CN111688767B - 一种ctcs系统与cbtc系统叠加的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，在不影响CTCS系统和CBTC系统原有车载设备配置的条件下，通过在重叠区域的轨旁同时部署CTCS‑2轨旁设备和CBTC轨旁设备两套不同制式的设备，让不同制式的信号系统共存，保障CBTC列车和CTCS列车能够在重叠区域安全可靠的混跑混行，提升重叠区域线路运输能力。

Description

一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法。

背景技术

当今交通拥堵问题十分严峻，不管是城市内部的道路交通还是大城市间的市域交通，都存在一定程度的拥堵。面对高速发展的城市化进程和日益增加的交通压力，国内外诸多城市选择以轨道交通系统为主要客运模式的公共运输网络系统来解决交通堵塞问题。目前，我国的轨道交通形式主要有高铁/客运专线、城际铁路、市郊铁路、地铁/轻轨等，其系统制式分为：主要面向干线铁路的CTCS系统(中国列车运行控制系统)、以及主要面向城市轨道交通的CBTC系统(基于通信的列车自动控制系统)两种。

我国干线铁路的目标速度值均在160km/h以上，客运专线和高铁的设计速度分别为250km/h和350km/h，主要服务于长距离、大运量的客流，其服务半径一般在70km以上，因此国铁干线无法解决单一城市内部的交通运输问题。而在城市内部，城市轨道交通的速度目标值一般不超100km/h，主要服务于中心城区的通勤客流，其服务半径一般不超过35km。越来越多的干线铁路需要面临穿越城市中心区域的问题，其目的是为主城和卫星城、组团城区之间以及沿途城镇的客流出行提供快速、大容量、公交化运营的公共交通服务，满足大型城市的经济发展需求，促进城乡统筹发展，带动沿线经济及社会进步。这也使得国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接的需求得到社会各界广泛的关注。

为适应公交化运营需求，我国现行的市域铁路信号系统主要方案是CTCS2+ATO，是指在CTCS-2(CTCS 2级)的基础上叠加了列车自动驾驶(ATO)功能，来实现站间自动运行、车站定点停车、自动折返、列车运行自动调整、车门站台门防护及联动控制、列车节能运行等功能。相比传统的CTCS-2系统，CTCS2+ATO系统在地面增加了精确定位应答器实现列车进站精确停车，增加通信控制服务器(CCS)设备实现屏蔽门联动控制和运行计划下发。车载设备则增加了GSM-R无线通信单元和列车自动驾驶ATO设备，实现无线通信和列车自动驾驶。CTC(铁路调度集中)增加运行调整功能以配合ATO功能的应用。TCC(轨道交通线网指挥中心)增加了屏蔽门、站台紧急关闭的采集驱动功能。CTCS2+ATO系统主要应用在城际铁路中，其特点是能够提高列车自动化等级，实现列车精确停车，并且不影响国铁网络。

CTCS2+ATO系统的优点在于：系统成熟、可靠，自动化程度高；工程造价低，适应低密度运营的市域轨道交通线路，性价比高；可以依据CTCS标准可实现线网内部的互联互通。但应用在国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接的场景中，其缺点在于：轨旁设备较多，后期维护量较大；其中ATO功能是基于GSM-R的平台开发，地方业主难以取得GSM-R的频率资源；CTCS平台尚无3min以内的运营业绩，不确定是否能适应线路远期的运营需求。此外，因为目前城际铁路中使用的CTCS-2系统还并不是一种连续的信号，CTCS2+ATO系统虽然提高了列车进站停车的精度，但是该系统设计的最小列车追踪间隔并不能满足大城市对于城市轨道交通快速疏散大量人流的需求。

