适用于重载铁路智能驾驶系统的无线闭塞中心

2022-07-08李启翮

控制与信息技术 2022年3期

李启翮

（湖南中车时代通信信号有限公司北京分公司，北京 100071）

0 引言

列车运行控制系统（简称“列控系统”）以有效技术手段对列车运行速度、追踪间隔进行实时监控和超速防护，是保证行车安全并提高运行效率的重要技术装备。无线闭塞中心（radio block center，RBC）作为铁路干线领域中基于连续式车地双向无线通信的列控系统的地面自动列车防护（automatic train protection，ATP）核心设备，其主要功能是通过无线通信接收列车所报告的位置、速度等状态信息，并结合当前地面状态信息，计算生成行车许可、紧急命令、临时限速等控车指令发送给车载ATP设备。欧洲列车运行控制系统（European train control system，ETCS）、中国列车运行控制系统（China train control system，CTCS）以及美国GE公司的增加型列控系统（incremental train control system，ITCS）都采用了RBC。

随着轨道交通信号系统的发展，无人驾驶技术被逐渐引入，成为该领域的重要研究方向，“列控系统+列车自动驾驶（automatic train operation，ATO）”正是智能轨道交通必不可少的配置。在城市轨道交通领域，基于通信的列控系统（communication based train control system，CBTC）中ATO的应用技术已经成熟多年，但还不能完全离开司机的辅助；更进一步，全无人驾驶系统（fully automatic operation，FAO）也已经在部分线路开始实施，其可以完全取代司机的角色。在干线铁路领域，为CTCS系统增加ATO功能的相关研究从2013年就开始了，2017年开通的莞惠城际铁路成为首条采用“CTCS-2+ATO”系统的高铁线路，更加先进的“CTCS-3+ATO”系统也于2018年在京沈高铁上完成试验并进入现场试用阶段。作为CTCS系统规范制定基础的ETCS系统也同样积极应对这一趋势，ATO的相关标准规范[1]正在制定中。

在重载货运铁路领域，相关的研发工作也已经开展，由包神铁路集团神朔铁路分公司、中车株洲电力机车研究所有限公司与中车株洲电力机车有限公司合作研发的“神华号”机车智能驾驶系统，其第一阶段工程于2019年10月正式开通，成为我国首个在重载铁路上正式开通的智能驾驶系统。其信号系统分为车载系统和地面系统两部分。车载设备主要包含LKJ-15C车载控制子系统、ATO子系统和辅助驾驶模块（assistant operation module，AOM）自动唤醒装置等。地面系统由智能调度子系统、无线信号控制子系统（即无线闭塞中心RBC在该智能驾驶系统中的名称）、差分定位基站、出退勤子系统、安全与质量分析子系统等组成，同时系统需要与计算机联锁接口，以获取进路/闭塞分区等状态信息。

安全是轨道交通中的头等大事，因此承担安全防护功能的ATP设备是智能驾驶系统的基础。在重载智能驾驶系统中，LKJ-15C装置（简称“LKJ-15C”）承担了车载ATP的功能，RBC承担着地面ATP核心功能。与ETCS/CTCS系统中的RBC相比，智能驾驶系统中的RBC除了既有RBC所应具备的正常功能外，针对重载铁路的特点还增加了新的功能，本文将对该设备的特点进行描述。

1 RBC架构

1.1 CTCS-3系统RBC

我国铁路的CTCS是参考ETCS并结合我国铁路的实际情况而制定的，分为CTCS-0～CTCS-4共5个等级。当前在用的有CTCS-0（简称“C0”）、CTCS-2（简称“C2”）和CTCS-3（简称“C3”）共3个等级，CTCS-1级（简称“C1”）和CTCS-4级（简称“C4”）尚处于研究规划中[2]。

C0级系统应用于普速线路，列车配置LKJ装置；C2和C3级系统则专用于高速铁路。

C3系统是我国正式应用的最先进的列控系统，适用于350 km/h及以上标准速度的线路，其基于ETCS-2级（简称“E2”）系统而制定。C3系统需求规范[3]选取了ETCS系统[4]需求规范中适合中国高铁的部分，去除了仅适用于普速线路和欧洲线路特征（例如道口、多种供电制式、多种车辆限界等）的部分，并配置了C2系统作为后备模式，是E2系统的中国本地化实现。E2系统与C3系统可被认为是互相兼容的系统，装备E2车载设备的列车也可在C3线路上运行。

