全宏宇，張敏慧

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

市域鐵路介于城際鐵路和城市軌道交通之間，具有高密度、小編組、公交化的特點，最高運行速度為100 ～160 km/h，最小行車間隔為4 min。隨著中國城鎮(zhèn)化進程加快，目前市域鐵路正在快速發(fā)展，成為城市綜合交通系統(tǒng)的重要組成部分[1]。根據(jù)《市域鐵路設計規(guī)范》，市域鐵路列控系統(tǒng)應與其線路特點和運營需求相匹配，可采用中國列車控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）制式，也可以采用城市軌道交通列車自動控制（Automatic Train Control，ATC）制式[2]。對于CTCS 制式，開行動車組和有列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）功能需求的市域鐵路一般采用CTCS-2 列控系統(tǒng)；ATC 制式主要以基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）為主。

但是CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)為兩種不同的制式，為滿足軌道交通多網(wǎng)融合和一體化運營，需研究兩種制式列控系統(tǒng)切換。目前國內(nèi)已針對干線鐵路和城市軌道交通列控系統(tǒng)切換開展了相關(guān)研究，席武夷研究國鐵CTCS 與城軌CBTC 列控系統(tǒng)的多網(wǎng)融合方案，提出了地面兼容、車載兼容兩種方案及對策[3]；面向多網(wǎng)融合運營需求，蔡昌俊等提出CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)雙套車載控制模式切換方案[4]；英國倫敦Crossrail 實現(xiàn)了ETCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換，并于2022 年投入運營[5]。但是以上研究并未對CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換相關(guān)的系統(tǒng)接口、切換流程，以及設備布置應用方案進行研究。

目前，CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換尚無相關(guān)標準規(guī)范和應用案例，跨信號系統(tǒng)制式互聯(lián)互通將成為制約市域鐵路網(wǎng)絡化發(fā)展的關(guān)鍵問題。本文從市域鐵路列控系統(tǒng)互聯(lián)互通出發(fā)，對CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)的特點及差異性進行分析，研究并提出列控系統(tǒng)切換的系統(tǒng)接口、切換流程，進一步探討CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換設備布置應用方案，以滿足市域鐵路互聯(lián)互通和資源共享的運營要求。

1 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換場景

1.1 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)

CTCS-2 級列控系統(tǒng)是基于軌道電路和應答器傳輸行車許可信息，采用目標-距離模式曲線監(jiān)控列車安全運行的列車運行控制系統(tǒng)[6]。CBTC 列控系統(tǒng)是基于通信的列控系統(tǒng)，并集成聯(lián)鎖、自動監(jiān)控和自動進路控制、自動駕駛子系統(tǒng)，可實現(xiàn)移動閉塞和無人駕駛[7]。

CTCS-2 列控系統(tǒng)與CBTC 列控系統(tǒng)的對比如表1 所示?？梢钥闯?，CTCS-2 列控系統(tǒng)具有更高的運行速度；而CBTC 列控系統(tǒng)最小運營間隔較小，自動化程度更高。同時，CTCS-2 與CBTC 列控系統(tǒng)存在較大差異，CTCS-2 列控系統(tǒng)采用軌道電路和應答器進行地-車通信，而CBTC 列控系統(tǒng)采用無線通信方式，且線路數(shù)據(jù)存儲于車載[8-10]。

表 1 CTCS-2列控系統(tǒng)與CBTC列控系統(tǒng)的對比Tab.1 Comparison between CTCS-2 and CBTC train control systems

1.2 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換場景

市域鐵路可采用CTCS-2 列控系統(tǒng)，也可以采用CBTC 列控系統(tǒng)，當不同列控制式的線路跨線運營時，則存在列控系統(tǒng)切換場景，如圖1 所示。CTCS-2 和CBTC 線路各自裝備相應的列控系統(tǒng)地面設備，跨線運行列車裝備CTCS-2 和CBTC 兩套車載。在CTCS-2 線路以CTCS-2 車載控制列車運行，在CBTC 線路以CBTC 車載控制列車運行，在邊界處進行CTCS-2 與CBTC 列控系統(tǒng)切換[11]。

圖1 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換場景Fig.1 Scenario of switching between CTCS-2 and CBTC train control systems

2 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換方案

當列車裝備CTCS-2 和CBTC 兩套車載，為實現(xiàn)跨制式運行時列控系統(tǒng)自動切換，需在現(xiàn)有CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，研究列控系統(tǒng)切換方案，先對列控系統(tǒng)切換接口進行分析，進而再提出系統(tǒng)切換的功能要求。

2.1 系統(tǒng)切換接口

根據(jù)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)組成，CTCS-2和CBTC 列控系統(tǒng)切換接口如圖2 所示。

圖2 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換接口Fig.2 Interfaces for switching between CTCS-2 and CBTC train control systems

