青藏铁路低密度列车运行 控制系统方案研究

赵东旭，程剑锋，岳 林，刘 聪

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京华铁信息技术有限公司，北京 100081)

1 青藏铁路低密度列车运行控制系统总体方案设计

1.1 增强型列车运行控制系统(ITCS)

青藏铁路(西宁—拉萨)是我国西部铁路网的重要组成部分，在构建青海—西藏立体化交通，促进西部地区经济社会发展，增进民族团结方面发挥着重要作用。目前，青藏铁路(格尔木—拉萨)为单线非电气化铁路，采用增强型列车运行控制系统(ITCS)，应用全球定位系统(GPS)技术和铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)技术，轨旁设备适用于无人值守的铁路。但是ITCS 已经不适应青藏铁路目前的需求与将来的发展。

（1）安全风险较高。车站采用的ITCS 没有轨道电路，而且机车和车辆(如轨道车、工程车)未安装ITCS 车载设备，在站内信号设备上无法显示，需要通过人工防护确保作业安全；仅依靠列尾风压检查信息进行列车完整性检查，未结合列尾定位信息；ITCS 仅依靠GPS 和GSM-R 定位，无后备模式，在受到外界干扰时，只能依靠调度命令人工目视行车。

（2）运输能力较低。ITCS 未实现移动闭塞，在股道利用率方面，缓冲区占用约120 m 的股道有效长，对股道利用率产生影响，导致青藏铁路每年损失约30 万t 的运量。在调车作业方面，ITCS 需要人工确认车列的占用和出清，作业效率较低。在行车设备方面，ITCS 主要设备不具备双套冗余，设备发生故障对行车影响较大。

（3）自主化核心技术不足。GPS 等核心技术依赖于国外技术提供方，无法获得有力的技术支持，设备返修周期长，备品、备件购买困难。同时，站场改造也受制于国外技术提供方，改造成本高。ITCS 的核心技术未实现自主化，受制于人，不利于国家安全。

（4）互联互通无法实现。ITCS 不属于中国列车运行控制系统(CTCS)标准体系，列车无法跨线运行[1]，所有经格尔木—拉萨区段运行的机车均需要安装ITCS 车载设备，机车不能跨区段运行，列车必须在拉萨站或格尔木站换挂配置ITCS 的机车，限制了运输组织的灵活性。

1.2 低密度列车运行控制系统目标

青藏铁路格尔木—拉萨段开通至今，ITCS运用时间已超过13 年，亟需开发能够满足运输需求的列车运行控制系统。青藏铁路属于低密度铁路，特点是日常行车密度低，突发运能需求高，沿线气候条件恶劣，人烟稀少，生活和工作条件艰苦，设备维护不便。目前，我国的CTCS-2 和CTCS-3 级列车运行控制系统技术体系先进，应用成熟，而轨旁设备复杂，运用和维护成本高，不适合在青藏铁路低密度铁路应用。因此，根据下一代列车运行控制系统发展趋势，青藏铁路低密度列车运行控制系统应在降低建设和维护成本的同时，采用具有自主知识产权的卫星定位和无线通信等技术，适应青藏铁路的运输需求，保障国家经济、国防安全。

1.3 低密度列车运行控制系统总体方案

青藏铁路低密度列车运行控制系统由地面设备和车载设备组成，低密度列车运行控制系统总体方案如图1 所示。

（1）车载设备。主要由ATP 单元、ATO 单元、LTE-R 通信单元、基于北斗卫星导航的列车定位单元、应答器信息接收单元、轨道电路信息接收单元、司法记录单元(JRU)、列车接口单元和人机界面单元(DMI)组成。由机车牵引的列车还装备列车完整性检查单元和列尾设备。LTE-R 单元一用于车载设备与无线闭塞中心(RBC)通信；LTE-R 单元二用于车载设备与列尾设备通信。

