熊飛

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308)

我國貨運(yùn)鐵路移動閉塞系統(tǒng)研究主要是以軌旁設(shè)備為核心，基于無線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，早在2014年就開始基于車車追蹤的重載鐵路移動閉塞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備研究，并引入了慣性導(dǎo)航(以下簡稱“慣導(dǎo)”)/衛(wèi)星組合的導(dǎo)航系統(tǒng)，作為新的定位和測速方案。目前移動閉塞系統(tǒng)在重載鐵路大型車站中相關(guān)應(yīng)用[1]、重載鐵路移動閉塞降級系統(tǒng)[2]、基于LTE技術(shù)重載鐵路移動閉塞通信系統(tǒng)[3]等方案，都在朔黃鐵路(神池南—黃驊港)通過測試且應(yīng)用情況較好。但這些研究都建立在CTCS-3級列控系統(tǒng)架構(gòu)之上，基于LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，但沒有考慮到貨運(yùn)鐵路列控系統(tǒng)對列車自動駕駛(Automatic Train Operation，ATO)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字孿生技術(shù)、5G-R通信網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)復(fù)雜需求。

為彌補(bǔ)上述不足，提出以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)的、基于5G-R通信網(wǎng)絡(luò)、具備ATO功能的重載列車移動閉塞系統(tǒng)(以下簡稱“TBTCHY-3系統(tǒng)”)，其具備ATO新特性，且系統(tǒng)運(yùn)維采用數(shù)字孿生技術(shù)。ATO多用于城際鐵路和市域鐵路中，我國對ATO應(yīng)用于重載鐵路的研究較少。目前已開通的具有城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)且能實(shí)現(xiàn)自動駕駛功能的主要有2種制式：一種是基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control，CBTC)，ATO系統(tǒng)作為ATC系統(tǒng)的子系統(tǒng)；另一種是基于CTCS-2/3級列控系統(tǒng)并增加ATO功能。TBTCHY-3級重載列車控制系統(tǒng)是基于CTCS-3級列控系統(tǒng)并增加了ATO功能?；诖?，分析TBTCHY-3系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)適用于貨運(yùn)鐵路的ATO功能，以更好推動貨運(yùn)鐵路產(chǎn)業(yè)體系升級發(fā)展。

1 系統(tǒng)組成

與以軌旁設(shè)備為核心的移動閉塞相比較，TBTCHY-3系統(tǒng)承接了《高速鐵路ATO系統(tǒng)總體暫行技術(shù)規(guī)范》(鐵科信[2019]21號)、朔黃鐵路重載移動閉塞的階段性實(shí)驗(yàn)成果，借鑒了CTCS-3列控系統(tǒng)架構(gòu)，使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為列車定位和測速測距，同時包含了貨運(yùn)列車所需的ATO部分功能。

地面設(shè)備由控制中心、設(shè)備集中站設(shè)備、軌旁設(shè)備構(gòu)成?？刂浦行闹饕锌刂行?Train Control Center，TCC)、調(diào)度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control，CTC)、臨時限速服務(wù)器(Temporary Speed Restriction Server，TSRS)、無限閉塞中心(Radio Block Center，RBC)、數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器；設(shè)備集中站設(shè)備主要包括聯(lián)鎖(Computer Interlocking，CI)、CTC車站設(shè)備、RBC、5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；軌旁設(shè)備包括信號機(jī)、道岔、軌道占用(檢查)設(shè)備、無源應(yīng)答器，以及傳輸車-地雙向數(shù)據(jù)的5G基站。車載設(shè)備由車載主機(jī)(ATP柜、車載5G-R設(shè)備)、天線和應(yīng)答器傳輸模塊(BTM)、速度傳感器、雷達(dá)傳感器、人機(jī)交互設(shè)備(MMI)、車載記錄器等構(gòu)成，TBTCHY-3級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TBTCHY-3級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of TBTCHY-3 level system

