單線鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

袁俊喜

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是高速鐵路保證行車安全、提高列車運(yùn)行效率的重要技術(shù)裝備，當(dāng)列車速度超過(guò)160 km/h時(shí)，由于人的反應(yīng)能力限制，以地面色燈信號(hào)顯示為行車憑證的方式已不能確保列車安全運(yùn)行，應(yīng)采用以車載設(shè)備為行車憑證的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)行速度、運(yùn)行間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和超速防護(hù)。

新建包銀鐵路銀川至巴彥浩特支線位于寧夏回族自治區(qū)銀川市境內(nèi)與內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟境內(nèi)，線路自銀川站南端在建銀西高鐵以線路所的方式分上下行引出，向北經(jīng)巴潤(rùn)別立鎮(zhèn)至終點(diǎn)巴彥浩特站。本線是一條以區(qū)際旅客交流為主，兼顧城際功能的客運(yùn)鐵路，作為地區(qū)性客運(yùn)主干線，主要承擔(dān)寧夏回族自治區(qū)以及蒙西主要城市進(jìn)京的旅客交流。根據(jù)運(yùn)量預(yù)測(cè)分析，本線采用單線能夠滿足客流需求，且時(shí)速200 km與相鄰線匹配較好，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組列車跨線運(yùn)行，運(yùn)輸質(zhì)量高，因此，本線速度目標(biāo)值采用200 km/h，按單線客運(yùn)專線設(shè)計(jì)。

速度目標(biāo)值為160 km/h單線鐵路采取雙接近的方式，車載設(shè)備采用LKJ(列車運(yùn)行記錄監(jiān)控裝置)+機(jī)車信號(hào)組成CTCS-0級(jí)列控系統(tǒng)。速度目標(biāo)值200 km/h及以上復(fù)線鐵路均裝設(shè)了CTCS-2級(jí)或CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)[1]。對(duì)于包銀鐵路銀巴支線速度目標(biāo)值200 km/h的單線鐵路列車運(yùn)行安全控制目前沒(méi)有具體方案。TB 10007—2017《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)速度160 km/h以上、250 km/h以下線路，采用CTCS-2列控系統(tǒng)[2]。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是基于軌道電路和應(yīng)答器傳輸?shù)?車間信息的點(diǎn)連式列車超速防護(hù)系統(tǒng)，能夠滿足200 km/h(或250 km/h)動(dòng)車組上線安全運(yùn)行。結(jié)合復(fù)線鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于包銀鐵路銀巴支線這種200 km/h及以上300 km/h以下的單線鐵路應(yīng)采用CTCS-2列控系統(tǒng)監(jiān)控列車運(yùn)行。由于單線鐵路較復(fù)線鐵路從閉塞制式、運(yùn)營(yíng)模式等方面存在較多不同之處，應(yīng)對(duì)CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案和特殊技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。

2 單線CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)總體方案

為確保行車安全，必須向高速運(yùn)行的列車發(fā)送控車信息，該信息根據(jù)先行列車的位置以及進(jìn)路狀態(tài)，給出列車允許的速度信號(hào)，以此速度信號(hào)對(duì)列車實(shí)施超速防護(hù)。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是基于軌道電路和點(diǎn)式應(yīng)答器傳輸列車運(yùn)行許可信息，并采用目標(biāo)-距離連續(xù)速度控制模式監(jiān)控列車安全運(yùn)行的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[3]。車載設(shè)備根據(jù)動(dòng)車組參數(shù)和地面軌道電路、應(yīng)答器等提供的行車許可命令、線路參數(shù)、臨時(shí)限速信息，生成速度-距離模式曲線，產(chǎn)生行車憑證監(jiān)控列車安全運(yùn)行。

