面向匈塞铁路的道口控制系统差异性分析及结构设计研究

Difference Analysis and Structural Design of Level Crossing Control System for Hungary-Serbia Railway

摘要

匈塞铁路作为“一带一路”倡议下中国与中东欧国家合作的旗舰项目，2022年匈牙利段已经开始施工建设，全段面临大量道口场景。我国自主研发的铁路信号产品尚未有应用于ETCS-2级的道口控制系统，研究适用于匈牙利段的道口控制系统迫在眉睫。研究以匈牙利铁路技术标准为基础，并与我国道口控制系统技术标准进行对比分析，结合匈塞铁路匈牙利段的设计需求，以及适用ETCS-2级和提高线路运行时速的目标要求，根据标准技术和接口结构差异、接口功能和控制模式需求，提出道口控制系统主要通信接口和结构设计方案。研究方案验证结果可满足匈塞铁路匈牙利段道口控制系统运营要求，为我国铁路信号系统“走出去”提供经验借鉴。

Abstract

As a flagship project of the Belt and Road Initiative between China and Central and Eastern European countries, the construction of the Hungary-Serbia Hungarian section Railway began in 2022. The whole railway line faced with a large number of crossing scenarios. Since the currently invented railway crossing control system in China has not been applied to the ETCS-2 railway, the analysis is urgent. Utilizing the Hungarian railway technical standards as a basement for comparison, this paper analyzed Chinese technical standards of railway level crossing control (LCC) system. Combined with the Hungarian design, the study clarified the actual requirements of railway LCC systems to be compatible with the ETCS-2 system and the required operational speed. Based on standard technology, structural differences, interface function, and control mode requirements, the main communication interface and structure design of the LCC system was proposed. The results show that the design can meet the Hungarian railway requirements, providing a reference for the China railway signal system to go global.

Graphical abstract

关键词

匈塞铁路 / ETCS-2 / 道口控制系统 / 差异性分析 / 结构设计

Key words

Hungary-Serbia Railway / ETCS-2 / Level Crossing Control System / Difference Analysis / Structural Design

0　引言

匈牙利至塞尔维亚铁路(以下简称“匈塞铁路”)起自匈牙利布达佩斯终到塞尔维亚贝尔格莱德，分为匈牙利段和塞尔维亚段，匈塞铁路塞尔维亚境内贝诺段(贝尔格莱德—诺维萨德)已于2022年3月正式通车。匈牙利段需要对既有单线提速改造，由中国中铁股份有限公司和中铁电气化局集团有限公司与匈牙利合作方组成的联合体实施^[1]，线路正线全长约151 km，共有91个铁路公路平交道口，全线采用欧洲电工标准化委员会制定的铁路通用安全标准及匈牙利当地技术标准建设，目前项目已进入铺轨施工阶段。匈塞铁路作为“一带一路”示范工程是我国在欧盟的首个铁路项目^[2]，也是中国铁路设备和技术首次走进欧盟市场，更是中国铁路信号产品道口控制系统在高速铁路上的首次应用。

近年来越来越多的专家聚焦“一带一路”研究，金晶等^[3-4]对已经建成通车的中老铁路(昆明—万象)运营模式展开比较分析，并对海外铁路建设风险因素采用层次分析法和灰色模糊评估法，构建铁路“走出去”项目建设风险评估指标体系；何福汉等^[5]通过梳理我国铁路运营标准在海外属地化面临的问题，探究提高我国铁路运营标准适应性的可行措施。既有文献针对道口系统的方案设计和技术标准展开研究，孟亚松等^[6]根据匈塞铁路现场情况提出一种道口系统的设计方案；赵泽^[7]提出英标铁路的道口方案；杨玉忠^[8]提出推进铁路专用线道口标准化建设的对策建议；刘家良^[9]对比中塞两国高速铁路信号系统差异性，为我国设备适应国外技术要求提供经验积累；袁天玉等^[10]对我国铁路道口标准在海外工程的适应性展开探讨。部分研究针对道口安全性提升进行探讨，王建敏等^[11]分析了基线3欧洲列车控制系统(European Train Control System，ETCS)的道口安全防护方法和具体情景下的道口功能；王霞等^[12]研究和验证了平交道口系统的安全功能和设计方案；De Donato等^[13]通过深度学习算法设置智能报警机制以提升道口系统的安全功能；Adane等^[14]通过优化列车自动驾驶策略，缩短通过道口时间，提升整体交通安全性。

