國鐵與城軌信號系統(tǒng)的跨線互聯(lián)方案研究

國鐵與城軌信號系統(tǒng)的跨線互聯(lián)方案研究

1國鐵與城鐵間跨線運(yùn)行方式的互聯(lián)互通近年來，我國鐵路和城軌管網(wǎng)不斷建設(shè)，對城市和城市之間的混合運(yùn)營需求突出。目前，該地區(qū)長距離鐵路、郊區(qū)鐵路、支線或資源開發(fā)性鐵路已整合并運(yùn)營，這是連接城市和大型交通系統(tǒng)的趨勢。有必要對國鐵和城鐵交互運(yùn)輸中除換乘方式外的跨線運(yùn)行方式進(jìn)行相關(guān)分析與探討。國鐵信號系統(tǒng)采用CTCS系列標(biāo)準(zhǔn)列控系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)高、低等級間的兼容，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)列車的跨線運(yùn)行和互聯(lián)互通。城軌信號系統(tǒng)目前多采用CBTC系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)品的互聯(lián)互通本文以國鐵CTCS和城軌CBTC互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)系列的信號系統(tǒng)為研究對象，對兩者差異進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行互通性探討。2信號系統(tǒng)的控制理念國鐵CTCS和城軌CBTC互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)系列的信號系統(tǒng)都遵循故障-安全原則，采用的控制理念與原理趨同，但在具體的功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式方面存在一定的差異。2.1系統(tǒng)需求差異國鐵和城軌信號系統(tǒng)均為保證列車安全、高效運(yùn)行的控制系統(tǒng)，但根據(jù)服務(wù)對象和服務(wù)目的不同，兩者在系統(tǒng)需求方面存在一定差異，如表1所示。從表1可以看出，除了一般的線別運(yùn)行規(guī)則、車型和牽引方式區(qū)別外，國鐵與城軌適用的站線條件和運(yùn)營范圍、面對的運(yùn)輸組織方式不盡相同，為此引發(fā)的信號系統(tǒng)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題、追蹤間隔和ATO功能需求也不盡相同。2.2城軌信號系統(tǒng)與國鐵、城軌信號系統(tǒng)的比較國鐵和城軌兩信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成差異對比如表2所示。從表2可以看出，國鐵和城軌信號系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)構(gòu)成相似，但在各子系統(tǒng)適用的制式、設(shè)備組成、自動(dòng)化等級方面存在差異，其中城軌信號系統(tǒng)將ATO系統(tǒng)功能更深層的集成進(jìn)了信號系統(tǒng)。2.3城軌車地信號系統(tǒng)的控車特性對國鐵和城軌信號系統(tǒng)的各系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行進(jìn)一步的對比發(fā)現(xiàn)，兩者系統(tǒng)功能分配、邏輯處理等方面也存在差異，主要表現(xiàn)在:第一，國鐵和城軌信號系統(tǒng)車載ATP指示內(nèi)容和顯示方式類似，主要包括速度、計(jì)劃、監(jiān)控類信息，在兩者都以較高等級列控制式、均以車載ATP指示行車時(shí)其對司機(jī)的指導(dǎo)差異不大;但在較低等級列控制式、需按地面顯示指示列車運(yùn)行時(shí)，兩者在地面信號顯示方式、自動(dòng)閉塞概念方面存在較大差異。