單線鐵路區(qū)間根據(jù)運(yùn)輸能力要求一般采用自動(dòng)站間閉塞，很少采用自動(dòng)閉塞，原因是采用自動(dòng)閉塞理論上雖可提高一定的通過(guò)能力，但需增加沿線部分車站股道數(shù)量，且成組追蹤列車在沿線進(jìn)行交會(huì)，列車等待時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)輸質(zhì)量低，列車追蹤運(yùn)行對(duì)運(yùn)輸組織的要求高、行車調(diào)度指揮較為復(fù)雜、靈活性較差，一旦晚點(diǎn)，恢復(fù)正常的運(yùn)行圖秩序困難。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)站間閉塞必須設(shè)置區(qū)間占用/空閑檢查設(shè)備，目前主要采用軌道電路或計(jì)軸設(shè)備完成。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是基于軌道電路和點(diǎn)式應(yīng)答器傳輸列車許可信息，按目標(biāo)-距離連續(xù)速度控制曲線監(jiān)控列車運(yùn)行，即軌道電路區(qū)間貫通是CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的必要條件。采用計(jì)軸自動(dòng)站間閉塞由于區(qū)間不設(shè)軌道電路，不能滿足CTCS-2級(jí)系統(tǒng)功能需求，如要實(shí)現(xiàn)CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)，必須解決由于區(qū)間無(wú)軌道電路無(wú)法得知其目標(biāo)距離和目標(biāo)速度的問(wèn)題，可增加新的CTCS應(yīng)答器數(shù)據(jù)包，定義空閑授權(quán)數(shù)據(jù)包和空閑授權(quán)結(jié)束數(shù)據(jù)包，相應(yīng)修改CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)車載軟件以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范[6]，特別對(duì)跨線列車的運(yùn)行帶來(lái)很大的影響，且工程實(shí)施需要試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，在不突破現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，不修改列控車載設(shè)備的前提下，單線鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案應(yīng)以區(qū)間軌道電路貫通為基礎(chǔ)，以行車牽引計(jì)算的閉塞分區(qū)作為碼序單元(以下閉塞分區(qū)均按此定義)進(jìn)行構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)250 km/h及以下的動(dòng)車組按自動(dòng)站間閉塞雙方向安全運(yùn)行。

單線鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)由列控中心、軌旁電子單元、應(yīng)答器、ZPW-2000系列軌道電路及信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)等設(shè)備組成，采用TSRS對(duì)臨時(shí)限速命令進(jìn)行集中管理。其總體技術(shù)方案與雙線自動(dòng)閉塞鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)大體相同，但在規(guī)范的執(zhí)行上及閉塞設(shè)備僅控制列車(無(wú)追蹤)運(yùn)行等方面存在一定的差異性，對(duì)于這些差異性特殊問(wèn)題必須研究解決。

3 單線CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)特殊問(wèn)題解決方案

3.1 臨時(shí)限速的管理

原則上與調(diào)度臺(tái)對(duì)應(yīng)設(shè)置TSRS負(fù)責(zé)列控系統(tǒng)臨時(shí)限速命令的集中管理。對(duì)于復(fù)線鐵路，上下行線的每條線分別定義了正方向和反方向，臨時(shí)限速命令限速區(qū)起點(diǎn)與終點(diǎn)里程均按正方向設(shè)置。對(duì)于單線雙方向運(yùn)行的鐵路，同樣需定義正方向與反方向，由于單線鐵路上、下行方向性質(zhì)相同，所以，正反方向的定義可考慮按單線與之銜接的雙線鐵路直向貫通的線路方向一致。如銀巴支線單線區(qū)段的下行方向與良田線路所銜接的雙線區(qū)段直向貫通的下行線一致，則單線段銀巴支線下行方向?yàn)檎较颍闲蟹较騽t為反方向，如圖1所示。相應(yīng)的單線區(qū)段站內(nèi)下行方向左側(cè)股道為下行側(cè)線，右側(cè)股道為上行側(cè)線。根據(jù)《客運(yùn)專線列控系統(tǒng)臨時(shí)限速技術(shù)規(guī)范(V1.0)》(科技運(yùn)[2008]151號(hào))相關(guān)規(guī)定，區(qū)間及站內(nèi)正線臨時(shí)限速按實(shí)際里程標(biāo)設(shè)置，側(cè)線臨時(shí)限速可以上、下行側(cè)線分別(不含正線)按區(qū)設(shè)置[9]，臨時(shí)限速命令的線路號(hào)可按下行正線、下行側(cè)線、上行側(cè)線順序編號(hào)。

