城際和城軌線路貫通運營的列車控制方法研究

姜宏闊

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

在我國軌道交通體系的發展過程中，城市群之間形成了以城際鐵路（簡稱“城際”）為主的交通運輸系統，城市內部形成了地鐵為主的城市軌道交通（簡稱“城軌”）運輸系統。隨著“都市圈”“城市群”一體化發展，半小時、一小時通勤圈的需求被提出，這促使城際鐵路與城市軌道交通互聯互通、貫通運營、無縫銜接、零距離換乘的呼聲越來越高，需求越來越迫切［1-3］。

城軌和城際是兩種不同的運營管理體系，要實現貫通運營，涉及運營管理、線路車站工程、車輛型號、供電系統、通信系統及信號系統等多專業的管理和技術實現。目前國內對城際和城軌線路貫通運營的研究基本處在需求探討階段，涉及的各個專業相關技術人員也對貫通運營需求下本專業的情況做了基礎的研究探討，比如車輛型號選擇、供電制式探討及線網銜接模式研究等［1-2］。就信號系統而言，目前其尚處于理論研究階段，專業人員曾對干線鐵路和城軌的差異進行了分析，對不同制式信號系統需滿足城際和城軌線路貫通運營的需求進行過理論探討和展望［3］。

城際鐵路與城市軌道交通列車控制（簡稱“列控”）系統制式不同，在系統功能、設備配置及車輛接口等方面都不統一，所以只裝備傳統城際列控系統的列車不能直接在城際線路和城軌線路上貫通、共線運營［4］。因此，需深入探討和研究城際與城軌貫通運營下的列車控制方法及技術實現可行性，從信號系統設計和實現方面滿足列車在城際與城軌線路貫通運營的需求。

1 城軌與城際列控系統介紹

我國列控系統不斷發展并逐漸形成以中國列控系統（Chinese train control system，CTCS）和基于通信的列控（communication based train control，CBTC）系統為核心的局面。其中，CBTC系統是城市軌道交通領域主流列控系統；而CTCS系統是城際及干線鐵路主要的列控系統，主流系統為CTCS-2及CTCS-3。本文以CBTC和CTCS列控系統為研究對象開展相關研究。

1.1 CBTC系統

CBTC系統是一種利用高精度列車定位來實現雙向連續、大容量的車地數據通信和車載、地面安全功能處理的列車連續自動運行控制系統，主要由列車自動防護（automatic train protection，ATP）、列車自動駕駛（automatic train operation，ATO）、區域控制（zone controller，ZC）、計算機聯鎖（computer interlocking，CI）、列車自動監控（automatic train supervision，ATS）及數據通信（data communication system，DCS）等子系統組成。各子系統通過DCS構成閉環系統，實現地面控制與車載控制結合、車站控制與中心控制結合，構成一個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行控制以及列車駕駛自動化等功能為一體的城市軌道交通信號系統。CBTC系統構成如圖1所示。

圖1 CBTC系統構成示意Fig.1 Composition of CBTC system

CBTC系統設備主要由車站、中心和車載設備構成。在系統工作時，CI采集道岔、信號機等線路元素信息，根據線路元素的工作狀態和防護條件等辦理和防護進路，并將進路信息、區段信息等基礎數據傳輸給ZC；ZC根據列車的運行情況和線路條件計算控區內列車的移動授權（movement authority，MA），將MA通過車地信息傳輸系統傳輸給ATP/ATO車載設備；車載設備根據接收到的MA采用連續速度-距離曲線對列車進行實時控制，從而實現整個列車的安全運行、速度防護、自動駕駛和節能運行等列控功能，保證運營組織的安全高效進行。

1.2 CTCS列控系統

CTCS列控系統是為了保證行車安全而統一制定的系列化、標準化中國列車運行控制系統，是普速國鐵、高速鐵路、城際鐵路領域應用最為廣泛的列控系統。依據鐵路運輸管理層、網絡傳輸層、地面和車載設備層的框架和設計原則，為滿足不同線路運輸需求，CTCS列控系統被劃分CTCS-0到CTCS-4共5級，其中城際鐵路主要采用CTCS-2級列控系統。

CTCS-2級列控系統是基于軌道電路和點式設備傳輸信息的列車運行控制系統，系統設備由地面和車載兩部分組成。其中，地面設備由列控中心、點式應答器、軌旁電子單元（lineside electronic unit，LEU）、ZPW-2000系列軌道電路、車站計算機聯鎖、調度集中系統（centralizedtraffic control，CTC）及臨時限速服務器（temporary speed restriction server，TSRS）等組成；車載設備由軌道電路讀取器（track circuit reader，TCR）、運行記錄裝置、ATP、人機接口（driver machine interface，DMI）以及應答器傳輸模塊（balise transmission module，BTM）系統等組成。CTCS-2級列控系統構成如圖2所示。

