羅 松
(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100073)
CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)總體技術(shù)研究
羅 松
(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100073)
城際鐵路列控系統(tǒng)用于保障城際鐵路列車行車安全、提高鐵路運(yùn)輸效率,是城際鐵路系統(tǒng)的重要組成部分。提出CTCS2+ATO的城際鐵路列控系統(tǒng),介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。采用該系統(tǒng)有利于提高鐵路運(yùn)輸和控制的智能化、自動(dòng)化,在保障行車安全、提高運(yùn)輸效率、降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度等方面將發(fā)揮重要作用。
CTCS-2;列車自動(dòng)運(yùn)行;城際鐵路
隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,城市之間人員和商品的流動(dòng)愈加頻繁。為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,滿足區(qū)域交通的需要,珠三角、長(zhǎng)三角、京津冀等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域相繼規(guī)劃建設(shè)城際鐵路。其中,京津城際鐵路作為全國(guó)第一條城際間高速鐵路,于2008年8月1日正式通車運(yùn)營(yíng),極大地促進(jìn)了北京和天津的“同城化”和“一體化”。
城際鐵路是專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群間,列車設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以下的,線路長(zhǎng)度介于50~200 km之間的,快速、便捷、高密度客運(yùn)專線鐵路。城際鐵路列控系統(tǒng)是保證城際鐵路列車行車安全和提高鐵路運(yùn)輸效率的安全控制系統(tǒng)。根據(jù)城際鐵路“高速度、高密度、跨線運(yùn)行”的實(shí)際特點(diǎn),需要研究和開發(fā)適用于城際鐵路的列控系統(tǒng)。
本文給出了一種CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)。
CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)在我國(guó)高速鐵路中已經(jīng)得到廣泛使用,但是它主要用于防止列車超速,保證列車行車安全,并不具備列車自動(dòng)運(yùn)行、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、車門/安全門(屏蔽門)聯(lián)動(dòng)、折返等功能。為了滿足城際鐵路運(yùn)營(yíng)需求,在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加ATO相關(guān)功能,得到CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)。
CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上,增加站間自動(dòng)運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車及車站通過、折返作業(yè)、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、車門/安全門或屏蔽門防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制、列車運(yùn)行節(jié)能控制等自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)功能。地面設(shè)備配置兼容CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng),與CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)相關(guān)的地面設(shè)備設(shè)置方式維持不變。滿足正向自動(dòng)閉塞追蹤運(yùn)行、反向自動(dòng)站間閉塞運(yùn)行的要求。滿足站站停與大站?;旌线\(yùn)輸?shù)拈_行方式。
城際鐵路列控系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加車載ATO設(shè)備,實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛;地面設(shè)置專用的精確定位應(yīng)答器(JD)實(shí)現(xiàn)列車精確定位,設(shè)置通信控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門控制和運(yùn)行計(jì)劃處理;采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)車地雙向通信;原則上車載設(shè)備處于完全監(jiān)控模式(FS)時(shí),才允許轉(zhuǎn)入自動(dòng)駕駛模式(AM)。
CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備由通信控制服務(wù)器(CCS)、列控中心(TCC)、臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)、ZPW-2000軌道電路、應(yīng)答器及LEU、GSM-R通信接口設(shè)備等組成。車載設(shè)備由列車超速防護(hù)系統(tǒng)(ATP)和列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(ATO)構(gòu)成,其中列車超速防護(hù)系統(tǒng)由車載安全計(jì)算機(jī)(VC)、GSM-R無線通信單元(RTU)、軌道電路信息接收單元(TCR)、應(yīng)答器信息接收模塊(BTM)、司法記錄單元(JRU)、人機(jī)界面(DMI)、列車接口單元(TIU)、測(cè)速測(cè)距單元(SDU)等組成。圖1 為CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)的總體構(gòu)成。
通信控制服務(wù)器與車載設(shè)備、分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)門控信息的管理,并實(shí)現(xiàn)CTC運(yùn)行計(jì)劃的處理和轉(zhuǎn)發(fā)功能。同時(shí),通信控制服務(wù)器通過列控中心實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門相關(guān)的防護(hù)和控制功能。
圖1 CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)總體構(gòu)成
臨時(shí)限速服務(wù)器具有臨時(shí)限速設(shè)置、取消和管理功能。
列控中心具有軌道電路編碼、應(yīng)答器報(bào)文儲(chǔ)存和調(diào)用、站間安全信息傳輸、臨時(shí)限速功能。同時(shí),為了滿足站臺(tái)門防護(hù)和控制、站臺(tái)緊急關(guān)閉等功能,列控中心具備相關(guān)的采集和驅(qū)動(dòng)接口。
應(yīng)答器向車載設(shè)備傳輸定位信息、線路參數(shù)和臨時(shí)限速等信息;同時(shí),為了滿足自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)功能,向車載設(shè)備傳輸運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)信息、門側(cè)信息、默認(rèn)站停時(shí)分等信息。
列車超速防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)地面設(shè)備提供的行車許可、線路參數(shù)、臨時(shí)限速等信息和列車參數(shù),按照目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式生成動(dòng)態(tài)速度曲線,監(jiān)控列車安全運(yùn)行。
列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)在列車超速防護(hù)系統(tǒng)的行車許可下,根據(jù)線路條件、運(yùn)行計(jì)劃等信息實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛及車門自動(dòng)控制等功能。
CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)包括注冊(cè)與啟動(dòng)、注銷、進(jìn)出動(dòng)車段、列車自動(dòng)運(yùn)行、折返作業(yè)、車門/站臺(tái)門防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)過分相、臨時(shí)限速、降級(jí)及故障情況、災(zāi)害防護(hù)、互通運(yùn)行等12個(gè)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)主要運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。
3.1 列車自動(dòng)運(yùn)行
車站出發(fā):列車在股道完成站臺(tái)作業(yè)。到達(dá)預(yù)定的發(fā)車時(shí)間后,司機(jī)瞭望檢查完成旅客乘降作業(yè)后進(jìn)行關(guān)門操作(或由ATO自動(dòng)關(guān)門)。車載設(shè)備和地面設(shè)備進(jìn)行車門與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制,車門和站臺(tái)門同步關(guān)閉。聯(lián)鎖檢測(cè)到站臺(tái)門鎖閉后,允許已辦好進(jìn)路的出站信號(hào)開放,此時(shí)列控中心控制軌道電路發(fā)送機(jī)車信號(hào)允許碼。車載設(shè)備根據(jù)軌道電路發(fā)送的機(jī)車信號(hào)允許碼更新行車許可。ATO確認(rèn)車門關(guān)閉,司機(jī)駕駛手柄位置正確,且相關(guān)條件具備后,閃爍“ATO發(fā)車”指示燈提示司機(jī)。司機(jī)確認(rèn)車門關(guān)閉后,根據(jù)發(fā)車提示按壓“ATO啟用”按鈕,ATO根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃及行車許可,自動(dòng)駕駛列車。若發(fā)車時(shí)車載設(shè)備無法轉(zhuǎn)入自動(dòng)駕駛模式,需由司機(jī)人工駕駛列車從車站出發(fā)。
