張 輝

(蘭州市軌道交通有限公司,730030,蘭州∥高級(jí)工程師)

發(fā)改基礎(chǔ)[2017]1173號(hào)《關(guān)于促進(jìn)市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》對(duì)市域(郊)鐵路的定義為:是城市中心城區(qū)連接周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)及其城鎮(zhèn)組團(tuán)之間的通勤化、快速度、大運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng),提供城市公共交通服務(wù),是城市綜合交通體系的重要組成部分。國(guó)辦函[2020]116號(hào)《關(guān)于推動(dòng)都市圈市域(郊)鐵路加快發(fā)展的意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》)科學(xué)把握了現(xiàn)代化都市圈和市域(郊)鐵路發(fā)展規(guī)律,充分結(jié)合我國(guó)都市圈市域(郊)鐵路發(fā)展的實(shí)際和需求,從支撐引領(lǐng)現(xiàn)代化都市圈發(fā)展高度,提出市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)思想、基本原則等,對(duì)市域(郊)鐵路的規(guī)劃管理、建設(shè)實(shí)施、投融資創(chuàng)新、運(yùn)營(yíng)管理、發(fā)展機(jī)制等方面做出全面布署,具有很強(qiáng)的針對(duì)性和指導(dǎo)性,是促進(jìn)都市圈市域(郊)鐵路發(fā)展的基本綱領(lǐng)性文件。

因此,市域(郊)鐵路建設(shè)應(yīng)充分考慮如何實(shí)現(xiàn)與既有干線線路、城際鐵路、城市軌道交通的一體化融合發(fā)展需求,即在特定線路、特定位置實(shí)現(xiàn)新建市域(郊)鐵路與既有干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)。上述需求涵蓋線路、供電、車(chē)輛、土建等諸多專(zhuān)業(yè),其中最重要的環(huán)節(jié)是負(fù)責(zé)行車(chē)安全指揮的信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通。研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用于市域(郊)鐵路互聯(lián)互通的信號(hào)系統(tǒng),使其既要實(shí)現(xiàn)與國(guó)鐵CTCS(中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng))系統(tǒng)的兼容,又要滿(mǎn)足與城市軌道交通CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)的雙重互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)需求。

1 基于互聯(lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)特性

市域(郊)鐵路對(duì)連接新城及新市鎮(zhèn)、減輕城市交通壓力、構(gòu)建便捷出行鏈起著紐帶作用,具有網(wǎng)絡(luò)化、高密度、公交化、通勤化的服務(wù)特性,因此基于互聯(lián)互通需求的信號(hào)系統(tǒng)具有如下技術(shù)特性:

1) 列車(chē)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化:①網(wǎng)內(nèi)互通。信號(hào)系統(tǒng)滿(mǎn)足市域(郊)鐵路線網(wǎng)內(nèi)跨線和共線運(yùn)行。②網(wǎng)際互通。滿(mǎn)足與干線鐵路、城際鐵路及城市軌道交通的互通運(yùn)行,車(chē)載和軌旁設(shè)備支持多制式配置。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo),所采取的技術(shù)路線為:①市域(郊)鐵路新線及延伸線接入。車(chē)-地通信、地-地通信等接口標(biāo)準(zhǔn)化。②電子地圖。如應(yīng)用電子地圖技術(shù),電子地圖格式則應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化,并且應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載。

2) 調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化:需要實(shí)現(xiàn)市域(郊)鐵路調(diào)度系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理、網(wǎng)絡(luò)化編圖、區(qū)域化調(diào)整、按線區(qū)域調(diào)度、與既有調(diào)度中心信息互通等功能,同時(shí)通過(guò)該調(diào)度系統(tǒng)能夠調(diào)度指揮不同信號(hào)系統(tǒng)制式列車(chē)。市域(郊)鐵路調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理與接口示意圖如圖1所示。

