基于互联互通需求的市域(郊)铁路信号系统分析

张 辉

(兰州市轨道交通有限公司,730030,兰州∥高级工程师)

发改基础[2017]1173号《关于促进市域(郊)铁路发展的指导意见》对市域(郊)铁路的定义为:是城市中心城区连接周边城镇组团及其城镇组团之间的通勤化、快速度、大运量的轨道交通系统,提供城市公共交通服务,是城市综合交通体系的重要组成部分。国办函[2020]116号《关于推动都市圈市域(郊)铁路加快发展的意见》(以下简称《意见》)科学把握了现代化都市圈和市域(郊)铁路发展规律,充分结合我国都市圈市域(郊)铁路发展的实际和需求,从支撑引领现代化都市圈发展高度,提出市域(郊)铁路发展的指导思想、基本原则等,对市域(郊)铁路的规划管理、建设实施、投融资创新、运营管理、发展机制等方面做出全面布署,具有很强的针对性和指导性,是促进都市圈市域(郊)铁路发展的基本纲领性文件。

因此,市域(郊)铁路建设应充分考虑如何实现与既有干线线路、城际铁路、城市轨道交通的一体化融合发展需求,即在特定线路、特定位置实现新建市域(郊)铁路与既有干线铁路、城际铁路、城市轨道交通的互联互通运营。上述需求涵盖线路、供电、车辆、土建等诸多专业,其中最重要的环节是负责行车安全指挥的信号系统的互联互通。研究与开发应用于市域(郊)铁路互联互通的信号系统,使其既要实现与国铁CTCS(中国列车控制系统)系统的兼容,又要满足与城市轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)系统的双重互联互通运营需求。

1 基于互联互通需求的市域(郊)铁路信号系统技术特性

市域(郊)铁路对连接新城及新市镇、减轻城市交通压力、构建便捷出行链起着纽带作用,具有网络化、高密度、公交化、通勤化的服务特性,因此基于互联互通需求的信号系统具有如下技术特性:

1) 列车控制系统网络化:①网内互通。信号系统满足市域(郊)铁路线网内跨线和共线运行。②网际互通。满足与干线铁路、城际铁路及城市轨道交通的互通运行,车载和轨旁设备支持多制式配置。为实现上述技术目标,所采取的技术路线为:①市域(郊)铁路新线及延伸线接入。车-地通信、地-地通信等接口标准化。②电子地图。如应用电子地图技术,电子地图格式则应标准化,并且应实现动态加载。

2) 调度系统网络化:需要实现市域(郊)铁路调度系统的网络化管理、网络化编图、区域化调整、按线区域调度、与既有调度中心信息互通等功能,同时通过该调度系统能够调度指挥不同信号系统制式列车。市域(郊)铁路调度系统网络化管理与接口示意图如图1所示。

图1 市域(郊)铁路调度系统网络化管理与接口示意图

3) 线路运营公交化:①通勤化。满足站台候车、同站台短距离换乘需求。②高密度。实现最小行车追踪间隔2.5 min,甚至满足更短追踪间隔需求。③快速度。支持最高160～200 km/h的运营速度,具有高速下全自动/司机辅助驾驶功能。④自动化。满足GoA2(半自动化列车运行)自动化等级及以上需求,需要具备端站无人自动折返功能。⑤智能化。满足多制式列车控制系统之间自适应切换、多专业融合的智能调度、系统降级情况下自动联动的应急响应等。

2 基于互联互通需求的市域(郊)铁路信号系统关键技术

考虑到市域(郊)铁路公交化及网络化的运营需求,市域(郊)铁路信号系统需要按照特定线路在线网中的具体位置及需求灵活配置,既要支持高密度、公交化的运营,也要实现与干线铁路、城际铁路、城市轨道交通的互联互通。这就需要市域(郊)铁路信号系统可以同时兼容城市轨道交通CBTC信号系统及干线铁路/城际铁路CTCS-2(中国列车控制系统第二级)信号系统。