圖2 CTCS-2系統構成示意圖Fig.2 CTCS-2 system composition diagram

裝備了CTCS-2設備的城際列車通過軌道電路，獲取列車占用檢查、行車許可及閉塞分區數量等列控信息；通過點式應答器，獲取臨時限速和進路信息、線路參數、線路限速、定位和閉塞分區長度等信息；車載ATP通過綜合軌道電路信息、應答器信息、線路靜態參數、臨時限速信息及有關列控參數等信息，生成目標距離速度模式曲線，從而實時控制列車安全運行。

2 貫通運營列控方法研究

雖然城際列控系統（CTCS-2）和城軌列控系統（CBTC）是兩套相互獨立的系統，但通過梳理兩個系統的組成框架及系統工作原理等，不難發現二者既有差異又有共通之處，因此可將差異和共通處作為切入點，研究并形成合理的列控方法，以滿足城際和城軌列車在既有功能的基礎上實現貫通運營的需求。CTCS-2系統和CBTC系統的差異及共通點對比如表1所示。

表1 CTCS-2系統和CBTC系統對比Tab.1 Comparison between CTCS-2 and CBTC systems

通過梳理CTCS-2系統和CBTC系統主要差異及共通點可知，裝備兩種不同制式系統的列車若要在城際和城軌線路貫通運營，則需要一種同時支持和滿足兩種系統既有功能的列控方法，因此可以通過采用設備融合型和兼容型兩種列控方法來滿足需求。

融合型列控方法，即將CTCS-2和CBTC兩套系統的車載設備融為一體，在功能實現上采用一套軟件，在外圍設備及接口上采用一套設備及接口。列車進入城際線路，則執行城際線路的控車邏輯；若列車進入城軌線路，則執行城軌線路的控車邏輯。在車載軟件功能融合上，可融合為列車位置管理、移動授權管理、曲線計算、安全防護、級別模式管理、折返管理、通信管理和自動過分相管理等多個功能模塊。

兼容型列控方法，即在列車上裝備CTCS-2和CBTC兩套系統的車載設備，當列車從一種線路進入另一種線路（如從城際線路進入城軌線路）時，在目標線路入口前啟動安全切換邏輯，完成列控系統不停車轉換，使列車啟用匹配目標線路列控系統的車載設備，控制列車安全行車。為保證行車安全，避免控車盲區，需設計合理的安全切換邏輯，以在進入不同的線路時無縫切換到相應列控系統。

融合型和兼容型列控方法都能滿足城際與城軌貫通運營下的列控需求。相比較而言，融合型列控方法可節約車載設備安裝空間，簡化車載設備配置，但系統改動多、施工難度大、系統復雜度高，不適宜既有線路快速進行貫通改造；而兼容型列控方法無需改動CTCS-2和CBTC系統既有邏輯和功能，系統耦合風險低、改動小，更方便既有線路進行快速貫通改造。本文針對既有線路現狀，重點對兼容型列控方法進行研究探討。

3 兼容型列控方法

兼容型列控方法既要保證既有列控系統全功能，又要滿足城際和城軌跨線貫通運營的需求。當設備進入不同線路區域時，需要切換到相應的列控系統，因此需要從地面信號設備布置、車載信號設備配置以及控車邏輯幾方面入手進行研究。

3.1 地面信號設備布置

在兼容型列控方法下，列車從城際線路駛入城軌線路，應在特定位置區域觸發切換流程，激活CBTC車載設備；當列車駛入城軌線路的相應控車條件得到完全滿足后，列控系統由CTCS-2切換到CBTC，此時列車完全由CBTC控制。列車從城軌線路進入城際線路的操作類似。因此，在城軌線路和城際線路銜接處，應綜合考慮相關技術條件，設置一段軌道作為轉換軌；轉換軌上應設置相應的信號設備（圖3）。如圖所示，為滿足列車貫通運營時CTCS-2和CBTC系統的不停車無縫切換，轉換軌上設置了如下信號設備，以實現相應功能：

圖3 地面信號設備布置圖Fig.3 Layout of ground signal equipments

（1）轉換軌兩端信號機CGR和CJR。CGR防護列車從轉換軌進入城軌線路區域，CJR防護列車從轉換軌進入城際線路區域。

（2）有源應答器VB-CGR和VB-CJR。VB-CGR為列車從轉換軌進入城軌區域提供點式移動授權、精確位置等信息，并作為列車從城軌線路進入城際線路時列控系統切換的起點；VB-CJR為列車從轉換軌進入城際區域提供點式移動授權、精確位置等信息，并作為列車從城際線路進入城軌線路時列控系統切換的起點。

