開祥寶，張 淼，高 媛，宋志丹

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100081）

1 基于北斗導航的列車運行控制系統(tǒng)功能需求分析

我國西部或偏遠地區(qū)鐵路(以下簡稱“西部鐵路”)，如青藏鐵路(西寧—拉薩)、川藏鐵路(成都—拉薩)和南疆鐵路(吐魯番—喀什)等，多地處于高原、沙漠、戈壁地帶，環(huán)境惡劣，駐守和維修困難。傳統(tǒng)的以地面信號顯示為主體的信號控制模式不能滿足日益增長的運量需要，而列車運行控制系統(tǒng)(以下簡稱“列控系統(tǒng)”)不僅能保障行車安全，還可實現(xiàn)列車追蹤運行，提高運輸效率，具備自動駕駛(ATO)功能，減輕司機勞動強度。因此，列控系統(tǒng)是現(xiàn)代鐵路運輸保障行車安全和提高運輸效率不可缺少的技術裝備。在提高運輸效率方面，通過列車追蹤運行，縮小列車運行間隔，特別是衛(wèi)星導航、無線通信技術的應用，通過列車移動追蹤或近距離追蹤，達到列車追蹤間隔最小化。在保障行車安全方面，機控為主完全可以防止司機操作失誤導致的行車安全事故。隨著人工智能、網(wǎng)絡傳輸及北斗定位技術的應用，列控系統(tǒng)將向著列車近距離追蹤控制和全自動駕駛等方向發(fā)展，使我國鐵路運輸達到更加高效、安全、舒適和節(jié)能[1]。

針對西部鐵路具有運量低、使用環(huán)境惡劣等特點，要求列控系統(tǒng)軌旁設備稀疏化，而且西部鐵路是路網(wǎng)的一部分，其列車運行控制應滿足路網(wǎng)互聯(lián)互通要求。青藏鐵路格拉段于2006年7月開通運營，列控系統(tǒng)采用美國增強型列車運行控制系統(tǒng)(ITCS)，而ITCS采用GPS衛(wèi)星定位和GSM-R無線通信技術，簡化了軌旁設備，不僅減少軌旁設備故障對行車影響，還減少維護維修工作量[2]。但是，由于ITCS系統(tǒng)核心技術主要依賴國外，與我國列車運行控制系統(tǒng)(CTCS)不兼容，不能滿足路網(wǎng)互聯(lián)互通需要。在這樣的環(huán)境條件下，根據(jù)西部鐵路運輸特點和發(fā)展，需要加快開展應用于西部鐵路列控系統(tǒng)架構設計，研究具備ITCS優(yōu)點、滿足路網(wǎng)互聯(lián)互通、完全自主知識產權的基于北斗導航列控系統(tǒng)關鍵技術，采用北斗導航和無線通信等技術應用，提出一種新型的適用于西部鐵路的基于北斗導航的列控系統(tǒng)架構設計。在充分考慮西部地區(qū)特點和需求下，基于北斗導航的列控系統(tǒng)技術方案設計應滿足以下方面。

（1）系統(tǒng)功能需求。滿足單線、復線區(qū)段追蹤運行需要，列車追蹤運行比站間運行可大幅提升運輸能力，車站股道有效長能充分利用；適應動車組和內燃、電力等普速機車牽引的列車，適應客貨混運線路；適應電氣化區(qū)段，以及特大隧道、高原等環(huán)境惡劣、維修人員值守困難地區(qū)，達到軌旁設備無維護或少維護；符合CTCS技術體系，滿足路網(wǎng)互聯(lián)互通運行需要；具有自主知識產權，列控核心技術全面掌握；系統(tǒng)滿足最高安全等級要求，關鍵設備可冗余配置；具備智能化運用維護功能，設備故障自動診斷、劣化趨勢自動分析和報警；具備增加自動駕駛功能的能力。