因此，目前国铁干线铁路与城市轨道交通的衔接问题的主要的研究方向不再是融合ATO，而是进一步将应用于市域铁路的CTCS-2系统和应用于城市轨道交通的CBTC系统有机结合，在不影响线路安全性和互通性的条件下，提高线路容量，满足居民的出行需求；但是，目前还没有较为有效的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，通过在重叠区域配置区域控制设备和列车精确停车应答器，部署车地无线通信等兼容性改造方案，提升重叠区域线路运输能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，包括：应用国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接的区域，也即重叠区域；

在重叠区域的轨旁同时部署CTCS-2轨旁设备、CBTC轨旁设备以及配套的车地无线通信网络，构成相应的CTCS-2轨旁层与CBTC轨旁层；CBTC列车和CTCS列车既有的车载设备，构成相应的CBTC车载层与CTCS-2车载层，通过配套的车地无线通信网络与对应的CBTC轨旁层、CTCS-2轨旁层通信；重叠区域内还设有由既有的轨旁设备构成的轨旁信号层供CTCS系统与CBTC系统共同使用；

重叠区域内CBTC列车和CTCS列车混跑混行时，后方列车通过轨旁信号层与相应的轨旁层，计算移动授权与相应的列车控制曲线。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在不影响CTCS系统和CBTC系统原有车载设备配置的条件下，通过在重叠区域的轨旁同时部署CTCS-2轨旁设备和CBTC轨旁设备两套不同制式的设备，让不同制式的信号系统共存，保障CBTC列车和CTCS列车能够在重叠区域安全可靠的混跑混行，提升重叠区域线路运输能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的CTCS与CBTC系统叠加技术方案示意图；

图2为本发明实施例提供的CTCS-2系统叠加CBTC系统的层级示意图；

图3为本发明实施例提供的CBTC列车追踪CBTC列车场景示意图；

图4为本发明实施例提供的CTCS-2列车追踪CTCS-2列车场景示意图；

图5为本发明实施例提供的CBTC列车追踪CTCS-2列车场景示意图；

图6为本发明实施例提供的CTCS-2列车追踪CBTC列车场景示意图；

图7为本发明实施例提供的通信列车工作流程示意图；

图8为本发明实施例提供的非通信列车监测管理流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，主要应用于国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接的场景，能够在不影响CTCS系统和CBTC系统原有车载设备配置条件下，通过在重叠区域的轨旁同时部署CTCS-2轨旁设备和CBTC轨旁设备两套不同制式的设备，让不同制式的信号系统共存，保障CBTC列车和CTCS列车能够在重叠区域安全可靠的混跑混行，提升重叠区域线路运输能力，并且将重叠区域纳入干线铁路网络统一管理。

如图1所示，本发明提出的CTCS与CBTC叠加方法，是指在CTCS线路的特定区域增加CBTC轨旁设备，即重叠区域内的轨旁包括CTCS轨旁设备和CBTC轨旁设备两套，CBTC列车通过自动折返的方式仅在重叠区域内运行，CTCS列车可以直接通过重叠区域。在重叠区域内，CTCS轨旁设备和CBTC轨旁设备存在接口(CBTC系统轨旁的ZC与CTCS-2的列控中心存在接口)，CTCS列车和CBTC列车各自独立运行。该方案不需要设置切换区域，全线都能纳入CTCS干线铁路网络管理，但由于在重叠区域内有CTCS列车和CBTC列车混跑，列车不全以移动闭塞方式运行。

如图2所示，CTCS-2叠加CBTC信号系统的层级示意图。CTCS-2轨旁层(C2 ATP轨旁层)与CBTC轨旁层，也即部署的CTCS-2轨旁设备、CBTC轨旁设备以及配套的车地无线通信网络。CBTC列车和CTCS列车既有的车载设备，构成相应的CBTC车载层与CTCS-2车载层(C2 ATP车载层)，通过配套的车地无线通信网络与对应的CBTC轨旁层、CTCS-2轨旁层通信；重叠区域内还设有一个控制中心层，以及既有的轨旁设备构成的轨旁信号层供CTCS系统与CBTC系统共同使用。为了防止不同系统之间出现的移动授权冲突，CTCS-2和CBTC系统使用共同的轨旁信号信息(信号机、轨道电路、应答器)来计算列车移动授权。CTCS-2列车和CBTC列车向同一个控制中心汇报其位置和运行状态，服从同一个控制中心的调度，区别在于CBTC系统利用ZC和车地无线通信网络，CTCS-2系统利用地面列控中心和调度集中数据网，由于控制中心属于列车运行调度范畴，故本发明不做过多介绍。重叠区域内CBTC列车和CTCS列车混跑混行时，后方列车通过轨旁信号层与相应的轨旁层，计算移动授权与相应的列车控制曲线。

