列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用分析及優(yōu)化建議

霍黎明

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

0 引言

在我國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中，從CTCS-1級至CTCS-4級均配置應(yīng)答器設(shè)備，應(yīng)答器是既有線改造提速和高鐵建設(shè)中不可缺少的設(shè)備，所采用的磁感應(yīng)技術(shù)能夠向高速行駛的車載系統(tǒng)提供大量固定信息和可變信息[1-2]。其傳輸鏈路分為上下2路，上行鏈路由地面應(yīng)答器向車載系統(tǒng)傳輸，信息包括固定信息和可變信息；下行鏈路由車載系統(tǒng)向地面應(yīng)答器傳輸列車運(yùn)行信息。當(dāng)前車地信息傳輸中以上行鏈路數(shù)據(jù)為主，主要向列控車載系統(tǒng)傳送以下信息：鏈接信息、軌道區(qū)段信息、坡度和自動過分相信息、速度信息、臨時限速信息、車站相關(guān)進(jìn)路信息、等級轉(zhuǎn)換信息、定位信息、站臺側(cè)信息、站名信息等。

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，不斷出現(xiàn)大型樞紐車站，通常具有以下特點(diǎn)：建有多種發(fā)揮不同作用的線路，包括不同場間的場聯(lián)線、與動車所相關(guān)的動走線、避免線路相互交叉的立交交叉疏解線、機(jī)務(wù)專用的折返線等；有2個以上進(jìn)出站口；車站股道區(qū)段距離咽喉區(qū)較遠(yuǎn)并配有進(jìn)路信號機(jī)。上述特點(diǎn)不僅增加了樞紐車站的線路復(fù)雜度，而且增加了聯(lián)鎖進(jìn)路數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，進(jìn)而增加了仿真和動態(tài)檢測的復(fù)雜度。通過分析近年來信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試大量的試驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，在樞紐車站和線路條件復(fù)雜、信息多變的區(qū)段，有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器在發(fā)送信息的分配上有時不夠合理，實際應(yīng)用中許多信息沒有結(jié)合站場線路實際情況進(jìn)行充分調(diào)整，依靠經(jīng)驗簡單地生搬硬套，使用不夠靈活。

1 數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

根據(jù)列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則，有源應(yīng)答器組的數(shù)據(jù)應(yīng)合理分配，固定信息宜設(shè)置在無源應(yīng)答器中，無源應(yīng)答器用于發(fā)送對直向方向有效的線路坡度、線路速度、應(yīng)答器鏈接和軌道區(qū)段信息。正反向進(jìn)站信號機(jī)、中繼站、有始發(fā)列車作業(yè)的車站出站信號機(jī)無源應(yīng)答器中應(yīng)發(fā)送里程信息。當(dāng)發(fā)車信號開放后，有源應(yīng)答器發(fā)送對發(fā)車方向有效的應(yīng)答器鏈接、線路允許速度、里程系、軌道區(qū)段、臨時限速及特殊區(qū)段等信息[3]。在實際應(yīng)用中，應(yīng)答器數(shù)據(jù)分配和使用出現(xiàn)的問題較多，尤其在坡度、里程系、速度和限速信息等方面。

1.1 坡度方面

某疏解線反向走行部分簡圖見圖1。列車反向運(yùn)行（正線XTF—201#岔尖—SZ7），當(dāng)列車從正線運(yùn)行至側(cè)線后，一直使用正線坡度信息，直到收到SZ7應(yīng)答器數(shù)據(jù)才能更新坡度信息，從201#岔尖至SZ7應(yīng)答器這段，坡度與實際不符[4]。