（2）系統(tǒng)功能特點?；诒倍穼Ш搅锌叵到y(tǒng)是依靠列車綜合定位技術實現(xiàn)列車占用檢查，車載設備完成列車完整性檢查，地面無線閉塞中心(RBC)與車載設備間通過IP化的無線通信方式雙向傳輸列車位置、線路數(shù)據(jù)、限速命令和行車許可等信息，可以實現(xiàn)虛擬閉塞或移動閉塞，并采用目標距離連續(xù)速度控制模式監(jiān)控列車運行的控制系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)設計原則。地面設備虛擬化，軌旁設備稀疏化，滿足低成本、少維護的需求；采用成熟的安全計算機平臺；區(qū)間不設軌道電路和通過信號機，中間站可不設信號機、軌道電路，有存車線時，可根據(jù)需要設置軌道電路；采用列控聯(lián)鎖一體化控制，完成車站聯(lián)鎖、區(qū)間方向控制功能。根據(jù)需要可采用虛擬聯(lián)鎖，配置目標控制器，聯(lián)鎖功能由相鄰車站設備完成；具備智能運營維護功能，故障自動診斷、劣化趨勢自動分析和遠程報警；采用CTCS技術體系，滿足在其他等級列控系統(tǒng)線路上運行的要求；具備接收和應用北斗等衛(wèi)星定位信息能力；車-地信息傳輸，能夠適應GSM-R通信、LTE通信及衛(wèi)星通信的能力；列車定位應適應隧道、山谷、站臺雨棚遮擋的環(huán)境；地面中心設備為列車計算移動授權，實現(xiàn)列車追蹤；滿足高安全、高可靠性要求，關鍵設備冗余配置，系統(tǒng)安全等級達到SIL4級。

2 基于北斗導航的列控系統(tǒng)架構設計

基于北斗導航的列控系統(tǒng)設計是適應西部鐵路需求和特點、融合高速鐵路CTCS-3級列控系統(tǒng)和城市軌道基于通信的列控系統(tǒng)(CBTC)核心技術，充分繼承自主化CTCS-3級列控系統(tǒng)成熟技術和裝備基礎上，吸收CBTC相關技術，達到軌旁設備稀疏化和路網(wǎng)互聯(lián)互通運行目標?；诒倍穼Ш降牧锌叵到y(tǒng)結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)由列控地面設備和列控車載設備組成。車載設備由車載安全計算機、列車接口單元、無線通信單元、人機交互界面(DMI)、應答器接收單元(BTM)、列車定位單元和衛(wèi)星信號接收天線等設備組成。其中，列車定位單元和衛(wèi)星信號接收天線是在自主化C3列控車載設備的基礎上新增，為車載ATP提供準確、實時、安全的位置信息[3-4]。地面設備由車站設備和控制中心設備組成。車站配置列控聯(lián)鎖一體化控制設備，完成車站聯(lián)鎖和區(qū)間方向控制，除大站外站內不設軌道電路和信號機，線路所或3股道以下的小站，車站配置目標控制器，通過安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡由相鄰車站的計算機聯(lián)鎖(CBI)設備控制；調度集中自律機和信號監(jiān)測隨計算機聯(lián)鎖配置，衛(wèi)星定位差分基站逐站配置；區(qū)間不設軌道電路和信號機，相鄰車站計算機聯(lián)鎖經(jīng)安全數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)交換站間信息，完成區(qū)間方向控制功能。

控制中心配置無線閉塞中心(RBC)、調度集中(CTC)中心服務器，以及智能運維中心服務器等設備。RBC通過安全數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與CBI交換信息，完成列車追蹤運行控制功能。車－地間信息傳輸采用多模車地綜合數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)，可適應GSM-R通信和LTE通信環(huán)境。RBC通過無線網(wǎng)絡與車載設備實時雙向進行信息交互，RBC為車載設備提供線路參數(shù)、移動授權、臨時限速命令等信息，車載設備實時向RBC報告位置、車長、列車完整等信息，RBC根據(jù)車載設備報告的位置，和列車前一次通信報告的位置，對列車進行跟蹤和邏輯占用檢查，對照虛擬閉塞分區(qū)或區(qū)段參數(shù)表，完成站內虛擬區(qū)段和區(qū)間虛擬閉塞分區(qū)的占用和出清邏輯處理。調度集中中心服務器通過CTC數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與車站自律機實時交換信息，下達行車計劃，收集車站、區(qū)間列車運行狀態(tài)信息。智能運維中心服務器通過信號監(jiān)測數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與車站信號監(jiān)測設備交換信息，收集軌旁信號設備運行狀態(tài)、自檢和故障等信息，對記錄數(shù)據(jù)分類、智能分析，可通過關鍵參數(shù)變化自動判斷信號設備劣化趨勢，提前預警，減少設備故障對行車的影響。

