国铁与城轨信号系统的跨线互联方案研究

国铁与城轨信号系统的跨线互联方案研究

1国铁与城铁间跨线运行方式的互联互通近年来，我国铁路和城轨管网不断建设，对城市和城市之间的混合运营需求突出。目前，该地区长距离铁路、郊区铁路、支线或资源开发性铁路已整合并运营，这是连接城市和大型交通系统的趋势。有必要对国铁和城铁交互运输中除换乘方式外的跨线运行方式进行相关分析与探讨。国铁信号系统采用CTCS系列标准列控系统，并以此为基础实现高、低等级间的兼容，进而实现全国范围内列车的跨线运行和互联互通。城轨信号系统目前多采用CBTC系统，并以此为基础拟实现系统产品的互联互通本文以国铁CTCS和城轨CBTC互联互通标准系列的信号系统为研究对象，对两者差异进行分析研究，并进行互通性探讨。2信号系统的控制理念国铁CTCS和城轨CBTC互联互通标准系列的信号系统都遵循故障-安全原则，采用的控制理念与原理趋同，但在具体的功能需求、系统架构和实现方式方面存在一定的差异。2.1系统需求差异国铁和城轨信号系统均为保证列车安全、高效运行的控制系统，但根据服务对象和服务目的不同，两者在系统需求方面存在一定差异，如表1所示。从表1可以看出，除了一般的线别运行规则、车型和牵引方式区别外，国铁与城轨适用的站线条件和运营范围、面对的运输组织方式不尽相同，为此引发的信号系统需要重点关注的问题、追踪间隔和ATO功能需求也不尽相同。2.2城轨信号系统与国铁、城轨信号系统的比较国铁和城轨两信号系统的结构和组成差异对比如表2所示。从表2可以看出，国铁和城轨信号系统的主要子系统构成相似，但在各子系统适用的制式、设备组成、自动化等级方面存在差异，其中城轨信号系统将ATO系统功能更深层的集成进了信号系统。2.3城轨车地信号系统的控车特性对国铁和城轨信号系统的各系统功能实现方式进行进一步的对比发现，两者系统功能分配、逻辑处理等方面也存在差异，主要表现在:第一，国铁和城轨信号系统车载ATP指示内容和显示方式类似，主要包括速度、计划、监控类信息，在两者都以较高等级列控制式、均以车载ATP指示行车时其对司机的指导差异不大;但在较低等级列控制式、需按地面显示指示列车运行时，两者在地面信号显示方式、自动闭塞概念方面存在较大差异。第二，国铁信号系统由于机车/动车组交路范围广泛，线路全部数据均由地面存储，地面向车载发送包括目标距离、目标速度的移动授权MA，由车载ATP计算出控车曲线;城轨列车由于运行范围不大，车载设备保存有其走线范围内的地面线路静态数据，地面向车载发送移动授权时给出其线路路径方向、目标点位置等动态数据，由车载设备根据定位、静态、动态信息，计算出控车曲线。由于线路数据存储及MA获取方法不同，国铁和城轨车地信息通信内容、数据量、数据格式也不相同，目前两者遵循的规范和报文格式并不相同。第三，国铁信号系统将安全防护距离设在信号机外方、城轨信号系统将安全防护距离设在信号机内方，这导致系统对安全防护距离的防护措施不同，地铁CI系统需额外对安全防护距离所在区段进行相应的锁闭/解锁防护。第四，城轨信号系统将ATO的功能集成入信号系统，而国铁信号系统将ATO作为相对独立单元、可选配置。城轨ATO使用的控车信息、车地信息通道保持统一;国铁信号ATO目前使用的控车信息来源于ATP信息来源不同，使用的车地信息通道也不同，增加了系统的软硬件开销和复杂度。此外，城轨对折返、关门/站台门等的自动化水平要求更高，城轨信号系统对该方面的适应性功能更多。第五，城轨信号联锁、列控系统设备集成度更高，例如城轨系统中ZC设备功能涵盖了国铁系统中TCC/RBC/TSRS的全部或部分功能、CI单独承担了全部包括除信号基础设备外的站台门、紧急停车按钮等外部系统的相关接口等。