黃蘇蘇 李 剛 李 克 杜 萌

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所, 100081, 北京; 2. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 100044, 北京)

隨著區(qū)域軌道交通建設(shè)的不斷延伸,在新一輪都市圈城際鐵路項目建設(shè)中,為了提高軌道交通網(wǎng)絡(luò)的整體運輸效率,不再推薦乘客通過站內(nèi)換乘的方式銜接不同線路,轉(zhuǎn)而大力發(fā)展列車直通運行的模式以進一步縮短旅客轉(zhuǎn)運時間。直通運行是一種旅客運輸概念,指列車根據(jù)規(guī)定的時刻表在不同的線路、網(wǎng)絡(luò)、運營商所提供的基礎(chǔ)設(shè)施之間行駛,行駛過程中乘客可在車上停留而不下車。直通運行的旅客運輸模式可以共用部分基礎(chǔ)設(shè)施,盤活利用既有線路資源,減少新建線路,節(jié)約工程投資,還能完善都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)的整體功能規(guī)劃。但在實施過程中,互聯(lián)互通需要多專業(yè)技術(shù)的統(tǒng)一或兼容,對需要直通運行線路的基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、牽引供電、信號等各專業(yè)都提出了較高的要求[1]。國鐵干線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)跨路局的直通運行常有,城市軌道交通線路的互聯(lián)互通也在逐漸完善,但國鐵線路與城市軌道交通線路跨制式的直通運行目前還沒有開通的案例,需要進一步研究。

1 直通運行對不同制式信號系統(tǒng)的需求

當(dāng)前我國的信號系統(tǒng)主要有CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))和CBTC(基于通信的列車控制)兩種不同的制式。CBTC系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市軌道交通線路,列車時速低、追蹤間隔小,運營組織靈活性高,通常是單條線路獨立運營;CTCS分為0～4級,覆蓋了從客運到重載、低速到高速、市域郊到主干網(wǎng)等多種場景和不同需求,支持大范圍內(nèi)的互聯(lián)互通運營。直通運行對信號系統(tǒng)的改造需求主要集中在CTCS與CBTC兩種不同制式的銜接上。為應(yīng)對這個需求,對于車載系統(tǒng),可以多套共存;對于聯(lián)鎖系統(tǒng)和調(diào)度指揮系統(tǒng)等線路的軌旁設(shè)備,可以通過標(biāo)準(zhǔn)化接口來互相傳遞信息;但對線路的電子地圖數(shù)據(jù)必須要進行統(tǒng)一管理,只有這樣才能保證行車安全。

文獻[2]描述了滿足互聯(lián)互通CBTC 系統(tǒng)的通用電子地圖的具體內(nèi)容和實施方案。文獻[3]針對靈活編組的互聯(lián)互通信號系統(tǒng),提出了電子地圖整體設(shè)計和動態(tài)加載方法。文獻[4]根據(jù)CTCS-4級列控系統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)文件的不同特點,提出了一種在車載設(shè)備Flash存儲器中存取電子地圖的管理方案。

2 軌道交通電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀分析

電子地圖作為描述線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的重要載體,是保障列車安全運行的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。一般意義上,鐵路電子地圖主要包括地圖索引信息文件、軌道地理信息文件、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件等。車載設(shè)備通過將電子地圖信息和自身測速定位信息結(jié)合實現(xiàn)多源融合定位,根據(jù)行車許可生成的目標(biāo)距離曲線監(jiān)控列車運行。此外,高精度的軌道交通電子地圖數(shù)據(jù)在工務(wù)養(yǎng)護、通信運營維護等方面也具有重要價值。