从技术路线来说,在地面设置双套系统共管区域,用于两套系统之间的过渡;在跨线列车上设置双套独立或融合型CTCS/CBTC车载设备,用于跨线运营。

2.1 地面共管区域设备架构

地面共管区域设备按功能划分应包括控制中心行车指挥系统、车站行车指挥系统、车站联锁、TCC(列车控制中心)、TSRS(临时限速服务器)、CCS(通信控制服务器)(可选)、LEU(轨旁电子单元)、有源及无源应答器、轨道电路、计轴、ZC(区域控制器)、DSU(线路数据服务器)、GSM-R(车地无线通信系统)、LTE-M(城市轨道交通车地综合通信系统)等。在共管区,联锁应合并设置,CTCS线路应统一采用轨道电路作为轨道占用检测设备,CBTC线路部分应统一采用计轴作为轨道占用检测设备;轨道区段划分应遵循统一设计原则,并分别与联锁及TCC接口。

共线区域长度设置需要结合线路运营实际需求,考虑列车运行速度、车辆参数、土建参数、制动距离、切换区车地通信呼叫时间等信息,在项目实施阶段进行详细计算,以满足停车和不停车两种切换场景。共线区域应答器布置需考虑CBTC及CTCS两种制式需求。若车载设备采用独立设计方式,应答器设置应保持系统间的相互独立,具体需求包含ATO(列车自动运行)站台精确停车,以及CTCS获取线路数据、载频信息、CCS ID(通信控制服务器编号)等,同时需要考虑CBTC车载定位冗余,且需考虑列车双向运行需求等。若车载设备采用融合设计方式,则应答器宜合并设置。基于互联互通需求的市域(郊)铁路信号系统地面共管区域设备架构如图2所示。

2.2 车载设备架构

车载设备可采用CTCS-2+ATO与CBTC两种制式独立设置的车载设备,通过增加双制式切换装置实现与车辆接口的自适配,亦可采用CTCS-2+ATO与CBTC两种制式融合的车载设备,综合实现制式选择与车辆接口。不同车载设备构架下CBTC及CTCS-2+ATO的驾驶模式如表1所示。

表1 不同车载设备构架下CBTC及CTCS-2+ATO的驾驶模式

车载设备与车辆接口包含硬线和网络两部分,硬线可以分为干接点接口和电平接口两种方式,TCMS(列车控制和管理系统)网络接口采用实时以太网TRDP(列车以太网通信协议)或MVB(多功能车辆总线)。车载设备DMI(司机人机界面)可以分屏设置,也可以合并设置,通过模式选择自动切换。乘务人员根据当天运营计划,可通过CTCS-2车载DMI显示屏幕将列车长度、载频信息、司机号、车次号输入车载设备,且车载设备应记忆上述信息,用于制式切换时使用;切换区CCS ID及载频信息也可放入切换区域应答器中,用于实现制式自动切换。

两种制式切换装置仅可在停车时为可用,且在停车后带有强制切换属性,即切换时不需要检查来自另一制式车载是否允许切换的条件。非停车状态下,主控车载应不响应CBTC与CTCS的相互切换。当制式切换装置处于自动位时,应支持不停车切换,切换前需要车载设备确认当前运行状态下是否允许切换。

日间正常运营过程中,在跨线运营的接驳车站,车载设备应保证在当前制式下控制车门开关及站台门联动,待乘客换乘完成、车门及安全门正常关闭后,再进行自动或人工制式转换,避免由于制式转换故障影响乘客换乘。

采用双套独立的车载设备,两套系统边界比较清晰,便于当前工程实施的边界划分,满足合规性需求。然而,两套车载设备体积过于庞大,接口之间切换复杂,车体外挂设备多,因此应研发融合型车载设备,满足市域(郊)铁路列车跨线运营需求。市域(郊)铁路融合型车载设备与车辆接口如图3所示。

图3 市域(郊)铁路融合型车载设备与车辆接口

2.3 跨线运营场景

列车从CTCS-2+ATO线路进入CBTC线路的运营场景如图4所示。

图4 列车从CTCS-2+ATO线路进入CBTC线路运营场景

1) 列车进入共管区后,车载设备仍按CTCS-2轨旁设备提供的行车许可信息运行,在经过2个CBTC应答器定位后,向CBTC轨旁设备ZC进行注册。

2) 注册成功后,CBTC轨旁设备ZC为列车计算移动授权。

3) 当列车运行到共管区轨道电路(计轴)边界点前方设定距离时,完成列车头部动态筛选,融合型车载设备内部CBTC-CM(CBTC人工驾驶模式)模式自动建立,但并不控制列车,列车控制仍然由CTCS-2+ATO车载设备或模块执行。

