论文|市域铁路CTCS-2与CBTC列控系统切换方案
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全宏宇，中铁第四勘察设计院集团有限公司
张敏慧，中铁第四勘察设计院集团有限公司
摘要:针对市域铁路 CTCS-2 和 CBTC 列控系统跨制式互联互通运营需求，在现有列控系统的基础上，分析 CTCS-2和 CBTC 列控系统的特点及列控系统切换场景，研究列控系统切换的系统接口切换流程以及功能要求，探讨 CTCS-2 和CBTC 列控系统切换应用方案，以满足市域铁路互联互通和资源共享的运营要求。研究结果对市域铁路列控系统技术标准发展和相关列控系统设备的开发具有参考意义。
关键词：市域铁路;CTCS-2; CBTC ;系统切换
市域铁路介于城际铁路和城市轨道交通之间，具有高密度、小编组、公交化的特点，最高运行速度为 100~160 km/h，最小行车间隔为4 min。随着中国城镇化进程加快，目前市域铁路正在快速发展，成为城市综合交通系统的重要组成部分。根据《市域铁路设计规范》，市域铁路列控系统应与其线路特点和运营需求相匹配，可采用中国列车控制系统 (Chinese Train ControlSystem，CTCS) 制式，也可以采用城市轨道交通列车自动控制 (Automatic Train Control，ATC)制式。对于 CTCS 制式，开行动车组和有列车自动驾驶 (Automatic Train Operation，ATO)功能需求的市域铁路一般采用 CTCS-2 列控系统，ATC制式主要以基于通信的列车自动控制系统(Communication Based Train Control SystemCBTC) 为主。
但是 CTCS-2 和 CBTC 列控系统为两种不同的制式，为满足轨道交通多网融合和一体化运营，需研究两种制式列控系统切换。目前国内已针对干线铁路和城市轨道交通列控系统切换开展了相关研究，席武夷研究国铁 CTCS 与城轨 CBTC 列控系统的多网融合方案，提出了地面兼容、车载兼容两种方案及对策，面向多网融合运营需求，蔡昌俊等提出 CTCS-2 和 CBTC 列控系统双套车载控制模式切换方案，英国伦敦 Crossrail 实现了 ETCS-2 和CBTC 列控系统切换，并于 2022 年投入运营。但是以上研究并未对 CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换相关的系统接口、切换流程，以及设备布置应用方案进行研究。
目前，CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换尚无相关标准规范和应用案例，跨信号系统制式互联互通将成为制约市域铁路网络化发展的关键问题。本文从市域铁路列控系统互联互通出发，对 CTCS-2 和CBTC 列控系统的特点及差异性进行分析，研究并提出列控系统切换的系统接口、切换流程，进一步探讨 CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换设备布置应用方案，以满足市域铁路互联互通和资源共享的运营要求。
1、CTCS-2与CBTC列控系统切换场景
1.1 CTCS-2与CBTC列控系统
CTCS-2 级列控系统是基于轨道电路和应答器传输行车许可信息，采用目标-距离模式曲线监控列车安全运行的列车运行控制系统。CBTC 列控系统是基于通信的列控系统，并集成联锁、自动监控和自动进路控制、自动驾驶子系统，可实现移动闭塞和无人驾驶。
CTCS-2 列控系统与 CBTC 列控系统的对比如表1所示。可以看出，CTCS-2 列控系统具有更高的运行速度；而 CBTC 列控系统最小运营间隔较小，自动化程度更高。同时，CTCS-2与 CBTC 列控系统存在较大差异，CTCS-2 列控系统采用轨道电路和应答器进行地-车通信，而 CBTC 列控系统采用无线通信方式，且线路数据存储于车载。
1.2 CTCS-2与CBTC列控系统切换场景
