鮑才讓太

為了減少軌旁設(shè)備，采用衛(wèi)星定位技術(shù)和無線通信方式構(gòu)建信號系統(tǒng)越來越受到各國的重視。美國GE公司的ITCS及法國ALSTOM的ATLAS400都是采用衛(wèi)星定位的列車控制系統(tǒng)。目前格拉線列控系統(tǒng)采用GE公司的ITCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星定位和GSM－R通信技術(shù)的虛擬閉塞控制，大大減少了區(qū)間軌旁設(shè)備。ITCS系統(tǒng)由通信系統(tǒng)、中心設(shè)備、軌旁設(shè)備及車載設(shè)備構(gòu)成，是分布式列控系統(tǒng)，采用虛擬閉塞技術(shù)，其核心的VHLC、RBC和車載設(shè)備完成了車站聯(lián)鎖、車－地信息處理和列車控制等核心控制功能。

然而，由于ITCS開發(fā)較早，并不符合ETCS或CTCS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，地面和車載設(shè)備硬件單套配置沒有冗余，系統(tǒng)缺乏后備模式，操作界面不友好，股道有效長占用多，沒有實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，這些都使ITCS系統(tǒng)難以在國內(nèi)繼續(xù)優(yōu)化和推廣。

自2008年開始，由青藏鐵路公司牽頭，我國開啟了青藏鐵路信號系統(tǒng)國產(chǎn)化研究，為實(shí)現(xiàn)替代ITCS的目標(biāo)，進(jìn)行了大量研究工作，提出了具體的解決方案并開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)備。

1 列控系統(tǒng)特殊需求及國產(chǎn)化方案

為適應(yīng)青藏鐵路特殊的地理和氣候環(huán)境，保證列車的安全運(yùn)行，其列控系統(tǒng)需要具備的技術(shù)特點(diǎn)包括：設(shè)備高可靠無人值守；設(shè)備采用成熟先進(jìn)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，維修工作量小，適應(yīng)高海拔和低溫環(huán)境；設(shè)備應(yīng)具備完善的診斷監(jiān)測功能；較少的軌旁設(shè)備和能耗；較強(qiáng)的抗災(zāi)能力、自恢復(fù)功能；較強(qiáng)的抵御外電網(wǎng)波動能力。

為了實(shí)現(xiàn)替代ITCS系統(tǒng)的RBC、VHLC及車載設(shè)備的目標(biāo)，克服ITCS系統(tǒng)缺陷，兼顧C(jī)TCS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國產(chǎn)化的軌旁設(shè)備和車載設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)下列需求：①實(shí)現(xiàn)通信通用化和網(wǎng)絡(luò)化；②實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備一體化，即利用一套設(shè)備完成列控、聯(lián)鎖和進(jìn)路控制的功能，并具備冗余容錯功能；③開發(fā)基于衛(wèi)星定位和GSM－R通信的列控車載設(shè)備，車載設(shè)備具備冗余容錯功能，并實(shí)現(xiàn)后備模式；④兼容CTCS－4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用集中性的無線閉塞中心設(shè)備管理列車運(yùn)行；⑤操作界面符合國內(nèi)操作習(xí)慣，人機(jī)界面良好。

圖1 CTCS－LC總體技術(shù)方案

根據(jù)以上需求提出青藏鐵路列控系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)方案 （CTCS－LC）如圖1所示。

青藏線列控系統(tǒng)國產(chǎn)化是由無線閉塞中心（RBC）、光纖通信網(wǎng)絡(luò)、GSM－R無線通信網(wǎng)絡(luò)、車站一體化軌旁設(shè)備、應(yīng)答器、車載設(shè)備及列尾裝置 （EOT）構(gòu)成。車站一體化設(shè)備完成CTC、聯(lián)鎖和列控集成功能，控制道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、應(yīng)答器等地面設(shè)備。RBC設(shè)備主要負(fù)責(zé)閉塞的安全管理和各種降級運(yùn)行的情況管理，通過RBC指揮未配備車載系統(tǒng)的列車在此線路上安全運(yùn)行和在無本地聯(lián)鎖小站的調(diào)車作業(yè)。列尾設(shè)備 （EOT）被用于向系統(tǒng)提供故障安全的列車完整性信息，使系統(tǒng)能夠以此評定列車的完整性。無線閉塞中心 （RBC）是最重要的系統(tǒng)，是列車控制的核心。列車在運(yùn)行過程中不斷地和RBC保持通信，向上傳送列車運(yùn)行位置和狀態(tài)信息同時下載列車運(yùn)行所必須的重要數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)、列車任務(wù)數(shù)據(jù)等。

2 列控系統(tǒng)國產(chǎn)化方案顯著特點(diǎn)

2．1 通用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以雙網(wǎng)冗余的方式設(shè)計(jì)安全網(wǎng)絡(luò)，替代了ITCS基于串行通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)可用性大幅提高。改進(jìn)后的車站網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的車站局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2．2 一體化的軌旁設(shè)備