TBTCHY-3級系統(tǒng)在TSRS新增ATO單元，并在CTC中心增加接口服務(wù)器與TSRS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。RBC、CI、軌道占用檢查設(shè)備維持CTCS-3級不變[4]。TBTCHY-3級系統(tǒng)車載設(shè)備通過超可靠、超低時延的5G-R通信網(wǎng)絡(luò)，與CI，RBC，CTC之間信息傳輸，并對軌旁設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用的5G-R通信網(wǎng)絡(luò)是基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5-6]，采用NFV架構(gòu)優(yōu)勢是用軟、硬件解耦及功能抽象，使得技術(shù)升級不依賴于新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，降低了造價和管理難度；采用SDN架構(gòu)的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)面和控制面分離，使網(wǎng)絡(luò)控制更靈活有效，避免數(shù)據(jù)擁塞，并且能和“云計(jì)算”結(jié)合，如部署于SDN控制器上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件，亦能部署于“云計(jì)算”虛擬機(jī)中。NFV應(yīng)用于OSI模型的4至7層，SDN應(yīng)用于OSI模型的2至3層。NFV與SDN兩者相互補(bǔ)充，且互不依賴，兩者各自發(fā)揮作用，使5G-R 網(wǎng)絡(luò)更智能，同時降低成本。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于TBTCHY-3系統(tǒng)組成的研究，對TBTCHY-3系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)、地面應(yīng)答器進(jìn)行設(shè)計(jì)，列車定位和測速采用慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合系統(tǒng)(以下簡稱“組合導(dǎo)航系統(tǒng)”)作為主要手段，應(yīng)答器作為輔助手段。應(yīng)答器系統(tǒng)作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充，主要用于因密林、隧道等遮擋失去衛(wèi)星信號的列車定位。當(dāng)衛(wèi)星信號丟失時，組合導(dǎo)航系統(tǒng)僅以慣導(dǎo)模式工作，直至衛(wèi)星信號恢復(fù)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息恢復(fù)后，TBTCHY-3級系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)置的中斷事件參數(shù)重新對準(zhǔn)，并計(jì)算位置、速度、加速度、距離。

2.1 基于北斗衛(wèi)星的組合導(dǎo)航系統(tǒng)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)車載設(shè)備由慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、慣導(dǎo)主機(jī)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊、組合計(jì)算機(jī)4部分組成，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的車載組成如圖2所示。地面設(shè)備由地面差分站、地面接收天線組成。組合導(dǎo)航系統(tǒng)車載設(shè)備與車載控制器(Vehicle on-board controller，VOBC)設(shè)備的接口安裝于機(jī)車上。地面差分站與信號機(jī)械室合設(shè)，通過5G-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)差分站鏈路。地面接收天線設(shè)于既有無線列調(diào)鐵塔上或信號房屋頂部。

圖2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的車載組成Fig.2 On-board composition of integrated navigation system

組合導(dǎo)航系統(tǒng)可細(xì)分為以下3個功能。

（1）實(shí)時提供列車頭部衛(wèi)星定位信息。當(dāng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置為組合模式時，系統(tǒng)上電后向衛(wèi)星導(dǎo)航板卡輸出存儲的位置信息(根據(jù)需求)，北斗衛(wèi)星信號到來前，按一定頻率采集IMU數(shù)據(jù)，通過加速器(指測量線性加速度的一種傳感器)數(shù)據(jù)判斷列車是否為持續(xù)靜態(tài)，并將靜態(tài)位置信息持續(xù)保存，為車載的衛(wèi)星導(dǎo)航板卡解析并初次與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對準(zhǔn)位置信息，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)衛(wèi)星信號丟失，組合導(dǎo)航系統(tǒng)僅按照慣導(dǎo)模式工作，直至北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號恢復(fù)或車載設(shè)備通過應(yīng)答器數(shù)據(jù)獲得定位位置信息為止；當(dāng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號恢復(fù)后組合導(dǎo)航系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重新對準(zhǔn)位置信息或直接耦合位置信息，并在經(jīng)過下一個應(yīng)答器時，按應(yīng)答器預(yù)先寫入的信息再次校正導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置信息。

（2）對機(jī)車載體姿態(tài)、速度、位置的測量。作為新的速度傳導(dǎo)系統(tǒng)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴其他設(shè)備，獨(dú)立完成列車測速、測距功能，突破既有的速度傳感器和雷達(dá)的測速方案，新的速度傳導(dǎo)系統(tǒng)能輔助列車測速，并判斷車輪是否空轉(zhuǎn)或打滑。