市域铁路可采用 CTCS-2 列控系统，也可以采用 CBTC 列控系统，当不同列控制式的线路跨线运营时，则存在列控系统切换场景，如图1 所示。CTCS-2 和 CBTC 线路各自装备相应的列控系统地面设备，跨线运行列车装备 CTCS-2 和 CBTC 两套车载。在 CTCS-2 线路以 CTCS-2 车载控制列车运行，在 CBTC 线路以 CBTC 车载控制列车运行，在边界处进行 CTCS-2与 CBTC 列控系统切换。
2、CTCS-2与CBTC列控系统切换方案
当列车装备 CTCS-2和 CBTC 两套车载，为实现跨制式运行时列控系统自动切换，需在现有CTCS-2 和 CBTC 列控系统架构基础上，研究列控系统切换方案，先对列控系统切换接口进行分析,进而再提出系统切换的功能要求。
2.1 系统切换接
根据 CTCS-2 和 CBTC 列控系统组成，CTCS-2和 CBTC 列控系统切换接口如图 2 所示。
两种系统切换存在以下接口。
1) 接口 A: CTCS-2 的车载与 CBTC 的车载接口，进行列车控制权移交信息交互。
2) 接口 B: CTCS-2 的调度集中中心与 CBTC的 ATS 中心接口，进行列车运行计划、列车进路设置和状态等信息交互。
3) 接口 C: CTCS-2 的临时限速服务器与CBTC 的区域控制器接口，进行临时限速信息交互。
4) 接口 D: CTCS-2 的列控中心与 CBTC 的联锁接口，进行进路联锁控制数据信息交互。
5) 接口 E: CTCS-2 的联锁与 CBTC 的联锁接口，进行信号机、轨道区段、道岔以及进路状态信息交互。
接口A可通过安全继电器或总线进行接口，接口 B 和接口 C 可通过冗余的专用通信通道实现接口，接口 D 和接口 E 可通过采集安全继电器信息或构建冗余的安全数据网进行通信。
2.2 CTCS-2与CBTC切换流程及功能要求
1) CTCS-2 至 CBTC 切换
CTCS-2 至 CBIC 切换流程如图3 所示，包括
a.CICS-2 车载控制列车运行;
b.CTCS-2 车载收到切换预告应答器组信息向 CBTC 车载发送命令并激活 CBTC 车载，司机对切换预告进行确认;
c.CBTC 车载激活后，与地面区域控制器建立无线通信连接:
d.CBTC 车载经过位置报告应答器组时，通过无线通信向地面区域控制器报告位置后，收到区域控制器发送的行车许可，并准备控制列车;
e.CTCS-2 车载收到切换执行应答器组的信息时，经司机确认切换后，CBTC 车载接管并控制列车运行，CTCS-2 车载进入待激活状态(不处理轨道电路及应答器信息)。
2) CBTC至 CTCS-2 切换
CBIC至 CICS-2 切换流程如图4 所示，包括：
a.CBTC 车载控制列车运行;
b.CBTC 车载收到切换预告应答器组信息，向CTCS-2 车载发送命令并激活 CTCS-2 车载，司机对切换预告进行确认;
c.CTCS-2 车载激活后，收到轨道电路提供的行车许可和地面应答器组提供的线路数据、临时限速信息，并准备控制列车;
d.CBTC 车载收到切换执行应答器组的信息时，经司机确认切换后，CTCS-2 车载接管并控制列车运行，CBTC车载向地面区域控制器注销和街开连接，并进入待激活状态(不再处理无线及应答器信息)。
3) 功能要求
CTCS-2和 CBTC 列控系统切换应实现不停车切换，切换过程应向司机提供信息提示并由司机进行确认;若未切换成功，原列控系统应继续控制列车在切换区内安全停车，停车后由人工进行切换。
切换目标列挖系统应提前获取必备的行车许口和线路数据，并准备控制列车。CTCS-2 与 CBTC系统切换时调庭权应同步切换。实现列车调庭的切换、显示及管理。
列挖系统切换预告点至执行点的距离应至少考虑目标列控系统车载激活反应时间内走行的距离加上司机确认时间内走行的距离和目标列控车载准备行车许可所需时间内列车走行的距离；执行点后方的附加距离应至少考虑司机确认切换时间内走行的距离和原列控系统车截团换点后常用制动停车距离当，当切换不成功时确保原列控车载控制列车安全停车。
3、CTCS-2与CBTC列控系统切换应用
为实现 CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换的应用，下面进一步对列控系统切换的车载设备、地面设备设置进行探讨。
3.1 车载设备设置