一體化的軌旁設(shè)備可以有效減少設(shè)備數(shù)量，降低造價，提高設(shè)備的可維護(hù)性。由于青藏鐵路屬于低密度鐵路，大多車站站型較為簡單，列車數(shù)量較少，區(qū)間設(shè)備很少，因此，采用一體化的解決方案是可行的。

目前我國軌旁設(shè)備分工還是比較明確的。一般情況下，進(jìn)路控制由調(diào)度集中設(shè)備管理，車站聯(lián)鎖由聯(lián)鎖設(shè)備管理，列控信息由列控中心進(jìn)行控制。因此，要把這三個設(shè)備統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)一體化，其難度是可想而知的。由于我國目前調(diào)度集中采用的是分散自律型調(diào)度集中系統(tǒng)，其車站自律功能較為復(fù)雜，因此，在一體化方案中還是采用將自律功能和聯(lián)鎖列控功能進(jìn)行隔離的技術(shù)方案；在不采用分散自律系統(tǒng)的線路，可以取消CTC功能模塊，將功能融入聯(lián)鎖列控設(shè)備。一體化軌旁設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌旁一體化設(shè)備示意圖

一體化的軌旁設(shè)備應(yīng)具有下列功能：和CTC中心通信，接收進(jìn)路控制命令和列車運(yùn)行計(jì)劃，上傳車站信號狀態(tài)信息；自律控制；采集車站信號、道岔及軌道電路狀態(tài)信息；進(jìn)行聯(lián)鎖計(jì)算；控制信號及道岔；控制列控信息的發(fā)送。

2．3 RBC集中設(shè)置

不同于ITCS系統(tǒng)，國產(chǎn)化的列控系統(tǒng)將采用集中式的RBC方案，將進(jìn)一步減少軌旁設(shè)備和系統(tǒng)的復(fù)雜性。

車站一體化設(shè)備和中心RBC均采用2×2oo2冗余計(jì)算結(jié)構(gòu)，可以有效保證設(shè)備的可靠性和計(jì)算的安全性，克服了ITCS、車站RBC和VHLC單機(jī)配置的缺點(diǎn)。

RBC和車載的通信將盡可能保持和CTCS技術(shù)規(guī)范一致，打造CTCS－4級列控系統(tǒng)。

2．4 車載系統(tǒng)冗余配置

車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其外部接口主要包括：車載系統(tǒng)OBC與列尾系統(tǒng)串行接口、車載系統(tǒng)OBC與GSM－R設(shè)備串行接口、車載系統(tǒng)OBC與GPS定位設(shè)備串行接口、車載系統(tǒng)OBC與列車接口單元信號接口 （包括采集機(jī)車手柄位接口、采集制動開關(guān)信息的接口、輸出安全制動接口等）、車載系統(tǒng)OBC與速度傳感器信號接口、車載系統(tǒng)OBC與LKJ接口設(shè)備的RS－422接口。

車載系統(tǒng)的內(nèi)部接口主要包括：車載系統(tǒng)OBC與車載系統(tǒng)DMI的網(wǎng)線接口。車載系統(tǒng)冗余配置為2×2oo2或3取2冗余結(jié)構(gòu)，通過與其他設(shè)備的連接獲得控車所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，再計(jì)算獲得控車曲線，按照計(jì)算出的控車曲線對列車進(jìn)行控制，在緊急情況下向機(jī)車輸出制動指令保護(hù)列車安全運(yùn)行。

圖4 車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 列控系統(tǒng)國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)

3．1 虛擬閉塞技術(shù)

虛擬閉塞技術(shù)是通過集中管理列車狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對線路資源的高效率安全分配過程。線路資源是指線路的某個區(qū)段、某個道岔。每種資源均與唯一的電子路簽相對應(yīng)，如圖5所示。

圖5 資源與路簽對應(yīng)圖

可用的電子路簽被RBC設(shè)備內(nèi)的路簽 “郵箱”所掌握，用戶要占用線路資源必須向RBC提出申請。電子路簽的用戶是指車載設(shè)備或由RBC實(shí)時建立的虛擬用戶 （未配備車載系統(tǒng)的列車、車載設(shè)備發(fā)生故障的列車、冷藏車或者?？寇囕v，或在線路上作業(yè)的員工）。RBC與用戶的計(jì)劃任務(wù)數(shù)據(jù)庫相比較，用戶在需要使用或者保留與該電子路簽有關(guān)的線路資源時，要求電子路簽發(fā)送到 “郵箱”。電子路簽由RBC系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖運(yùn)算，才能決定能否向提出申請的用戶提供路簽，系統(tǒng)具有對2個用戶同時申請同一路簽如何評定優(yōu)先的功能。

一旦用戶可以被系統(tǒng)安全地評定為不再使用路簽相對應(yīng)的資源后，則由用戶向相應(yīng)的 “郵箱”返還電子路簽。對于車載設(shè)備而言，這意味著只有在列車的安全尾端已經(jīng)通過了與該電子路簽對應(yīng)的資源限界后，才可以將位于該列車 “后方”的電子路簽返還給 “郵箱”。