區(qū)間運(yùn)行:當(dāng)列車通過出站口應(yīng)答器組時(shí),接收應(yīng)答器發(fā)送的線路數(shù)據(jù)信息和CCS呼叫信息。若從出站口應(yīng)答器組獲得的CCS呼叫信息與當(dāng)前CCS不同,則車載設(shè)備呼叫新的CCS建立通信。ATO根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃信息及列車運(yùn)行狀況采用牽引、制動(dòng)、惰行等控制策略,自動(dòng)駕駛列車在區(qū)間運(yùn)行。區(qū)間信號(hào)關(guān)閉時(shí),ATO應(yīng)按照ATP的防護(hù)曲線在ATP的目標(biāo)停車點(diǎn)前一定距離自動(dòng)停車。區(qū)間信號(hào)開放后,車載設(shè)備獲得行車許可。ATO判斷具備發(fā)車條件時(shí)閃爍“ATO發(fā)車”指示燈,此時(shí)司機(jī)可按壓“ATO啟用”按鈕,由ATO自動(dòng)駕駛列車。
進(jìn)站停車:列車經(jīng)過股道精確定位應(yīng)答器時(shí),車載設(shè)備通過BTM獲得定位信息并對(duì)列車位置進(jìn)行精確校正。車載設(shè)備同時(shí)獲得本股道的運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)位置信息和門側(cè)信息。ATO根據(jù)列車運(yùn)行狀況(位置、速度等)控制列車牽引、制動(dòng)、惰行,使列車準(zhǔn)確地停在運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)處。若列車未到達(dá)運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn),允許司機(jī)人工駕駛列車?yán)^續(xù)前行停車對(duì)位;若列車越過運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn),允許司機(jī)人工駕駛列車后退,一次后退距離不超過5 m。
3.2 車門/站臺(tái)門防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制
車門防護(hù):ATP接收股道精確定位應(yīng)答器中的門側(cè)信息,向列車輸出開門允許,進(jìn)行車門防護(hù)。ATP僅在判斷列車停準(zhǔn)且停穩(wěn)后,輸出開門允許。若門側(cè)信息為“左側(cè)”或“右側(cè)”,ATP輸出“開左門允許”或“開右門允許”。若門側(cè)信息為“雙側(cè)”,ATP同時(shí)輸出“開左門允許”和“開右門允許”。
站臺(tái)門防護(hù):當(dāng)聯(lián)鎖檢測(cè)到站臺(tái)門“鎖閉”時(shí),允許開放對(duì)應(yīng)的進(jìn)站、出站信號(hào)。否則,應(yīng)立即關(guān)閉對(duì)應(yīng)信號(hào)。當(dāng)TCC檢測(cè)到站臺(tái)門“報(bào)警”時(shí),對(duì)應(yīng)股道發(fā)“H”碼。TCC未接收到CCS發(fā)送的開門命令時(shí),不向站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送開門動(dòng)作。
ATO車門控制:ATO在ATP給出開門允許后進(jìn)行車門控制。ATO采集車輛提供的“門控模式”信號(hào),用于車門控制。ATO提供以下3種車門控制模式:自動(dòng)開門/自動(dòng)關(guān)門(由ATO自動(dòng)打開車門,并在站停時(shí)間結(jié)束后,自動(dòng)關(guān)閉車門);自動(dòng)開門/手動(dòng)關(guān)門(由ATO自動(dòng)打開車門,由司機(jī)手動(dòng)關(guān)閉車門);手動(dòng)開門/手動(dòng)關(guān)門(由司機(jī)手動(dòng)打開和關(guān)閉車門)。任何車門控制模式下,司機(jī)可人工操作車門。
車門與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制:系統(tǒng)在車地通信正常時(shí),可提供車門與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制功能。開/關(guān)車門操作可由司機(jī)按壓按鈕產(chǎn)生,也可由ATO產(chǎn)生。ATP給出開門允許信息后,司機(jī)或ATO進(jìn)行開門操作,ATP向地面設(shè)備發(fā)送開門命令。CCS根據(jù)車型信息和地面站臺(tái)門設(shè)置情況,確認(rèn)對(duì)應(yīng)股道列車停準(zhǔn)且停穩(wěn)后,通過TCC向站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送開門動(dòng)作,由站臺(tái)門系統(tǒng)打開站臺(tái)門。司機(jī)或ATO進(jìn)行關(guān)門操作,ATP向地面設(shè)備發(fā)送關(guān)門命令。地面設(shè)備向站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送關(guān)門動(dòng)作,由站臺(tái)門系統(tǒng)關(guān)閉站臺(tái)門。車地通信故障等異常情況下,車門與站臺(tái)門不能正常聯(lián)動(dòng)控制時(shí),車門與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制由人工操作實(shí)現(xiàn)。