本发明实施例中，CBTC轨旁设备主要包括：区域控制器(ZC)和列车精确停车应答器，并部署相应的车地无线通信网络，为CBTC通信列车计算移动授权，同时确保CTCS-2非通信列车的安全运行。CBTC车载层能够保障CBTC通信列车的安全完整性等级，实现列车进站精确停车、区间自动折返等自动驾驶相关功能。

本发明实施例中，CTCS-2轨旁设备主要包括：列控中心、临时限速服务器等，在固定闭塞条件下保障CTCS-2列车的移动授权。CTCS-2车载ATP设备根据列车参数和地面设备提供的轨道电路信息、线路数据、临时限速等，按照目标-距离模式生成控制曲线，监控列车安全运行。

本发明实施例中，重叠区域内CBTC列车和CTCS列车混跑混行包括如下场景：CBTC列车追踪CBTC列车场景、CTCS-2列车追踪CTCS-2列车场景、CBTC列车追踪CTCS-2列车场景、以及CTCS-2列车追踪CBTC列车场景。下面针对各个场景做详细介绍。

1、对于CBTC列车追踪CBTC列车场景。

如图3所示，CBTC车载层能够通过配套的车地无线通信网络与CBTC轨旁层实现双向通信，CBTC轨旁层(即ZC)向CBTC车载层发送移动授权，保障列车在移动闭塞条件下运行。后方CBTC列车追踪前方CBTC列车的移动授权终点为前方CBTC列车的尾端。

轨旁信号层(轨道电路)与CBTC轨旁层(即ZC)同时检查线路的占用与空闲状态。

2、CTCS-2列车追踪CTCS-2列车场景。

如图4所示，轨旁信号层(轨道电路)进行CTCS-2列车占用检查，连续向CTCS-2车载层传送行车许可相关信息。轨旁信号层设备中的应答器向各CTCS-2车载层提供列车定位、线路数据、进路数据和临时限速信息。地面列控中心具有对轨道电路编码、信号机点灯、区间占用逻辑检查等功能。各CTCS-2车载层将应答器提供的列车定位信息作为列车定位的校准辅助信息，并根据列车参数和地面设备(即，轨旁信号层与地面列控中心)提供的轨道电路信息、线路数据、进路数据和临时限速信息，按照目标-距离模式生成控制曲线，监控列车安全运行；后方CTCS-2列车追踪前方CTCS-2列车的移动授权终点为前方CTCS-2列车所在闭塞分区的起点。

3、CBTC列车追踪CTCS-2列车场景。

如图5所示，在CBTC系统中，CBTC轨旁层不能获得CTCS-2列车的位置，仅能通过CTCS-2列车的轨道电路占用状态(由轨旁信号层提供)来获得CTCS-2列车占用的多个逻辑区段，将CTCS-2列车作为非通信车进行检测和管理(后文将进行介绍)；在CBTC列车追踪CTCS-2列车的情况下，CBTC列车的移动授权终点是CTCS-2列车所在的物理轨道区段的起点。

4、CTCS-2列车追踪CBTC列车场景。

如图6所示，在CTCS-2系统中，CTCS-2轨旁层通过检查联锁区间占用逻辑，判断前方CBTC列车所在的闭塞分区被占用；在CTCS-2列车追踪CBTC列车的情况下，后方CTCS-2列车的移动授权终点为前方CBTC列车所在闭塞分区的起点。