圖1 市域(郊)鐵路調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理與接口示意圖

3) 線路運(yùn)營(yíng)公交化:①通勤化。滿(mǎn)足站臺(tái)候車(chē)、同站臺(tái)短距離換乘需求。②高密度。實(shí)現(xiàn)最小行車(chē)追蹤間隔2.5 min,甚至滿(mǎn)足更短追蹤間隔需求。③快速度。支持最高160～200 km/h的運(yùn)營(yíng)速度,具有高速下全自動(dòng)/司機(jī)輔助駕駛功能。④自動(dòng)化。滿(mǎn)足GoA2(半自動(dòng)化列車(chē)運(yùn)行)自動(dòng)化等級(jí)及以上需求,需要具備端站無(wú)人自動(dòng)折返功能。⑤智能化。滿(mǎn)足多制式列車(chē)控制系統(tǒng)之間自適應(yīng)切換、多專(zhuān)業(yè)融合的智能調(diào)度、系統(tǒng)降級(jí)情況下自動(dòng)聯(lián)動(dòng)的應(yīng)急響應(yīng)等。

2 基于互聯(lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

考慮到市域(郊)鐵路公交化及網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)營(yíng)需求,市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)需要按照特定線路在線網(wǎng)中的具體位置及需求靈活配置,既要支持高密度、公交化的運(yùn)營(yíng),也要實(shí)現(xiàn)與干線鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的互聯(lián)互通。這就需要市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)可以同時(shí)兼容城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)及干線鐵路/城際鐵路CTCS-2(中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)第二級(jí))信號(hào)系統(tǒng)。

從技術(shù)路線來(lái)說(shuō),在地面設(shè)置雙套系統(tǒng)共管區(qū)域,用于兩套系統(tǒng)之間的過(guò)渡;在跨線列車(chē)上設(shè)置雙套獨(dú)立或融合型CTCS/CBTC車(chē)載設(shè)備,用于跨線運(yùn)營(yíng)。

2.1 地面共管區(qū)域設(shè)備架構(gòu)

地面共管區(qū)域設(shè)備按功能劃分應(yīng)包括控制中心行車(chē)指揮系統(tǒng)、車(chē)站行車(chē)指揮系統(tǒng)、車(chē)站聯(lián)鎖、TCC(列車(chē)控制中心)、TSRS(臨時(shí)限速服務(wù)器)、CCS(通信控制服務(wù)器)(可選)、LEU(軌旁電子單元)、有源及無(wú)源應(yīng)答器、軌道電路、計(jì)軸、ZC(區(qū)域控制器)、DSU(線路數(shù)據(jù)服務(wù)器)、GSM-R(車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng))、LTE-M(城市軌道交通車(chē)地綜合通信系統(tǒng))等。在共管區(qū),聯(lián)鎖應(yīng)合并設(shè)置,CTCS線路應(yīng)統(tǒng)一采用軌道電路作為軌道占用檢測(cè)設(shè)備,CBTC線路部分應(yīng)統(tǒng)一采用計(jì)軸作為軌道占用檢測(cè)設(shè)備;軌道區(qū)段劃分應(yīng)遵循統(tǒng)一設(shè)計(jì)原則,并分別與聯(lián)鎖及TCC接口。

共線區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)置需要結(jié)合線路運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求,考慮列車(chē)運(yùn)行速度、車(chē)輛參數(shù)、土建參數(shù)、制動(dòng)距離、切換區(qū)車(chē)地通信呼叫時(shí)間等信息,在項(xiàng)目實(shí)施階段進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,以滿(mǎn)足停車(chē)和不停車(chē)兩種切換場(chǎng)景。共線區(qū)域應(yīng)答器布置需考慮CBTC及CTCS兩種制式需求。若車(chē)載設(shè)備采用獨(dú)立設(shè)計(jì)方式,應(yīng)答器設(shè)置應(yīng)保持系統(tǒng)間的相互獨(dú)立,具體需求包含ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)站臺(tái)精確停車(chē),以及CTCS獲取線路數(shù)據(jù)、載頻信息、CCS ID(通信控制服務(wù)器編號(hào))等,同時(shí)需要考慮CBTC車(chē)載定位冗余,且需考慮列車(chē)雙向運(yùn)行需求等。若車(chē)載設(shè)備采用融合設(shè)計(jì)方式,則應(yīng)答器宜合并設(shè)置?；诨ヂ?lián)互通需求的市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)地面共管區(qū)域設(shè)備架構(gòu)如圖2所示。