除此之外，系統(tǒng)在其一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)致命故障后，造成路簽丟失，可被系統(tǒng)緊急檢測出。因?yàn)槁泛灥奈ㄒ?，重新生成路簽是絕對需要的，具體實(shí)施是通過調(diào)度中心RBC設(shè)備來完成。系統(tǒng)能夠在重新發(fā)出 “已丟失”的電子路簽之前進(jìn)行必要的核對，確保系統(tǒng)擁有路簽的唯一性。

3．2 列車定位技術(shù)

傳統(tǒng)的列車定位系統(tǒng)是以車載感應(yīng)器 （車輪傳感器和雷達(dá)）為基礎(chǔ)，根據(jù)安裝在軌旁的應(yīng)答器（或同類的設(shè)備）所對應(yīng)地面的絕對坐標(biāo)位置，向列車提供坐標(biāo)信息。這些地面基準(zhǔn)點(diǎn)因使用傳感器的不同，需要按照用途分別設(shè)置，以便能夠糾偏和消除由于時間和距離對列車定位系統(tǒng)產(chǎn)生的累積誤差。

國產(chǎn)化信號控制系統(tǒng)的列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)是基于GNSS列車定位系統(tǒng)，采用Kalman濾波器技術(shù)獲得安全定位。該技術(shù)將衛(wèi)星信號和來自諸如加速度計(jì)、輪對傳感器、雷達(dá)或陀螺等精密儀器產(chǎn)生的位置信息融合在一起，對列車實(shí)施定位。

國產(chǎn)化系統(tǒng)所采用的列車定位方案既可用于列車檢測 （可靠的列車檢測），也可用于列車故障－安全控制。這種定位方案依靠的是準(zhǔn)確的車載線路安全數(shù)字地圖；通過與車站一體化系統(tǒng)的信息交換，對有關(guān)的列車運(yùn)行路線進(jìn)行逐步確定。實(shí)際上，當(dāng)列車行駛在股道或咽喉區(qū)時，僅就衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確度而言，為考慮系統(tǒng)識別列車具體所在股道的位置，需要增加昂貴的額外傳感器，否則就不能實(shí)時確定列車當(dāng)前在哪條股道上以所要求的安全等級進(jìn)行運(yùn)行。

國產(chǎn)化系統(tǒng)采用的方案是，車載設(shè)備通過與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的無線信息交換，對道岔位置進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握列車運(yùn)行的股道。在國產(chǎn)化系統(tǒng)中，速度是在車載測速傳感器的基礎(chǔ)之上，通過對載波相位測量處理得到的，它可以有效估算接收的衛(wèi)星信號多普勒頻率的差異。與衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信息冗余，能夠再次確定列車速度的置信間隔。

3．3 列車的完整性檢查技術(shù)

安裝有軌道電路的區(qū)段，設(shè)備能夠檢測到列車的完整性，若列車斷鉤丟失車輛，不會影響到系統(tǒng)的安全。對未安裝有軌道電路的區(qū)段，國產(chǎn)化系統(tǒng)采用列尾裝置作為列車完整性檢查裝置。列尾設(shè)備將監(jiān)測列車制動管中的壓力，同時也將測量列車運(yùn)動的速度和列車位置。

當(dāng)前的制動壓力、運(yùn)動速度、位置信息均由列尾裝置通過無線通信方式向機(jī)車發(fā)送。列車完整性機(jī)車信息接收單元，接收到標(biāo)有日期的關(guān)于 “列尾制動壓力”和 “列尾運(yùn)動速度、位置”信息后，將它們與在機(jī)車前端測量的有關(guān)數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出第一個列車完整性狀態(tài)的數(shù)據(jù)，再采用 “前端”和“尾端”列車運(yùn)動速度、列車位置數(shù)值計(jì)算出第2個列車完整性狀態(tài)的數(shù)據(jù)。這2個數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。將這2個數(shù)據(jù)通過車載安全計(jì)算機(jī)OBC輸入／輸出板提供給OBC，然后在故障－安全的環(huán)境中對數(shù)據(jù)表決，對列車完整性進(jìn)行判別分析，向列控系統(tǒng)提供故障安全的列車完整性數(shù)據(jù)。

為克服400MHz電臺抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，列尾裝置擬采用GSM－R網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信，也可以通過安裝計(jì)軸設(shè)備予以補(bǔ)充。

4 應(yīng)用展望

青藏線列控國產(chǎn)化技術(shù)方案 （CTCS－LC）采用基于衛(wèi)星定位的虛擬閉塞技術(shù)，通過減少軌旁設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了低成本和易維護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于設(shè)計(jì)過程中側(cè)重和現(xiàn)有CTCS－4級標(biāo)準(zhǔn)的兼容，因而不僅可以有效滿足青藏線的應(yīng)用要求，而且可以適用于廣大的西部鐵路，具有很好的應(yīng)用前景。

青藏鐵路列控國產(chǎn)化技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對ITCS的替換，有效提升運(yùn)輸效率和安全，而且進(jìn)一步補(bǔ)充完善了CTCS－4級標(biāo)準(zhǔn)，對未來CTCS－4級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在我國，尤其是西部鐵路的應(yīng)用做出了重要的嘗試。

［1］ 中華人民共和國鐵道部運(yùn)輸局．無配線車站信號系統(tǒng)技術(shù)方案［S］．2009．