E2/C3系统的地面核心设备是RBC，其具有SIL4级安全完整度，通常采用2乘2取2或3取2的安全计算机平台来实现。它通过与计算机联锁（computer based interlocking，CBI）、相邻RBC、调度集中（centralized traffic control，CTC）等地面设备交互，获取线路的地面状态信息；通过GSM-R无线网络与列控车载设备（即车载ATP）实时通信，获取列车状态信息；综合车地信息计算出控车命令（行车许可/紧急命令等）并经无线信道即时发送给列车，车载ATP根据所收到的命令控制列车安全运行。

C4系统目前还处于研究中，其规划也同样基于尚处于研究中的E3系统而制定的。在规划中，其控车方式与E2/C3系统的相似，车载ATP与RBC之间同样采用车地双向无线通信的方式交互信息。C4系统与E2/C3系统的主要区别在于：

（1）轨旁不再配置占用检测设备（如轨道电路、计轴等）；

（2）列车完整性由车载设备报告给地面；

（3）地面所发送的行车许可（movement authority，MA）采用移动闭塞制式（C3为准移动闭塞制式，依然以闭塞分区或进路为单位，实际属于固定闭塞范畴）。

在C3系统中，RBC与外围设备的连接关系如图1所示[5]。图中，临时限速服务器TSRS是CTCS相对于ETCS系统增加的专有设备，用于作为CTC与RBC之间临时限速命令的下达中介，管理和存储CTC的临时限速命令；而ETCS通常由RBC与CTC直接交互临时限速命令。CSM与RBC维护单元连接，接收RBC所发的设备状态和报警信息，相关信息在RBC维护单元中也会被同时存储。

图1 C3级RBC与外围设备的连接Fig.1 C3 RBC with peripheral equipments

C3级RBC的主要控车功能如下：

（1）与车载ATP之间无线通信会话的管理；

（2）接受车载ATP的注册与注销；

（3）MA的计算与发送；

（4）紧急命令的发送；

（5）车载ATP等级转换的控制；

（6）临时限速命令的发送；

（7）与相邻RBC之间的列车移交；

（8）调车的允许与拒绝。

1.2 智能驾驶系统RBC

在重载铁路智能驾驶系统中，RBC作为地面列控设备的中心地位不变，依然承担着地面ATP的核心功能，与其所关联的外围设备接口如图2所示。

图2 重载铁路智能驾驶系统RBC子系统与外围设备的连接Fig.2 Heavy haul railway intelligent driving system RBC with the external equipments

与图1所示C3级RBC相比，重载铁路智能驾驶系统RBC存在如下不同：

（1）采用与ETCS系统通用的架构，由调度系统直接与RBC交互，并发送临时限速命令，RBC将临时限速命令直接存储于非易失性存储器中，省去TSRS，从而降低了成本。

（2）出于成本考虑，暂时未对既有信号集中监测系统（centralized signal monitoring system，CSM）进行升级改造，未增加与RBC的接口。由于CSM接入的是RBC的维护单元，相关信息都已经存储在维护单元中，因此即使没有该接口，也不影响RBC的可维护性。将来若有需要，RBC可以很容易地增加该接口。

（3）车载设备采用LKJ-15C，其承担了车载ATP的功能，并且由于LKJ本身就是CTCS-0级的防护系统，因此具备与CTCS-0级系统的兼容性。相比再增加一套车载ATP设备的架构，其大幅度降低了成本。

（4）RBC通过4G无线通信网络（LTE/LTE-R）与车载LKJ-15进行双向无线通信，通信速率更高、通信容量更大。

（5）直接采用以太网接口，不再需要配置ISDN PRI卡与移动交换中心连接，降低了设备成本。

以上的不同并不影响该RBC应有的控车功能。与C3级RBC相比，除了既有的8项主要控车功能外，该RBC还增加了调车防护、闭塞制式配置等功能，使之更加符合重载铁路的要求。