3.3 折返作業(yè)
站后端有人自動(dòng)折返:系統(tǒng)滿足站后端有人自動(dòng)折返作業(yè)要求,折返進(jìn)路按列車方式辦理。為提高折返效率,折返牽出線設(shè)置兩段軌道電路,軌道區(qū)段長(zhǎng)度應(yīng)兼顧其最小長(zhǎng)度要求。列車位于股道,旅客乘降完畢。到達(dá)預(yù)定折返發(fā)車時(shí)間后,CTC通過聯(lián)鎖辦理自動(dòng)折返發(fā)車進(jìn)路,并通過CCS向車載設(shè)備發(fā)送折返命令和運(yùn)行計(jì)劃。車載設(shè)備通過DMI向司機(jī)給出折返提示。站臺(tái)門鎖閉且進(jìn)路開放條件具備后,對(duì)應(yīng)進(jìn)路開放,TCC控制對(duì)應(yīng)股道發(fā)送機(jī)車信號(hào)允許碼。司機(jī)按壓“ATO啟用”按鈕,ATO根據(jù)折返命令自動(dòng)駕駛列車駛向折返牽出線。待列車占用折返牽出線列車運(yùn)行前方的軌道區(qū)段后,后方軌道區(qū)段立即轉(zhuǎn)換發(fā)碼方向。當(dāng)ATO自動(dòng)駕駛列車完全進(jìn)入折返牽出線并停穩(wěn)后,車載設(shè)備退出自動(dòng)駕駛模式。CTC通過聯(lián)鎖辦理折返接車進(jìn)路。司機(jī)激活非本務(wù)端駕駛臺(tái)之后,人工駕駛列車返回站臺(tái)。
原地折返運(yùn)行:列車位于股道,旅客乘降完畢后。司機(jī)關(guān)閉本務(wù)端駕駛臺(tái),該端車載設(shè)備轉(zhuǎn)入待機(jī)模式。司機(jī)激活非本務(wù)端駕駛室,該端車載設(shè)備開始正常工作,原本務(wù)端車載設(shè)備轉(zhuǎn)入休眠模式。到達(dá)預(yù)定的折返發(fā)車時(shí)間后,CTC通過聯(lián)鎖辦理發(fā)車進(jìn)路,站臺(tái)門鎖閉且進(jìn)路開放條件具備后,對(duì)應(yīng)進(jìn)路開放,TCC控制對(duì)應(yīng)股道發(fā)送機(jī)車信號(hào)允許碼。司機(jī)檢查確認(rèn)車門關(guān)閉后,列車以部分監(jiān)控模式從車站發(fā)車。
3.4 列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整
CTC根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,以日班計(jì)劃為依據(jù),結(jié)合列車的運(yùn)行能力,生成運(yùn)行計(jì)劃信息,并通過CCS發(fā)送給ATO。列車運(yùn)行過程中,CCS向ATO周期性發(fā)送列車運(yùn)行計(jì)劃信息,當(dāng)運(yùn)行計(jì)劃發(fā)生變化時(shí),立即向ATO發(fā)送。CCS向ATO至少發(fā)送兩段運(yùn)行計(jì)劃信息,包括當(dāng)前站間的運(yùn)行計(jì)劃和下一站間的運(yùn)行計(jì)劃。ATO接收的運(yùn)行計(jì)劃以一個(gè)站間為基本范圍,其基準(zhǔn)點(diǎn)為L(zhǎng)RBG應(yīng)答器組,其內(nèi)容主要包括本次運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)、目的站、站間運(yùn)行時(shí)分和停站后站臺(tái)作業(yè)(站停時(shí)分、通過、折返信息等)。ATO識(shí)別出運(yùn)行計(jì)劃中的基準(zhǔn)點(diǎn)信息有效時(shí),判定該運(yùn)行計(jì)劃有效。否則,該運(yùn)行計(jì)劃無效。ATO收到有效運(yùn)行計(jì)劃信息后,調(diào)整列車的控制曲線,自動(dòng)駕駛列車運(yùn)行。列車在股道停車后,根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃信息執(zhí)行站臺(tái)作業(yè)(站停時(shí)分調(diào)整、通過/到發(fā)、折返等)。
4.1 新增自動(dòng)駕駛模式(AM)
CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備具有如下工作模式:待機(jī)模式(SB)、部分監(jiān)控模式(PS)、完全監(jiān)控模式(FS)、引導(dǎo)模式(CO)、目視行車模式(OS)、調(diào)車模式(SH)、機(jī)車信號(hào)模式(CS)、休眠模式(SL)、隔離模式(IS)。而CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上新增了自動(dòng)駕駛模式(AM)。
車載設(shè)備工作在完全監(jiān)控模式且滿足ATO自動(dòng)駕駛條件時(shí),經(jīng)司機(jī)確認(rèn)可轉(zhuǎn)入自動(dòng)駕駛模式。在自動(dòng)駕駛模式下,ATP負(fù)責(zé)列車運(yùn)行安全防護(hù),ATO負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛列車(自動(dòng)控制列車牽引、制動(dòng)、惰行)和自動(dòng)控制車門。在自動(dòng)駕駛模式下,一旦判定自動(dòng)駕駛模式條件不滿足或ATO故障,將退出自動(dòng)駕駛模式并提示司機(jī)。