（3）列車完整性檢查。此功能需要通過具有定位功能的可控列尾配合實(shí)現(xiàn)，TBTCHY-3級系統(tǒng)檢查通過組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備和可控列尾，實(shí)時獲取列車首尾的定位信息。發(fā)車前，司機(jī)通過MMI輸入當(dāng)前列車的種類、列車車輛編組數(shù)目、車長等信息，車長是經(jīng)由車載系統(tǒng)自動換算成整列車的長度。在非隧道區(qū)域場景下，列尾設(shè)備將周期性獲得的衛(wèi)星定位信息通過5G-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載設(shè)備，車載設(shè)備通過可控列尾獲得的定位信息與車載主機(jī)獲得的衛(wèi)星定位信息比較，計(jì)算出頭車坐標(biāo)到列尾坐標(biāo)的距離|DA|，正常情況下，|DA|的值應(yīng)小于車長、車頭BD模塊定位誤差、車尾BD模塊定位誤差、完整性判斷余量4部分的和值；否則，系統(tǒng)認(rèn)為列車已經(jīng)解編或失去完整性，出于安全考慮，系統(tǒng)將采取緊急制動停車且不能緩解。在隧道區(qū)域場景下，通過北斗衛(wèi)星向車頭車尾以發(fā)送北斗短報(bào)文的方式檢查列車完整性時，需要先保證隧道內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋。工程上是通過基站結(jié)合光纖直放站、泄露電纜等方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋；如遇到連續(xù)隧道的應(yīng)用場景，在相鄰的隧道之間，采用小區(qū)合并技術(shù)，多個射頻拉遠(yuǎn)單元(Remote Radio Unit，RRU)能復(fù)用1個小區(qū)，達(dá)到減少隧道間切換，保證信號傳輸質(zhì)量。在隧道覆蓋中，常用方案是信源設(shè)備通過多系統(tǒng)接入平臺(Point Of Interface，POI)合路，然后將合路后的信號分到室外天線或饋入漏纜中，同時采用上下行分纜方式，增加纜與纜之間的空間隔離距離，同時充分考慮隧道避車洞的分布位置、上端站的位置，合理組網(wǎng)，并在隧道口設(shè)置多頻外延天線，以解決隧道口信號強(qiáng)度覆蓋弱的問題，保障整個網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋[7]。

2.2 地面應(yīng)答器設(shè)置方案

在西部鐵路或者較空曠區(qū)域，組合導(dǎo)航系統(tǒng)向VOBC實(shí)時輸出列車頭部的位置，實(shí)現(xiàn)車車追蹤功能，應(yīng)答器設(shè)置可間隔距離較大，采用如下方案。

（1）在隧道口的始端和末端，及區(qū)間每1 km設(shè)置1個定位應(yīng)答器，作為該系統(tǒng)定位的校正和補(bǔ)充。

（2）在信號機(jī)外方布置2個無源定位應(yīng)答器，用途是目視行車模式下，列車通過該信號機(jī)時能獲得位置信息，且前方信號機(jī)為開放狀態(tài)時，系統(tǒng)通過5GR網(wǎng)絡(luò)接收到RBC行車許可，然后自動升級為完全監(jiān)控模式。

（3）站臺(裝車臺)兩端位置各設(shè)1個無源應(yīng)答器，用于停車前最后一次精確位置校正。站臺中適當(dāng)位置(距離端部無源應(yīng)答器200 m)各設(shè)置1個無源應(yīng)答器，列車提前接收到停車位置信息，以實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)列車控制系統(tǒng) ATO精確定位功能。

3 系統(tǒng)新增ATO特性

在車載設(shè)備中，TBTCHY-3級系統(tǒng)運(yùn)用成熟的ATP硬件，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合重載列車的使用需求，針對ATO子系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與新增。

3.1 牽引和制動

現(xiàn)有的CTCS-2/3+ATO系統(tǒng)中，動車組車載設(shè)備和ATO子系統(tǒng)之間經(jīng)由多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，ATO子系統(tǒng)分級控制，定速巡航時，列車會在牽引、制動2個狀態(tài)間頻繁切換。由于重載列車普遍車長較長，制動距離相對較大時，且制動后又不能快速緩解制動，這樣在切換過程中導(dǎo)致列尾風(fēng)壓不足，嚴(yán)重時導(dǎo)致重載列車制動力不足，進(jìn)而危及行車安全；另外重載列車在牽引力施加時，車鉤突然從壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，容易導(dǎo)致出現(xiàn)車鉤斷鉤問題；為此，在施加牽引力的過程中需要逐步順滑加載[8]。因此，在保證安全的前提下，ATO車載設(shè)備根據(jù)地面設(shè)備提供的運(yùn)行計(jì)劃，結(jié)合列車的實(shí)際運(yùn)行情況、線路條件(線路速度、線路坡度、曲線半徑等)合理牽引和制動。