2.1 CBTC電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

在城市軌道交通CBTC系統(tǒng)中,列車在車輛段內(nèi)通過人工加載或WLAN(無線局域網(wǎng))無線下載的方式加載所運行線路的基礎(chǔ)信息。車載設(shè)備不但需要本地存儲運行線路全部的電子地圖數(shù)據(jù),還通常由人工逐列對電子地圖數(shù)據(jù)進行更新維護。這樣做的優(yōu)點是線路電子地圖數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠性高、支持ATO(列車自動運行)生成連續(xù)的控車曲線,缺點是電子地圖數(shù)據(jù)不易維護、不易拓展。在面對大城市群城際鐵路互聯(lián)互通項目時,隨著線路不斷拓展,電子地圖數(shù)據(jù)量越來越大,車載設(shè)備的存儲容量難以滿足存儲運行線路全部電子地圖的需求。

2.2 CTCS各級系統(tǒng)電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀

CTCS-0和CTCS-1采用大儲存的方式把所需的運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲在列車的車載設(shè)備中。LKJ(列車運行監(jiān)控記錄裝置)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用的是版本管理方式,相應(yīng)版本號的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器被導(dǎo)入LKJ設(shè)備,定期對其進行維護。這種車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理模式在技術(shù)條件有限的條件下被廣泛應(yīng)用,但近年來由于線路變更和運行圖調(diào)整導(dǎo)致LKJ 車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更改頻繁,人工換裝困難較多[5]。

CTCS-2是基于軌道電路傳輸信息的列車運行控制系統(tǒng)。CTCS-2技術(shù)規(guī)范定義了應(yīng)答器的設(shè)置規(guī)則及報文編制原則,同時規(guī)定了用于描述線路數(shù)據(jù)的用戶信息包格式。一般情況下,CTCS-2的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是通過軌旁應(yīng)答器逐段發(fā)送至車載設(shè)備,車地通信使用鐵路信號安全協(xié)議。

CTCS-3是基于無線傳輸信息并采用軌道電路檢查列車占用的列車運行控制系統(tǒng)。由RBC(無線閉塞中心)向列車發(fā)送行車許可范圍內(nèi)的靜態(tài)速度區(qū)線、坡度信息、線路描述信息、應(yīng)答器鏈接信息和臨時限速信息。隨著列車向前運行,RBC的行車許可也不斷向前延伸。RBC能夠提供最長32 km的列車運行信息和線路參數(shù)信息。

一般情況下,CTCS-3的線路數(shù)據(jù)是由RBC逐段發(fā)送至車載設(shè)備,車地通信使用GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng))無線通信網(wǎng)絡(luò)。

CTCS-N(N級CTCS)中有一個更廣泛的電子地圖概念,包括軌道電子地圖、站場數(shù)據(jù)、GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))信息等內(nèi)容。CTCS-N的電子地圖由TSRS(臨時限速服務(wù)器)校核更新。列車發(fā)車前通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)從TSRS下載或校核線路電子地圖。一般情況下,CTCS-N的電子地圖是由TSRS逐段發(fā)送至車載設(shè)備,車地通信使用GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 對比分析

多種制式信號系統(tǒng)電子地圖的信息內(nèi)容、獲取方式及傳輸媒介對比如表1所示。

表1 多種制式信號系統(tǒng)電子地圖相關(guān)信息對比

要統(tǒng)一管理不同制式信號系統(tǒng)的電子地圖需要解決以下問題:

1) 不同廠商的同制式信號系統(tǒng),因產(chǎn)品架構(gòu)不同而導(dǎo)致電子地圖數(shù)據(jù)描述方式和文件格式各不相同,無法完全統(tǒng)一。如各廠商CBTC系統(tǒng)中的電子地圖存在差異,無法直接轉(zhuǎn)換。

2) 不同制式的信號系統(tǒng)電子地圖包含信息內(nèi)容不同,無法使用同一個數(shù)據(jù)包。如:CBTC電子地圖需要包含站臺門開關(guān)順序信息,LKJ的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要包含軌道電路載頻轉(zhuǎn)換點信息,CTCS-4電子地圖需要包含GNSS的軌道地理信息。不同制式信號系統(tǒng)對電子地圖數(shù)據(jù)的精度需求也不同。