对于海外铁路建设，如何在提高线路速度的同时合理安排铁路路权和公路路权的交替开放，防止列车与社会车辆或行人相撞产生安全事故，设计适用于ETCS-2级的铁路道口控制系统也成为学者关注的焦点。目前我国广泛使用普速铁路线路道口DX3型信号设备，高速铁路使用以桥代路的方式避免了公路与高速铁路的平面交叉，我国现有的铁路道口产品中还没有可应用于高速铁路且可满足欧标的道口系统。我国铁路信号领域缺乏应对密集道口的经验，阻碍了我国铁路信号产品在海外项目的广泛应用。

为此，通过对中匈两国技术标准和道口系统结构分析，对道口控制系统进行差异性比较，分析匈塞铁路匈牙利段运营需求，明确匈塞铁路道口控制系统需求，为信号系统设计提供基础。通过研究分析匈牙利铁路道口控制系统当地认证要求、道口与其他信号系统接口方案和160 km/h提速条件，为我国铁路信号产品“走出去”提供经验借鉴。

1　中匈两国道口控制系统差异性分析

1.1　中匈两国道口控制系统标准对比

我国道口控制系统标准主要包含国家标准、行业标准及一些特定的地方和企业规范3个层次^[15]，其中国家标准和铁道行业标准大多为强制性标准，如《铁路区间道口信号设备技术条件》(GB 10494—1989)，《铁路区间道口信号设计规范》(TB 10070—2000)；部分省份根据自身交通发展需求在国家标准和行业标准的基础上又提出了适用于当地执行的地方标准，如湖南省颁发实施的《铁路专用线道口安全管理技术规范》(DB43/T 2053—2021)。我国道口控制系统标准主要围绕“故障-安全”原则，约束各类传感器与道口控制系统的逻辑控制关系和处理办法，且仅适用于普速铁路，无法满足ETCS-2级系统要求。

为了代替欧洲内部不同国家的铁路控制和指挥系统，欧洲铁路行业建立了欧洲铁路交通管理系统^[16]，所有成员国均需遵循欧洲铁路交通管理系统的通用标准，如道口控制相关的《自动化道口控制系统指南(Guidance on the Automatic Operation of Level Crossings)》(UIC 761—2004)。匈牙利铁路局在欧洲铁路交通管理系统的通用标准基础上，根据本国运营情况细化了道口控制技术标准，如匈牙利铁路局发布的《针对ETCS L1和L2级轨旁子系统相关的应用需求(For the Application Requirements Related to the Track-Side Sub-System of ETCS L1 and L2)》(No.P5600/2008)，《为建立一种2004年以前未在MÁV铁路网中使用的新型平交道口联锁系统(For the Establishment of a New Type of Level Crossing Interlock Not Operated in MÁV Network Before 2004)》(No.P6591/2009)等。

欧洲铁路技术标准与我国铁路技术标准在道口控制系统方面具有以下差异性：①对道口信号机、栏木机等道口控制系统外驱设备的驱动原则提出了详细约束；②将栏木机下降的速度和角度作为铁路列车通过道口区域的提速检查条件；③对道口控制系统与联锁系统和地面电子单元(Lineside Electronic Unit，LEU)的接口关系提出了要求。

1.2　中匈两国道口控制系统结构对比

我国普速铁路道口控制系统如图1所示。我国道口信号设备根据道口的自动化程度可分为道口自动通知、道口自动信号、道口自动通知与道口自动信号3类^[17]，根据道口的繁忙程度分为有人值守道口和无人值守道口。我国目前广泛使用的DX3型道口信号设备以“故障-安全”为设计原则，由轨道电路配合闭路式控制器与开路式控制器作为列车接近和离去信息的采集设备，当采集到有列车接近道口区段时，通过道口控制系统进行逻辑处理后对公路侧和铁路侧给予相应的信号输出。公路侧主要使用道口信号机和声音报警器进行信号输出，对于有人值守的道口由值班员根据信号输出人工操作栏木升降。铁路侧则由遮断信号机进行信号输出，遮断信号机常态灭灯，同时联锁系统采集遮断信号机状态用于道口前后侧信号机逻辑处理。

匈牙利道口控制系统如图2所示，使用计轴设备作为列车接近和离去信息的采集设备，当采集到列车接近道口信息时，通过道口控制系统进行逻辑处理后对公路侧和铁路侧给予相应的信号输出。公路侧主要使用道口信号机和声光报警器、道口栏木机进行信号输出，铁路侧则由遮断信号机、LEU进行信号输出。当采集到有列车接近道口区段时，输出声光报警，道口信号机开始红灯闪烁，红灯闪烁一段时间后道口栏木机自动下落至水平位置。遮断信号机常态红灯，栏木机在规定时间内下降至规定位置后可开启铁路侧遮断信号机，并发送160 km/h速度信息至LEU。同时，匈牙利道口控制系统配有手动控制装置，用于特殊情况下的人工操作。