圖1 某疏解線反向走行部分簡圖

原因分析：由于該樞紐車站的部分正線和側(cè)線坡度相差較大，而無源應(yīng)答器只能寫單一方向坡度信息，正線應(yīng)答器只能寫正線坡度信息，側(cè)線應(yīng)答器只能寫側(cè)線坡度信息，當(dāng)列車從正線經(jīng)過走側(cè)線時，會一直使用正線坡度數(shù)據(jù)，直到收到側(cè)線第1組應(yīng)答器數(shù)據(jù)才能更新為側(cè)線坡度數(shù)據(jù)，因此從過岔尖開始到側(cè)線第1組應(yīng)答器這段，坡度值和實際現(xiàn)場坡度值不符。

以上問題不僅出現(xiàn)在疏解線，在場聯(lián)線和動走線正反向也常出現(xiàn)類似問題。坡度信息在行車中起著重要作用，是車載系統(tǒng)邏輯運(yùn)算的重點(diǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)，也能為司機(jī)提供明確的提示信息。如果側(cè)線和正線坡度差別不大，對行車影響不大，但在復(fù)雜的車站，尤其是疏解線等立體交叉類線路條件中，往往坡度值較大，甚至達(dá)到±30‰。對于這樣的線路，坡度信息就顯得尤其重要，必須準(zhǔn)確地提供給車載系統(tǒng)，否則將影響行車安全。

1.2 里程系方面

里程系方面類同于坡度方面，同樣是由于樞紐車站進(jìn)路條件復(fù)雜，每條線路均有單獨(dú)里程系，而無源應(yīng)答器只能寫單一方向里程數(shù)據(jù)，正線應(yīng)答器只能寫正線里程信息，側(cè)線應(yīng)答器只能寫側(cè)線里程信息，當(dāng)列車從正線經(jīng)過走側(cè)線時，會一直延用正線里程，直到收到側(cè)線第1組應(yīng)答器數(shù)據(jù)后才能更新為側(cè)線里程，造成某區(qū)段內(nèi)里程數(shù)據(jù)和實際里程數(shù)據(jù)不符。里程信息對司機(jī)起著重要的提示作用，一定條件下其重要性不容忽視。

1.3 速度方面

列車在某樞紐車站27G發(fā)車，經(jīng)上行線正向XTF機(jī)外停車。自S27信號機(jī)至SL3信號機(jī)，列車允許速度一直保持80 km/h，與進(jìn)路數(shù)據(jù)不符[4]（進(jìn)路數(shù)據(jù)表為80/444，160/1014）。S27—SL3—XTF進(jìn)路簡圖見圖2。

圖2 S27—SL3—XTF進(jìn)路簡圖

原因分析：在S27—SL3—XTF進(jìn)路中，BS27有源應(yīng)答器要發(fā)送 ETCS-5、CTCS-1、ETCS-27、ETCS-68、CTCS-2包信息。由于該樞紐車站的站場較大，CTCS-1包容量較大，無法寫入全部線路描述信息，為保證BS27有源應(yīng)答器描述的線路數(shù)據(jù)的有效性和充分性，克服應(yīng)答器報文容量有限問題，只能采用合并線路速度的方式來滿足上述要求，即減少ETCS-27包容量。根據(jù)運(yùn)行路徑，合并后的速度取2分段速度中較低值。根據(jù)上述方式，對于S27—SL3—XTF進(jìn)路，原始速度信息為80/444，160/1396，250/1421，處理后為80/1840，250/1421。

在該案例中，由于有源應(yīng)答器BS27的容量問題，必須采用通過合并線路參數(shù)的方式對ETCS-27包中的速度信息進(jìn)行合并，造成了實際數(shù)據(jù)與列控工程數(shù)據(jù)表不一致，沒有準(zhǔn)確反映出線路的實際情況。

1.4 限速方面

列車上行線正向運(yùn)行，某站IIG到發(fā)進(jìn)路簡圖見圖3，上行線區(qū)間K191+861—K91+661設(shè)置200 km/h的臨時限速，列車發(fā)車后經(jīng)過此站SII應(yīng)答器組后，允許速度由250 km/h突降到200 km/h，經(jīng)過出站口XN應(yīng)答器組及1個車長，允許速度恢復(fù)為250 km/h[5]。