本发明实施例中，对于CBTC系统而言，重叠区域内运行的列车包括：能够进行车地无线通信的CBTC列车与不能进行车地无线通信的非通信列车(CTCS-2列车)；对于CBTC列车，CBTC轨旁层根据从轨旁信号层获取到的信号以及CBTC车载层获取的列车位置，计算相应的移动授权并发送给对应CBTC车载层，由CBTC车载层计算紧急制动曲线；CBTC轨旁层根据轨旁信号层检测到列车是非通信列车时，将非通信列车移动授权设为物理占用的轨道区段，并将非通信列车设置的移动授权作为一个约束条件发送给重叠区域内全部的CBTC列车的CBTC车载层，由CBTC车载层计算安全制动曲线。不同类型列车的具体工作流程和管理方法具体如下：

1、通信车具体工作流程，如图7所示，主要包括：

1)CBTC系统的区域控制器(ZC)从轨旁联锁系统(轨旁信号层)接收到叠加区域内的线路占用状态和该区域内所有列车定位到轨道区段的位置信息。

2)CBTC通信列车(CBTC车载层)结合自身测速定位和轨旁应答器校准信息，计算自身精确位置信息，通过车载无线电台(CBTC车载层)发送到ZC。

3)ZC根据区域内所有列车的轨道区段位置信息，通信车的精确位置信息，计算通信车的移动授权，并发送给通信车。移动授权中包括本地化的线路数据和非本地化的临时限速数据，这些数据将允许列车计算其制动曲线。

4)CBTC通信列车在收到其移动授权后，计算本车的紧急制动曲线，列车在制动曲线内受到安全监控，以确保其不会超过移动授权。

2、非通信列车检测管理流程，如图8所示，主要包括：

1)轨道电路设备(轨旁信号层)检测到非通信车，联锁系统(轨旁信号层)将相关信息发送给ZC。

2)ZC检查列车是否为通信列车。如果列车为非通信车，将约束其移动授权为物理占用的轨道区段。

3)检测到非通信车后，考虑轨道电路占用的限制，ZC立刻将前方非通信车的移动授权作为一个约束条件发送给重叠区域内全部的通信列车(即CBTC列车)。

4)CBTC列车根据ZC的信息计算本车的安全制动曲线来确保列车不会越过移动授权终点。

本发明上述技术方案所带来的有益效果主要有以下几个方面：

1、增强主线铁路(局部)容量。

本发明技术方案能够在不影响列车车载设备配置条件下，通过在轨旁同时安装CBTC和CTCS两套轨旁设备，提高干线铁路的局部线路容量，适用于干线铁路与城市轨道交通相衔接等应用场景。

2、保障干线铁路的完整性和一致性。

本发明技术方案中CTCS-2列车不受影响，重叠区域增加了一些CBTC列车，但全线依然能在干线铁路网络中统一管理，保证了整个干线铁路网络的完整性和一致性。

3、保障不同类型的信号系统共存的安全性和可靠性。

本发明技术方案提出了一种线路上有不同类型列车混跑的方案，同时提出了相关通信列车和非通信列车的安全管理流程及相应场景，保障不同类型的信号系统可以在同一区域共存。

4、降低引进新技术的风险。

通过这种地面叠加方案衔接国铁干线和城市轨道交通网络，比直接研发同时适用于干线铁路和城市轨道交通的新型列车控制系统技术风险低，实际工程可用性高。

5、实现并优化多种信号系统协同工作的灵活性，提高信号系统的整体性能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，包括：应用国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接的区域，也即重叠区域；

在重叠区域的轨旁同时部署CTCS-2轨旁设备、CBTC轨旁设备以及配套的车地无线通信网络，构成相应的CTCS-2轨旁层与CBTC轨旁层；CBTC列车和CTCS列车既有的车载设备，构成相应的CBTC车载层与CTCS-2车载层，通过配套的车地无线通信网络与对应的CBTC轨旁层、CTCS-2轨旁层通信；重叠区域内还设有由既有的轨旁设备构成的轨旁信号层供CTCS系统与CBTC系统共同使用；