第二，國鐵信號系統(tǒng)由于機(jī)車/動(dòng)車組交路范圍廣泛，線路全部數(shù)據(jù)均由地面存儲(chǔ)，地面向車載發(fā)送包括目標(biāo)距離、目標(biāo)速度的移動(dòng)授權(quán)MA，由車載ATP計(jì)算出控車曲線;城軌列車由于運(yùn)行范圍不大，車載設(shè)備保存有其走線范圍內(nèi)的地面線路靜態(tài)數(shù)據(jù)，地面向車載發(fā)送移動(dòng)授權(quán)時(shí)給出其線路路徑方向、目標(biāo)點(diǎn)位置等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，由車載設(shè)備根據(jù)定位、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息，計(jì)算出控車曲線。由于線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及MA獲取方法不同，國鐵和城軌車地信息通信內(nèi)容、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)格式也不相同，目前兩者遵循的規(guī)范和報(bào)文格式并不相同。第三，國鐵信號系統(tǒng)將安全防護(hù)距離設(shè)在信號機(jī)外方、城軌信號系統(tǒng)將安全防護(hù)距離設(shè)在信號機(jī)內(nèi)方，這導(dǎo)致系統(tǒng)對安全防護(hù)距離的防護(hù)措施不同，地鐵CI系統(tǒng)需額外對安全防護(hù)距離所在區(qū)段進(jìn)行相應(yīng)的鎖閉/解鎖防護(hù)。第四，城軌信號系統(tǒng)將ATO的功能集成入信號系統(tǒng)，而國鐵信號系統(tǒng)將ATO作為相對獨(dú)立單元、可選配置。城軌ATO使用的控車信息、車地信息通道保持統(tǒng)一;國鐵信號ATO目前使用的控車信息來源于ATP信息來源不同，使用的車地信息通道也不同，增加了系統(tǒng)的軟硬件開銷和復(fù)雜度。此外，城軌對折返、關(guān)門/站臺門等的自動(dòng)化水平要求更高，城軌信號系統(tǒng)對該方面的適應(yīng)性功能更多。第五，城軌信號聯(lián)鎖、列控系統(tǒng)設(shè)備集成度更高，例如城軌系統(tǒng)中ZC設(shè)備功能涵蓋了國鐵系統(tǒng)中TCC/RBC/TSRS的全部或部分功能、CI單獨(dú)承擔(dān)了全部包括除信號基礎(chǔ)設(shè)備外的站臺門、緊急停車按鈕等外部系統(tǒng)的相關(guān)接口等。由于城軌信號系統(tǒng)設(shè)備集成度更高，使得該信號系統(tǒng)內(nèi)部接口環(huán)節(jié)和流程簡化。第六，國鐵信號系統(tǒng)間的通信通道，包括無線通道，由通信專業(yè)根據(jù)子系統(tǒng)分類需求統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)置;城軌信號系統(tǒng)間的通信通道多由信號專業(yè)自行建網(wǎng)設(shè)置，子系統(tǒng)設(shè)備均統(tǒng)籌利用信號網(wǎng)絡(luò)中劃分的子網(wǎng)，車地間通信接口更加靈活，一體化程度更高。從無線通信看，城軌信號系統(tǒng)采用的技術(shù)與最無線新通信技術(shù)結(jié)合更緊密，已申請到LTE專用頻段，并在實(shí)際工程中成功應(yīng)用。3信號系統(tǒng)互通性如果組織與國鐵、城軌線路的跨線列車運(yùn)行，除需考慮車體運(yùn)用與維護(hù)、土建限界與荷載、運(yùn)營規(guī)則和運(yùn)輸組織方面的互通性外，信號系統(tǒng)互通性也是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的問題。3.1互通性方案對比就上述分析的國鐵和城軌信號系統(tǒng)而言，互通性方案主要考慮車載兼容、地面兼容和設(shè)備層面的互聯(lián)互通這幾種方式，各種方式的具體內(nèi)容和優(yōu)缺點(diǎn)分析如表3所示。3.2統(tǒng)一cbtc的信號顯示方式從實(shí)現(xiàn)互通性的短期目標(biāo)看，采用車載兼容方式較為可行;更進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一地面信號顯示制式并不影響兩者信號系統(tǒng)列控的原理和核心，考慮到國鐵地面顯示源于地面信號行車的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、更賦予了制動(dòng)距離、直/側(cè)股的概念，建議按國鐵地面顯示統(tǒng)一CBTC的信號顯示方式，保證在跨線運(yùn)輸降級運(yùn)營方式下地面信號顯示的一致。