列車速度400 km/h的信號系統(tǒng)適應(yīng)性分析

于曉泉

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070 2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 概述

我國現(xiàn)已成為世界上高速鐵路建設(shè)和運營規(guī)模最大、技術(shù)最復雜、運營速度最快、管理最先進的國家，高鐵已經(jīng)成為一張閃亮的“國家名片”。高速鐵路設(shè)計速度分為200～250 km/h和300～350 km/h，分別采用CTCS-2級列控系統(tǒng)系和CTCS-3級列控系統(tǒng)。2016年7月15日，兩列中國標準動車組以超過420 km的時速在鄭徐高鐵上交會，創(chuàng)造了高鐵列車交會、重聯(lián)運行速度的世界最高紀錄，但現(xiàn)有CTCS-3級列控系統(tǒng)是否滿足400 km/h的運營控制需求，需進行詳細分析。

2 問題分析

當列車運行速度由350 km/h提升至400 km/h時，將對各個專業(yè)提出新的要求，采用400 km/h高速鐵路無砟軌道路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、新型高速動車組技術(shù)、車站最佳站間距選擇、線路的曲線超高設(shè)置等問題均擺在鐵路人員面前。同樣隨著運營速度的提高，對于信號系統(tǒng)也提出更高要求，其中信號系統(tǒng)仍采用CTCS-3級列控系統(tǒng)主用、CTCS-2級列控系統(tǒng)作為后備的方式，信號的各個子系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)備是否滿足運營要求，均需進行系統(tǒng)性分析。

現(xiàn)有CTCS-3級列控系統(tǒng)運營最高速度為350 km/h，運營速度提高至400 km/h后，動車組對應(yīng)的制動距離也將增大，故原有接近鎖閉長度無法滿足此時接近鎖閉需求；同時列車制動距離增大將可能影響閉塞分區(qū)的長度劃分；接近鎖閉長度也將隨著

運行速度的提高而相應(yīng)增長；列車運行速度提高其制動時間也將延長，故車站聯(lián)鎖進路的延時解鎖時間也將隨著制動時間的延長而增加；軌道電路最短長度受其本身產(chǎn)品特性及列車運行速度的共同制約，站內(nèi)軌道電路尤為明顯，隨著列車運行速度的提高，軌道電路的最短長度也將相應(yīng)增加；運行速度提高后所需能量也將變大，從而導致鋼軌中產(chǎn)生的不平衡牽引回流情況也將變大，這將對機車信號的接收及解碼造成不利的影響；CTCS-3級列控系統(tǒng)的后備模式為CTCS-2級系統(tǒng)，CTCS-2級列控系統(tǒng)的最高運行速度為300 km/h，當CTCS-3級列控系統(tǒng)運行速度提高至400 km/h后，由于各種原因?qū)е缕滢D(zhuǎn)為CTCS-2級列控系統(tǒng)后，將影響列車原有的運行計劃；列車運行速度提高至400 km/h，可能也無法滿足3 min追蹤要求追蹤間隔。

3 方案分析

3.1 動車組制動距離影響對比

動車組制動距離與列車的運行速度、線路坡度、動車組制動性能、ATP的制動模型等相關(guān)，制動距離的長短又影響追蹤間隔、接近鎖閉長度等。動車組的運行速度直接影響列車常用制動距離和緊急制動距離，如圖1所示，在坡度相同的情況下，當運行速度提高后，常用制動距離和緊急制動距離也對應(yīng)增大，且是非線性關(guān)系，速度由350 km/h提升至400 km/h時尤為明顯。

圖1 坡度為“0”時制動距離對比圖Fig.1 Comparison between service braking distance and emergency braking distance under "0" grade

如圖2所示，坡度為-20‰時，動車組常用制動距離和緊急制動距離與相同速度0坡度的對應(yīng)制動距離相比，常用制動距離和緊急制動距離均增加明顯，且速度越高對應(yīng)差值越大，即速度越高坡度對制動距離影響越大，亦非線性關(guān)系。

圖2 坡度為“0”及“-20‰”時制動距離對比圖Fig.2 Comparision between service braking distance and emergency braking distance under "0" grade and "-20‰" grade