2 关键技术与功能的改进

基于重载货运铁路的实际特点，本文从闭塞制式、等级转换、列车定位、车地交互、RBC/RBC交权以及增加自定义信息等6个方面对RBC进行了改进。

2.1 闭塞制式

C3/E2系统仅支持准移动闭塞（仍属于固定闭塞）制式，移动闭塞功能按照规划将由正在研究中的C4/E3系统提供，神朔铁路智能驾驶系统第一阶段也仅开通固定闭塞功能。由于移动闭塞对缩短追踪间隔、提高运输能力具有积极的作用，因此在重载铁路领域，部分项目已经启动了移动闭塞相关功能的试验。为此，本RBC预留了根据静态配置数据确定是否使用移动闭塞制式的功能。若配置逻辑为真，则支持移动闭塞功能，MA的终点以前方列车的车尾（再后撤一个安全距离）作为目标点；若配置逻辑为假，则仍然使用固定闭塞制式，所发送的MA以闭塞分区/进路为组成单元。

2.2 等级转换

在智能驾驶系统中，为列车定义了2个等级，即SSHTCS-3级和SSHTCS-0级。前者是所有系统正在工作工况下的等级，后者作为后备等级（控制方式与CTCS-0级的相似）。

在SSHTCS-3等级下，列车依据RBC所发送的MA运行。与RBC无线通信断开后，智能驾驶系统降为SSHTCS-0级，此时应当在人工模式下由司机负责行车安全，LKJ-15C限制列车在一个设定的低速下运行；当运行至能看到下一个信号机后，再由司机手动确认转为由LKJ-15C负责安全防护，按原有的三/四显示固定闭塞制式行驶。当无线通信重新建立并获取到新的行车许可后，重新升级为SSHTCS-3级。

2.3 列车定位

列车的准确定位是RBC控车的基础，MA的计算和紧急命令的发送均基于列车当前位置信息。

E2/C3系统采用应答器作为标准定位设备，车载ATP读取列车行驶过程中经过的应答器的数据并向RBC报告这些应答器的ID和列车行驶方向、位置偏移等信息，从而使RBC能够确定列车的位置和方向，是一种典型的点式定位方式。

若智能驾驶系统继续采用应答器定位，对于RBC，虽然可以使用成熟的定位算法来降低研发难度，但是由于需要在沿线安装应答器，增加了建设和维护成本。因此，系统仅在进出站等极少数位置增加了应答器；而对于线路的其余大部分区域，则采用虚拟应答器的方式来解决定位问题。

虚拟应答器以基于全球导航卫星系统（GNSS）如GPS、北斗、GLONASS等的定位方式为基础。当前，无论是欧洲、美国还是中国，相关技术人员都在研究使用卫星定位系统定位列车的方法[6]以降低成本。智能驾驶系统在车载设备上增加卫星定位装置，并在地面股道数量多、站场布置复杂的地方加设地面差分定位基站以提高精度，通过预先测定线路的关键点坐标，在运行时根据列车的实时坐标来确定列车位置。RBC则需要预先在数据中配置各个关键点的线路坐标，当收到LKJ-15C发的位置报告后，才能够计算出列车在线路上的位置，从而以较低的成本解决列车定位问题。

2.3.1 列车位置

使用真实应答器时，列车位置采用经过的应答器加偏移的方式确定。由于安装位置（须避开信号机和道岔岔心等位置）和数量等相关要求，当应答器布置在道岔岔前时，列车经过道岔后，其定位将出现歧义（图3），即RBC将无法分辨列车究竟位于哪条股道。

图3 列车定位歧义Fig.3 Ambiguous train position

由于采用了虚拟应答器，应答器的位置与数量将不再受到限制，因此本系统将所有信号机及岔心的位置均设置为虚拟应答器所在，列车的位置报告也不再以单一应答器为基准，而同时以前后两个虚拟应答器为基准确定其位置，即列车在位置报告中将向RBC同时指明当前位置与前方应答器及后方应答器的距离。如图4所示，用应答器A和应答器B可以确定列车1的位置，用应答器A和应答器C可以确定列车2的位置。采用该种定位方式，列车位置不再有歧义。

图4 基于双虚拟应答器的列车定位Fig.4 Train location based on two virtual balises

2.3.2 列车方向

真实应答器通常以应答器组为单位进行安装（每组可包含多个应答器），其根据列车经过应答器组中各应答器的顺序，可确定其相对于应答器组的方向。而虚拟应答器则无此功能，其采用结合多个位置报告的方式确定列车朝向：