兩種系統(tǒng)切換存在以下接口。

1）接口A：CTCS-2 的車載與CBTC 的車載接口，進行列車控制權(quán)移交信息交互。

2）接口B：CTCS-2 的調(diào)度集中中心與CBTC的ATS 中心接口，進行列車運行計劃、列車進路設置和狀態(tài)等信息交互。

3）接口C：CTCS-2 的臨時限速服務器與CBTC 的區(qū)域控制器接口，進行臨時限速信息交互。

4）接口D：CTCS-2 的列控中心與CBTC 的聯(lián)鎖接口，進行進路聯(lián)鎖控制數(shù)據(jù)信息交互。

5）接口E：CTCS-2 的聯(lián)鎖與CBTC 的聯(lián)鎖接口，進行信號機、軌道區(qū)段、道岔以及進路狀態(tài)信息交互。

接口A 可通過安全繼電器或總線進行接口，接口B 和接口C 可通過冗余的專用通信通道實現(xiàn)接口，接口D 和接口E 可通過采集安全繼電器信息或構(gòu)建冗余的安全數(shù)據(jù)網(wǎng)進行通信。

2.2 CTCS-2與CBTC切換流程及功能要求

1）CTCS-2 至CBTC 切換

CTCS-2 至CBTC 切換流程如圖3 所示，包括：

圖3 CTCS-2至CBTC系統(tǒng)切換Fig.3 Switching from CTCS-2 to CBTC system

a. CTCS-2 車載控制列車運行；

b. CTCS-2 車載收到切換預告應答器組信息，向CBTC 車載發(fā)送命令并激活CBTC 車載，司機對切換預告進行確認；

c. CBTC 車載激活后，與地面區(qū)域控制器建立無線通信連接；

d. CBTC 車載經(jīng)過位置報告應答器組時，通過無線通信向地面區(qū)域控制器報告位置后，收到區(qū)域控制器發(fā)送的行車許可，并準備控制列車；

e. CTCS-2 車載收到切換執(zhí)行應答器組的信息時，經(jīng)司機確認切換后，CBTC 車載接管并控制列車運行，CTCS-2 車載進入待激活狀態(tài)（不處理軌道電路及應答器信息）。

2）CBTC 至CTCS-2 切換

CBTC 至CTCS-2 切換流程如圖4 所示，包括：

圖4 CBTC至CTCS-2系統(tǒng)切換Fig.4 Switching from CBTC to CTCS-2 system

a. CBTC 車載控制列車運行；

b. CBTC 車載收到切換預告應答器組信息，向CTCS-2 車載發(fā)送命令并激活CTCS-2 車載，司機對切換預告進行確認；

c. CTCS-2 車載激活后，收到軌道電路提供的行車許可和地面應答器組提供的線路數(shù)據(jù)、臨時限速信息，并準備控制列車；

d. CBTC 車載收到切換執(zhí)行應答器組的信息時，經(jīng)司機確認切換后，CTCS-2 車載接管并控制列車運行，CBTC 車載向地面區(qū)域控制器注銷和斷開連接，并進入待激活狀態(tài)（不再處理無線及應答器信息）。

3）功能要求

CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換應實現(xiàn)不停車切換，切換過程應向司機提供信息提示并由司機進行確認；若未切換成功，原列控系統(tǒng)應繼續(xù)控制列車在切換區(qū)內(nèi)安全停車，停車后由人工進行切換。

切換目標列控系統(tǒng)應提前獲取必備的行車許可和線路數(shù)據(jù)，并準備控制列車。CTCS-2 與CBTC系統(tǒng)切換時調(diào)度權(quán)應同步切換，實現(xiàn)列車調(diào)度的切換、顯示及管理。

列控系統(tǒng)切換預告點至執(zhí)行點的距離應至少考慮目標列控系統(tǒng)車載激活反應時間內(nèi)走行的距離加上司機確認時間內(nèi)走行的距離和目標列控車載準備行車許可所需時間內(nèi)列車走行的距離；執(zhí)行點后方的附加距離應至少考慮司機確認切換時間內(nèi)走行的距離和原列控系統(tǒng)車載切換點后常用制動停車距離，當切換不成功時確保原列控車載控制列車安全停車。

3 CTCS-2與CBTC列控系統(tǒng)切換應用

為實現(xiàn)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換的應用，下面進一步對列控系統(tǒng)切換的車載設備、地面設備設置進行探討。

3.1 車載設備設置

跨線運行列車同時裝置CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)車載設備，二者之間增加接口進行切換信息交互。初始狀態(tài)下以其中一個列控系統(tǒng)為激活狀態(tài)，并由其通知和設置另一列控系統(tǒng)為待激活狀態(tài)，同時可由司機人工進行選擇。為減少對現(xiàn)有設備的修改，建議CTCS-2 和CBTC 車載各自獨立設置應答器接收模塊、測速測距模塊、人機接口等外圍設備。

3.2 地面設備設置

切換區(qū)地面設備設置需滿足CTCS-2 和CBTC列控系統(tǒng)切換所需的軌旁設備及通信網(wǎng)絡，包含軌道占用檢查設備、應答器以及通信網(wǎng)絡的設置。