跨线运行列车同时装置 CTCS-2和 CBTC 列控系统车载设备，二者之间增加接口进行切换信息交互。初始状态下以其中一个列控系统为激活状态并由其通知和设置另一列控系统为待激活状态，同时可由司机人工进行选择。为减少对现有设备的修改，建议 CTCS-2和 CBTC 车载各自独立设置应答器接收模块、测速测距模块、人机接口等外围设备。
3.2 地面设备设置
切换区地面设备设世需满足 CTCS-2 和 CBTC列控系统切换所需的轨旁设备及通信网络，包含轨道占用检查设备、应答器以及通信网络的设置。
1) 地面设备设置原则
a.轨道占用检查设备
CTCS-2 列控系统采用 ZPW-2000 轨道电路进行轨道占用检查并提供传输行车许可，CBTC 列控系统一般采用计轴作为轨道占用检查设备，在切换区需考虑轨道电路和计轴设备的香加设置。CTCS-2 切换至 CBTC 列控系统后，将采用无线通信传输控车信息，但若切换不成功，将由CTCS-2 列控系统继续控制列车停车，因此建议切换点后方在计轴设备基础上叠加设置轨道电路，为CTCS-2 列控系统提供行车许可。CBTC至 CTCS-2 列控切换时，由于 CTCS-2列控系统由轨道电路提供行车许可，因此 CBTC 至CTCS-2 列控系统切换点前方的区段需在计轴设备基础上叠加设置 ZPW-2000 轨道电路设备。
b.应答器
CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换在预告点和执行点由应答器向车载设备提供切换预告和执行信息。另外，CBTC 至 CTCS-2 列控系统切换需在切换前设置应答器向 CTCS-2 车载提供线路数据、临时限速等信息。
c.通信网络
CTCS-2 至 CBTC 切换， CBTC 的无线通信应延伸覆盖至预告点，使 CBTC 车载建立无线连接；CBTC 至 CTCS-2 切换，CBTC 的无线通信再覆盖至执行点一段距离，满足 CBTC 车载向地面区域控制器注销和断开连接。
同时，在 CTCS-2 与 CBTC 列控系统边界需按“2.1系统切换接口”要求增加通信通道，进行联锁、列车运行控制以及列车调度指挥的信息交互。
2) 切换区地面设备布置方案
一种 CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换区地面设备布置方案示意如图 5 所示。可在对各自原有的地面设备影响较小的前提下实现 CTCS-2和 CBTC 列控系统不停车切换。
a.CTCS-2至 CBTC 切换，CTCS-2 区域设置ZPW-2000轨道电路；CBTC 区域设置计轴设备，并在执行点后方 CTCS-2 列控系统常用制动距离区城内叠加设置 ZPW-2000轨道电路；CTCS-2 区城增加设置切换预告、位置报告和切换执行废答器(可与 CTCS-2 应答器组共用)；CBTC 无线网络覆盖至切换预告应答器组。
b.CBTC 至 CTCS-2 切换如图 5(b) 所示。CBTC 区城设置计轴设备，并在切换预告至切换执行区域叠加设置ZPW-2000轨道电路，CTCS-2区域设置 ZPW-2000 轨道电路；CBTC 区城增加设置切换预告、线路数据及临时限速、切换执行应答器；线路数据及临时限速应答器按冗余布置，并纳入CTCS-2 列控系统控制。CBTC 无线网络覆盖至切换执行后一段距离，以满足 CBTC 车载向地面区域控制器注销和断开连接。
当系统切换地点设于车站站内时，其地面设备设置原则与上述设备配置相同，但行车许可需考虑到站内可变的进路控制信息，条件相对复杂。若是CTCS-2+ATO 列控系统与 CBTC 列控系统切换，则CBTC至 CTCS-2+ATO 列控系统切换前，还需设置ATO 呼叫应答器并提供自动运行计划等信息。另外，切换区地面设备布置需考虑调度管辖范围，并配套实现调度权的有序切换。
4、结论
随着市域铁路快速建设，市域铁路逐渐网络化，CTCS-2和 CBTC 列控系统互联互通是必然的要求。本文提出的 CTCS-2 和 CBTC 列控系统切换方案，维持现有 CTCS-2和 CBTC 列控系统架构基础，减少对既有系统的修改，实现列车装备两套车载的情况下列控系统自动切换，以促进市域铁路互联互通和资源共享。研究结果对于 CTCS-2和 CBTC 列控系统切换技术标准化，以及设备研发、工程设计和实施应用具有指导意义和实用价值。
来源：RT轨道交通