（2）地面设备。可以分为室内设备和轨旁设备。①室内设备。包括中心设备和车站室内设备。中心设备集中设置，方便维护和属地化管理，包括RBC、智能调度集中(CTC)、临时限速服务器、列控维护中心和LTE-R 设备等；车站室内设备主要有CTC 车站自律机、列控联锁一体化设备和卫星差分站等。②轨旁设备。轨旁设备通常布置在区间和车站。在区间中，根据需要在线路的接轨处布置实现等级转换的无源应答器。有人值守车站布置轨道电路、信号机、转辙机、应答器等轨旁设备，无人值守车站仅布置转辙机等必要设备。

图1 低密度列车运行控制系统总体方案Fig.1 Overall solution of low density train control system

（3）控制流程。在正常行车的运营场景下，青藏铁路低密度列车运行控制系统的控制流程为CTC 发送进路请求至列控联锁一体化设备；列控联锁一体化设备完成必要的检查后，通过目标控制器指挥轨旁设备动作，实现进路排列；目标控制器采集轨旁设备状态，反馈至列控联锁一体化设备；经列控联锁一体化设备验证正确后，将进路信息、闭塞信息发送至RBC；RBC 结合临时限速命令(CTC通过临时限速服务器发送)、列车的位置信息等，形成行车许可，发送给列车；CTC 的调度命令通过LTE-R 设备直接发送给列车。青藏铁路低密度列车运行控制系统控制流程如图2 所示。

图2 青藏铁路低密度列车运行控制系统控制流程Fig.2 Control process of low density train control system of Qinghai-Tibet Railway

2 青藏铁路低密度列车运行控制系统关键技术

2.1 基于北斗卫星导航的列车定位技术

由于青藏铁路线路较长，沿线自然环境恶劣，但日常行车密度较低，大量布置轨道电路和应答器的建设成本和维护成本高昂，而采用基于卫星导航的列车定位技术具有天然优势。北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有自主知识产权，其定位精度、测速精度等主要参数已达到世界先进水平，目前已经进入大规模商用阶段。基于北斗卫星导航系统进行列车定位有利于国家安全，同时可以减少对地面设备的依赖，减少轨旁设备，便于维护。

为了提高卫星定位的精度，应在地面设置卫星差分站。差分信息经车—地无线通信系统发送给相应车载设备的定位系统。隧道内卫星信号受到遮挡时，定位系统可以在惯性导航设备和数字轨道地图的辅助下，在卫星信号盲区实现连续的高精度测速测距[3]。

为了实现列车跨线运行，低密度列车运行控制系统的车载设备同时安装速度传感器及应答器信息接收设备。在青藏铁路运行时，列车的车载定位单元根据卫星差分定位信息、惯性导航信息、速度传感器信息、应答器信息，结合电子地图，产生多信息融合的定位信息，实现列车连续、可靠、高精度定位[4]；在CTCS-2或CTCS-3 级线路上运行时，列车根据速度传感器和应答器信息进行定位，从而实现线路互联互通，列车跨线运行。青藏铁路低密度列车运行控制系统列车定位原理如图3 所示。

2.2 宽带无线信息传输技术

图3 青藏铁路低密度列车运行控制系统列车定位原理Fig.3 Train positioning principle of low density train control system of Qinghai-Tibet Railway

青藏铁路目前使用的GSM-R 系统为窄带通信系统，传输速率低，存在很多局限性，业务需求与频率资源、系统承载能力的矛盾日益突出，难以承载列车智能控制等新的业务需求。而铁路宽带无线通信系统(LTE-R)简化了信令及通信设备，具备双向数据传输能力，数据传输速率高，建网成本低，减少了车—地通信设备和环节，可以满足列车运行控制系统车—地信息传输实时性、可靠性和安全性的要求[5]。LTE-R 承载车—地信息传输如图4 所示。实现的主要功能如下。

图4 LTE-R 承载车—地信息传输Fig.4 LTE-R for train-wayside information transmission

（1）列车智能控制功能。青藏铁路采用LTE-R系统进行车—地宽带无线信息传输，可以满足新型列车运行控制系统需求，实现列车智能驾驶、智能调度、移动闭塞等列车智能控制功能。采用LTE-R 系统，列车上只需要1 个无线电台就能与多个设备建立通信链路，通信信道共享，资源利用率高。