3) 不同制式信號系統(tǒng)的電子地圖獲取方式不同,無法完全統(tǒng)一。如:CBTC和LKJ都是采用車載本地存儲電子地圖,CTCS-2采用應(yīng)答器分段傳輸,CTCS-3采用RBC分段傳輸,CTCS-4采用TSRS分段傳輸。

4) 軌道交通行業(yè)發(fā)展的新需求促使信號系統(tǒng)不斷升級,對電子地圖數(shù)據(jù)的需求也會不斷增加。如FAO(全自動運行)系統(tǒng)在電子地圖中需要包含支持自動過分相功能的分項區(qū)信息。

3 適用于多制式列車直通運行的電子地圖數(shù)據(jù)管理方案

為了促進互聯(lián)互通,實現(xiàn)不同制式的軌道交通信號系統(tǒng)高效率地網(wǎng)絡(luò)化運行,本文提出一種區(qū)域中心、局管平臺、本地工作站三級架構(gòu)的區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在路網(wǎng)指揮中心以軌道地理信息為基礎(chǔ)建立區(qū)域線路數(shù)據(jù)管理中心,利用計算機、信息集成等手段,為軌道交通線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系總體規(guī)劃和高效利用提供技術(shù)保障。

3.1 數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)

區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將區(qū)域內(nèi)的多條線路的電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行集中管理,按不同的運營單位進行劃分,每個運營單位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)再按照線路或者一定的原則劃分為若干個相對獨立的數(shù)據(jù)塊,數(shù)據(jù)塊中詳細描述該線路區(qū)段的電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如圖1所示,區(qū)域內(nèi)的電子地圖管理平臺分為三層架構(gòu),在區(qū)域控制中心設(shè)置區(qū)域線路數(shù)據(jù)管理中心,在不同運營單位管理范圍內(nèi)設(shè)置局管線路數(shù)據(jù)平臺,每條線路設(shè)置本地的線路數(shù)據(jù)工作站。

圖1 區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

各線路/區(qū)段負責(zé)維護各自范圍內(nèi)的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對區(qū)域內(nèi)的電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中管理。既可以將區(qū)域內(nèi)跨局管的不同線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編譯到一個電子地圖文件中,也可以選擇只編譯本線路(或本局管的幾條線路)的數(shù)據(jù)到一個電子地圖文件中。編譯生成的線路電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在該列車所屬局管單位的局管數(shù)據(jù)平臺進行存放,每個局管的數(shù)據(jù)版本相對獨立。

區(qū)域線路數(shù)據(jù)管理中心的功能主要包括:存儲區(qū)域內(nèi)全局的線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫;完成區(qū)域內(nèi)跨局運行列車的電子地圖數(shù)據(jù)下載和校驗功能;對區(qū)域內(nèi)電子地圖有關(guān)的圖形和屬性信息進行展示、查詢、檢索,并進行一定程度的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計處理。

局管線路數(shù)據(jù)平臺的功能主要包括:收集本單位運營范圍內(nèi)的線路基礎(chǔ)信息,并發(fā)送給上級數(shù)據(jù)管理中心;完成局管范圍內(nèi)跨線運行列車的電子地圖下載和校驗功能;對局管范圍內(nèi)電子地圖有關(guān)的圖形和屬性信息進行展示、查詢、檢索及數(shù)據(jù)分析處理。

本地線路數(shù)據(jù)工作站的功能主要包括:對本線線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫進行管理,并發(fā)送給上級數(shù)據(jù)平臺校驗;下載和校驗本線列車電子地圖。

3.2 數(shù)據(jù)下載

優(yōu)先考慮在段內(nèi)、車輛基地下載或更新車載基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù),其次可以在線路上跨區(qū)域的轉(zhuǎn)換軌和折返點位置通過無線方式獲取地面設(shè)備所發(fā)送的前方線路電子地圖數(shù)據(jù),另外還可以通過車站附近的應(yīng)答器傳輸前方線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供人工換裝數(shù)據(jù)、無線更新、應(yīng)答器傳輸三種基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)下載更新方式,如圖2所示。三種基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)下載更新方式可以根據(jù)實際需求進行選擇。