2.2 車(chē)載設(shè)備架構(gòu)

車(chē)載設(shè)備可采用CTCS-2+ATO與CBTC兩種制式獨(dú)立設(shè)置的車(chē)載設(shè)備,通過(guò)增加雙制式切換裝置實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛接口的自適配,亦可采用CTCS-2+ATO與CBTC兩種制式融合的車(chē)載設(shè)備,綜合實(shí)現(xiàn)制式選擇與車(chē)輛接口。不同車(chē)載設(shè)備構(gòu)架下CBTC及CTCS-2+ATO的駕駛模式如表1所示。

表1 不同車(chē)載設(shè)備構(gòu)架下CBTC及CTCS-2+ATO的駕駛模式

車(chē)載設(shè)備與車(chē)輛接口包含硬線和網(wǎng)絡(luò)兩部分,硬線可以分為干接點(diǎn)接口和電平接口兩種方式,TCMS(列車(chē)控制和管理系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)接口采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)TRDP(列車(chē)以太網(wǎng)通信協(xié)議)或MVB(多功能車(chē)輛總線)。車(chē)載設(shè)備DMI(司機(jī)人機(jī)界面)可以分屏設(shè)置,也可以合并設(shè)置,通過(guò)模式選擇自動(dòng)切換。乘務(wù)人員根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃,可通過(guò)CTCS-2車(chē)載DMI顯示屏幕將列車(chē)長(zhǎng)度、載頻信息、司機(jī)號(hào)、車(chē)次號(hào)輸入車(chē)載設(shè)備,且車(chē)載設(shè)備應(yīng)記憶上述信息,用于制式切換時(shí)使用;切換區(qū)CCS ID及載頻信息也可放入切換區(qū)域應(yīng)答器中,用于實(shí)現(xiàn)制式自動(dòng)切換。

兩種制式切換裝置僅可在停車(chē)時(shí)為可用,且在停車(chē)后帶有強(qiáng)制切換屬性,即切換時(shí)不需要檢查來(lái)自另一制式車(chē)載是否允許切換的條件。非停車(chē)狀態(tài)下,主控車(chē)載應(yīng)不響應(yīng)CBTC與CTCS的相互切換。當(dāng)制式切換裝置處于自動(dòng)位時(shí),應(yīng)支持不停車(chē)切換,切換前需要車(chē)載設(shè)備確認(rèn)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下是否允許切換。

日間正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,在跨線運(yùn)營(yíng)的接駁車(chē)站,車(chē)載設(shè)備應(yīng)保證在當(dāng)前制式下控制車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)及站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng),待乘客換乘完成、車(chē)門(mén)及安全門(mén)正常關(guān)閉后,再進(jìn)行自動(dòng)或人工制式轉(zhuǎn)換,避免由于制式轉(zhuǎn)換故障影響乘客換乘。

采用雙套獨(dú)立的車(chē)載設(shè)備,兩套系統(tǒng)邊界比較清晰,便于當(dāng)前工程實(shí)施的邊界劃分,滿(mǎn)足合規(guī)性需求。然而,兩套車(chē)載設(shè)備體積過(guò)于龐大,接口之間切換復(fù)雜,車(chē)體外掛設(shè)備多,因此應(yīng)研發(fā)融合型車(chē)載設(shè)備,滿(mǎn)足市域(郊)鐵路列車(chē)跨線運(yùn)營(yíng)需求。市域(郊)鐵路融合型車(chē)載設(shè)備與車(chē)輛接口如圖3所示。

