ETCS 中牵引系统切换方案优化研究

郑 艺，肖黎亚，陈 皓，方 昕，柯长博，沈 涛

（1. 湖南中车时代通信信号有限公司 北京分公司， 北京 100070；2. 株洲国创轨道科技有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

欧洲轨道交通历史悠久，不同国家、不同时期建造的铁路线采用的供电制式不统一，目前欧洲范围内使用的供电制式有AC 25 kV/50 Hz、AC 15 kV/16.7 Hz、DC 3 000 V 和DC 1 500 V 这4 种［1］。为了满足高效的跨境联运需求，世界主要车辆厂商先后研制出了可兼容多种供电制式的多流制电力机车［2］。多流制电力机车的广泛采用，极大地促进了欧洲跨国铁路运输的发展。近年来对多流制机车切换牵引供电系统的研究也随之广泛开展［3‐6］：文献［4］介绍了列车通过无电区的供电切换方案，可采用不停车、不降弓的切换方式通过无电区；文献［5］提出了一种新的退磁方法，实现了设备复用，减小了设备体积；文献［6］详细阐述了增程式多流制牵引系统的主电路结构、工作原理及性能。这些研究从牵引供电系统关键技术难点着手，取得了众多技术突破，为实现牵引供电系统切换奠定了技术基础。

针对欧洲铁路供电制式的多样性现状，欧洲主要铁路信号厂商主导制定欧洲列车控制系统（ETCS）需求规范［7］。其对多种制式牵引系统的切换需求进行了阐述，即通过地面轨旁设备向ETCS 车载设备传输牵引系统切换信息，将牵引系统切换命令在人机交互界面上按照显示规范［8］进行显示，并对司机进行提示。但目前其工程应用上仍以司机手动介入进行切换为主。人工介入切换存在误操作可能性，且操作耗时长。少数列车虽然可以支持自动切换，但也是通过配置固定参数来实现切换，冗余量大、影响行车效率。

本文在ETCS 现有标准基础上，根据轨旁设备、ETCS车载设备、列车控制和管理系统（TCMS）系统之间交互牵引系统切换的数据信息以及相应的牵引系统切换流程关键位置的处理逻辑，研究了人机接口（DMI）在牵引系统切换过程中的显示方式以及自动切换失败后的后备切换操作，形成一套包含线路、车载信号系统、列车网络、牵引系统、司机等多方面因素综合并且兼容自动与人工切换牵引系统的方案，以实现高效、便捷、安全的不停车牵引系统切换。

1 牵引系统切换信息交互

牵引系统切换方案全流程涉及众多阶段的信息交互，主要包括牵引系统切换位置信息获取、牵引系统切换命令执行和牵引系统切换状态显示等。牵引系统切换相关信息交互示意如图1所示。

图1 牵引系统切换相关信息交互示意图Fig.1 Schematic diagram of information exchange related to traction system changing

牵引系统切换涉及的接口主要包括地面设备与ETCS车载设备的车地通信接口、ETCS车载设备与车辆TCMS 通信接口和人机接口，本文对这些接口的信息交互进行分析和设计。

1.1 车地通信接口

地面应答器、无线闭塞中心（RBC）等设备储存了列车牵引系统变化点位置信息，ETCS 车载设备通过地面设备发送的牵引系统变化轨道条件的数据报文来获取牵引系统变化点位置，并由此实时计算列车与牵引系统变化点位置的距离信息。

文献［8］规定了车地通信接口传输牵引系统轨道条件变化报文的内容信息，如表1 所示，其中，NID_PACKET 为数据包ID，用来标识数据包类型；Q_DIR 为传输数据有效方向；L_PACKET 为数据包的bit长度；Q_SCALE为距离数据的单位；D_TRACTION为牵引系统切换距离，数据单位通过Q_SCALE字段说明；M_VOLTAGE为牵引系统电压；NID_CTRACTION为牵引系统国家标识符［9］。

表1 牵引系统轨道条件变化报文Tab.1 Packet of track condition change in traction system

牵引系统电压轨道条件报文部分字段的详细取值说明如表2~表4所示。

表2 Q_DIR 取值说明Tab.2 Q_DIR value description

表3 Q_SCALE 取值说明Tab.3 Q_SCALE value description

表4 M_VOLTAGE 取值说明Tab.4 M_VOLTAGE value description

1.2 ETCS-TCMS通信接口

目前，ETCS 与TCMS 多采用MVB 总线进行通信。为了满足数据传输的安全性要求，须使用满足标准IEC 61375‐2‐3 要求的安全数据传输协议［10］。ETCS 车载设备获取牵引系统变化的线路信息后，要将该信息立即转发到TCMS，以供列车准确地执行牵引系统切换动作。TCMS根据收到的牵引系统切换命令，执行切换牵引系统动作，并实时向ETCS 车载设备发送当前牵引系统国家标识符、牵引系统电压和主断路器闭合等状态信息。ETCS 根据此类状态信息判断是否完成牵引系统切换。

本方案设计了完善的TCMS与ETCS车载设备的MVB 通信协议。其中，牵引系统切换命令信息的数据结构如图2 所示；牵引系统状态信息数据结构如图3所示。

图2 牵引系统切换命令信息数据结构示意Fig.2 Schematic diagram of the data structure of traction system changing command information

