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淺談基于GSM-R的城際鐵路列控系統(tǒng)研究論文
城際鐵路作為我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展紐帶的作用日益突顯，基于GSM-R的C2+ATO列控系統(tǒng)的研究及工程化工作已經(jīng)得到了國內(nèi)信號企業(yè)的積極響應(yīng)，預(yù)計(jì)2015年將投入商業(yè)運(yùn)營。C3作為世界最先進(jìn)的干線鐵路列控系統(tǒng)，無論從行業(yè)需求還是技術(shù)演進(jìn)方向看，在未來的運(yùn)營中增加列車自動(dòng)駕駛(ATO)功能是必然趨勢。結(jié)合C3列控系統(tǒng)現(xiàn)狀，對C3列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加ATO功能的系統(tǒng)方案進(jìn)行研究。
1 GSM-R的電路交換數(shù)據(jù)模式
C3列控系統(tǒng)所應(yīng)用的GSM-R數(shù)據(jù)傳輸形式主要為電路交換數(shù)據(jù)模式。作為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互形式，該模式在所有傳輸形式中傳輸最穩(wěn)定，傳輸質(zhì)量最高，安全數(shù)據(jù)(如車-地雙向數(shù)據(jù))傳輸需要全程占用該信道。該模式的連接建立時(shí)間為5~10 s(平均6 s左右)。建立完成后永久在線，每條鏈路數(shù)據(jù)獨(dú)占一個(gè)時(shí)隙。數(shù)據(jù)傳輸速率一般為2 400~9 600 b/s，信息傳輸實(shí)時(shí)性很高。該 信道一般傳輸列車正常運(yùn)行所需安全信息，如列控信息、調(diào)車監(jiān)控、列車同步操控等。利用該模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄�(gè)過程大致分為建立線路連接、保持連接并傳輸數(shù)據(jù)、釋放連接3個(gè)階段。(1)建立線路連接：列車信號系統(tǒng)自動(dòng)建立線路連接并發(fā)送列車注冊命令。(2)保持連接并傳輸數(shù)據(jù)：根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容選擇對應(yīng)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，端口號所對應(yīng)的無線系統(tǒng)就能夠接受到上述數(shù)據(jù)。(3)釋放連接：車載設(shè)備通過無線通信系統(tǒng)發(fā)出釋放連接請求，當(dāng)請求被允許后，釋放連接。這種數(shù)據(jù)連接、傳輸機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確、無隙的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可用于安全信息傳輸。
2 基于GSM-R的C3+ATO系統(tǒng)
根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路數(shù)據(jù)交換模式的特性，可考慮在城際鐵路列控系統(tǒng)中利用該數(shù)據(jù)交換模式實(shí)現(xiàn)在C3列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展ATO功能，即C3+ATO系統(tǒng)。該系統(tǒng)沿用C3列控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，用無線閉塞中心(RBC)作為地面列 車超速防護(hù)系統(tǒng)(ATP)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與車載實(shí)時(shí)信息交互。在RBC中增加ATO行車計(jì)劃的生成、發(fā)送及實(shí)時(shí)更新功能，在聯(lián)鎖系統(tǒng)中擴(kuò)展站臺屏蔽門/安全門(PSD)控制功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式
C 3+ATO系統(tǒng)相對于C3系統(tǒng)而言增加了ATO功能，包括列車自動(dòng)調(diào)整、定點(diǎn)停車以及列車車門與屏蔽門的聯(lián)動(dòng)。這些功能主要利用地面RBC設(shè)備與聯(lián)鎖，以及車載設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，其主要實(shí)現(xiàn)方式見圖3，具體流程為：
(1)CTC調(diào)度中心將擬定的ATO控制命令發(fā)送到相應(yīng)的RBC，RBC根據(jù)進(jìn)路信息、列車位置信息生成以車次號為標(biāo)識的行車計(jì)劃，并將該計(jì)劃發(fā)送到RBC管轄范圍內(nèi)相應(yīng)的列車。當(dāng)運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整時(shí)，RBC實(shí)時(shí)將最新的計(jì)劃發(fā)送給車載設(shè)備。
(2)車載ATO設(shè)備根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃請求司機(jī)進(jìn)行ATO自動(dòng)駕駛模式，在得到司機(jī)確認(rèn)后駕駛列車運(yùn)行。
(3)當(dāng)列車接近車站運(yùn)營停車點(diǎn)時(shí)，根據(jù)安置在站內(nèi)股道的精確定位應(yīng)答器位置信息調(diào)整減速策略，控制列車在運(yùn)營停車點(diǎn)停車。
(4)當(dāng)車載ATP設(shè)備確認(rèn)列車停穩(wěn)、停準(zhǔn)后，將ATO設(shè)備(或者司機(jī))發(fā)出的屏蔽門/安全門的開/關(guān)門指令、當(dāng)前股道ID、列車型號等信息發(fā)送給RBC，RBC根據(jù)該信息判斷應(yīng)控制的地面屏蔽門/安全門編號，并將控制命令發(fā)送給聯(lián)鎖設(shè)備，聯(lián)鎖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器，打開、關(guān)閉屏蔽門/安全門。并將屏蔽門/安全門狀態(tài)信息反饋給RBC和車載設(shè)備。