总体来看，匈牙利的道口控制系统减少了人工操作确认、增加了安全防护设备和措施、提高了列车的通过速度，自动化程度更高、运输效率也更高。但目前匈牙利的道口多应用于普速铁路，匈牙利铁路局在高速铁路修建和运营的经验较少，我国高速铁路的运营里程数远高于匈牙利，且我国高速铁路信号系统中计轴、联锁、CTC等既有设备的技术优势明显。如何利用我国现有高速铁路信号技术优势，在兼容我国既有信号系统的同时尽量缩短研发周期，研发同时满足CTCS-3和ETCS-2系统要求的道口控制系统，是匈塞铁路道口控制系统研究关注的重点。

2　匈塞铁路道口控制系统需求分析

在对中匈两国道口控制系统进行差异性分析后，结合匈塞铁路匈牙利段信号系统的线路运营要求，对匈牙利段道口控制系统的功能需求、接口需求以及主要控制模式展开研究，为道口系统的设计研发提供基础。

2.1　功能需求

道口控制系统特殊的应用场景决定了其在设计之初首要考虑因素就是安全功能要求。根据文献研究和对匈牙利铁路的实地考察调研，结合匈牙利目前使用的技术标准文件，得到道口控制系统的主要功能需求，并将道口的关闭操作确定为安全侧操作。道口的关闭操作包括道口信号机红灯开放，以及在配备栏木机时应在规定时间内将栏木下降到指定位置，并将道口关闭状态发送给联锁系统以保证铁路区间信号的顺序开放。匈塞铁路匈牙利段道口控制系统应可以根据控制中心远程或本地控制装置命令，打开或关闭道口；结合外部设备状态如栏木机、信号机、轨道占用空闲检测设备等，进行安全逻辑组合，判断打开或关闭道口，并输出状态反馈。

2.2　接口需求

为满足整体道口控制系统的安全控制功能需求，道口控制系统应支持与外部系统及设备的接口通信，外部系统包括联锁系统、通信系统、供电系统，外部设备包括栏木、道口信号、道口音响、LEU。匈牙利段道口控制系统接口情况如图3所示。

匈牙利段道口控制系统应支持多种接口方式，可实现通过继电接口或数字接口方式与联锁系统和LEU保持通信。道口控制系统主控单元则通过统一的通信采集单元实现对其他所有外部设备包括栏木、道口信号机、室外音响等的状态采集和通信。

2.3　基本控制模式

根据道口控制系统的功能需求和接口需求分析，为提高平交道口控制的安全性，协调铁路行车与公路行车，道口控制系统应支持包括自动控制模式、手动控制模式及旁路模式的3种基本操作模式，以配合道口控制系统实现其主要功能。

（1）自动控制模式。在车站范围内，由联锁控制道口的开放、关闭；在区间范围内，道口控制系统根据列车接近、离去信息，判断公路侧信号与铁路侧信号状态，顺序动作道口栏木机、道口信号机、音响等设备，实现道口的安全开启和关闭。

（2）手动控制模式。道口控制系统仅接收手动控制命令，通过对道口栏木机、道口信号机等设备的动作实现公路、铁路信号的交替开放，并将道口状态实时传递给联锁，由联锁控制区间信号机的开放和关闭。

（3）旁路模式。道口控制系统释放对道口信号的控制权，除模式切换指令外，道口控制系统不再接受其他外部指令，同时自动释放所有道口外部设备的控制权。

3　匈牙利道口控制系统初步结构设计

在道口控制系统具体需求分析基础上，为了更好满足匈塞铁路匈牙利段的运营要求，对适用于匈牙利段高速铁路道口控制系统给出初步结构设计。

根据所研究的道口控制系统功能需求分析，道口控制系统支持同时控制道口入口和出口两侧公路的栏木机和信号机。在列车接近道口并到达所设冲击点后，道口可自动开始关闭操作。首先开放道口信号机红灯信号，在道口栏木机开始下降至水平位置的过程中检查栏木机角度是否在规定时间内下降至12.5°，是否满足提速至160 km/h条件。符合提速条件后，道口将已关闭状态发送给联锁，将提速信息发送给道口范围内LEU，由LEU将临时速度信息通过可变应答器发送至车载设备。道口控制系统可在收到列车接近占用信息后控制道口信号机和栏木机动作，列车可在到达道口区域前收到应答器发送的报文信息，也可在危险情况下及时收到限速报文信息以降低列车速度。道口控制系统具备支持列车高速通过道口功能，在提高通过速度的同时也具备在危险情况下降速保障行车安全的功能。