原因分析：根據(jù)《列控系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定》（鐵總運(yùn)〔2016〕222號），正線出站設(shè)置有源應(yīng)答器時，報文發(fā)送原則應(yīng)滿足ATP車載設(shè)備在C2等級下以完全監(jiān)控模式運(yùn)行的需求[6]。此有源應(yīng)答器需要描述報文編輯如下：報頭：50位，ETCS-5：69位，ETCS-27：86位，CTCS-1：429位，ETCS-68：65位，CTCS-2（3條TSR信息）：221位，共920位。在ETCS-21包已經(jīng)調(diào)整到無源應(yīng)答器中后，報文長度還是超過應(yīng)答器最高容量830位。由于報文超過應(yīng)答器容量限制，無法滿足規(guī)范中的“臨時限速包與進(jìn)路有源應(yīng)答器報文發(fā)送原則一致”的要求，只能對臨時限速包進(jìn)行壓縮或合并，即只能將臨時限速范圍描述到反進(jìn)站信號機(jī)處，從而導(dǎo)致車載系統(tǒng)沒有收到準(zhǔn)確的限速信息而出現(xiàn)速度突降。

圖3 某站IIG到發(fā)進(jìn)路簡圖

2 應(yīng)答器容量分析

在我國CTCS-2級列控系統(tǒng)中，應(yīng)答器是車載系統(tǒng)獲取地面信息的重要來源。無源應(yīng)答器（也稱固定應(yīng)答器）設(shè)于區(qū)間閉塞分區(qū)入口以及車站進(jìn)、出站信號機(jī)外方，同有源應(yīng)答器成組排列，用于向列控車載系統(tǒng)傳輸閉塞分區(qū)長度和軌道區(qū)段、線路速度和坡度、列車定位等信息；有源應(yīng)答器（也稱可變應(yīng)答器）設(shè)置于車站進(jìn)、出站信號機(jī)外端，向列車提供接車進(jìn)路參數(shù)、臨時限速等可變信息[3]，應(yīng)答器報文幀結(jié)構(gòu)見表1[1]。其中應(yīng)答器發(fā)送的用戶信息包括：應(yīng)答器鏈接（ETCS-5）、重定位信息（ETCS-16）、線路坡度信息（ETCS-21）、線路速度（ETCS-27）、等級轉(zhuǎn)換（ETCS-41）、CTCS數(shù)據(jù)（ETCS-44）、特殊區(qū)段（ETCS-68）、文本信息（ETCS-72）、里程信息（ETCS-79）、調(diào)車危險（ETCS-132）、默認(rèn)信息（ETCS-254）、軌道區(qū)段（CTCS-1）、臨時限速（CTCS-2）、區(qū)間反向運(yùn)行（CTCS-3）、大號碼道岔（CTCS-4）、絕對停車（CTCS-5）。

表1 應(yīng)答器報文幀結(jié)構(gòu)

此外對于CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器專用包有[3]：通信管理信息（ETCS-42）、無線網(wǎng)絡(luò)注冊（ETCS-45）、有條件轉(zhuǎn)換（ETCS-46）、RBC切換命令（ETCS-131）和目視行車危險（ETCS-137）。

由以上信息綜合可知，1個應(yīng)答器只能存儲1條報文，而1條報文的信息容量是固定的830位二進(jìn)制位，排除固定的50位報文頭信息和8位報文尾信息，可以使用的信息只有772位。830位用戶報文經(jīng)過數(shù)據(jù)變換擾亂后進(jìn)行第10位和第11位轉(zhuǎn)換后為913位，其他還有控制位3位、擾亂位12位、額外修整位10位、校驗位85位共1 023位。