圖1 基于北斗導航的列控系統(tǒng)結構圖Fig.1 The structure of BDS-based train control system

由于取消軌道電路，列車斷鉤檢查則依靠安裝在列車頭部和尾部的列車完整檢查裝置完成，該裝置可依據(jù)車頭和車尾的距離、加速度差以及車尾監(jiān)測風管壓力變化等條件實現(xiàn)。列車完整性檢查裝置應滿足安全性指標要求。基于北斗導航的列控系統(tǒng)與CTCS-3級列控系統(tǒng)相比，最主要特點是軌旁設備稀疏化，地面設備虛擬化。具體體現(xiàn)在：取消區(qū)間和車站站內軌道電路，取消區(qū)間和站內信號機；RBC集中設置，取消臨時限速服務器，減少實體應答器；中間小站采用目標控制器，遠程控制，聯(lián)鎖設備虛擬化；可實現(xiàn)列車移動追蹤，根據(jù)需要行車間隔可動態(tài)配置。與增強型列控系統(tǒng)相比，最主要特點為：符合CTCS技術體系，滿足路網(wǎng)互聯(lián)互通需要；融合應答器定位，可實現(xiàn)列車站內準確定位，提升股道有效利用；核心技術全面掌握，可提供全面技術支持。

3 基于北斗導航的列控系統(tǒng)關鍵技術

基于北斗導航的列控系統(tǒng)最主要的特點是依靠列車主動定位技術取代傳統(tǒng)由軌旁設備檢查列車占用，軌旁設備得到極大的簡化，可以有效減輕西部鐵路的軌旁維護工作。其中，列車占用檢查、列車綜合定位、虛擬閉塞技術、列車完整性檢查、智能運用維護和車站列控聯(lián)鎖一體化控制等是該列控系統(tǒng)的關鍵技術[5]。

3.1 列控聯(lián)鎖一體化控制技術

區(qū)間運行方向控制由計算機聯(lián)鎖完成，實現(xiàn)列控聯(lián)鎖一體化控制。相鄰車站的計算機聯(lián)鎖通過安全數(shù)據(jù)通信網(wǎng)交換信息，實現(xiàn)區(qū)間方向控制。中間站站內不設軌道電路和信號機，車站聯(lián)鎖設備可采用虛擬化控制技術，即采用目標控制器控制道岔轉換，其聯(lián)鎖功能由相鄰車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)完成，CBI通過安全數(shù)據(jù)通信網(wǎng)遠程控制中間小站的目標控制器。當目標控制器設備不具備上道使用條件時，則采用站站配置計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的方案，完成列控聯(lián)鎖一體化控制。地面設備虛擬化是減少軌旁設備最有效的方法，充分利用網(wǎng)絡傳輸和電子控制技術，達到集中與分散相結合的架構方式。運算處理集中化，發(fā)揮現(xiàn)代大容量高運算能力計算機優(yōu)勢；軌旁設備智能化，便于實現(xiàn)設備狀態(tài)自監(jiān)測和故障重構功能，設備具備故障不影響行車。

3.2 列車綜合定位技術

列控綜合定位是基于北斗導航列控系統(tǒng)的關鍵，也是實現(xiàn)列車移動追蹤運行的基礎。列車定位不僅要求實時、準確，還需要達到滿足安全指標要求[6-7]。為適應高原、特長隧道等復雜環(huán)境，列車定位應采用組合定位方式，采用基于北斗等衛(wèi)星定位為主，融合車輪速度傳感器、慣性導航、應答器等信息的綜合定位方式，列車定位邏輯處理示意圖如圖2所示。

衛(wèi)星信號覆蓋條件好的地區(qū)，以衛(wèi)星定位為主，其他定位方式為輔；衛(wèi)星信號覆蓋差的地區(qū)，以慣性導航+應答器+車輪傳感器定位為主。車站列車定位，地面將道岔位置信息傳送給車載設備，車載設備依此確定所進入的股道，選擇對應的線路電子地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)列車定位。對于衛(wèi)星信號覆蓋不好的車站，可在岔后或股道設置應答器，實現(xiàn)站內準確定位，股道長度充分利用[8]。