城際鐵路車站站間距短,采用公交化的運(yùn)營(yíng)方式,司機(jī)需要頻繁地對(duì)列車執(zhí)行啟動(dòng)、加速、制動(dòng)、停車等操作,而且要求準(zhǔn)點(diǎn)和貼線運(yùn)營(yíng),司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度較大。采用自動(dòng)駕駛功能,ATO在ATP的監(jiān)督下根據(jù)列車當(dāng)前速度、目標(biāo)距離、線路限速等信息控制列車安全、舒適、高效的行駛,不但可以降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度,還可以提高旅客乘車舒適度和鐵路運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。
4.2 新增ATO相關(guān)功能
CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)不但具備CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的基本功能,在此基礎(chǔ)上還增加了以下功能:列車自動(dòng)運(yùn)行、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、車門防護(hù)、安全門(屏蔽門)防護(hù)、車門/安全門(屏蔽門)聯(lián)動(dòng)和自動(dòng)折返。
車門和安全門(屏蔽門)防護(hù)功能及車門/安全門(屏蔽門)聯(lián)動(dòng)功能有助于提高乘客上下車時(shí)的人身安全。列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整功能有助于ATO從多個(gè)運(yùn)營(yíng)曲線中選擇與發(fā)車和到站時(shí)間最匹配的運(yùn)行曲線,自動(dòng)調(diào)整列車的停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間,使列車盡量按列車時(shí)刻表運(yùn)行,列車有組織有計(jì)劃地運(yùn)行,必然提高列車準(zhǔn)點(diǎn)率和系統(tǒng)的運(yùn)輸效率。自動(dòng)折返功能可以節(jié)約更多的折返時(shí)間,也省去了司機(jī)從車頭走到車尾進(jìn)行換端的工作,提高了系統(tǒng)運(yùn)作效率。
正是CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)既有功能和新增ATO功能的有機(jī)結(jié)合,滿足了城際鐵路線路長(zhǎng)度較短、車站布置密集、高峰時(shí)段客流量大、高速度、高密度、小編組運(yùn)營(yíng)、公交化運(yùn)營(yíng)等運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)。
4.3 互通運(yùn)行
裝備CTCS-2/CTCS-3級(jí)列控車載設(shè)備的列車可在城際線路按CTCS-2級(jí)運(yùn)行;裝備城際鐵路列控車載設(shè)備的列車可在CTCS-2 /CTCS-3級(jí)線路按CTCS-2級(jí)運(yùn)行。車載設(shè)備不具備ATO功能使用條件時(shí),列車可在車載ATP設(shè)備安全監(jiān)控下運(yùn)行。
CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展自動(dòng)運(yùn)行功能,既充分利用了CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的技術(shù)成果和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),又為城際鐵路列車增加了列車自動(dòng)運(yùn)行等ATO相關(guān)功能,將大大提高信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)化程度,降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度,必將提高我國(guó)城際軌道交通運(yùn)營(yíng)管理水平。
The intercity railway train control system is used to ensure train operation safety and improve the railway transport effi ciency, and it is an important part of the intercity railway system. The paper puts forward the CTCS2+ATO intercity railway train control system, including the system structure, main operating scenarios and the advantages. This system will help improve the automation and intelligence of the railway transport and control, and will play an important role for ensuring train operation safety, improving the transport effi ciency and reducing the driver's labor intensity and so on.
Chinese Train Control System Level 2 (CTCS-2); automatic train operation; intercity railway
10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.001
2015-04-14)