圖3 市域(郊)鐵路融合型車(chē)載設(shè)備與車(chē)輛接口

2.3 跨線運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

列車(chē)從CTCS-2+ATO線路進(jìn)入CBTC線路的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 列車(chē)從CTCS-2+ATO線路進(jìn)入CBTC線路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

1) 列車(chē)進(jìn)入共管區(qū)后,車(chē)載設(shè)備仍按CTCS-2軌旁設(shè)備提供的行車(chē)許可信息運(yùn)行,在經(jīng)過(guò)2個(gè)CBTC應(yīng)答器定位后,向CBTC軌旁設(shè)備ZC進(jìn)行注冊(cè)。

2) 注冊(cè)成功后,CBTC軌旁設(shè)備ZC為列車(chē)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。

3) 當(dāng)列車(chē)運(yùn)行到共管區(qū)軌道電路(計(jì)軸)邊界點(diǎn)前方設(shè)定距離時(shí),完成列車(chē)頭部動(dòng)態(tài)篩選,融合型車(chē)載設(shè)備內(nèi)部CBTC-CM(CBTC人工駕駛模式)模式自動(dòng)建立,但并不控制列車(chē),列車(chē)控制仍然由CTCS-2+ATO車(chē)載設(shè)備或模塊執(zhí)行。

4) CTCS-2+ATO車(chē)載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點(diǎn)處向司機(jī)提示制式轉(zhuǎn)換,同時(shí)激活CBTC制式下的DMI(如分設(shè)),由系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn),或由司機(jī)進(jìn)行人工確認(rèn)。

5) 車(chē)載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)處自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CBTC制式,駕駛模式維持同等級(jí)模式,即CTCS-2-ATO模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CBTC-ATO模式,CTCS-2-FS人工駕駛模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CBTC-CM模式。

6) 轉(zhuǎn)換為CBTC制式后,車(chē)載設(shè)備通過(guò)當(dāng)前制模式下的DMI向司機(jī)提示轉(zhuǎn)換成功,列車(chē)不停車(chē)從共管區(qū)進(jìn)入CBTC線路。

7) 如轉(zhuǎn)換不成功,車(chē)載設(shè)備在CTCS-2+ATO制式下的DMI上向司機(jī)提示轉(zhuǎn)換失敗原因并報(bào)警,列車(chē)按常用制動(dòng)停在線路制式轉(zhuǎn)換邊界外方入口信號(hào)機(jī)前。

列車(chē)從CBTC線路進(jìn)入CTCS-2+ATO線路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 列車(chē)從CBTC線路進(jìn)入CTCS-2+ATO線路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景

1) 列車(chē)進(jìn)入共管區(qū)后,車(chē)載設(shè)備按CBTC軌旁設(shè)備ZC提供的移動(dòng)授權(quán)運(yùn)行,并從應(yīng)答器獲取線路數(shù)據(jù)和臨時(shí)限速,從軌道電路獲取行車(chē)許可信息,實(shí)時(shí)計(jì)算CTCS-2級(jí)列車(chē)運(yùn)行曲線。

2) CBTC車(chē)載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點(diǎn)處,通過(guò)CBTC制式下的DMI向司機(jī)提示制式轉(zhuǎn)換,同時(shí)激活CTCS-2+ATO制式下的DMI(如分設(shè)),系統(tǒng)自動(dòng)或由司機(jī)進(jìn)行確認(rèn)。

3) 車(chē)載設(shè)備在制式轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)處自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CTCS-2制式,駕駛模式維持同等級(jí)模式,即CBTC-ATO模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CTCS-2-ATO模式,CBTC-CM人工駕駛模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CTCS-2-FS人工駕駛模式。

4) 轉(zhuǎn)換為CTCS-2等級(jí)后,車(chē)載設(shè)備通過(guò)當(dāng)前制式下的DMI向司機(jī)提示轉(zhuǎn)換成功,列車(chē)從共管區(qū)不停車(chē)進(jìn)入CTCS-2線路。