（1）当列车速度为0时，通过同一列车上的本务机车LKJ和非本务机车LKJ所报告的位置，可以确定列车的朝向（规定本务LKJ始终为当前车头所配置的LKJ）；

（2）当列车开始运动时，通过列车前后两次报告的位置的变化以及列车所报告的当前是正向运行还是反向运行的信息，可确定列车的方向。

2.4 车地交互

“神华号”机车智能驾驶系统的车载ATP系统并非以E2/C3系统的车载ATP为基础，而是采用LKJ-15C装置作为车载ATP。新一代的LKJ装置除了具备原有的CTCS-0级系统的功能之外，还增加了与车载北斗定位系统、车载调车防护系统、ATO系统和AOM系统的接口；为了能够实现车地双向无线通信，又增加了与RBC交互的功能。与C3系统相比，本智能驾驶系统的车地交互在无线通信制式、安全通信协议、MA、临时限速等方面均有自己的特点，此外还增加了调车防护功能。

2.4.1 无线通信制式

由于E2/C3系统使用固定闭塞（准移动闭塞）制式，车地通信周期通常为6 s；而在移动闭塞制式中，较长的通信周期会使地面系统因无法及时获取列车状态信息而做出安全反应，因此本智能驾驶系统采用城轨CBTC系统的通信频率，每周期（300 ms）都进行车地双向通信。

在E2/C3系统中，RBC与车载ATP之间通过GSM-R无线网络进行通信，该网络属于2G网络，通信带宽较低。与之相比，“神华号”机车智能驾驶系统由于要支持移动闭塞以及调车防护功能，通信数据量大、通信频率高，因此对车地之间的通信带宽要求更高。基于4G无线通信技术的LTE-R网络已经开始作为铁路专用通信制式在我国开展了相关试验，取得了良好的效果，因此本文选择4G通信网作为车地无线通信网络。在还未部署LTE-R网络的地方，可以先采用移动通信运营商所提供公共4G网络（使用VPN的方式），但通信的可靠性会降低。

2.4.2 安全通信协议

E2/C3系统采用欧洲标准 Subset-037[7]规定的车地无线安全通信协议防范风险，其采用GSM-R的电路交换的通信制式，该协议仅支持车地之间建立一条通信通道，而没有冗余。

本智能驾驶系统使用了4G无线网络。为了提高通信可靠性，减少列车降级可能，在车地之间同时建立两条互为冗余的通信通道，并使用了符合欧洲标准Subset-098[8]的 RSSP-II安全通信协议[9]以支持冗余通信。

2.4.3 行车许可

在E2/C3系统中，RBC向车载ATP发送MA时，不仅包括列车能继续运行的距离、临时限速、模式曲线等动态数据，还包括在许可范围内的全部静态线路数据，如静态限速、坡度、应答器列表、轴重限速、黏着系数，甚至分相区、无线盲区、隧道停车区、禁停区、限界和牵引供电制式等信息。由于LKJ-15C自身已配置了所需的静态线路数据，因此RBC发送MA时无需再向其发送静态线路数据，从而节约了通信数据流量。

2.4.4 临时限速

在C3/E2系统中，RBC仅向车载ATP发送MA范围内的临时限速。由于C3系统采用了临时限速服务器以同时向C3的RBC和C2的TCC下达临时限速命令，即使列车从C3等级降为C2等级，依然能确保列车通过C2系统时能及时获取最新的临时限速（经由有源应答器）。

由于LKJ长期应用于既有线路，有自己的临时限速命令接受方式，即一次性地将全部临时限速命令写入存储卡中供LKJ读取。该方式的缺点在于列车运行途中无法修改既有临时限速（temporary speed restriction，TSR）命令。本智能驾驶系统增加了RBC，因此具备了采用无线通信方式实时发送TSR命令的基础，其优点是命令可以随时被修改，且不受存储卡的读写寿命限制。但若沿用C3系统的TSR命令发送方式，即仅发送MA范围内命令，一旦由于无线通信断开导致系统降级运行，列车将无法获得其前方的临时限速，必然会导致安全风险。因此，本RBC采用了新的命令发送方式，即在列车注册时就把整个管辖范围内的全部限速下发给列车，以确保列车即使因无线通信断开而降级，也不会缺少后续行驶范围的临时限速。