4) CTCS-2+ATO车载设备在制式转换预告点处向司机提示制式转换,同时激活CBTC制式下的DMI(如分设),由系统自动确认,或由司机进行人工确认。

5) 车载设备在制式转换执行点处自动转换为CBTC制式,驾驶模式维持同等级模式,即CTCS-2-ATO模式自动转换为CBTC-ATO模式,CTCS-2-FS人工驾驶模式自动转换为CBTC-CM模式。

6) 转换为CBTC制式后,车载设备通过当前制模式下的DMI向司机提示转换成功,列车不停车从共管区进入CBTC线路。

7) 如转换不成功,车载设备在CTCS-2+ATO制式下的DMI上向司机提示转换失败原因并报警,列车按常用制动停在线路制式转换边界外方入口信号机前。

列车从CBTC线路进入CTCS-2+ATO线路运营场景如图5所示。

图5 列车从CBTC线路进入CTCS-2+ATO线路运营场景

1) 列车进入共管区后,车载设备按CBTC轨旁设备ZC提供的移动授权运行,并从应答器获取线路数据和临时限速,从轨道电路获取行车许可信息,实时计算CTCS-2级列车运行曲线。

2) CBTC车载设备在制式转换预告点处,通过CBTC制式下的DMI向司机提示制式转换,同时激活CTCS-2+ATO制式下的DMI(如分设),系统自动或由司机进行确认。

3) 车载设备在制式转换执行点处自动转换为CTCS-2制式,驾驶模式维持同等级模式,即CBTC-ATO模式自动转换为CTCS-2-ATO模式,CBTC-CM人工驾驶模式自动转换为CTCS-2-FS人工驾驶模式。

4) 转换为CTCS-2等级后,车载设备通过当前制式下的DMI向司机提示转换成功,列车从共管区不停车进入CTCS-2线路。

5) 如转换不成功,车载设备在CBTC制式下的DMI上向司机提示转换失败原因并报警,列车按常用制动停在制式转换边界外方入口信号机前。

采用双制式车载设备的运营场景如下:

1) 正常情况下,CBTC的车载设备、CTCS的车载设备同时热备工作,且同时采集车辆相关输入信息,但同一时刻只有主用模式的车载设备与车辆接口实现输出,两种车载设备通过安全接口实现与车辆的输出通道的切换。

2) 两种列车控制制式切换预告、制式切换结果、切换失败原因等信息应在主控制式下的DMI上进行显示,并给出语音提示或报警。

3) 在共线运行区域或跨线区域,行车指挥系统通过不同信息传输路径,同时给两套车载设备发送运行任务,两套车载ATO同时接收运行任务。制式切换后,主控车载的ATO可以利用之前接收的运行任务继续控车运行。

4) 当制式切换装置处于自动位时,两套车载设备之间应通过硬线或实时通信方式交互切换请求与切换应答、控制制式切换过程。当CBTC车载设备与CTCS2+ATO车载设备间通信中断,或切换过程中发生任何切换失败,或设备故障时,主控车载设备将保持切换前的制式继续控车,直到到达当前制式下切换区终点边界后正常停车,等待人工处理。

3 结语

从国家层面看,研究与实现面向多层次轨道交通的市域(郊)铁路信号系统,满足市域(郊)铁路“四网融合”背景下的网络化运营需求是时代的需要,也是行业发展的机遇。

为了满足市域(郊)铁路兼容制式的信号系统的开发、工程化应用、实际工程项目建设及合规性需求,需要尽快建立市域(郊)铁路信号系统行业规范体系。通过规范的制定与推行,使得市域(郊)铁路兼容制式信号系统规范化、合法化、统一化,最终为实现真正意义上 “四网融合”的目标奠定基础。这就需要行业主管部门、市域(郊)铁路建设公司、设计院、信号系统厂家等在实际的工程项目中不断凝练需求,制定地方标准乃至行业标准,进而形成覆盖市域(郊)铁路信号系统产品需求、设计、接口、测试及验证、验收及安全评估的标准体系。通过产品研发与迭代实现市域(郊)铁路互联互通新功能,满足新需求,从而更好地服务于市域(郊)铁路互联互通建设。