1）地面設備設置原則

a.軌道占用檢查設備

CTCS-2 列控系統(tǒng)采用ZPW-2000 軌道電路進行軌道占用檢查并提供傳輸行車許可，CBTC 列控系統(tǒng)一般采用計軸作為軌道占用檢查設備，在切換區(qū)需考慮軌道電路和計軸設備的疊加設置。

CTCS-2 切換至CBTC 列控系統(tǒng)后，將采用無線通信傳輸控車信息，但若切換不成功，將由CTCS-2 列控系統(tǒng)繼續(xù)控制列車停車，因此建議切換點后方在計軸設備基礎(chǔ)上疊加設置軌道電路，為CTCS-2 列控系統(tǒng)提供行車許可。

CBTC 至CTCS-2 列控切換時，由于CTCS-2列控系統(tǒng)由軌道電路提供行車許可，因此CBTC 至CTCS-2 列控系統(tǒng)切換點前方的區(qū)段需在計軸設備基礎(chǔ)上疊加設置ZPW-2000 軌道電路設備。

b.應答器

CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換在預告點和執(zhí)行點由應答器向車載設備提供切換預告和執(zhí)行信息。另外，CBTC 至CTCS-2 列控系統(tǒng)切換需在切換前設置應答器向CTCS-2 車載提供線路數(shù)據(jù)、臨時限速等信息[12]。

c.通信網(wǎng)絡

CTCS-2 至CBTC 切換，CBTC 的無線通信應延伸覆蓋至預告點，使CBTC 車載建立無線連接；CBTC 至CTCS-2 切換，CBTC 的無線通信再覆蓋至執(zhí)行點一段距離，滿足CBTC 車載向地面區(qū)域控制器注銷和斷開連接。

同時，在CTCS-2 與CBTC 列控系統(tǒng)邊界需按“2.1 系統(tǒng)切換接口”要求增加通信通道，進行聯(lián)鎖、列車運行控制以及列車調(diào)度指揮的信息交互。

2）切換區(qū)地面設備布置方案

一種CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換區(qū)地面設備布置方案示意如圖5 所示?？稍趯Ω髯栽械牡孛嬖O備影響較小的前提下實現(xiàn)CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)不停車切換。

圖5 CTCS-2和CBTC列控系統(tǒng)切換區(qū)地面設備布置方案Fig.5 Plans for wayside equipment in the switching zones between CTCS-2 and CBTC systems

a.CTCS-2 至CBTC 切 換，CTCS-2 區(qū) 域 設 置ZPW-2000 軌道電路；CBTC 區(qū)域設置計軸設備，并在執(zhí)行點后方CTCS-2 列控系統(tǒng)常用制動距離區(qū)域內(nèi)疊加設置ZPW-2000 軌道電路； CTCS-2 區(qū)域增加設置切換預告、位置報告和切換執(zhí)行應答器（可與CTCS-2 應答器組共用）； CBTC 無線網(wǎng)絡覆蓋至切換預告應答器組。

b.CBTC 至CTCS-2 切 換 如 圖5（b） 所 示。CBTC 區(qū)域設置計軸設備，并在切換預告至切換執(zhí)行區(qū)域疊加設置ZPW-2000 軌道電路，CTCS-2 區(qū)域設置ZPW-2000 軌道電路；CBTC 區(qū)域增加設置切換預告、線路數(shù)據(jù)及臨時限速、切換執(zhí)行應答器；線路數(shù)據(jù)及臨時限速應答器按冗余布置，并納入CTCS-2 列控系統(tǒng)控制。CBTC 無線網(wǎng)絡覆蓋至切換執(zhí)行后一段距離，以滿足CBTC 車載向地面區(qū)域控制器注銷和斷開連接。

當系統(tǒng)切換地點設于車站站內(nèi)時，其地面設備設置原則與上述設備配置相同，但行車許可需考慮到站內(nèi)可變的進路控制信息，條件相對復雜。若是CTCS-2+ATO 列控系統(tǒng)與CBTC 列控系統(tǒng)切換，則CBTC 至CTCS-2+ATO 列控系統(tǒng)切換前，還需設置ATO 呼叫應答器并提供自動運行計劃等信息。另外，切換區(qū)地面設備布置需考慮調(diào)度管轄范圍，并配套實現(xiàn)調(diào)度權(quán)的有序切換。

4 結(jié)論

隨著市域鐵路快速建設，市域鐵路逐漸網(wǎng)絡化，CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)互聯(lián)互通是必然的要求。本文提出的CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換方案，維持現(xiàn)有CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)，減少對既有系統(tǒng)的修改，實現(xiàn)列車裝備兩套車載的情況下列控系統(tǒng)自動切換，以促進市域鐵路互聯(lián)互通和資源共享。研究結(jié)果對于CTCS-2 和CBTC 列控系統(tǒng)切換技術(shù)標準化，以及設備研發(fā)、工程設計和實施應用具有指導意義和實用價值。