圖2 三種基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)下載更新方式示意圖

3.2.1 人工下載

當(dāng)列車需要采用人工換裝車載電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時,需要人工向上級電子地圖管理平臺提出申請,根據(jù)上級電子地圖管理平臺統(tǒng)一制定的換裝計劃更新列車電子地圖數(shù)據(jù),如圖3所示。被請求的上級管理平臺記錄詳細的換裝計劃信息,包括:人工換裝時間、地點和操作人員,換裝的機車,換裝前車載電子地圖軟件版本信息,換裝后電子地圖軟件版本信息,等等。

圖3 人工加載線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)流程示意圖

3.2.2 無線傳輸

當(dāng)列車需要通過無線方式更新電子地圖時,車載設(shè)備向地面相應(yīng)級別的線路數(shù)據(jù)管理設(shè)備進行入網(wǎng)注冊,然后進行車地?zé)o線傳輸連接。注冊和鏈接完成后,列車向相應(yīng)的線路數(shù)據(jù)管理設(shè)備請求更新數(shù)據(jù),如圖4所示。只在本線運行的列車與本線的線路數(shù)據(jù)工作站(或者區(qū)段數(shù)據(jù)工作站)連接;需要跨線運行的列車與局管線路數(shù)據(jù)平臺連接;需要跨運營單位運行的列車與局管線路數(shù)據(jù)平臺連接,由局管平臺再向區(qū)域中心請求數(shù)據(jù)。

圖4 無線加載線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)流程示意圖

3.2.3 應(yīng)答器傳輸

當(dāng)列車需要通過應(yīng)答器傳輸線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時,列車按計劃通過車載應(yīng)答器傳輸模塊與地面的應(yīng)答器通信,接收地面應(yīng)答器提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,車載保存更新數(shù)據(jù)的相關(guān)記錄,如圖5所示。線路列車控制中心統(tǒng)一管理本線的應(yīng)答器。

圖5 應(yīng)答器加載線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)流程示意圖

3.3 系統(tǒng)平臺功能

區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)支持C/S(客戶端/服務(wù)端)結(jié)構(gòu),能夠?qū)⑾嚓P(guān)任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)端。系統(tǒng)平臺能夠支持分布式數(shù)據(jù)管理,保障數(shù)據(jù)存取的一致性和完備性,能夠提供有效的數(shù)據(jù)存儲、訪問、管理功能。同時,系統(tǒng)平臺還能提供易操作的數(shù)據(jù)編輯工具及與其他顯示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換工具,能夠生成符合標(biāo)準(zhǔn)的軌道交通線網(wǎng)地圖。

4 結(jié)語

在區(qū)域軌道交通一體化建設(shè)的過程中,為了盡可能減少不同制式的列車共線運行、跨線運行時車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)換裝的復(fù)雜度及工作量,提高獲取線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的自動化水平,需要對線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。本文基于區(qū)域內(nèi)多制式線路電子地圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的實際需求,調(diào)研了CBTC和CTCS系統(tǒng)的電子地圖應(yīng)用現(xiàn)狀,對比分析了不同制式信號系統(tǒng)電子地圖信息內(nèi)容、管理方式、獲取方式的差異,提出了一種基于區(qū)域中心、局管平臺、本地工作站三級架構(gòu)的區(qū)域軌道交通線路數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),并詳細介紹了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)下載方式和平臺軟件特征。旨在更好地服務(wù)于區(qū)域軌道交通數(shù)據(jù)綜合、資源共享、管控一體的發(fā)展,保障區(qū)域軌道交通一體化聯(lián)動指揮,形成多層次的綜合交通體系,助力大城市群區(qū)域軌道交通一體化高質(zhì)量發(fā)展。