（2）列车实时视频监控业务。LTE-R 系统的大带宽、高速率、低时延特性还可以支撑列车实时视频监控业务，包括线路路况视频监控、司机室视频监控、列车车厢视频监控和列车关键设备视频监控等。利用安装在司机室、列车车厢、列车关键设备处的视频监控设备，采集线路路况、司机操作情况、列车车厢情况、关键设备状态的视频，通过LTE-R 系统实时传输给地面控制中心。地面控制中心全面掌握路况信息和列车信息，可以提高青藏铁路的应急处理能力和运用维护水平。

（3）旅客信息服务。现代生活方式使旅客对列车的无线通信服务提出了很高的要求。列车高速运行过程中，公网无线通信难以保证服务质量，而LTE-R 系统可以提供稳定的宽带接入服务，满足旅客即时通信、娱乐等需求，为旅客提供更加舒适、愉快的乘车体验。

2.3 移动闭塞技术

格尔木—拉萨段ITCS 虽然具备虚拟闭塞列车追踪运行功能，但由于各种条件限制未启用，运输效率难以提高，成为制约青藏铁路运输能力的瓶颈。低密度列车运行控制系统应采用移动闭塞，缩短列车追踪间隔时间，提高青藏铁路的运输能力。

移动闭塞列车追踪场景如图5 所示。在移动闭塞方式下，移动授权的终点是前车的安全尾部，并随着前车的移动而实时变化[6]。实现移动闭塞，依托于北斗卫星导航与LTE-R 通信系统[7]。基于北斗卫星导航的列车定位系统实时、精确地计算自身位置，通过LTE-R 传输给地面RBC，RBC 根据收到的前行列车位置信息和线路状态，生成后行列车的移动授权并发送给后行列车。后行列车车载设备接受移动授权，并结合线路参数、列车参数、列车运动状态，实施安全间隔控制，确保运行安全。移动闭塞基于列车自主定位进行区段占用检查和列车完整性检查，不设置轨道电路。当列车在区间发生脱钩时，列车运行控制系统能及时采取措施，保证行车 安全。

图5 移动闭塞列车追踪场景Fig.5 Train tracking scenario under moving block

列车定位信息既用于RBC 计算移动授权，也用于列车计算控车曲线，执行超速防护功能，如计算紧急制动干预曲线和常用制动干预曲线。由图5 可知，列车追踪的目标点不再是前行列车所在闭塞分区的起点，而是前行列车的安全尾部。安全尾部根据前行列车的尾部位置，加上一定的安全距离确定。采用移动闭塞可以在确保列车运行安全的前提下，缩短列车追踪距离，压缩列车追踪间隔时间，大幅提升青藏铁路的通过能力。相比目前采用的站间闭塞，移动闭塞可以将现在格尔木—拉萨段的一昼夜列车开行对数提高1 倍以上。

2.4 列车完整性检查技术

青藏铁路不宜全线设置轨道电路，无法采用区段占用检查的方式实现列车完整性检查。目前，青藏铁路格尔木—拉萨段ITCS 的列车完整性检查仅依靠列尾风压的检查信息，在风压检查设备故障时，列车完整性检查无法进行，对行车安全造成影响。为防止列车在区间发生脱钩，影响运行安全，应采取完善的列车完整性检查措施，确保在列车在完整性受到破坏时，车载设备能够及时通知地面设备，建立确保列车运行安全的防护区段[8]。

青藏铁路低密度列车运行控制系统的列车完整性检查由车载设备和列尾设备(EOT)共同实现。EOT 由北斗导航设备、惯性导航设备、风压监测单元、主控单元组成。列车完整性检查功能如图6所示。

