基于北斗导航的列车运行控制系统架构设计

开祥宝，张 淼，高 媛，宋志丹

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

1 基于北斗导航的列车运行控制系统功能需求分析

我国西部或偏远地区铁路(以下简称“西部铁路”)，如青藏铁路(西宁—拉萨)、川藏铁路(成都—拉萨)和南疆铁路(吐鲁番—喀什)等，多地处于高原、沙漠、戈壁地带，环境恶劣，驻守和维修困难。传统的以地面信号显示为主体的信号控制模式不能满足日益增长的运量需要，而列车运行控制系统(以下简称“列控系统”)不仅能保障行车安全，还可实现列车追踪运行，提高运输效率，具备自动驾驶(ATO)功能，减轻司机劳动强度。因此，列控系统是现代铁路运输保障行车安全和提高运输效率不可缺少的技术装备。在提高运输效率方面，通过列车追踪运行，缩小列车运行间隔，特别是卫星导航、无线通信技术的应用，通过列车移动追踪或近距离追踪，达到列车追踪间隔最小化。在保障行车安全方面，机控为主完全可以防止司机操作失误导致的行车安全事故。随着人工智能、网络传输及北斗定位技术的应用，列控系统将向着列车近距离追踪控制和全自动驾驶等方向发展，使我国铁路运输达到更加高效、安全、舒适和节能[1]。

针对西部铁路具有运量低、使用环境恶劣等特点，要求列控系统轨旁设备稀疏化，而且西部铁路是路网的一部分，其列车运行控制应满足路网互联互通要求。青藏铁路格拉段于2006年7月开通运营，列控系统采用美国增强型列车运行控制系统(ITCS)，而ITCS采用GPS卫星定位和GSM-R无线通信技术，简化了轨旁设备，不仅减少轨旁设备故障对行车影响，还减少维护维修工作量[2]。但是，由于ITCS系统核心技术主要依赖国外，与我国列车运行控制系统(CTCS)不兼容，不能满足路网互联互通需要。在这样的环境条件下，根据西部铁路运输特点和发展，需要加快开展应用于西部铁路列控系统架构设计，研究具备ITCS优点、满足路网互联互通、完全自主知识产权的基于北斗导航列控系统关键技术，采用北斗导航和无线通信等技术应用，提出一种新型的适用于西部铁路的基于北斗导航的列控系统架构设计。在充分考虑西部地区特点和需求下，基于北斗导航的列控系统技术方案设计应满足以下方面。

（1）系统功能需求。满足单线、复线区段追踪运行需要，列车追踪运行比站间运行可大幅提升运输能力，车站股道有效长能充分利用；适应动车组和内燃、电力等普速机车牵引的列车，适应客货混运线路；适应电气化区段，以及特大隧道、高原等环境恶劣、维修人员值守困难地区，达到轨旁设备无维护或少维护；符合CTCS技术体系，满足路网互联互通运行需要；具有自主知识产权，列控核心技术全面掌握；系统满足最高安全等级要求，关键设备可冗余配置；具备智能化运用维护功能，设备故障自动诊断、劣化趋势自动分析和报警；具备增加自动驾驶功能的能力。

（2）系统功能特点。基于北斗导航列控系统是依靠列车综合定位技术实现列车占用检查，车载设备完成列车完整性检查，地面无线闭塞中心(RBC)与车载设备间通过IP化的无线通信方式双向传输列车位置、线路数据、限速命令和行车许可等信息，可以实现虚拟闭塞或移动闭塞，并采用目标距离连续速度控制模式监控列车运行的控制系统。

（3）系统设计原则。地面设备虚拟化，轨旁设备稀疏化，满足低成本、少维护的需求；采用成熟的安全计算机平台；区间不设轨道电路和通过信号机，中间站可不设信号机、轨道电路，有存车线时，可根据需要设置轨道电路；采用列控联锁一体化控制，完成车站联锁、区间方向控制功能。根据需要可采用虚拟联锁，配置目标控制器，联锁功能由相邻车站设备完成；具备智能运营维护功能，故障自动诊断、劣化趋势自动分析和远程报警；采用CTCS技术体系，满足在其他等级列控系统线路上运行的要求；具备接收和应用北斗等卫星定位信息能力；车-地信息传输，能够适应GSM-R通信、LTE通信及卫星通信的能力；列车定位应适应隧道、山谷、站台雨棚遮挡的环境；地面中心设备为列车计算移动授权，实现列车追踪；满足高安全、高可靠性要求，关键设备冗余配置，系统安全等级达到SIL4级。