3.2 精確定位

ATO子系統(tǒng)控制列車停車功能，即列車精確定位功能。地面設(shè)備，如股道中間需增加精準(zhǔn)定位應(yīng)答器，考慮到重載列車運(yùn)營方式和城際鐵路有較大區(qū)別，相比于城際鐵路ATO子系統(tǒng)需要站臺精確停車并聯(lián)動屏蔽門的應(yīng)用場景，TBTCHY-3級系統(tǒng)的ATO子系統(tǒng)對停車精度的要求相對不高。基于成本、人工、施工改造難易程度的考慮，可減少股道中間的精確定位應(yīng)答器個數(shù)。

3.3 列車運(yùn)營計(jì)劃接收與執(zhí)行

ATO子系統(tǒng)通過司機(jī)輸入的車次號，自動請求列車編組、轉(zhuǎn)換車長、總重量等信息用于控車，司機(jī)只負(fù)責(zé)核對該編組信息是否正確，減輕了司機(jī)勞動強(qiáng)度。新增的注冊列車數(shù)量、列車總重量等信息先由車載傳遞到TSRS，并由TSRS轉(zhuǎn)發(fā)至CTC，TSRS實(shí)時接收CTC運(yùn)行計(jì)劃，并將站間線路數(shù)據(jù)傳遞至ATO車載設(shè)備。由列車超速防護(hù)系統(tǒng)生成移動授權(quán)，控制列車運(yùn)行[9]。當(dāng)運(yùn)行計(jì)劃改變或者運(yùn)行計(jì)劃失效時，RBC子系統(tǒng)及時通過MMI提醒司機(jī)，同時以北斗短報(bào)文的方式，將列車的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)信息反饋至地面CTC中心，調(diào)度員隨時掌握車輛運(yùn)行情況，正確下達(dá)相應(yīng)調(diào)度命令。

3.4 遠(yuǎn)動控制

鐵路信號遠(yuǎn)動控制技術(shù)是遙控、遙信、遙測技術(shù)的總集。重載列車經(jīng)常采用多機(jī)重聯(lián)模式運(yùn)行，ATO子系統(tǒng)通過5G-R網(wǎng)絡(luò)，在控制本務(wù)列車的同時，也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制重聯(lián)機(jī)車[10]，即調(diào)度員通過ATO子系統(tǒng)發(fā)出控制命令控制本務(wù)機(jī)車和重聯(lián)機(jī)車。

3.5 AI學(xué)習(xí)優(yōu)化

ATO子系統(tǒng)具有一定的人工智能、學(xué)習(xí)優(yōu)化功能。重載列車往往機(jī)車交路長度大，經(jīng)?？玷F路局集團(tuán)公司跨線運(yùn)行，且牽引重載列車的機(jī)車型號較多，牽引特性亦不完全一致。ATO子系統(tǒng)需要有良好的通用性和一定的人工智能，通過采用數(shù)字孿生技術(shù)收集并自主分析司機(jī)人工操縱時的習(xí)慣動作，尋找出司機(jī)的關(guān)鍵操作點(diǎn)、關(guān)鍵操作時刻，ATO子系統(tǒng)從而吸收司機(jī)人工操縱的優(yōu)點(diǎn)，并不斷自我訓(xùn)練，持續(xù)優(yōu)化輔助控車水平，從而提高運(yùn)輸效率，降低司機(jī)勞動強(qiáng)度，間接起到保障運(yùn)輸安全的功能。

4 結(jié)束語

通過研究和分析，提出新型重載列車移動閉塞系統(tǒng)，新增部分ATO特性，在保證行車安全的前提下，在九礦—苗圃—寶豐3站2區(qū)間測試了發(fā)車間隔時間，并進(jìn)行單相追蹤運(yùn)輸試驗(yàn)和上、下行追蹤運(yùn)行試驗(yàn)，在上、下行追蹤運(yùn)行測試中，42 min內(nèi)上、下行共計(jì)可通過4列車，大幅提升區(qū)間交會能力，系統(tǒng)順利通過測試，為展開進(jìn)一步的工程化實(shí)驗(yàn)研究提供了理論支撐，也為開展進(jìn)一步的工程化實(shí)施創(chuàng)造了條件。系統(tǒng)的應(yīng)用可推動設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)單位提高貨運(yùn)專線鐵路的技術(shù)水平，也有助于重載鐵路進(jìn)一步增運(yùn)上量，同時達(dá)到降本、增效的作用。