（3）計軸設備JZ1。在信號機CGR對應計軸回撤一個最小車長的位置設置一組計軸JZ1，構成篩選區域，用于列車進入城軌區域升級CBTC系統控制級別時的車頭篩選。

（4）軌道電路。在轉換軌區域敷設軌道電路，并納入城際線路地面列控中心控制，用于列車從轉換軌進入城際線路前獲取相關碼位信息。

（5）校輪應答器WB1和WB2。在轉換軌設置校輪應答器，用于列車從轉換軌進入城軌區域前的輪徑校正，同時輔助列車完成進入城軌或城際正線前的初始定位。

3.2 車載信號設備配置

在城際和城軌線路貫通運營的列車上同時裝備CTCS-2車載設備和CBTC車載設備，兩套設備主機間互相通信；DMI、BTM及其天線、測速單元、車輛接口等控車輔助設備可被共享復用；同時裝備CTCS-2控車所需軌道電路接收模塊及天線，裝備CBTC控車所需DCS車載系統。設備關聯關系如圖4所示。

圖4 車載信號設備關聯關系圖Fig.4 Association diagram of onboard signal equipments

車載主機是列控系統控車核心設備，為滿足列車在城際和城軌間貫通運營需求，CTCS-2和CBTC車載主機需在其既有傳統控車功能基礎上增加CTCS-2與CBTC車載主機間的通信功能、控制權交接功能以及變更相關外圍設備數據解析功能。DMI、BTM及天線、測速單元、車輛接口是控車輔助設備及接口，分別于CTCS-2車載主機和CBTC車載主機通信時提供相關控車基礎信息。軌道電路傳輸系統是城際車載信號專有輔助設備，城軌車地無線通信是城軌信號車載專有輔助設備?？剀囆盘柦涇囕v接口輸出給列車，車輛信息經車輛接口被傳輸到車載主機，通過主機和各輔助設備的配合實現控車目標。

3.3 控車邏輯設計

在城際線路和城軌線路上貫通運營的列車，其控車邏輯應包括既有控車邏輯和控制權交接邏輯。在兼容型列控方法中，CTCS-2和CBTC既有控車邏輯不變，保證了各自系統的全功能；但為實現貫通，需增加控制權交接邏輯。

3.3.1 安全原則

在設計控制權交接邏輯時，應至少遵循以下幾條安全原則：

（1）同一時刻只能由CTCS-2或CBTC中的一套列控系統控制列車。

（2）CTCS-2（CBTC）控車的移動授權耗盡但仍然未完成CTCS-2和CBTC的控制權交接，則CTCS-2（CBTC）控制列車停在城軌線路（城際線路）入口信號機前，不能進入城軌（城際）線路。

（3）列控車載系統具備人控優先原則，CTCS-2車載系統和CBTC車載系統均設置旁路開關，可由人工選擇旁路任一列控車載系統或所有列控車載系統，以保證在系統故障工況下的列車運行。

3.3.2 控車邏輯

基于上述安全原則及其他行車安全原則，貫通運營的列車在轉換軌應按如下邏輯進行CTCS-2和CBTC的控制權交接，移交機制示意如圖5所示。

圖5 CTCS-2與CBTC控制權移交機制示意圖Fig.5 Schematic diagram of control authorization transfer between CTCS-2 and CBTC systems

（1）CTCS-2控車時，其移動授權終點計算到城軌線路入口信號機外側特定的安全防護點，CTCS-2控制列車從城際線路進入轉換軌的速度在轉換軌入口限速內（如60 km/h）；當列車收到城際到城軌方向的轉換應答器信號（如圖3的VB-CJR）后，啟動第一次移交，CTCS-2車載系統向CBTC車載系統發出控制權第一次移交請求信息。

（2）CBTC車載系統收到CTCS-2車載系統的第一次移交請求信息，啟動CBTC車載系統自檢；自檢成功后，CBTC車載系統由待機模式進入熱備模式，即可進行正常的控車邏輯運算，但不進行控車輸出。當自身系統自檢正常、具備控車能力且可進入控車模式時，向CTCS-2車載系統回復第一次接收確認信息并驅動接收繼電器，輸出接收繼電信號。

（3）CTCS-2車載系統收到第一次接收確認信息并采集到接收繼電信號且列車速度低于切換速度（如25 km/h），則退出控車并進入熱備模式；同時驅動移交繼電器，輸出移交繼電信號，并向CBTC車載系統發出第二次移交請求信息。

（4）CBTC車載系統收到CTCS-2車載系統的第二次移交請求信息并采集到移交繼電信號，則立即從熱備模式進入控車模式；同時釋放接收繼電信號，并向CTCS-2車載系統回復第二次接收確認信息。