3.2 列車區(qū)間追蹤間隔

如圖3所示，列車在區(qū)間追蹤時，兩列車之間的最小追蹤間隔由列車制動距離L制、列車安全防護距離L防、前車列車尾部距離所在閉塞分區(qū)信號標志牌的距離L1、后車車頭距離防護其運行前方閉塞分區(qū)標志牌間的距離L3、列車制動啟模點與防護啟模點所在閉塞分區(qū)標志牌之間的距離L2等之和構(gòu)成。通常情況下，滿足最高運行速度為350 km/h的CTCS-3級列控系統(tǒng)閉塞分區(qū)長度設(shè)置為2 000 m，CTCS-2級列控系統(tǒng)用7個閉塞分區(qū)滿足列車安全追蹤要求，即列車追蹤最小間隔為7個閉塞分區(qū)。

列車在區(qū)間追蹤運行，當列車速度為400 km/h，坡道按-20‰時，常用制動距離為30 170 m，緊急制動距離為20 849 m。如圖4所示，后續(xù)列車以400 km/h速度走行此常用制動距離約需要272 s，無法滿足CTCS-3級列控系統(tǒng)3 min追蹤間隔要求。

而如果閉塞分區(qū)仍為2 000 m，則7個閉塞分區(qū)距離約為14 000 m，無法滿足動車組常用制動需求。此時如果要求處于后備模式的CTCS-2級列控系統(tǒng)也滿足400 km/h的運輸需求，可以通過增加閉塞分區(qū)長度（如閉塞分區(qū)長度改為3 000 m，軌道區(qū)段長度不變，每個閉塞分區(qū)由3個軌道區(qū)段組成）實現(xiàn)，也可通過增加對應(yīng)的閉塞分區(qū)個數(shù)（如將閉塞分區(qū)個數(shù)改為8個或9個閉塞分區(qū)，但采用增加閉塞分區(qū)個數(shù)方式時，則需擴容現(xiàn)有軌道電路的低頻信息，增加對應(yīng)的低頻碼L6、L7等）實現(xiàn)；如果維持現(xiàn)有7個閉塞分區(qū)個數(shù)不變，且閉塞分區(qū)長度也維持2 000 m，則以400 km/h運行在CTCS-3級模式下的動車組，如果轉(zhuǎn)為CTCS-2級模式控車，需先制動到速度低于300 km/h后再進行模式轉(zhuǎn)換。

由此可知，動車組運行速度越高，列車制動距離越長；下坡道坡度越大，列車制動距離越長；制動距離越長，列車按最高速度勻速運行的時間也越長；列車追蹤間隔時間大于列車按最高速度勻速運行的時間，故列車速度提高至400 km/h后，按現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)置無法滿足3 min追蹤要求，可將追蹤間隔按實際情況進行延長。CTCS-2級列控系統(tǒng)作為后備模式可維持既有系統(tǒng)設(shè)置要求，以加大列車運行間隔方式解決400 km/h運行的CTCS-3級列車與300 km/h運行的CTCS-2級列車追蹤運行問題，CTCS-3級列車可先制動降速至300 km/h再轉(zhuǎn)換成CTCS-2級模式，也可采用前述方案將CTCS-2級列控系統(tǒng)適用范圍提升至400 km/h。

3.3 接近鎖閉

接近鎖閉是所排進路的接近區(qū)段被占用以后，進路鎖閉必須在列車、車列通過一定手續(xù)和限時方能解鎖的鎖閉?！惰F路信號設(shè)計規(guī)范》關(guān)于接近鎖閉設(shè)計規(guī)定如下：

“6.2.13接近鎖閉設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定：

……

2 列車進路

1) CTCS-3級區(qū)段，接近鎖閉區(qū)段長度不小于列控車載設(shè)備與RBC最大允許通信中斷時間內(nèi)列車按設(shè)計速度運行的距離與列車最大常用制動距離之和；

2) CTCS-2級區(qū)段，接近鎖閉區(qū)段長度不小于列車按設(shè)計速度運行時的最大常用制動距離；

……”

現(xiàn)有CTCS-2級區(qū)段，其列控系統(tǒng)運行速度最高為300 km/h，按鐵路信號設(shè)計規(guī)范要求，對應(yīng)接近鎖閉的區(qū)段長度如圖5所示。

現(xiàn)有CTCS-3級區(qū)段，采用CTCS-3級ATP控車時，其列控系統(tǒng)運行速度最高為350 km/h，按鐵路信號設(shè)計規(guī)范要求，對應(yīng)接近鎖閉的區(qū)段長度要求如圖6所示。

