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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，預計2015年將投入商業(yè)運營。C3作為世界最先進的干線鐵路列控系統(tǒng)，無論從行業(yè)需求還是技術(shù)演進方向看，在未來的運營中增加列車自動駕駛(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)獨占一個時隙。數(shù)據(jù)傳輸速率一般為2 400~9 600 b/s，信息傳輸實時性很高。該 信道一般傳輸列車正常運行所需安全信息，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�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個階段。(1)建立線路連接：列車信號系統(tǒng)自動建立線路連接并發(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)容選擇對應端口進行數(shù)據(jù)傳輸，端口號所對應的無線系統(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，當請求被允許后，釋放連接。這種數(shù)據(jù)連接、傳輸機制的優(yōu)點是能夠準確、無隙的進行數(shù)據(jù)傳輸，實時性強，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)交換模式實現(xiàn)在C3列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上的擴展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 車超速防護系統(tǒng)(ATP)設(shè)備，實現(xiàn)與車載實時信息交互。在RBC中增加ATO行車計劃的生成、發(fā)送及實時更新功能，在聯(lián)鎖系統(tǒng)中擴展站臺屏蔽門/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，包括列車自動調(diào)整、定點停車以及列車車門與屏蔽門的聯(lián)動。這些功能主要利用地面RBC設(shè)備與聯(lián)鎖，以及車載設(shè)備來實現(xiàn)，其主要實現(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)送到相應的RBC，RBC根據(jù)進路信息、列車位置信息生成以車次號為標識的行車計劃，并將該計劃發(fā)送到RBC管轄范圍內(nèi)相應的列車。當運行計劃調(diào)整時，RBC實時將最新的計劃發(fā)送給車載設(shè)備。
(2)車載ATO設(shè)備根據(jù)運行計劃請求司機進行ATO自動駕駛模式，在得到司機確認后駕駛列車運行。
(3)當列車接近車站運營停車點時，根據(jù)安置在站內(nèi)股道的精確定位應答器位置信息調(diào)整減速策略，控制列車在運營停車點停車。
(4)當車載ATP設(shè)備確認列車停穩(wěn)、停準后，將ATO設(shè)備(或者司機)發(fā)出的屏蔽門/安全門的開/關(guān)門指令、當前股道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)動相應的繼電器，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)當停站時間到，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)送到相應的聯(lián)鎖，聯(lián)鎖驅(qū)動相應的繼電器關(guān)閉屏蔽門。
(6)聯(lián)鎖采集屏蔽門的狀態(tài)，當屏蔽門為非關(guān)閉狀態(tài)時，聯(lián)鎖禁止相應的發(fā)車進路。
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)度集中負責的功能主要包括：
(1)擬制ATO行車計劃發(fā)送到相應的RBC設(shè)備;
(2)自動排列發(fā)車進路(見圖4)。甲站為發(fā)車站，乙站為停車站，CTC擬制的運行計劃應包含：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)時刻、列車到達乙站時刻、列車在乙站�？抗傻谰幪枴⒘熊嚨竭_乙站后開左/右門等信息。
2.2.2 RBC無線閉塞中心
RBC負責將來自CTC的運行計劃轉(zhuǎn)發(fā)給對應的列車 ，RBC向列車發(fā)送時機應包含 ：
(1)發(fā)車進路開放或收到列車站內(nèi)停準、停穩(wěn)。(2)收到車載設(shè)備發(fā)送的位置報告，需參考的最近相關(guān)應答器(LRBG)發(fā)生變化時，RBC應依LRBG應答器為參考點，發(fā)送列車當前位置距離運營停車點的距離及到站時間(見圖6)。(3)當列車進行RBC切換時，向接收RBC發(fā)送了位置報告后，接收RBC應在獲得對應車次的運行計劃后，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)上擴展自動駕駛功能，充分考慮現(xiàn)有系統(tǒng)特點，具有以下優(yōu)勢：
(1)利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進行信息實時交互，實現(xiàn)ATO運營計劃實時更新，從而保證了自動駕駛的靈活性及準確性。
(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)上進行軟件升級即可實現(xiàn)。具有技術(shù)實現(xiàn)難度低、系統(tǒng)改動小、工程造價變化小等優(yōu)點，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。能夠適應大客流、低發(fā)車間隔的運營需求。
C3列控系統(tǒng)是一個復雜的技術(shù)體系，它實現(xiàn)了全國范圍內(nèi)不同線路、不同動車組之間的互聯(lián)互通，同時兼容C2等級。在該體系中擴展自動駕駛功能要涉及成百上千的技術(shù)細節(jié)及技術(shù)標準的研究和制定。除上述內(nèi)容外，在技術(shù)方案研究與推進過程中，還應重視以下問題：
(1)實現(xiàn)具備ATO功能的C3系統(tǒng)與當前C3系統(tǒng)的兼容性。
(2)實現(xiàn)系統(tǒng)降級(C3降級到C2)情況下的自動駕駛功能。
(3)實現(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、運營管理人員及時了解列車位置、狀態(tài)等運營相關(guān)信息。
4 展望
ATO系統(tǒng)是列車自動控制系統(tǒng)中一個重要子系統(tǒng)。相對于人工駕駛，在提高乘客舒適度、運營準點率、節(jié)約能源方面具有較大優(yōu)勢，是軌道交通進入自動化時代的可靠技術(shù)保障。城際/市域高速鐵路建設(shè)將成為我國高鐵建設(shè)的下一個主要任務，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，既有列控系統(tǒng)在保證乘/候車旅客安全的前提下提高運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)，實現(xiàn)在保證運營安全的前提下提高運營能力，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)角度易實現(xiàn)的，符合我國高速鐵路發(fā)展水平的自動駕駛系統(tǒng)標準規(guī)范，對于我國當前在建城際鐵路工程以及整個高速鐵路行業(yè)長期有序發(fā)展具有重要意義。
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