青藏铁路列控系统国产化研究

2015-01-01鲍才让太

铁道通信信号 2015年12期

鲍才让太

为了减少轨旁设备，采用卫星定位技术和无线通信方式构建信号系统越来越受到各国的重视。美国GE公司的ITCS及法国ALSTOM的ATLAS400都是采用卫星定位的列车控制系统。目前格拉线列控系统采用GE公司的ITCS系统，实现了基于卫星定位和GSM－R通信技术的虚拟闭塞控制，大大减少了区间轨旁设备。ITCS系统由通信系统、中心设备、轨旁设备及车载设备构成，是分布式列控系统，采用虚拟闭塞技术，其核心的VHLC、RBC和车载设备完成了车站联锁、车－地信息处理和列车控制等核心控制功能。

然而，由于ITCS开发较早，并不符合ETCS或CTCS技术标准，地面和车载设备硬件单套配置没有冗余，系统缺乏后备模式，操作界面不友好，股道有效长占用多，没有实现技术转让，这些都使ITCS系统难以在国内继续优化和推广。

自2008年开始，由青藏铁路公司牵头，我国开启了青藏铁路信号系统国产化研究，为实现替代ITCS的目标，进行了大量研究工作，提出了具体的解决方案并开发了相应的设备。

1 列控系统特殊需求及国产化方案

为适应青藏铁路特殊的地理和气候环境，保证列车的安全运行，其列控系统需要具备的技术特点包括：设备高可靠无人值守；设备采用成熟先进技术，结构简单，维修工作量小，适应高海拔和低温环境；设备应具备完善的诊断监测功能；较少的轨旁设备和能耗；较强的抗灾能力、自恢复功能；较强的抵御外电网波动能力。

为了实现替代ITCS系统的RBC、VHLC及车载设备的目标，克服ITCS系统缺陷，兼顾CTCS技术标准，国产化的轨旁设备和车载设备应实现下列需求：①实现通信通用化和网络化；②实现轨旁设备一体化，即利用一套设备完成列控、联锁和进路控制的功能，并具备冗余容错功能；③开发基于卫星定位和GSM－R通信的列控车载设备，车载设备具备冗余容错功能，并实现后备模式；④兼容CTCS－4技术标准，采用集中性的无线闭塞中心设备管理列车运行；⑤操作界面符合国内操作习惯，人机界面良好。

图1 CTCS－LC总体技术方案

根据以上需求提出青藏铁路列控系统国产化技术方案（CTCS－LC）如图1所示。

青藏线列控系统国产化是由无线闭塞中心（RBC）、光纤通信网络、GSM－R无线通信网络、车站一体化轨旁设备、应答器、车载设备及列尾装置（EOT）构成。车站一体化设备完成CTC、联锁和列控集成功能，控制道岔转辙机、应答器等地面设备。RBC设备主要负责闭塞的安全管理和各种降级运行的情况管理，通过RBC指挥未配备车载系统的列车在此线路上安全运行和在无本地联锁小站的调车作业。列尾设备（EOT）被用于向系统提供故障安全的列车完整性信息，使系统能够以此评定列车的完整性。无线闭塞中心（RBC）是最重要的系统，是列车控制的核心。列车在运行过程中不断地和RBC保持通信，向上传送列车运行位置和状态信息同时下载列车运行所必须的重要数据，如基础线路数据、列车任务数据等。

2 列控系统国产化方案显著特点

2．1 通用网络拓扑结构

通过改进网络的拓扑结构，以双网冗余的方式设计安全网络，替代了ITCS基于串行通信的网络结构，使系统可用性大幅提高。改进后的车站网络如图2所示。

图2 改进后的车站局域网结构

2．2 一体化的轨旁设备

一体化的轨旁设备可以有效减少设备数量，降低造价，提高设备的可维护性。由于青藏铁路属于低密度铁路，大多车站站型较为简单，列车数量较少，区间设备很少，因此，采用一体化的解决方案是可行的。

目前我国轨旁设备分工还是比较明确的。一般情况下，进路控制由调度集中设备管理，车站联锁由联锁设备管理，列控信息由列控中心进行控制。因此，要把这三个设备统一起来，实现一体化，其难度是可想而知的。由于我国目前调度集中采用的是分散自律型调度集中系统，其车站自律功能较为复杂，因此，在一体化方案中还是采用将自律功能和联锁列控功能进行隔离的技术方案；在不采用分散自律系统的线路，可以取消CTC功能模块，将功能融入联锁列控设备。一体化轨旁设备的拓扑结构如图3所示。

图3 轨旁一体化设备示意图

一体化的轨旁设备应具有下列功能：和CTC中心通信，接收进路控制命令和列车运行计划，上传车站信号状态信息；自律控制；采集车站信号、道岔及轨道电路状态信息；进行联锁计算；控制信号及道岔；控制列控信息的发送。