重叠区域内CBTC列车和CTCS列车混跑混行时，后方列车通过轨旁信号层与相应的轨旁层，计算移动授权与相应的列车控制曲线；

其中，重叠区域内CBTC列车和CTCS列车混跑混行包括CBTC列车追踪CTCS-2列车场景，CBTC列车追踪CTCS-2列车场景下：在CBTC系统中，CBTC轨旁层不能获得CTCS-2列车的位置，仅能通过CTCS-2列车的轨道电路占用状态来获得CTCS-2列车占用的多个逻辑区段，将CTCS-2列车作为非通信车进行检测和管理；在CBTC列车追踪CTCS-2列车的情况下，CBTC列车的移动授权终点是CTCS-2列车所在的物理轨道区段的起点。

2.根据权利要求1所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，重叠区域内CBTC列车和CTCS列车混跑混行还包括如下场景：CBTC列车追踪CBTC列车场景、CTCS-2列车追踪CTCS-2列车场景、以及CTCS-2列车追踪CBTC列车场景。

3.根据权利要求2所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，对于CBTC列车追踪CBTC列车场景：

CBTC车载层能够通过配套的车地无线通信网络与CBTC轨旁层实现双向通信，CBTC轨旁层向CBTC车载层发送移动授权；后方CBTC列车追踪前方CBTC列车的移动授权终点为前方CBTC列车的尾端；

轨旁信号层与CBTC轨旁层同时检查线路的占用与空闲状态。

4.根据权利要求2所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，CTCS-2列车追踪CTCS-2列车场景：

轨旁信号层的轨道电路进行CTCS-2列车占用检查，连续向CTCS-2车载层传送行车许可相关信息；轨旁信号层设备中的应答器向各CTCS-2车载层提供列车定位、线路数据、进路数据和临时限速信息；各CTCS-2车载层将应答器提供的列车定位信息作为列车定位的校准辅助信息，并根据列车参数和轨旁信号层与CTCS-2轨旁层提供的轨道电路信息、线路数据、进路数据和临时限速信息，按照目标-距离模式生成控制曲线，监控列车安全运行；后方CTCS-2列车追踪前方CTCS-2列车的移动授权终点为前方CTCS-2列车所在闭塞分区的起点。

5.根据权利要求2所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，CTCS-2列车追踪CBTC列车场景：

在CTCS-2系统中，CTCS-2轨旁层通过检查联锁区间占用逻辑，判断前方CBTC列车所在的闭塞分区被占用；在CTCS-2列车追踪CBTC列车的情况下，后方CTCS-2列车的移动授权终点为前方CBTC列车所在闭塞分区的起点。

6.根据权利要求1或3或5所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，对于CBTC系统而言，重叠区域内运行的列车包括：能够进行车地无线通信的CBTC列车与不能进行车地无线通信的非通信列车；

对于CBTC列车，CBTC轨旁层根据从轨旁信号层获取到的信号以及CBTC车载层获取的列车位置，计算相应的移动授权并发送给对应CBTC车载层，由CBTC车载层计算紧急制动曲线；

CBTC轨旁层根据轨旁信号层检测到列车是非通信列车时，将非通信列车移动授权设为物理占用的轨道区段，并将非通信列车设置的移动授权作为一个约束条件发送给重叠区域内全部的CBTC列车的CBTC车载层，由CBTC车载层计算安全制动曲线。

7.根据权利要求1～5任一项所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，所述CTCS-2轨旁设备包括：列控中心与临时限速服务器。

8.根据权利要求1～5任一项所述的一种CTCS系统与CBTC系统叠加的方法，其特征在于，所述CBTC轨旁设备包括：区域控制器和列车停车应答器。

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