2 基于北斗导航的列控系统架构设计

基于北斗导航的列控系统设计是适应西部铁路需求和特点、融合高速铁路CTCS-3级列控系统和城市轨道基于通信的列控系统(CBTC)核心技术，充分继承自主化CTCS-3级列控系统成熟技术和装备基础上，吸收CBTC相关技术，达到轨旁设备稀疏化和路网互联互通运行目标。基于北斗导航的列控系统结构图如图1所示。

系统由列控地面设备和列控车载设备组成。车载设备由车载安全计算机、列车接口单元、无线通信单元、人机交互界面(DMI)、应答器接收单元(BTM)、列车定位单元和卫星信号接收天线等设备组成。其中，列车定位单元和卫星信号接收天线是在自主化C3列控车载设备的基础上新增，为车载ATP提供准确、实时、安全的位置信息[3-4]。地面设备由车站设备和控制中心设备组成。车站配置列控联锁一体化控制设备，完成车站联锁和区间方向控制，除大站外站内不设轨道电路和信号机，线路所或3股道以下的小站，车站配置目标控制器，通过安全数据传输网络由相邻车站的计算机联锁(CBI)设备控制；调度集中自律机和信号监测随计算机联锁配置，卫星定位差分基站逐站配置；区间不设轨道电路和信号机，相邻车站计算机联锁经安全数据传输网交换站间信息，完成区间方向控制功能。

控制中心配置无线闭塞中心(RBC)、调度集中(CTC)中心服务器，以及智能运维中心服务器等设备。RBC通过安全数据通信网与CBI交换信息，完成列车追踪运行控制功能。车－地间信息传输采用多模车地综合数据传输网络系统，可适应GSM-R通信和LTE通信环境。RBC通过无线网络与车载设备实时双向进行信息交互，RBC为车载设备提供线路参数、移动授权、临时限速命令等信息，车载设备实时向RBC报告位置、车长、列车完整等信息，RBC根据车载设备报告的位置，和列车前一次通信报告的位置，对列车进行跟踪和逻辑占用检查，对照虚拟闭塞分区或区段参数表，完成站内虚拟区段和区间虚拟闭塞分区的占用和出清逻辑处理。调度集中中心服务器通过CTC数据通信网与车站自律机实时交换信息，下达行车计划，收集车站、区间列车运行状态信息。智能运维中心服务器通过信号监测数据通信网与车站信号监测设备交换信息，收集轨旁信号设备运行状态、自检和故障等信息，对记录数据分类、智能分析，可通过关键参数变化自动判断信号设备劣化趋势，提前预警，减少设备故障对行车的影响。

图1 基于北斗导航的列控系统结构图Fig.1 The structure of BDS-based train control system

由于取消轨道电路，列车断钩检查则依靠安装在列车头部和尾部的列车完整检查装置完成，该装置可依据车头和车尾的距离、加速度差以及车尾监测风管压力变化等条件实现。列车完整性检查装置应满足安全性指标要求。基于北斗导航的列控系统与CTCS-3级列控系统相比，最主要特点是轨旁设备稀疏化，地面设备虚拟化。具体体现在：取消区间和车站站内轨道电路，取消区间和站内信号机；RBC集中设置，取消临时限速服务器，减少实体应答器；中间小站采用目标控制器，远程控制，联锁设备虚拟化；可实现列车移动追踪，根据需要行车间隔可动态配置。与增强型列控系统相比，最主要特点为：符合CTCS技术体系，满足路网互联互通需要；融合应答器定位，可实现列车站内准确定位，提升股道有效利用；核心技术全面掌握，可提供全面技术支持。

3 基于北斗导航的列控系统关键技术

基于北斗导航的列控系统最主要的特点是依靠列车主动定位技术取代传统由轨旁设备检查列车占用，轨旁设备得到极大的简化，可以有效减轻西部铁路的轨旁维护工作。其中，列车占用检查、列车综合定位、虚拟闭塞技术、列车完整性检查、智能运用维护和车站列控联锁一体化控制等是该列控系统的关键技术[5]。

3.1 列控联锁一体化控制技术

区间运行方向控制由计算机联锁完成，实现列控联锁一体化控制。相邻车站的计算机联锁通过安全数据通信网交换信息，实现区间方向控制。中间站站内不设轨道电路和信号机，车站联锁设备可采用虚拟化控制技术，即采用目标控制器控制道岔转换，其联锁功能由相邻车站计算机联锁系统完成，CBI通过安全数据通信网远程控制中间小站的目标控制器。当目标控制器设备不具备上道使用条件时，则采用站站配置计算机联锁系统的方案，完成列控联锁一体化控制。地面设备虚拟化是减少轨旁设备最有效的方法，充分利用网络传输和电子控制技术，达到集中与分散相结合的架构方式。运算处理集中化，发挥现代大容量高运算能力计算机优势；轨旁设备智能化，便于实现设备状态自监测和故障重构功能，设备具备故障不影响行车。