圖1 單線段運(yùn)行方向示意

3.2 區(qū)間軌道電路

區(qū)間采用ZPW-2000系列電氣絕緣軌道電路，用于列車占用檢查和向車載提供碼序信息，以閉塞分區(qū)為發(fā)碼單元。由于沒(méi)有列車追蹤運(yùn)行的行車組織要求，閉塞分區(qū)劃分可在牽引計(jì)算的基礎(chǔ)上充分考慮軌道電路極限長(zhǎng)度，根據(jù)各閉塞分區(qū)的道床特性，將一個(gè)閉塞分區(qū)分隔成兩段或多段軌道電路以滿足TB/T 3206—2017《ZPW2000軌道電路技術(shù)條件》的規(guī)定[10]。閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度一般情況可按2 km設(shè)置。

關(guān)于區(qū)間軌道電路載頻配置，由于單線鐵路僅有一條正線，所以軌道電路的載頻只能是上行載頻或下行載頻。載頻的選擇應(yīng)與所銜接的雙線直向貫通的線路軌道電路的載頻一致，如銀巴支線直向與雙線段下行線貫通，則單線段按1 700，2 300 Hz配置。這樣配置主要是考慮未裝備列控車載設(shè)備列車，由雙線段的上行線經(jīng)良田線路所道岔的側(cè)向無(wú)碼區(qū)段運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)人工轉(zhuǎn)頻的因素。即：動(dòng)車組由巴彥浩特運(yùn)行至良田線路所，通過(guò)其進(jìn)站口設(shè)置的有源應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)載頻切換后向上行聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行，未裝備列控車載設(shè)備列車由巴彥浩特運(yùn)行至良田線路所，在道岔側(cè)向區(qū)段(無(wú)碼區(qū))由司機(jī)手動(dòng)進(jìn)行載頻切換后向上行聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行，反之亦然。載頻配置如圖2所示。

圖2 載頻配置示意

3.3 應(yīng)答器設(shè)置

應(yīng)答器的設(shè)置應(yīng)符合TB/T 3484—2017《列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則》的規(guī)定。同一區(qū)域內(nèi)不同功能的應(yīng)答器組宜合并設(shè)置，但不同方向作為發(fā)送線路數(shù)據(jù)的應(yīng)答器組不宜合并設(shè)置，用于定位的應(yīng)答器組可以共用，對(duì)于區(qū)間應(yīng)答器組正向數(shù)據(jù)范圍應(yīng)冗余覆蓋，丟失一個(gè)應(yīng)答器組列車運(yùn)行不受影響[11-12]。

3.3.1 區(qū)間應(yīng)答器組

由于單線鐵路采用自動(dòng)站間閉塞，參照復(fù)線鐵路反方向運(yùn)行時(shí)區(qū)間應(yīng)答器設(shè)置的規(guī)定，線路數(shù)據(jù)由進(jìn)站口或中繼站處設(shè)置的應(yīng)答器提供，當(dāng)進(jìn)站口或中繼站發(fā)送線路數(shù)據(jù)的無(wú)源應(yīng)答器容量不能滿足要求(約大于10 km)時(shí)，可在區(qū)間上下行分別單獨(dú)設(shè)置反向區(qū)間應(yīng)答器組。按此設(shè)置，從速度控制的角度區(qū)間可不再設(shè)置其他區(qū)間應(yīng)答器組，但是，區(qū)間應(yīng)答器[Q]還具有列車定位功能，特別是裝載C3列控系統(tǒng)車載設(shè)備的動(dòng)車在C2線路上運(yùn)行通過(guò)應(yīng)答器定位和位置校正，如果區(qū)間不設(shè)應(yīng)答器組，至少裝載C3列控系統(tǒng)車載設(shè)備的動(dòng)車無(wú)法在C2線路上運(yùn)行，部分C2列控系統(tǒng)車載設(shè)備的動(dòng)車也無(wú)法運(yùn)行。