图3 牵引系统状态信息数据结构示意Fig.3 Schematic diagram of the data structure of traction system status information

1.3 人机接口

ETCS 车载设备在收到牵引系统变化的线路条件信息后，将该信息在人机接口单元上进行显示，司机根据DMI的信息提示进行相应的操作。DMI界面显示的牵引系统切换信息提示符号如图4所示。

图4 牵引系统切换预告符号Fig.4 Change of traction system announcement symbols

图4中的灰色图标表示列车自动执行牵引系统切换，黄色图标则表示需司机人工执行牵引系统切换。图4（a）、图4（b）表示线路安装的是AC 25 kV/50 Hz供电系统，图4（c）、图4（d）表示线路安装的是AC 15 kV/16.7 Hz 的供电系统，图4（e）、图4（f）表示线路安装的是DC 3 000 V 的供电系统，图4（g）、图4（h）表示线路安装的是DC 1 500 V的供电系统。

2 牵引系统切换方案

牵引系统的切换方式按照是否有司机介入可以被分为两类，分别是人工切换和自动切换。牵引系统切换方式选择是由列车相应功能决定的。传统的牵引系统切换是通过司机介入实现的，本文提出的方案是通过ETCS系统的控制来实现自动切换并兼容人工切换。本文提出的ETCS中牵引系统切换方案如图5所示。本方案的切换过程主要分为以下7个阶段：

图5 牵引系统切换示意图Fig.5 Schematic diagram of the traction system changing

（1）列车在经过存储有牵引系统切换信息的应答器（图5中A点）或接收来自RBC的牵引系统切换信息时，车载信号设备获取牵引系统切换位置信息以及即将切换的牵引系统类型信息等。

（2）ETCS 车载控制器实时计算牵引系统切换的距离信息，并通过多功能车辆总线（MVB）的安全数据传输协议发送给车辆TCMS系统。

（3）列车行驶至B 点时，DMI 开始显示牵引系统切换预告。

（4）列车行驶至C点时，若为自动切换牵引系统，则TCMS根据ETCS车载设备发送的距离信息或切换牵引系统命令来判断此时是否要开始进行牵引系统切换，一旦确定，立即向牵引系统发出切换命令；若为手动切换牵引系统，则司机根据DMI上的切换牵引系统提示信息进行相应的切换操作。

（5）列车行驶至D点时，若为自动切换牵引系统，此时TCMS 系统如果监测到主断路器是闭合状态，则ETCS 的DMI 立即显示“自动切换失败，转入人工切换”文本信息，提示司机介入；司机看到提示后需手动确认该消息，并断开主断路器，后续按照人工切换牵引系统操作流程进行。若超时未确认该文本提示信息，ETCS 则立即施加紧急制动，避免列车驶入不同牵引供电区域之间的无电区。D点位置是由无电区起点、当前列车速度和列车制动性能共同确定的。

（6）列车经过D 点后，在行驶至E 点前，ETCS 车载控制器根据TCMS 上报的牵引供电系统电压、主断路器闭合状态等信息判断牵引系统切换是否完毕，并依据此信息在DMI上显示新牵引系统相关信息。

（7）列车行驶过F 点时，DMI 取消新牵引系统的信息显示，牵引系统切换流程结束。

考虑到自动切换存在失效风险，本方案增加了人工介入的后备模式，即通过ETCS 实时监控列车主断路器闭合状态来确认是否及时、准确地进入切换流程。如果在自动执行牵引系统过程中，自动切换失效，随机启用人工切换后备操作流程，则DMI会显示文本提示信息“自动切换失败，转入人工切换”。该信息需司机手动确认，司机确认后随即执行人工切换牵引系统操作；若司机确认文本超时，则ETCS主动施加制动，以避免列车驶入无电区。

3 方案应用

包含本文提出的牵引系统切换方案的ETCS车载ATP 信号系统已获得ISA（independent safety assessment）的SIL4（safety integrity level 4）安全认证证书，并通过欧洲第三方TSI（technical specification for interoperability）实验室测试，获得欧盟ETCS 最新版本的TSI 认证证书。目前，采用该方案的ETCS 车载系统已成功应用于捷克、匈牙利、罗马尼亚等国的多个车载信号系统项目中。

4 结语

研究设计完善的ETCS 牵引系统切换方案，有利于促进多流制电力机车在欧洲实现更高效、更安全的跨境联运，对提升轨道交通运输效率具有重要意义；并且契合当前干线铁路、城际铁路、市域铁路、城轨等轨道交通系统融合的国际化发展趋势，其是当前国内外研究热点。本文在ETCS现有标准基础上，完善牵引系统切换控制逻辑，设计了一套涉及车辆与信号系统的安全通信协议、基于位置的自动/人工切换操作流程、采用DMI显示的牵引系统切换方案。该方案可为中国先进轨道交通信号系统“走出去”提供技术支撑；同时，其相关技术也适用于国内“四网融合”的应用场景。此外，通过信号系统和车辆的信息交互，采用该方案可实现自动驾驶过程中的牵引切换，这对实现列车跨线自动驾驶具有重要的工程化应用意义。