5) 如轉(zhuǎn)換不成功,車(chē)載設(shè)備在CBTC制式下的DMI上向司機(jī)提示轉(zhuǎn)換失敗原因并報(bào)警,列車(chē)按常用制動(dòng)停在制式轉(zhuǎn)換邊界外方入口信號(hào)機(jī)前。

采用雙制式車(chē)載設(shè)備的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景如下:

1) 正常情況下,CBTC的車(chē)載設(shè)備、CTCS的車(chē)載設(shè)備同時(shí)熱備工作,且同時(shí)采集車(chē)輛相關(guān)輸入信息,但同一時(shí)刻只有主用模式的車(chē)載設(shè)備與車(chē)輛接口實(shí)現(xiàn)輸出,兩種車(chē)載設(shè)備通過(guò)安全接口實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛的輸出通道的切換。

2) 兩種列車(chē)控制制式切換預(yù)告、制式切換結(jié)果、切換失敗原因等信息應(yīng)在主控制式下的DMI上進(jìn)行顯示,并給出語(yǔ)音提示或報(bào)警。

3) 在共線運(yùn)行區(qū)域或跨線區(qū)域,行車(chē)指揮系統(tǒng)通過(guò)不同信息傳輸路徑,同時(shí)給兩套車(chē)載設(shè)備發(fā)送運(yùn)行任務(wù),兩套車(chē)載ATO同時(shí)接收運(yùn)行任務(wù)。制式切換后,主控車(chē)載的ATO可以利用之前接收的運(yùn)行任務(wù)繼續(xù)控車(chē)運(yùn)行。

4) 當(dāng)制式切換裝置處于自動(dòng)位時(shí),兩套車(chē)載設(shè)備之間應(yīng)通過(guò)硬線或?qū)崟r(shí)通信方式交互切換請(qǐng)求與切換應(yīng)答、控制制式切換過(guò)程。當(dāng)CBTC車(chē)載設(shè)備與CTCS2+ATO車(chē)載設(shè)備間通信中斷,或切換過(guò)程中發(fā)生任何切換失敗,或設(shè)備故障時(shí),主控車(chē)載設(shè)備將保持切換前的制式繼續(xù)控車(chē),直到到達(dá)當(dāng)前制式下切換區(qū)終點(diǎn)邊界后正常停車(chē),等待人工處理。

3 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)家層面看,研究與實(shí)現(xiàn)面向多層次軌道交通的市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng),滿(mǎn)足市域(郊)鐵路“四網(wǎng)融合”背景下的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求是時(shí)代的需要,也是行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇。

為了滿(mǎn)足市域(郊)鐵路兼容制式的信號(hào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、工程化應(yīng)用、實(shí)際工程項(xiàng)目建設(shè)及合規(guī)性需求,需要盡快建立市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)規(guī)范體系。通過(guò)規(guī)范的制定與推行,使得市域(郊)鐵路兼容制式信號(hào)系統(tǒng)規(guī)范化、合法化、統(tǒng)一化,最終為實(shí)現(xiàn)真正意義上 “四網(wǎng)融合”的目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。這就需要行業(yè)主管部門(mén)、市域(郊)鐵路建設(shè)公司、設(shè)計(jì)院、信號(hào)系統(tǒng)廠家等在實(shí)際的工程項(xiàng)目中不斷凝練需求,制定地方標(biāo)準(zhǔn)乃至行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而形成覆蓋市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)品需求、設(shè)計(jì)、接口、測(cè)試及驗(yàn)證、驗(yàn)收及安全評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)體系。通過(guò)產(chǎn)品研發(fā)與迭代實(shí)現(xiàn)市域(郊)鐵路互聯(lián)互通新功能,滿(mǎn)足新需求,從而更好地服務(wù)于市域(郊)鐵路互聯(lián)互通建設(shè)。