高速鐵路與鐵路信號(hào)第五講 幾個(gè)主要技術(shù)原則的選擇

傅世善

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 車上模式的選擇

從制動(dòng)曲線的產(chǎn)生分為地面模式和車上模式。

德國(guó)LZB系統(tǒng)是基于軌道電纜傳輸?shù)牧锌叵到y(tǒng)，是1965年以前開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，是世界上首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)速度控制模式的列控系統(tǒng)，早期探索中國(guó)高速列控方案時(shí)曾關(guān)注過(guò)。LZB系統(tǒng)基于能雙向信息傳輸?shù)能壍离娎|，信息量有83.5 bit，地面控制中心可以獲得列車性能的重要信息，以地面控制中心為主計(jì)算制動(dòng)曲線后，發(fā)送指令傳至車載設(shè)備，車上存有多種制動(dòng)曲線，按地面指令執(zhí)行。地面控制中心掌握在線所有列車的運(yùn)行情況，并可以直接指揮列車運(yùn)行。例如，地面控制中心可能組織前后行駛的列車加減速，以調(diào)整追蹤間隔、運(yùn)行時(shí)分和平衡牽引供電網(wǎng)；地面控制中心可以監(jiān)督列車的制動(dòng)、速度、故障和司機(jī)操作等。我們考察時(shí)印象很深的是：司機(jī)表演“自動(dòng)駕駛”，以及列車將設(shè)備故障情況報(bào)給地面動(dòng)車段，列車一回段，替換設(shè)備和維修者已在站臺(tái)等候。

地面模式的車載信號(hào)設(shè)備相應(yīng)簡(jiǎn)單，但智能化不夠，與其他列控系統(tǒng)兼容比較困難。在早期計(jì)算機(jī)技術(shù)還沒(méi)發(fā)展到當(dāng)前水平時(shí)，采用地面模式是可以理解的，此模式在城軌交通中也有采用。

中國(guó)高速鐵路網(wǎng)廣大，還與普速線互連互通，長(zhǎng)途列車較多，要求實(shí)現(xiàn)高、普速列車跨線運(yùn)行。所以CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)均采取車上模式，列車運(yùn)行速度曲線是車載信號(hào)設(shè)備根據(jù)地面上傳的移動(dòng)許可和線路數(shù)據(jù)及列車本身的性能計(jì)算的。車載信號(hào)設(shè)備具有一定的智能化，只要各線路移動(dòng)許可和線路數(shù)據(jù)的信息標(biāo)準(zhǔn)化，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兼容和跨線運(yùn)行。

2 線路數(shù)據(jù)地面提供方式的選擇

CTCS-0級(jí)和CTCS-1級(jí)采取大貯存的方式把線路數(shù)據(jù)全部貯存在車載設(shè)備中，靠邏輯推斷地址調(diào)取所需的線路數(shù)據(jù)，結(jié)合列車性能計(jì)算給出目標(biāo)-距離式制動(dòng)曲線。CTCS-1級(jí)在車站附近增加點(diǎn)式信息設(shè)備，傳輸定位信息，以減少邏輯推斷地址產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。

日本數(shù)字ATC使用575 Hz和675 Hz的頻帶，碼長(zhǎng)64 bit，對(duì)用戶開(kāi)放43 bit。將列車控制所需的全部信息都通過(guò)鋼軌傳送是不可能的，日本采用變通辦法：在車上數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)存閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度、坡道及區(qū)間曲線等地面信息，當(dāng)列車收到地面?zhèn)鱽?lái)ATC信息中的軌道電路編碼為地址，從車上數(shù)據(jù)庫(kù)中取出列車控制所必要的固定數(shù)據(jù)，結(jié)合其他編碼信息生成列車控制模式曲線。為了彌補(bǔ)傳輸速率低的缺陷，日本設(shè)計(jì)了4種編碼。列車壓入本閉塞分區(qū)時(shí)，首先收到第一種編碼，以判斷確認(rèn)閉塞分區(qū)分界點(diǎn)；經(jīng)一定時(shí)間后自動(dòng)轉(zhuǎn)為發(fā)送第二種編碼，列車獲得距停車點(diǎn)距離等列車控制信息；本軌道區(qū)段內(nèi)容有變化時(shí)，為了及時(shí)向車上傳遞，發(fā)送2組縮短的第三種編碼或第四種編碼，然后再正常傳送第二種編碼。

采用第一種編碼方式有效控制了分界點(diǎn)的確認(rèn)，使電氣絕緣誤差控制在10 m以內(nèi)，安全距離只有50 m。采用第二、三、四種編碼方式，實(shí)際上既加快了應(yīng)變速度，又?jǐn)U大了信息含量，使列車控制精度較細(xì)。軌道電路有編碼也有利于抗干擾。

由此可見(jiàn)，日本采用了數(shù)字軌道電路傳輸信息，傳輸速率低，信息量不夠，又要利用軌道電路編碼利于抗干擾，所以采取了車上預(yù)存線路數(shù)據(jù)的方式。日本高速鐵路網(wǎng)相對(duì)短小，白天行車，有利于車上數(shù)據(jù)庫(kù)的版本管理和修改，采用車上數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)存線路數(shù)據(jù)的方式是有道理的。

CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)采取線路數(shù)據(jù)由地面提供方式。這種方式最大優(yōu)勢(shì)在于一旦地面線路數(shù)據(jù)因故需要變動(dòng)，由地面修改，與車上設(shè)備無(wú)關(guān)，這非常適用于國(guó)情。我國(guó)地域廣大，需要跨局、跨線的長(zhǎng)途列車多，又日夜行車，大量列車在線運(yùn)行，想統(tǒng)一修改車載設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)是很難的。

CTCS-2級(jí)采取由地面應(yīng)答器提供一個(gè)全制動(dòng)距離范圍內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，包括每一個(gè)軌道區(qū)段的坡道、曲線、長(zhǎng)度等。由于ZPW-2000A型無(wú)絕緣軌道電路只有18個(gè)信息量，軌道電路只能提供列車運(yùn)行前方有若干個(gè)軌道區(qū)段空閑數(shù)來(lái)作為移動(dòng)授權(quán)憑證，通過(guò)和區(qū)段長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的計(jì)算求得若干個(gè)空閑軌道區(qū)段總長(zhǎng)度，列車到第一個(gè)空閑軌道區(qū)段始端的距離則由測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)計(jì)算后求得，兩者相加就能求得目標(biāo)距離。車載設(shè)備根據(jù)地面?zhèn)魉蛠?lái)的移動(dòng)許可、線路數(shù)據(jù)和列車性能計(jì)算列車運(yùn)行速度，若列車接近前方減速點(diǎn)時(shí)，即刻生成目標(biāo)-距離一次制動(dòng)模式曲線。

CTCS-3級(jí)車載設(shè)備則是通過(guò)無(wú)線通信獲得地面?zhèn)魉蛠?lái)的移動(dòng)許可和線路數(shù)據(jù)，車載信號(hào)設(shè)備根據(jù)列車性能計(jì)算列車運(yùn)行速度。若列車接近前方減速點(diǎn)時(shí)，即刻生成目標(biāo)-距離一次制動(dòng)模式曲線。

3 與制動(dòng)系統(tǒng)接口方式的選擇

列控車載信號(hào)設(shè)備判斷列車超速，引發(fā)列車制動(dòng)時(shí)，總會(huì)有一個(gè)車載信號(hào)設(shè)備與制動(dòng)系統(tǒng)的接口。在接口方式上歷來(lái)有“得電制動(dòng)”與“失電制動(dòng)”之爭(zhēng)。例如，車載信號(hào)設(shè)備與制動(dòng)系統(tǒng)的接口是一個(gè)繼電器，繼電器常態(tài)是失磁落下?tīng)顟B(tài)，需要時(shí)給電，使繼電器勵(lì)磁吸起，引發(fā)列車制動(dòng)，這就稱為“得電制動(dòng)”；如繼電器常態(tài)是勵(lì)磁吸起狀態(tài)，需要時(shí)斷電，使繼電器失磁落下，引發(fā)列車制動(dòng)，這就稱為“失電制動(dòng)”。如車載信號(hào)設(shè)備與制動(dòng)系統(tǒng)的接口采取其他方式，仍然會(huì)存在“得電制動(dòng)”與“失電制動(dòng)”之意思，其道理是一樣的。

顯然，“失電制動(dòng)”方式符合傳統(tǒng)的故障-安全理念，任何斷線、斷電、斷信號(hào)等常見(jiàn)故障時(shí)都會(huì)導(dǎo)致“失電制動(dòng)”，因?yàn)橹苿?dòng)停車是安全取向。采取分級(jí)制動(dòng)模式時(shí)，只有一條模式曲線，列車超速，所謂“撞線”時(shí)，會(huì)限時(shí)引發(fā)列車緊急制動(dòng)。這種方式有點(diǎn)副作用，當(dāng)遇到常見(jiàn)故障時(shí)，司機(jī)緊張，旅客受驚，系統(tǒng)的可用性受到影響。

相反，“得電制動(dòng)”可用性強(qiáng)些，但不符合故障-安全理念， 信號(hào)專業(yè)人士不易接受。CTCS-0級(jí)由通用機(jī)車信號(hào)+列車運(yùn)行監(jiān)控裝置組成，就采取“得電制動(dòng)”方式。

CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的車載設(shè)備根據(jù)地面?zhèn)魉蛠?lái)的移動(dòng)許可和線路數(shù)據(jù)，車載信號(hào)設(shè)備根據(jù)列車性能計(jì)算列車運(yùn)行速度。若列車接近前方減速點(diǎn)時(shí)，即刻生成目標(biāo)-距離一次制動(dòng)模式曲線。一次制動(dòng)模式曲線除緊急制動(dòng)模式曲線外，還可生成若干條常用制動(dòng)模式曲線，例，0.7或0.8全制動(dòng)力的常用制動(dòng)模式曲線。列車進(jìn)站停車時(shí)采用0.7常用制動(dòng)模式曲線，旅客舒適性更好。在高速列車時(shí)代，應(yīng)盡量避免使用緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)雖確保了列車不會(huì)闖過(guò)安全點(diǎn)，但旅客難免易受驚或受傷。如圖1所示。

圖1中示意3條曲線。正常情況司機(jī)按實(shí)際列車運(yùn)行速度曲線駕駛，一旦超速碰撞常用制動(dòng)速度曲線時(shí)，采取“得電制動(dòng)”方式，以提高系統(tǒng)的可用性。如繼續(xù)超速碰撞緊急制動(dòng)模式曲線時(shí)，采取“失電制動(dòng)”方式?！暗秒娭苿?dòng)”與“失電制動(dòng)”的組合運(yùn)用兼顧了安全性與可用性。