（5）CTCS-2車載系統收到第二次接收確認信息，則終止發送交接請求，釋放移交繼電信號，并進入待機模式，完成控制權交接。列車由CBTC控制行車，進入城軌線路運營。

4 應用實例

為驗證本文所提城際和城軌線路貫通運營的列控方法的可行性，現以列車從城際線路進入城軌線路的典型場景為例進行控車過程演示。應用場景示意如圖6所示。

圖6 應用場景示意Fig.6 Schematic diagram of application scenarios

T0102列車當前處于城際線路，其移動授權終點計算到了城軌線路入口信號機CGR外側回撤一個安全距離的位置。T0102列車將從城際線路經由轉換軌進入城軌線路，在不同時刻其工況如下：

（1）T1時段。列車由CTCS-2控車，CBTC車載系統處于待機模式；CTCS-2計算的列車移動授權終點在城軌入口信號機CGR外側回撤一個安全距離處，列車在CTCS-2控制下從城際線路駛向轉換軌；CTCS-2控制列車在進入轉換軌時列車速度低于轉換軌入口限速。

（2）T2時段。列車進入轉換軌，收到切換應答器VB-CJR信號，啟動控制權移交機制；CTCS-2車載系統向CBTC車載系統發送控制權第一次移交請求。

（3）T3時段。CBTC車載系統收到CTCS-2車載系統的第一次移交請求信息，啟動CBTC車載系統自檢；CBTC車載系統自檢成功后由待機模式進入熱備模式。

（4）T4時段。CBTC車載系統先后收到校輪應答器WB1和WB2信號，完成列車定位和校輪；CBTC車載系統向城軌線路地面ZC和ATS等系統發起注冊請求。

（5）T5時段。CBTC車載系統具備控車能力，可根據當前系統條件進入聯鎖級別或CBTC控制級別，可進入RM或CM或AM控車模式；CBTC車載系統向CTCS-2車載系統回復第一次接收確認信息，驅動接收繼電器，輸出接收繼電信號。

（6）T6時段。CTCS-2車載系統收到第一次接收確認信息并采集到接收繼電信號，且列車速度低于切換速度，則退出控車，由控車模式進入熱備模式；CTCS-2車載系統驅動移交繼電器，輸出移交繼電信號，并向CBTC車載系統發出第二次移交請求信息。

（7）T7時段。CBTC車載系統收到CTCS-2車載系統的第二次移交請求信息，且采集到移交繼電信號，則立即從熱備模式進入控車模式；CBTC系統根據當前控車條件，以聯鎖級別或基于閉塞區段的列車控制或CBTC級別，以RM或CM或AM模式控制列車駛向城軌線路；CBTC車載系統釋放接收繼電信號，并向CTCS-2車載系統回復第二次接收確認信息。

（8）T8時段。CTCS-2車載系統收到第二次接收確認信息，則終止發送移交請求，釋放移交繼電信號，并進入待機模式，完成控制權交接；CBTC系統根據控車條件相對應的控制級別控制列車以相應駕駛模式進入城軌線路運行。

通過上述應用場景舉例推演，T0102列車裝備的列控系統按照本文所提貫通運營的列控方法進行系統改造和軟件升級后，新列控系統可以控制列車完成在城際線路和城軌線路間不停車切換，滿足城際線路和城軌線路貫通運營的需求，驗證了本文所提貫通運營列控方法的可行性。

5 結語

本文在城際和城軌貫通運營的需求背景下，從列控系統的角度出發，通過梳理CTCS和CBTC的差異及共通點，提出了融合型和兼容型兩種列控方法。由于兼容型列控方法降低了系統的復雜度，縮短了開發和工程實施周期，降低了系統耦合風險，因此更適用于對既有線路進行貫通運營改造。

本文所提出的兼容型列控方法具有以下特點：（1）能實現列車在城際線路和城軌線路貫通運營時自動無縫切換不同制式的列控系統，可保證列車安全、高效的跨線貫通運營；（2）實現了列車在CTCS-2和CBTC列控系統間的全功能無縫切換，切換后的系統具有完整的既有列控功能；（3）控制權移交采用“軟件安全確認機制+繼電器硬線信號互采”的雙重機制，通過軟、硬兩種方法提高了列車控制權移交的可靠性和安全性。該兼容型列控方法能夠滿足城際和城軌貫通運營需求，可為相關人員就城際和城軌貫通運營列控系統的研究與實施提供一些參考。后續將進一步研究如何優化滿足貫通運營的列控系統架構和功能，如最大限度地共用CBTC和CTCS的設備、精簡和融合CBTC和CTCS的功能等，使滿足城際和城軌線路貫通運營的列控系統更精簡、更便于工程化應用。