图6 列车完整性检查功能Fig.6 Train integrity monitoring function

采用车载设备和EOT 共同进行列车完整性检查，可以弥补ITCS 列车完整性检查的缺陷，确保运输安全。列车尾部安装EOT，持续采集列尾的风压、位置、速度等信息，通过LTE-R 通信系统发送给安装在列车头部的列车完整性检查单元。列车完整性检查单元实时比较机车和列尾的风压、位置、速度等信息，并结合列车长度参数，检车列车完整性。车载设备向地面RBC 汇报列车完整性状态，如果发生列车完整性受到破坏的情况，车载设备发出报警，RBC 将列车头部到列车尾部所在的区段设置为占用状态，后行列车不能进入该区段。

2.5 智能调度集中技术

传统的CTC 系统在发生线上列车故障、恶劣天气影响行车等情况下，需要调度员人工调整运行计划，对调度员的工作要求较高，无法确保运输效率。智能CTC 系统以现有CTC 系统为基础，在不改变现有CTC 系统架构的条件下，结合智能控制、大数据等技术，新增列车运行计划自动调整、计划和进路安全卡控、行车信息数据平台、行车调度综合仿真和ATO 功能应用。

采用智能CTC 系统可以提升低密度列车运行控制系统的运输效率。智能CTC 系统实时获取线路信息和全部列车运行状态，采用基于大数据的列车运行智能调度方法，融合智能控制技术，进行列车运行实时在线调整与故障快速恢复，实现线路整体运行效率最优化。在正常情况下，智能CTC系统根据拟定的列车运行计划，向运行控制系统发送运行计划和调度命令，实现列车进路控制自动化。同时，实时监控信号系统和列车运行状态、线路状态，自动追踪列车运行位置，反馈列车在车站的到发时刻，实时生成列车实绩运行图。在运行计划不能正常执行时，智能CTC 系统根据实时采集的信息，作出运行计划的最优决策，辅助调度员快速制订新的列车运行调整计划，实现列车运行指挥自动化，显著提升青藏铁路运输效率。

2.6 列车自动驾驶技术

青藏铁路全长1 956 km，列车运行距离较长。司机驾驶列车时，不仅需要实时观察线路前方情况，还需要实时观察列车状态显示及车载设备的DMI 显示，在高寒缺氧的高海拔地带，司机的劳动强度很大。因此，青藏铁路低密度列车运行控制系统应采用ATO 技术，实现列车的自动驾驶，减轻司机劳动强度，为此应在ATP 的基础上增加ATO 单元。ATO 的控车策略是在ATP 确保运行安全的前提下，根据CTC下发的运行计划，优先考虑列车运行正点，同时兼顾舒适、能耗等因素，制订最优控车曲线，可以实现列车自动发车、自动加速、自动减速、自动停车、自动开关门等 功能。

我国已经在珠江三角洲地区城际轨道交通CTCS-2 级列车运行控制系统和京张高速铁路(北京北—张家口) CTCS-3 级列车运行控制系统上实现了ATO 功能[9]，列车自动驾驶技术在我国铁路的应用成熟，具备在青藏铁路低密度列车运行控制系统中实现ATO 功能的技术条件。青藏铁路低密度列车运行控制系统采用ATO 技术，可以降低司机的劳动强度，使列车运行安全、正点、高效、节能[10]，提高旅客乘车舒适度，还可以达到节能环保的目的。

3 结束语

青藏铁路低密度列车运行控制系统采用基于北斗卫星导航的列车定位、LTE-R 无线通信、移动闭塞等自主知识产权技术，降低系统复杂度，改善系统可靠性，提升系统的建设和运营效益。低密度列车运行控制系统沿袭了CTCS 技术体系，可以实现低密度铁路与全国铁路网的互联互通，为我国西部低密度铁路的列车运行控制系统建设和升级改造提供借鉴。将来低密度列车运行控制系统将由“以地面设备为主体”向“以车载设备为主体”进一步发展，地面设备进一步简化，而基于列车自主定位技术和车—车通信技术的车载设备将自主计算行车许可。届时，低密度列车运行控制系统的安全性、可靠性、可维护性将进一步提高。