(5)當(dāng)停站時(shí)間到，車載設(shè)備向RBC發(fā)出關(guān)閉屏蔽門命令，RBC將該命令發(fā)送到相應(yīng)的聯(lián)鎖，聯(lián)鎖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器關(guān)閉屏蔽門。
(6)聯(lián)鎖采集屏蔽門的狀態(tài)，當(dāng)屏蔽門為非關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖禁止相應(yīng)的發(fā)車進(jìn)路。
2.2 C3+ATO系統(tǒng)中各設(shè)備新增功能
2.2.1 CTC調(diào)度集中
CTC調(diào)度集中負(fù)責(zé)的功能主要包括：
(1)擬制ATO行車計(jì)劃發(fā)送到相應(yīng)的RBC設(shè)備;
(2)自動(dòng)排列發(fā)車進(jìn)路(見圖4)。甲站為發(fā)車站，乙站為停車站，CTC擬制的運(yùn)行計(jì)劃應(yīng)包含：列車發(fā)車站(甲站)ID、列車接車站(乙站)ID、列車從甲站出發(fā)時(shí)刻、列車到達(dá)乙站時(shí)刻、列車在乙站停靠股道編號、列車到達(dá)乙站后開左/右門等信息。
2.2.2 RBC無線閉塞中心
RBC負(fù)責(zé)將來自CTC的運(yùn)行計(jì)劃轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的列車 ，RBC向列車發(fā)送時(shí)機(jī)應(yīng)包含 ：
(1)發(fā)車進(jìn)路開放或收到列車站內(nèi)停準(zhǔn)、停穩(wěn)。(2)收到車載設(shè)備發(fā)送的位置報(bào)告，需參考的最近相關(guān)應(yīng)答器(LRBG)發(fā)生變化時(shí)，RBC應(yīng)依LRBG應(yīng)答器為參考點(diǎn)，發(fā)送列車當(dāng)前位置距離運(yùn)營停車點(diǎn)的距離及到站時(shí)間(見圖6)。(3)當(dāng)列車進(jìn)行RBC切換時(shí)，向接收RBC發(fā)送了位置報(bào)告后，接收RBC應(yīng)在獲得對應(yīng)車次的運(yùn)行計(jì)劃后，發(fā)送給列車。
3 技術(shù)優(yōu)勢
本方案在既有C3列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展自動(dòng)駕駛功能，充分考慮現(xiàn)有系統(tǒng)特點(diǎn)，具有以下優(yōu)勢：
(1)利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)ATO運(yùn)營計(jì)劃實(shí)時(shí)更新，從而保證了自動(dòng)駕駛的靈活性及準(zhǔn)確性。
(2)最大限度地繼承既有C3列控系統(tǒng)的體系和架構(gòu)，不增加新的設(shè)備，對RBC設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備的功能修改較少，只需在既有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件升級即可實(shí)現(xiàn)。具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低、系統(tǒng)改動(dòng)小、工程造價(jià)變化小等優(yōu)點(diǎn)，適用于我國發(fā)展城際ATO鐵路。
(3)系統(tǒng)方案與城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)的方案相近，具有一定的成熟性。能夠適應(yīng)大客流、低發(fā)車間隔的運(yùn)營需求。
C3列控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)體系，它實(shí)現(xiàn)了全國范圍內(nèi)不同線路、不同動(dòng)車組之間的互聯(lián)互通，同時(shí)兼容C2等級。在該體系中擴(kuò)展自動(dòng)駕駛功能要涉及成百上千的技術(shù)細(xì)節(jié)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。除上述內(nèi)容外，在技術(shù)方案研究與推進(jìn)過程中，還應(yīng)重視以下問題：
(1)實(shí)現(xiàn)具備ATO功能的C3系統(tǒng)與當(dāng)前C3系統(tǒng)的兼容性。
(2)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降級(C3降級到C2)情況下的自動(dòng)駕駛功能。
(3)實(shí)現(xiàn)列控系統(tǒng)對車輛PIS系統(tǒng)、地面CTC系統(tǒng)的信息共享功能，便于乘客、運(yùn)營管理人員及時(shí)了解列車位置、狀態(tài)等運(yùn)營相關(guān)信息。
4 展望
ATO系統(tǒng)是列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中一個(gè)重要子系統(tǒng)。相對于人工駕駛，在提高乘客舒適度、運(yùn)營準(zhǔn)點(diǎn)率、節(jié)約能源方面具有較大優(yōu)勢，是軌道交通進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的可靠技術(shù)保障。城際/市域高速鐵路建設(shè)將成為我國高鐵建設(shè)的下一個(gè)主要任務(wù)，政府投資力度將會持續(xù)加大。城際高速鐵路存在客流量大、發(fā)車間隔小等公交化特點(diǎn)，既有列控系統(tǒng)在保證乘/候車旅客安全的前提下提高運(yùn)營效率的空間相對有限。發(fā)展具備ATO功能的城際鐵路列控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在保證運(yùn)營安全的前提下提高運(yùn)營能力，是城際鐵路列控系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此，盡早開展該領(lǐng)域相關(guān)的研究工作，并制定一套具備良好兼容性的，從工程和技術(shù)角度易實(shí)現(xiàn)的，符合我國高速鐵路發(fā)展水平的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對于我國當(dāng)前在建城際鐵路工程以及整個(gè)高速鐵路行業(yè)長期有序發(fā)展具有重要意義。
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