根据匈牙利No.P5600/2008和No.P6591/2009条款要求及前期研究得到的接口和功能需求，道口控制系统需要通过采集轨旁设备，如栏木机、信号机、电源等状态信息，向联锁报告当前道口状态，并由联锁通过无线闭塞中心(RBC)传递给车载设备。同时，在不同的控制模式下，道口控制系统根据联锁指令或者现场人工操作指令，控制栏木机、信号机和声光报警等设备，完成道口打开、道口关闭或设置道口旁路模式的相关任务。道口控制系统与继电联锁系统接口可采用继电接口方式，与计算机联锁系统接口可采用数字通信接口方式。道口控制系统与外部设备包括栏木机、道口信号机、LEU等的接口，根据各设备所支持的接口方式由IO采集单元或通信协议转换单元统一处理。

在基本控制模式下，根据对匈牙利段高速铁路道口控制系统与栏木机、道口信号机、室外音响接口的需求分析，在道口控制系统的结构设计中应包括栏木机驱动、道口信号机驱动和IO采集驱动模块。为了满足与联锁系统、轨道占用检查设备、LEU等的接口需求，以及轨道占用自动采集、提速和安全降速的功能需求，道口控制系统设计通信协议转换单元，支持与其他既有信号系统的各类接口通信。为了支持手动模式和旁路模式对道口控制系统的人工操控，道口控制系统基本结构中设计现地控制盘，实现在各类特殊、紧急情况下工作人员手动的操控。

结合不同控制模式下对接口、功能的需求分析，道口控制系统基本结构设计包括主机单元、IO采驱模块、栏木机驱动模块、道口信号机驱动模块、通信协议转换单元、监测单元以及现地控制盘组成，外部与栏木机、道口信号机、外部音响等连接，匈塞铁路道口系统结构设计如图4所示。

4　匈塞铁路道口控制系统经验启示

通过对匈塞铁路道口控制系统的研究，得到的一些设计经验可为后续境外铁路项目建设提供借鉴，推动我国铁路更好地“走出去”。

（1）立足当下，深耕境外信号技术条款获得当地产品认证。在海外项目的实施过程中，首先遇到的就是产品需求和技术标准的差异，只有分析清楚技术的差异性才能因地制宜确定解决办法和技术方案。匈塞铁路是我国首条牵头设计建设的欧洲高速铁路，实现国标和欧标的对接是匈塞铁路建设研发过程中的第一个技术难题。我国铁路信号系统和海外铁路信号系统技术标准不同，运营场景和运输需求不同，决定了信号产品研发设计的多样性。因此，在设计道口系统之初需要仔细研究境外铁路遵循的技术文件，明确分析其运输需求，并在项目开始的前期对我国铁路信号产品根据当地政策要求进行相关认证，确保所有产品符合目标国家标准要求。

（2）取长补短，紧贴实际需求立足现有技术完成技术创新。作为一项为匈塞铁路定制化的信号产品，立足当前我国铁路道口控制系统的技术经验，结合匈牙利技术需求进行技术创新，完成系统方案设计。匈牙利适用的道口控制系统需具有与联锁系统、LEU系统的接口功能，我国在联锁和LEU产品的应用方面经验丰富。因此，在我国高速铁路信号技术和经验优势基础上充分考虑目标国家对道口控制系统的技术要求，实现道口控制系统与其他信号产品的接口功能，满足海外应用需求。

（3）因地制宜，实现我国铁路信号产品技术升级。匈塞铁路匈牙利段设计时速为160 km，而匈牙利和我国铁路信号产品均无法满足列车在道口区段时速160 km的通过要求，需要在现有产品的技术基础上进行升级。为了实现这一提速目标，道口控制系统在设计过程中，充分了解匈牙利道口信号机和栏木机设备参数，不断深化与LEU、联锁系统接口技术研究，完成我国铁路信号产品技术升级。

5　结束语

匈塞铁路是我国铁路信号系统“走出去”在欧洲的第一个项目，其中匈塞铁路匈牙利段采用我国定制化研发设计的信号系统，在真正意义上实现了中国铁路技术设备与欧盟铁路技术规范的对接。研究首先对中匈两国铁路技术标准进行差异性分析，并基于匈牙利线路实际接口、功能需求，提出道口控制系统的初步结构设计，满足其安全控制要求，为后续道口控制系统的研发打下基础。为进一步提升道口控制系统运输效率和智能化水平，还需在后续的工程应用阶段不断优化子系统设计，同时亦可考虑接入当地公路交通信号信息，与公路运输协同优化。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2021YJ290)