裝配CTCS-3(兼容CTCS-2)列控系統(tǒng)功能車載設(shè)備的動(dòng)車組以CTCS-2功能運(yùn)行，通過(guò)鏈接的應(yīng)答器組時(shí)，車載設(shè)備根據(jù)應(yīng)答器鏈接信息修正測(cè)距誤差，并對(duì)列車的位置信息進(jìn)行校正。因此，車載設(shè)備(如300S、300T、200C)邏輯上定義了相鄰應(yīng)答器組之間的距離限值，當(dāng)動(dòng)車組按CTCS-2運(yùn)行超過(guò)5 000 m沒(méi)有收到應(yīng)答器信息時(shí)，則會(huì)觸發(fā)ATP由完全監(jiān)控模式轉(zhuǎn)為部分監(jiān)控模式運(yùn)行，因此，CTCS-2級(jí)區(qū)段區(qū)間任意連續(xù)3組應(yīng)答器組中，第一、第三組應(yīng)答器組之間的距離大于5 000 m時(shí)，該兩組應(yīng)答器組之間未設(shè)置區(qū)間應(yīng)答器組的閉塞分區(qū)入口處應(yīng)增設(shè)定位應(yīng)答器組[11]。

圖3 區(qū)間應(yīng)答器組設(shè)置示意(一)(單位：m)

基于上述分析，如果參照復(fù)線鐵路反方向運(yùn)行時(shí)區(qū)間應(yīng)答器設(shè)置原則，單線區(qū)段可采取在每個(gè)閉塞分區(qū)設(shè)置一個(gè)定位應(yīng)答器的方案，即：線路數(shù)據(jù)由進(jìn)站口(或中繼站處)設(shè)置的應(yīng)答器及反向區(qū)間應(yīng)答器組提供，定位數(shù)據(jù)由定位應(yīng)答器提供，如圖3所示。本方案技術(shù)上是可行的，但也存在當(dāng)反向區(qū)間應(yīng)答器組[FQ]丟失或故障時(shí)列車由于缺失線路數(shù)據(jù)而制動(dòng)停車的問(wèn)題，另外，距離車站(或中繼站)約大于10 km設(shè)置一組反向區(qū)間應(yīng)答器組不符合TB/T 3484—2017《列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則》關(guān)于相鄰反向區(qū)間應(yīng)答器組[FQ]之間的距離“不宜大于3個(gè)閉塞分區(qū)”的規(guī)定[11]。因此，區(qū)間應(yīng)答器組設(shè)計(jì)應(yīng)按上下行兩方向分別間隔1個(gè)閉塞分區(qū)設(shè)置，用于向車載設(shè)備發(fā)送列車定位和線路坡度、線路允許速度、軌道區(qū)段及特殊區(qū)段等線路固定信息，如圖4所示。上下行兩個(gè)方向區(qū)間應(yīng)答器組[Q]各自向車載發(fā)送線路數(shù)據(jù)。用于定位時(shí)不區(qū)分上下行，由于閉塞分區(qū)劃分在2 km左右，這樣丟失一個(gè)應(yīng)答器組后相鄰應(yīng)答器組之間的距離小于5 000 m，保證動(dòng)車組的正常運(yùn)行，同時(shí)，也為自動(dòng)閉塞改造預(yù)留了條件。

圖4 區(qū)間應(yīng)答器組設(shè)置示意(二)(單位：m)

3.3.2 中繼站應(yīng)答器組

中繼站應(yīng)答器組由兩組應(yīng)答器組組成，每組分別由一個(gè)有源應(yīng)答器和兩個(gè)無(wú)源應(yīng)答器構(gòu)成，用于發(fā)送臨時(shí)限速和線路數(shù)據(jù)。其中有源應(yīng)答器根據(jù)區(qū)間方向發(fā)送應(yīng)答器鏈接信息和臨時(shí)限速信息，第一組無(wú)源應(yīng)答器發(fā)送反向(上行方向)線路數(shù)據(jù)，第二組無(wú)源應(yīng)答器發(fā)送正向(下行方向)線路數(shù)據(jù)，如圖5所示。第二組無(wú)源應(yīng)答器發(fā)送的里程信息(ETCS-79包)是雙向有效，所以按規(guī)定設(shè)置上述兩組應(yīng)答器組滿足單線鐵路列車雙向運(yùn)行的技術(shù)要求。