为了保持兼容性和操作人员的习惯，系统没有使用C3系统的命令格式，而是延续原LKJ所使用的命令格式。

在性能方面，C3系统要求能同时处理至少50个临时限速；而本系统为了与原使用习惯相兼容，与既有LKJ一样支持224个临时限速。

2.4.5 调车防护

在C3系统中，RBC并不涉及具体调车功能，标准中所定义的调车功能，仅是针对列车转入调车模式的申请进行允许或拒绝。即当列车申请调车时，RBC对列车当前状态做一个简单的判断，若列车处于调车区且车速为0，则允许调车；否则，拒绝。当车载设备接收到调车允许之后，转入调车模式，RBC将主动注销列车，不再干预调车。

对于重载货运铁路，调车是系统的重要功能之一，若智能驾驶系统不能控制调车，则系统功能不完整。我国铁路既有的调车防护功能由无线调车机车信号与监控系统承担[10]。该系统分为地面装置和车载装置两部分，地面装置通常使用无线数传电台的方式向车载装置发送调车防护信息，并接收车载装置发送的机车状态信息。调车防护信息中包括站场信号、区段状态、进路信息及调车作业单等。在本系统中，除调车作业单改由智能调度子系统下发外，其余信息均由RBC发送给车载调防装置。车载调防系统根据收到的信息，完成调车防护功能，并将机车实时状态信息发给智能调度子系统。使用智能驾驶系统，可以取消原调监系统地面装置以降低成本，同时由于RBC使用了安全通信协议，能更好地保障调车防护信息传递的安全性。

2.4.6 无线报文

C3系统需求规范中[3]规定了车地通信的无线消息与信息包，然而既有的无线报文仅能满足我国高铁既有C3列控系统的交互需求，对于本智能驾驶系统的一些特殊需求并无定义。针对扩展需求，CTCS规范延续了ETCS标准的方式，在制定消息格式时已经预留了拓展方法，本智能驾驶系统据此自定义了一部分信息包，如调车相关信息、重载列车数据信息等。

2.5 RBC/RBC交权

既有的C3系统的RBC所使用的列车交权方式与E2系统的相同[11-12]，目前仅能支持固定闭塞制式下的交权。当配置为移动闭塞制式后，需要传递更多的信息才能保证列车以移动闭塞的方式不减速地越过RBC/RBC边界。因此与车地无线报文一样，本系统自定义了数个用于地地（相邻RBC）之间交互的自定义信息包，用于传递交权列车头尾筛状态、交权边界区段的占用状态等信息。此外，部分自定义车地信息包也会应用在交权过程，例如列车数据、调车防护信息等。

2.6 自定义信息

根据E2/C3的系统需求规范，编号为44的信息包Packet 44（简写为“P44”）专用于自定义信息包，以扩展自定义功能。每个P44都有一个自身的编号NID_XUSER，其为一个9位的数字（二进制），取值范围从0到511。由于中国国家铁路集团有限公司已经定义了数个自定义P44用于我国铁路的一些专有功能，其编号从1开始，为了避免冲突，本系统从127开始定义。每个自定义信息包及其变量的格式定义均符合CTCS/ETCS标准的要求，这有利于未来该系统与CTCS系统的整合。

表1中，方向为“地→车”的信息包由RBC发送给LKJ，“车→地”的信息包由LKJ发送给RBC，“地→地”的信息包则是相邻RBC之间互传的信息。

表1 自定义信息包Tab.1 Custom packets

3 应用

根据“神华号”机车智能驾驶系统对RBC的功能需求，本文共编制了541个测试用例，并在半实物仿真测试环境中进行了测试。测试结果表明，相关功能均达到预期。

目前，本文所提出的RBC系统已应用于“神华号”机车智能驾驶系统并已在神朔铁路开通了第一阶段功能，即系统使用固定闭塞方式并具备调车防护功能。经现场试验应用统计，智能驾驶系统的控车率超过90%，不仅在减少能耗、降低司机劳动强度等方面发挥了作用，同时重载列车的平均运营速度提高了4～5 km/h（经换算每日可多开行5～6列万吨重载列车）[13]，显著提升了运营效率。