GSM-R系统承载城际铁路车-地通信业务浅析

张聪云

张聪云:广东珠三角城际轨道交通有限公司 工程师 510308 广州

根据铁道部、国家发改委等部委的批复，珠江三角洲城际轨道交通网正线信号系统采用CTCS-2+ATO列控系统，即在客专CTCS-2级系统的基础上叠加列车自动运行功能，以实现城际列车自动运行、运行速度自动调整、列车车门控制，以及启动、牵引、巡航、惰行、制动等自动控制功能。

在既有CTCS-2级系统的基础上扩展ATO功能，将增加车站精确定位、车门与屏蔽门/安全门联控、CTC运行调整信息、ATO车载记录信息、端站折返控制等车-地通信需求，其中车门与屏蔽门/安全门联动等控制信息的传递需增设通信系统承载。

为满足城际铁路CTCS-2级系统叠加ATO功能后的车-地通信需求，结合ATO系统在国内城市轨道交通的运用情况，可选择的车-地通信方式主要有基于无线传输的无线局域网、交叉感应环线、GSM-R无线通信平台等方式。珠三角城际铁路正线按时速200 km客运专线标准设计，速度目标值远高于城市地铁的运营速度，且区间存在大量高架桥及路基，外界环境较复杂，如果采用无线局域网方式，存在抗干扰能力差、不能满足速度目标值要求的情况;采用交叉感应环线方式，存在轨间电缆及设备易损坏、不利于日常维护、传输信息容量小等缺点。比较而言，GSM-R系统是融合了铁路调度通信功能的铁路专用无线通信系统，在国内客专及城际铁路上已成熟稳定运用，如果利用GSM-R系统承载车-地联控信息，将确保ATO功能的安全性、完整性与稳定性。

本文浅析CTCS-2+ATO控车模式下，利用GSM-R网络承载车-地通信业务的初步方案，通信网络适应性改造设想及覆盖方案，为工程实施提供参考。

1 CTCS-2+ATO系统结构及接口

为实现城际铁路ATO功能，在维持既有CTCS-2级系统总体结构的基础上，需要增设的硬件主要包括ATO车载设备主机、车-地无线通信车载单元和车-地无线通信地面单元，系统结构图如图1所示。

主要通信接口如下。

通信接口A:由ATP主机向ATO主机传送包括ATO相关信息、行车许可、线路描述信息、列车速度和位置信息、应答器信息等;ATO向ATP传递相应的握手信号。

通信接口B:该接口为无线通信接口，传递安全门/屏蔽门的控制命令及状态信息。

图1 扩展ATO功能的CTCS-2系统结构图

通信接口C:由CTC向TCC传递列车运行计划信息。

通信接口D、E:传递ATO相关信息(如列车运行计划)。

通信接口F:传递包括ATO运行目标速度、ATO牵引制动状态、ATO模式、ATO报警信息等，使得ATO相关信息能够在DMI上予以显示。

2 车-地通信GSM-R网络结构及功能

利用GSM-R无线通信网络承载图1中通信接口B的信息，即CTCS-2+ATO系统车-地双向联控信息，需设置ATO通信服务器、车-地无线通信车载台等通信设备，网络结构图如图2所示。

图2 车-地通信GSM-R网络结构图

2.1 系统组成

在CTCS-3级系统中，移动交换中心MSC通过2 Mb/s速率的30B+D数据接口与轨旁核心设备无线闭塞中心RBC连接。城际铁路采用CTCS-2+ATO系统之后，轨旁设备仍可利用上述接口与MSC相连，但是设备由RBC替换为ATO通信服务器。车载设备增加车-地通信单元即ATO无线车载台，实现车门与屏蔽门/安全门联动等双向控制信息的实时传输。

2.2 车-地通信单元主要功能

列车出库并注册后，ATO无线车载台将与ATO通信服务器建立永久电路域数据连接，传输速率为4.8 kb/s。单元联接图如图3所示。

图3 车-地通信单元联接示意图

ATO通信服务器功能:用于连接GSM-R核心网与列控中心，接收列控中心传来的数据，分解数据包后，识别发送对象，对数据重新打包，发送给相应的ATO无线车载台;接收ATO车载台的位置信息，明确归属管辖的列控中心，保持或更新列控中心对象;接收ATO车载台的数据，将其转发给当前的列控中心。ATO通信服务器面向GSM-R网络接口类型为30B+D的PRI接口，面向铁路安全IP网为FE接口。

ATO无线车载台功能:出库运行后保持与ATO通信服务器的永久在线连接，将列车位置信息实时传递给ATO通信服务器;ATO无线车载台接收到来自ATO通信服务器的数据包，列控车载设备解包后根据指令进行运营控制。

3 GSM-R网络覆盖方案比选

利用GSM-R系统承载城际铁路车-地通信业务，尤其是车门与安全门/屏蔽门联控信息，车-地通信故障将直接影响联控功能应用，降低城际铁路运营服务质量。现分析可供选择的3种主要无线覆盖方案，并比较优缺点。

方案1:全线采用既有CTCS-2级线路的普通单网覆盖方式。

该方案网络结构采用1层、1套BSC/TRAU结构，基站之间较短的覆盖重叠区满足切换需求。其优点是既有CTCS-2列控区段GSM-R网络配置方式不做大的修改，相应系统投资最省;但网络配置方式不保证单点故障情况下网络可用性，宕机时网络恢复需要一定时间。

方案2:全线区间采用既有CTCS-2级系统的GSM-R组网方案(普通单网覆盖)，在车站范围内采用共站址双网覆盖。

考虑ATO功能仅在车站范围内实现，所以该方案仅在车站范围内铺设双网以提高可靠性。其优点为:配套设施可共享，可共用传输、电源、机房、铁塔、天线等基础设施，可确保网络单点故障时的可用性，车-地通信可靠性较高;但无法应用CTCS-2级线路既有GSMR网络配置标准，频点不易规划，每个车站都需要追加1套基站设备的投资，系统投资较高，共站址双网也不是GSM-R推广使用的技术。

方案3:对ATO车-地通信车站区域采用交织单网覆盖方式。

该方案针对ATO车-地通信实际需求，通过优化基站设置满足车站范围内实现交织单网覆盖。其优点是可确保网络单点故障时可用性，车-地通信可靠性较高，投资相对较省;但无法应用CTCS-2级线路既有GSM-R网络配置标准，优化基站设置会增加系统投资。

对上述3种方案进行比较，综合技术性、经济性，推荐采用方案3，即对ATO车-地通信车站区域采用交织单网覆盖方式。

目前，城际铁路CTCS-2+ATO信号系统还处于研发阶段，尚无成熟运用案例，ATO功能的叠加需对既有CTCS-2级列控车载设备、列控中心接口进行改造及功能扩展。本文仅对CTCS-2+ATO控车模式下采用GSM-R系统承载车-地通信业务进行了简单的理论分析，通信系统的接口适应性、承载能力等问题尚有待深入研究。

［1］傅世善．闭塞与列控概论［M］．北京:中国铁道出版社，2006．

［2］钟章队．铁路GSM-R数字移动通信系统［M］．北京:中国铁道出版社，2007．

［3］中华人民共和国铁道部．铁计函［2010］1288号．关于东莞至惠州城际轨道交通项目可行性研究报告的调整批复［R］．2010．