圖5 中繼站應(yīng)答器組設(shè)置示意(單位：m)

3.3.3 自動(dòng)過(guò)分相應(yīng)答器組

自動(dòng)過(guò)分相應(yīng)答器組的設(shè)置與發(fā)送線路數(shù)據(jù)的應(yīng)答器有關(guān)，由于區(qū)間應(yīng)答器組結(jié)合上文均按上下行兩方向分別間隔一個(gè)閉塞分區(qū)設(shè)置，發(fā)送所管轄范圍內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)上、下行方向均按TB/T 3484—2017《列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則》規(guī)定的正向運(yùn)行時(shí)自動(dòng)過(guò)分相應(yīng)答器的設(shè)置方式，分別設(shè)置3組應(yīng)答器組發(fā)送分相信息[11]，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)過(guò)分相應(yīng)答器組設(shè)置示意

3.3.4 其他應(yīng)答器組

車站應(yīng)答器組、等級(jí)轉(zhuǎn)換應(yīng)答器組、大號(hào)碼應(yīng)答器組等按照《列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則》(TB/T 3484-2017)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)置，不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范雖然沒(méi)有規(guī)定僅適用于雙線鐵路，但對(duì)于單線鐵路執(zhí)行時(shí)又具有特殊性。通過(guò)對(duì)這些特殊技術(shù)問(wèn)題的研究解決，在自動(dòng)站間閉塞區(qū)間以設(shè)置連續(xù)軌道電路為基礎(chǔ)構(gòu)建CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)，符合現(xiàn)行CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，實(shí)現(xiàn)列車按最高運(yùn)行速度200 km/h(或250 km/h)安全運(yùn)行。

根據(jù)運(yùn)輸需求，如果區(qū)間采用自動(dòng)閉塞行車，區(qū)間可采用一個(gè)方向按自動(dòng)閉塞設(shè)計(jì)，另一個(gè)方向按自動(dòng)站間閉塞設(shè)計(jì)的方案，或者區(qū)間按雙方向自動(dòng)閉塞設(shè)計(jì)的方案。無(wú)論哪種方案兩方向均應(yīng)按追蹤碼序設(shè)計(jì)。區(qū)間一個(gè)方向按自動(dòng)閉塞設(shè)計(jì)，另一個(gè)方向按自動(dòng)站間閉塞設(shè)計(jì)的方案兩個(gè)方向區(qū)間閉塞標(biāo)準(zhǔn)不一致、行車能力不均，不利于運(yùn)輸調(diào)度指揮和行車組織，優(yōu)點(diǎn)是與目前運(yùn)營(yíng)的客專標(biāo)準(zhǔn)一致，相當(dāng)于復(fù)線鐵路的一條線。區(qū)間按雙方向自動(dòng)閉塞設(shè)計(jì)的方案類似于動(dòng)車走行線，區(qū)別是動(dòng)車走行線列車運(yùn)行速度較低，一般最高運(yùn)行速度為160 km/h，且不設(shè)區(qū)間中繼站。另外動(dòng)車走行線一般在某些時(shí)段內(nèi)密集到發(fā)，與干線鐵路運(yùn)輸組織有所不同。無(wú)論哪種方案，軌道電路、應(yīng)答器完成的功能與雙線自動(dòng)閉塞CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基本相同。

隨著列控技術(shù)的發(fā)展及列控標(biāo)準(zhǔn)體系的日趨完善，對(duì)于單線高速鐵路也可研究采用CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)方案。以車載為核心，基于北斗衛(wèi)星列車精確定位，車地雙向無(wú)線通信構(gòu)建列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化列控系統(tǒng)的地面設(shè)備和軌旁設(shè)備，實(shí)現(xiàn)列車安全運(yùn)行。目前CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)尚處于理論研究階段，如要工程應(yīng)用需進(jìn)行技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)備研發(fā)及系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)具有成熟的技術(shù)、完善的體系和豐富的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，因此，通過(guò)單線鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)用研究，對(duì)單線鐵路列控系統(tǒng)構(gòu)建、工程設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。