圖5 CTCS-2級區(qū)段接近鎖閉區(qū)段示意圖Fig.5 Approach locking section under CTCS-2 system

圖6 CTCS-3級區(qū)段接近鎖閉區(qū)段示意圖Fig.6 Approach locking section under CTCS-3 system

在CTCS-3級區(qū)段，列車運行最高速度350 km/h，坡道為“0”條件下，處于CTCS-2級ATP控車時其最高運行速度為300 km/h，故其接近鎖閉區(qū)段可由5個閉塞分區(qū)構(gòu)成（閉塞分區(qū)長度按2 km估算）；處于CTCS-3級ATP控車時其接近鎖閉區(qū)段可由8個閉塞分區(qū)構(gòu)成（閉塞分區(qū)長度按2 km估算），遠遠大于CTCS-2級ATP控車所需長度，故只要滿足最高速度350 km/h、按CTCS-3級ATP控車時的需求即可。

如表1所示，CTCS-3級區(qū)段坡道為“0”時，速度按最高運行速度上浮5 km/h考點，CTCS-3級列控系統(tǒng)與CTCS-2級列控系統(tǒng)接近鎖閉最短長度：

表1 車載ATP控制制動距離估算表Tab.1 Estimation of braking distance controlled by onboard ATP

現(xiàn)有CTCS-3級列控系統(tǒng)“列控車載設(shè)備與RBC最大允許通信中斷時間”為20 s，則列車運行速度為355 km/h，其接近鎖閉長度最小值為355×20+12 799≈14 771 m；列車運行速度為405 km/h，其接近鎖閉長度最小值為 405×20+16 045≈18 295 m。

現(xiàn)有CTCS-2級列控系統(tǒng)最高運行速度為305 km/h，其接近鎖閉長度最小值為9 376 m；如果將CTCS-2級列控系統(tǒng)適用范圍提升至400 km/h，其接近鎖閉長度最小值為18 295 m。

圖7 碼序與車載ATP監(jiān)控模式曲線之間關(guān)系示意圖Fig.7 Relationship between codes sequence with onboard ATP supervising mode curve

接近鎖閉長度最終取值應(yīng)以18 295 m為基礎(chǔ)，結(jié)合閉塞分區(qū)劃分情況，按閉塞分區(qū)個數(shù)及對應(yīng)長度確定聯(lián)鎖最終的接近鎖閉長度。

3.4 后備模式影響

如圖7所示，CTCS-2級列控系統(tǒng)作為CTCS-3級列控系統(tǒng)后備模式，其在現(xiàn)有條件下適應(yīng)最高運行速度為300 km/h，閉塞分區(qū)長度通常按2 km左右設(shè)置，碼序按L5、L4、L3、L2、L、LU、U、HU設(shè)置，即采用7個閉塞分區(qū)約14 km長度，滿足300 km/h速度下，大于或等于列控監(jiān)控模式曲線制動距離及列車安全防護距離之和的要求。

在同一條線路上，開行不同速度列車會導致區(qū)間運行時分之差。兩列列車速差越大，區(qū)間運行時分差值越大，影響列車通過能力就越大。以京滬高鐵為例，目前京滬高速鐵路開行300 km/h和350 km/h兩種速度等級的動車組，2017年9月21日開始每天開行了7對350 km/h速度等級的復興號動車組，不可避免在中間站要越行速度等級300 km/h的動車組，導致被越行列車的停站時間過長，降低了區(qū)間通過能力。

越行可以分為單列車越行單列車、單列車越行多列車、多列車越行單列車、多列車越行多列車等，最簡單的單列車越行單列車時，被越行列車的停站時間一般在6～7 min，遠大于一般的停車時間(2 min)。越行越復雜，被越行列車的停站時間越長，產(chǎn)生的運行圖空檔越大，越難以被充分利用，造成能力損失的可能性也就越大。開行400 km/h動車組的線路，如果列車均為運行速度400 km/h的列車，當某列車CTCS-3級車載設(shè)備因無線超時或故障等原因降級為CTCS-2級運行時，列車將降速運行，增大列車運行間隔、降低線路的通過能力，給本線的正常運輸組織造成嚴重影響。

3.5 其他影響

現(xiàn)有ZPW-2000A軌道電路應(yīng)用條件為鋼軌牽引回流不大于1 000 A，不平衡牽引電流不應(yīng)大于100 A。軌道電路信息接收及機車信號譯碼功能主要受FSK信息的信號質(zhì)量及持續(xù)時間影響，F(xiàn)SK信號質(zhì)量易受列車牽引諧波干擾影響，列車按400 km/h速度運行時，相對于350 km/h牽引功率將增大，牽引電流和諧波干擾也將隨之增大，故將對FSK信息的信號質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