由于城轨信号系统设备集成度更高，使得该信号系统内部接口环节和流程简化。第六，国铁信号系统间的通信通道，包括无线通道，由通信专业根据子系统分类需求统一规划和设置;城轨信号系统间的通信通道多由信号专业自行建网设置，子系统设备均统筹利用信号网络中划分的子网，车地间通信接口更加灵活，一体化程度更高。从无线通信看，城轨信号系统采用的技术与最无线新通信技术结合更紧密，已申请到LTE专用频段，并在实际工程中成功应用。3信号系统互通性如果组织与国铁、城轨线路的跨线列车运行，除需考虑车体运用与维护、土建限界与荷载、运营规则和运输组织方面的互通性外，信号系统互通性也是一个需要重点研究的问题。3.1互通性方案对比就上述分析的国铁和城轨信号系统而言，互通性方案主要考虑车载兼容、地面兼容和设备层面的互联互通这几种方式，各种方式的具体内容和优缺点分析如表3所示。3.2统一cbtc的信号显示方式从实现互通性的短期目标看，采用车载兼容方式较为可行;更进一步分析还可发现，统一地面信号显示制式并不影响两者信号系统列控的原理和核心，考虑到国铁地面显示源于地面信号行车的实际经验、更赋予了制动距离、直/侧股的概念，建议按国铁地面显示统一CBTC的信号显示方式，保证在跨线运输降级运营方式下地面信号显示的一致。地面兼容方式和设备层面的互联互通方式均需对CTCS和CBTC信号各子系统功能划分与界面界定进行重新梳理和定义，而地面兼容方式因其设备配置重复性及功能划分的不完善性，建议将远期互通目标落在设备层面的互联互通方式，这与欧洲是与2013年启动的NGTCS项目(下一代列车控制系统)目标也趋于一致从表3中可以看到，由于设备层面互连互通方案中CBTC仅可选择性的和CTCS系列标准的某个等级实现互通(从下文分析，将考虑选择CTCS-3/4等级列控系统进行互连)，因此在列控等级不匹配的条件下，采用车载兼容、信号显示趋同化仍是国铁和城轨信号系统互通的应用方式。3.3车地信号系统的车地互通从技术发展方向角度看，系统间功能和技术融合有利于国铁和城轨系统各自的进步，为国铁和城轨间的互联互通创造条件，可实现设备互换以提升各类资源利用效率，能适应未来铁路区域间和区域内跨区整合运营的要求。从国铁和城轨系统实现方式差异分析可以发现，如果实现设备层面国铁和城轨系统的互联互通，较为可行的方式是选择两类系统中差异相对较小的、基于无线通信的方式进行车地通信的CTCS-3/4和CBTC进行互连，近期排除非技术因素可首选基于LTE的通信方式;列车定位技术可采用卫星定位方式。国铁信号系统的列控设备集成度可进一步加强，以减少信号系统内部子系统设备间的接口、简化系统内部结合关系;城轨系统采用和国铁系统类似的地面地图信息存储方式以，以适应机车交路范围更广的要求，城轨系统相关报文格式与CTCS报文格式相统一。国铁信号系统的通信网络可比照城轨信号系统统一通信网络设计，车载设备与列车的接口可统一到继电+MVB总线方式。国铁系统采用与城轨系统相同的ATP/ATO车地信息一体化处理方式，避免地面系统数据重复配置和数据通道的多重设置。考虑到车站配线复杂后设置延续方向的保护区段会影响车站追踪间隔，在安全防护距离并不甚增加站前土石方工程量的前提下，建议将安全防护距离设置在信号机外方的方式，以减少联锁区间跨区逻辑处理的复杂性。根据上述设想，CTCS-3/4和CBTC系统如果往设备层面的互联互通系统改进，涉及的主要改造工作内容及与原各自系统互通性情况分析如表4所示，其中可以看出，互通后的产品存在车载设备需兼容原各自系统地面设备的要求。4车辆兼容、信号显示趋同化的远期互通方案本文在对比分析国铁