区，列车还是只跟ZC1 通信，移交列车过程未启动。ZC1 开始向TCC 发送列车1 的移交列车信息。步骤3：列车1 的安全包络完全进入ZC1 重叠区范围后，列车1 注册TCC，同时与ZC1 和TCC 建立通信。步骤4：ZC1 为列车1 计算的移动授权终点到达移交边界，移交流程启动。ZC1 向TCC 发送的移交列车信息包含列车1。步骤5：TCC 获得ZC1的移交状态消息中含有列车1 的“列车移交”状态，TCC 独立计算列车1 的相关移动授权，如果TCC计算的移动授权可伸入TCC 管理范围，则TCC 给ZC1 发送的“列车移交接管”变成“列车接管”，ZC1 计算的列车1 移动授权延伸进入TCC 管辖范围。步骤6：列车1 继续前行，最大包络前端驶出ZC1 管理区域，ZC1 与TCC 相互给对方发送列车1的移交状态和移交列车消息，同时给列车1 发送移动授权。列车1 根据自身位置判断使用的移动授权。步骤7：列车1 安全包络驶过移交边界，完全驶出ZC1 管辖范围后，列车1 断开与ZC1 的通信。至此，列车1 完成控制权由ZC1 向TCC 的切换。

4 结语

针对市域铁路信号系统存在CBTC 和CTCS-2的信号制式，依据两者互联互通的需求出发，从3个不同的角度开展具体讨论，CTCS 和CBTC 完全独立方案双套方案技术上可行但造价过高；CTCS与CBTC 系统融合合并困难较大，地面设备融合联锁合并车载部分合并的方案仅仅是个别设备可合并；CTCS 与CBTC 互联互通则相对清晰可行。综上可知，针对市域线路运营的实际需求，信号系统制式的选取可结合建设、管理、维保等多角度综合研判。