地面兼容方式和設(shè)備層面的互聯(lián)互通方式均需對CTCS和CBTC信號各子系統(tǒng)功能劃分與界面界定進(jìn)行重新梳理和定義，而地面兼容方式因其設(shè)備配置重復(fù)性及功能劃分的不完善性，建議將遠(yuǎn)期互通目標(biāo)落在設(shè)備層面的互聯(lián)互通方式，這與歐洲是與2013年啟動(dòng)的NGTCS項(xiàng)目(下一代列車控制系統(tǒng))目標(biāo)也趨于一致從表3中可以看到，由于設(shè)備層面互連互通方案中CBTC僅可選擇性的和CTCS系列標(biāo)準(zhǔn)的某個(gè)等級實(shí)現(xiàn)互通(從下文分析，將考慮選擇CTCS-3/4等級列控系統(tǒng)進(jìn)行互連)，因此在列控等級不匹配的條件下，采用車載兼容、信號顯示趨同化仍是國鐵和城軌信號系統(tǒng)互通的應(yīng)用方式。3.3車地信號系統(tǒng)的車地互通從技術(shù)發(fā)展方向角度看，系統(tǒng)間功能和技術(shù)融合有利于國鐵和城軌系統(tǒng)各自的進(jìn)步，為國鐵和城軌間的互聯(lián)互通創(chuàng)造條件，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互換以提升各類資源利用效率，能適應(yīng)未來鐵路區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)跨區(qū)整合運(yùn)營的要求。從國鐵和城軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式差異分析可以發(fā)現(xiàn)，如果實(shí)現(xiàn)設(shè)備層面國鐵和城軌系統(tǒng)的互聯(lián)互通，較為可行的方式是選擇兩類系統(tǒng)中差異相對較小的、基于無線通信的方式進(jìn)行車地通信的CTCS-3/4和CBTC進(jìn)行互連，近期排除非技術(shù)因素可首選基于LTE的通信方式;列車定位技術(shù)可采用衛(wèi)星定位方式。國鐵信號系統(tǒng)的列控設(shè)備集成度可進(jìn)一步加強(qiáng)，以減少信號系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)設(shè)備間的接口、簡化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)合關(guān)系;城軌系統(tǒng)采用和國鐵系統(tǒng)類似的地面地圖信息存儲(chǔ)方式以，以適應(yīng)機(jī)車交路范圍更廣的要求，城軌系統(tǒng)相關(guān)報(bào)文格式與CTCS報(bào)文格式相統(tǒng)一。國鐵信號系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可比照城軌信號系統(tǒng)統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，車載設(shè)備與列車的接口可統(tǒng)一到繼電+MVB總線方式。國鐵系統(tǒng)采用與城軌系統(tǒng)相同的ATP/ATO車地信息一體化處理方式，避免地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)重復(fù)配置和數(shù)據(jù)通道的多重設(shè)置。考慮到車站配線復(fù)雜后設(shè)置延續(xù)方向的保護(hù)區(qū)段會(huì)影響車站追蹤間隔，在安全防護(hù)距離并不甚增加站前土石方工程量的前提下，建議將安全防護(hù)距離設(shè)置在信號機(jī)外方的方式，以減少聯(lián)鎖區(qū)間跨區(qū)邏輯處理的復(fù)雜性。根據(jù)上述設(shè)想，CTCS-3/4和CBTC系統(tǒng)如果往設(shè)備層面的互聯(lián)互通系統(tǒng)改進(jìn)，涉及的主要改造工作內(nèi)容及與原各自系統(tǒng)互通性情況分析如表4所示，其中可以看出，互通后的產(chǎn)品存在車載設(shè)備需兼容原各自系統(tǒng)地面設(shè)備的要求。4車輛兼容、信號顯示趨同化的遠(yuǎn)期互通方案本文在對比分析國鐵