為滿足聯(lián)鎖正常解鎖及機車信號可靠接收，《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于軌道區(qū)段設(shè)置有如下規(guī)定：

“4.1.6站內(nèi)軌道區(qū)段的長度應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）需為聯(lián)鎖設(shè)備提供鎖閉與解鎖條件時，不得小于聯(lián)鎖系統(tǒng)正常解鎖所需的最小長度（Lmin1），Lmin1按公式（1）計算

式中：vmax——軌道區(qū)段的線路設(shè)計速度（m/s）；t1——軌道占用檢查裝置及聯(lián)鎖設(shè)備響應(yīng)時間之和（s）；

L車——機車首末輪對中心間距離的最小值（m）。

2）需為車載信號設(shè)備提供機車信號信息時，不得小于列車按設(shè)計速度運行時車載信號設(shè)備可靠工作所需的最小長度（Lmin2），Lmin2按公式（2）計算。

式中：vmax——軌道區(qū)段的線路設(shè)計速度（m/s）；

t2——以單獨的發(fā)碼設(shè)備疊加于軌道電路實現(xiàn)電碼化時為軌道電路及車載信號設(shè)備響應(yīng)時間之和（s），采用ZPW-2000系列軌道電路時為車載信號設(shè)備響應(yīng)時間的最大值（s）；

L余——余量（m），典型值為20 m。

注：當采用列車占用疊加發(fā)碼時，Lmin2是對單個發(fā)碼區(qū)段最小長度的要求；采用預疊加發(fā)碼時，Lmin2是對占用區(qū)段和相鄰預發(fā)碼區(qū)段長度之和的要求。

由于接收軌到電路信息后機車信號譯碼時間不變，上述公式中的vmax由350 km/h提高至400 km/h，現(xiàn)有滿足機車信號接收機譯碼時間的最短軌道電路長度也需相應(yīng)增長。

4 結(jié)論

列車運行速度提升至400 km/h后，信號專業(yè)的CTCS-3級列控系統(tǒng)總體上能夠適應(yīng)相關(guān)運營需求，但個別子系統(tǒng)配置、參數(shù)等需針對400 km/h速度進行適應(yīng)性調(diào)整，部分設(shè)備應(yīng)用環(huán)境等也需配套驗證，如驗證大功率牽引電流對BTM、TCR工作電磁環(huán)境的影響，振動沖擊、車體橫縱向偏移對BTM、TCR工作的影響等。以上分析均以-20‰坡道為基礎(chǔ)，后續(xù)還需根據(jù)規(guī)400 km/h線路所對應(yīng)的實際坡度進行更詳細分析。

CTCS-3級列控系統(tǒng)車—地之間信息傳輸采用了GSM-R的無線模式，現(xiàn)有GSM-R基站的現(xiàn)場布置是按滿足最高運行速度350 km/h設(shè)置，當列車運行速度提高至400 km/h后，為滿足CTCS-3級列控系統(tǒng)對車—地通信的相關(guān)指標要求，現(xiàn)場基站布置方案可能也需要相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)束語

隨著科技飛速發(fā)展，社會的現(xiàn)代化進程也在加快，人民群眾對出行及貨物運輸?shù)臅r間要求也越來越高，勢必將驅(qū)動鐵路系統(tǒng)在保證安全的前提下，進一步提高運營速度、壓縮列車運行間隔，這在給信號系統(tǒng)帶來空前壓力的同時，也給信號系統(tǒng)的迅速發(fā)展提供了強大的動力。信號系統(tǒng)是保證鐵路運輸安全的核心系統(tǒng)，其針對400 km/h及以上的適應(yīng)性研究也需盡快開展。本文僅針對CTCS-3級列控系統(tǒng)的主要功能進行了分析，未對其相關(guān)的全部功能如聯(lián)鎖延時解鎖等進行細致的考量，也未對追蹤間隔給出明確的追蹤時間，后續(xù)仍需進行進一步的詳細分析。

信號系統(tǒng)是一個較為復雜的系統(tǒng)，承擔著平衡列車安全運行與列車運輸效率的責任，在滿足400 km/h的運營速度前提下，運輸效率也需同步進行系統(tǒng)性的分析。