3.2 列车综合定位技术

列控综合定位是基于北斗导航列控系统的关键，也是实现列车移动追踪运行的基础。列车定位不仅要求实时、准确，还需要达到满足安全指标要求[6-7]。为适应高原、特长隧道等复杂环境，列车定位应采用组合定位方式，采用基于北斗等卫星定位为主，融合车轮速度传感器、惯性导航、应答器等信息的综合定位方式，列车定位逻辑处理示意图如图2所示。

卫星信号覆盖条件好的地区，以卫星定位为主，其他定位方式为辅；卫星信号覆盖差的地区，以惯性导航+应答器+车轮传感器定位为主。车站列车定位，地面将道岔位置信息传送给车载设备，车载设备依此确定所进入的股道，选择对应的线路电子地图数据，实现列车定位。对于卫星信号覆盖不好的车站，可在岔后或股道设置应答器，实现站内准确定位，股道长度充分利用[8]。

3.3 列车占用检查和虚拟闭塞技术

将区间划分为若干虚拟区段，地面无线闭塞中心(RBC)根据列车报告的位置、长度等信息，计算各虚拟区段的占用和空闲状态。站内不设轨道电路时，根据平行进路作业需求将站内划分为若干区段，RBC根据列车位置、长度等信息，计算站内各区段的占用/空闲状态。站内设轨道电路时，区段的占用/出清以轨道电路提供的状态为准。

虚拟闭塞是依靠列车定位实现的一种与传统自动闭塞相对应的闭塞方式，闭塞分区仍然按照传统自动闭塞方式划分，虚拟闭塞分区的占用和出清则依靠列车位置、长度等信息进行逻辑处理，按照顺序占用和顺序出清进行跟踪控制。RBC按照虚拟区段方式为计算机联锁和调度集中提供区间列车占用状态。RBC可采用虚拟闭塞方式为列车计算移动授权(MA)，实现固定闭塞追踪功能。

3.4 列车完整性检查技术

图2 列车定位逻辑处理示意图Fig.2 Logical processing of train positioning

由于采用列车主动定位技术替代传统依靠轨旁设备检查列车占用，列车的完整性则需要列控车载设备完成。检查列车完整性的方法主要是依靠监测列车尾部制动风压管的风压，监测列车尾部的移动，以及卫星定位位置等方法来检查列车完整。在货列尾、客列尾装置的基础上，融合卫星定位技术，进行安全设计，满足SIL4级安全等级要求。

3.5 虚拟应答器技术

为实现与CTCS-3级列控系统互联互通，西部铁路列控系统将充分继承C3列控系统的成熟技术，包括系统平台硬件、软件、车－地传输报文格式等。当地面不设实体应答器时，列车定位装置将向车载超速防护装置(ATP)触发虚拟应答器，依照C3控车逻辑完成车－地信息交互、列车追踪和列车运行控制。

3.6 智能运用维护技术

列控联锁一体化控制装备、目标控制器等设备均具有故障自诊断功能，对于电源屏等配套设备的状态增加适量的监测，监测数据通过信号监测数据通信网传输到控制中心智能运维中心服务器，智能运维中心服务器还通过通信接口收集CTC中心服务器、RBC状态记录数据；智能运维中心服务器对监测数据进行分类，大数据处理，通过关键参数变化自动分析设备劣化趋势，提前预警，为状态修提供技术支持。

4 结束语

针对西部铁路运输发展需求设计基于北斗导航列控系统的技术方案，系统设计采用卫星定位和宽带无线通信技术，该系统的研究对于提高西部铁路运输效率和安全保障具有重要的意义。其技术方案的可行性、系统架构的合理性，以及系统的核心功能实现与设计的符合性，除在环形道采用轨道车进行实车试验验证外，其核心列车综合定位技术参加京沈高速铁路试验段搭载试验，而其他关键技术如虚拟应答器、虚拟闭塞等技术根据条件选择在新建客运专线或普速铁路进行试验验证。基于北斗导航、智能控制、宽带无线移动通信等技术的列控系统研究对于我国铁路运输列车运行控制技术水平提升、完善CTCS技术体系，以及提高铁路运输安全和运输效率具有重要意义。