2．3 RBC集中设置

不同于ITCS系统，国产化的列控系统将采用集中式的RBC方案，将进一步减少轨旁设备和系统的复杂性。

车站一体化设备和中心RBC均采用2×2oo2冗余计算结构，可以有效保证设备的可靠性和计算的安全性，克服了ITCS、车站RBC和VHLC单机配置的缺点。

RBC和车载的通信将尽可能保持和CTCS技术规范一致，打造CTCS－4级列控系统。

2．4 车载系统冗余配置

车载系统结构如图4所示。其外部接口主要包括：车载系统OBC与列尾系统串行接口、车载系统OBC与GSM－R设备串行接口、车载系统OBC与GPS定位设备串行接口、车载系统OBC与列车接口单元信号接口（包括采集机车手柄位接口、采集制动开关信息的接口、输出安全制动接口等）、车载系统OBC与速度传感器信号接口、车载系统OBC与LKJ接口设备的RS－422接口。

车载系统的内部接口主要包括：车载系统OBC与车载系统DMI的网线接口。车载系统冗余配置为2×2oo2或3取2冗余结构，通过与其他设备的连接获得控车所需要的相关数据，再计算获得控车曲线，按照计算出的控车曲线对列车进行控制，在紧急情况下向机车输出制动指令保护列车安全运行。

图4 车载系统结构图

3 列控系统国产化关键技术

3．1 虚拟闭塞技术

虚拟闭塞技术是通过集中管理列车状态，实现对线路资源的高效率安全分配过程。线路资源是指线路的某个区段、某个道岔。每种资源均与唯一的电子路签相对应，如图5所示。

图5 资源与路签对应图

可用的电子路签被RBC设备内的路签 “邮箱”所掌握，用户要占用线路资源必须向RBC提出申请。电子路签的用户是指车载设备或由RBC实时建立的虚拟用户（未配备车载系统的列车、车载设备发生故障的列车、冷藏车或者停靠车辆，或在线路上作业的员工）。RBC与用户的计划任务数据库相比较，用户在需要使用或者保留与该电子路签有关的线路资源时，要求电子路签发送到 “邮箱”。电子路签由RBC系统根据联锁运算，才能决定能否向提出申请的用户提供路签，系统具有对2个用户同时申请同一路签如何评定优先的功能。

一旦用户可以被系统安全地评定为不再使用路签相对应的资源后，则由用户向相应的 “邮箱”返还电子路签。对于车载设备而言，这意味着只有在列车的安全尾端已经通过了与该电子路签对应的资源限界后，才可以将位于该列车 “后方”的电子路签返还给 “邮箱”。

除此之外，系统在其一个环节出现致命故障后，造成路签丢失，可被系统紧急检测出。因为路签的唯一，重新生成路签是绝对需要的，具体实施是通过调度中心RBC设备来完成。系统能够在重新发出 “已丢失”的电子路签之前进行必要的核对，确保系统拥有路签的唯一性。

3．2 列车定位技术

传统的列车定位系统是以车载感应器（车轮传感器和雷达）为基础，根据安装在轨旁的应答器（或同类的设备）所对应地面的绝对坐标位置，向列车提供坐标信息。这些地面基准点因使用传感器的不同，需要按照用途分别设置，以便能够纠偏和消除由于时间和距离对列车定位系统产生的累积误差。

国产化信号控制系统的列车卫星定位系统是基于GNSS列车定位系统，采用Kalman滤波器技术获得安全定位。该技术将卫星信号和来自诸如加速度计、轮对传感器、雷达或陀螺等精密仪器产生的位置信息融合在一起，对列车实施定位。

国产化系统所采用的列车定位方案既可用于列车检测（可靠的列车检测），也可用于列车故障－安全控制。这种定位方案依靠的是准确的车载线路安全数字地图；通过与车站一体化系统的信息交换，对有关的列车运行路线进行逐步确定。实际上，当列车行驶在股道或咽喉区时，仅就卫星定位的准确度而言，为考虑系统识别列车具体所在股道的位置，需要增加昂贵的额外传感器，否则就不能实时确定列车当前在哪条股道上以所要求的安全等级进行运行。

国产化系统采用的方案是，车载设备通过与联锁系统之间的无线信息交换，对道岔位置进行监测，准确掌握列车运行的股道。在国产化系统中，速度是在车载测速传感器的基础之上，通过对载波相位测量处理得到的，它可以有效估算接收的卫星信号多普勒频率的差异。与卫星定位系统的信息冗余，能够再次确定列车速度的置信间隔。

3．3 列车的完整性检查技术

安装有轨道电路的区段，设备能够检测到列车的完整性，若列车断钩丢失车辆，不会影响到系统的安全。对未安装有轨道电路的区段，国产化系统采用列尾装置作为列车完整性检查装置。列尾设备将监测列车制动管中的压力，同时也将测量列车运动的速度和列车位置。

当前的制动压力、运动速度、位置信息均由列尾装置通过无线通信方式向机车发送。列车完整性机车信息接收单元，接收到标有日期的关于 “列尾制动压力”和 “列尾运动速度、位置”信息后，将它们与在机车前端测量的有关数据相比较，计算出第一个列车完整性状态的数据，再采用 “前端”和“尾端”列车运动速度、列车位置数值计算出第2个列车完整性状态的数据。这2个数据是相互独立的。将这2个数据通过车载安全计算机OBC输入／输出板提供给OBC，然后在故障－安全的环境中对数据表决，对列车完整性进行判别分析，向列控系统提供故障安全的列车完整性数据。

为克服400MHz电台抗干扰能力弱的缺点，列尾装置拟采用GSM－R网络，通过GPRS技术，实现通信，也可以通过安装计轴设备予以补充。