3.3 列車占用檢查和虛擬閉塞技術

將區(qū)間劃分為若干虛擬區(qū)段，地面無線閉塞中心(RBC)根據(jù)列車報告的位置、長度等信息，計算各虛擬區(qū)段的占用和空閑狀態(tài)。站內不設軌道電路時，根據(jù)平行進路作業(yè)需求將站內劃分為若干區(qū)段，RBC根據(jù)列車位置、長度等信息，計算站內各區(qū)段的占用/空閑狀態(tài)。站內設軌道電路時，區(qū)段的占用/出清以軌道電路提供的狀態(tài)為準。

虛擬閉塞是依靠列車定位實現(xiàn)的一種與傳統(tǒng)自動閉塞相對應的閉塞方式，閉塞分區(qū)仍然按照傳統(tǒng)自動閉塞方式劃分，虛擬閉塞分區(qū)的占用和出清則依靠列車位置、長度等信息進行邏輯處理，按照順序占用和順序出清進行跟蹤控制。RBC按照虛擬區(qū)段方式為計算機聯(lián)鎖和調度集中提供區(qū)間列車占用狀態(tài)。RBC可采用虛擬閉塞方式為列車計算移動授權(MA)，實現(xiàn)固定閉塞追蹤功能。

3.4 列車完整性檢查技術

圖2 列車定位邏輯處理示意圖Fig.2 Logical processing of train positioning

由于采用列車主動定位技術替代傳統(tǒng)依靠軌旁設備檢查列車占用，列車的完整性則需要列控車載設備完成。檢查列車完整性的方法主要是依靠監(jiān)測列車尾部制動風壓管的風壓，監(jiān)測列車尾部的移動，以及衛(wèi)星定位位置等方法來檢查列車完整。在貨列尾、客列尾裝置的基礎上，融合衛(wèi)星定位技術，進行安全設計，滿足SIL4級安全等級要求。

3.5 虛擬應答器技術

為實現(xiàn)與CTCS-3級列控系統(tǒng)互聯(lián)互通，西部鐵路列控系統(tǒng)將充分繼承C3列控系統(tǒng)的成熟技術，包括系統(tǒng)平臺硬件、軟件、車－地傳輸報文格式等。當?shù)孛娌辉O實體應答器時，列車定位裝置將向車載超速防護裝置(ATP)觸發(fā)虛擬應答器，依照C3控車邏輯完成車－地信息交互、列車追蹤和列車運行控制。

3.6 智能運用維護技術

列控聯(lián)鎖一體化控制裝備、目標控制器等設備均具有故障自診斷功能，對于電源屏等配套設備的狀態(tài)增加適量的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過信號監(jiān)測數(shù)據(jù)通信網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行闹悄苓\維中心服務器，智能運維中心服務器還通過通信接口收集CTC中心服務器、RBC狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)；智能運維中心服務器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類，大數(shù)據(jù)處理，通過關鍵參數(shù)變化自動分析設備劣化趨勢，提前預警，為狀態(tài)修提供技術支持。

4 結束語

針對西部鐵路運輸發(fā)展需求設計基于北斗導航列控系統(tǒng)的技術方案，系統(tǒng)設計采用衛(wèi)星定位和寬帶無線通信技術，該系統(tǒng)的研究對于提高西部鐵路運輸效率和安全保障具有重要的意義。其技術方案的可行性、系統(tǒng)架構的合理性，以及系統(tǒng)的核心功能實現(xiàn)與設計的符合性，除在環(huán)形道采用軌道車進行實車試驗驗證外，其核心列車綜合定位技術參加京沈高速鐵路試驗段搭載試驗，而其他關鍵技術如虛擬應答器、虛擬閉塞等技術根據(jù)條件選擇在新建客運專線或普速鐵路進行試驗驗證?；诒倍穼Ш?、智能控制、寬帶無線移動通信等技術的列控系統(tǒng)研究對于我國鐵路運輸列車運行控制技術水平提升、完善CTCS技術體系，以及提高鐵路運輸安全和運輸效率具有重要意義。