如果1個應(yīng)答器中全部用來儲存CTCS-1包，最多可以存儲25個軌道區(qū)段。軌道區(qū)段是構(gòu)成閉塞分區(qū)的基本單元，而閉塞分區(qū)長度原則上按照不少于2 000 m進(jìn)行設(shè)計，滿足350 km/h速度、3 min列車追蹤運(yùn)行的要求[7]。目前我國軌道電路區(qū)間閉塞分區(qū)中一般有2或3個軌道區(qū)段，根據(jù)CTCS-1包結(jié)構(gòu)（見表2），按最大循環(huán)24次計算，1個CTCS-1包中可以描述8個閉塞分區(qū)，共可以描述14 km，根據(jù)軌道電路區(qū)間追蹤碼序L5推算，前方要求描述7個閉塞分區(qū)，目標(biāo)距離達(dá)到14 km，才能滿足車載一次性模式曲線的要求，在CTCS-3級中距離要求更遠(yuǎn)。而實際應(yīng)用中，應(yīng)答器報文容量中不可能全部用來存儲CTCS-1包。

表2 CTCS-1包結(jié)構(gòu)

由此可以看出應(yīng)答器的容量非常緊張，對于線路條件復(fù)雜的線路，除了正常軌道區(qū)段信息外，還要求加入其他的用戶信息包，軌道區(qū)段的循環(huán)次數(shù)會降低到至多10次，只能描述7～8 km的數(shù)據(jù)，特殊情況下甚至更低，描述的距離將更短。在一次性模式曲線運(yùn)行的有效行車許可范圍內(nèi)，要求相關(guān)數(shù)據(jù)必須及時更新，否則會影響運(yùn)輸效率和行車安全，所以應(yīng)答器容量問題顯得更加突出。

當(dāng)車載系統(tǒng)由部分模式轉(zhuǎn)到完全模式時，CTCS-1、CTCS-2、ETCS-21、ETCS-27包信息是必要條件，以上信息可以在1組應(yīng)答器的有源和無源應(yīng)答器中根據(jù)容量限制合理分配。但在大型樞紐車站和線路條件復(fù)雜的進(jìn)路環(huán)境下，由于坡度、速度、軌道區(qū)段和限速信息與進(jìn)路環(huán)境聯(lián)系非常緊密，甚至鏈接信息（ETCS-5）、分相信息（ETCS-68）、反向運(yùn)行信息（CTCS-3包）、大號碼道岔信息（CTCS-4包）、里程信息（ETCS-79）也要求通過有源應(yīng)答器發(fā)送，該情況下有源應(yīng)答器的容量就顯得更加緊張。經(jīng)過仿真測試，按以下信息分配后（CTCS-1：8個區(qū)段；CTCS-2：3條限速信息；ETCS-21：5段信息；ETCS-27：5區(qū)段信息），有源應(yīng)答器容量就已經(jīng)達(dá)到極限，如果想要增加其他信息，必須對已有信息進(jìn)行合并或壓縮處理，這樣必然造成實際數(shù)據(jù)和列控工程數(shù)據(jù)不符，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響行車安全。

3 優(yōu)化建議

應(yīng)答器是列控車載設(shè)備重要的地面信息來源，應(yīng)該全面準(zhǔn)確地反映地面實際情況，應(yīng)盡最大可能保證其信息的準(zhǔn)確性和充分性，為行車安全提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 合理安排1組應(yīng)答器中有源和無源數(shù)據(jù)

合理安排1組應(yīng)答器中有源和無源數(shù)據(jù)，為有源應(yīng)答器留有足夠的空間。在CTCS列控體系中，應(yīng)答器組內(nèi)應(yīng)答器數(shù)量要求不宜超過3個[8]，1個應(yīng)答器組中最多只能有1個有源應(yīng)答器。在復(fù)雜的情況下，有源應(yīng)答器應(yīng)充分考慮線路的實際情況，合理分配固定信息和可變信息[9]，為有源應(yīng)答器預(yù)留足夠的可變空間，滿足在特殊情況下的坡度、速度、軌道區(qū)段、限速信息、鏈接、分相區(qū)、反向運(yùn)行、大號碼道岔、里程等信息的發(fā)送需求。

3.2 增設(shè)無源應(yīng)答器或使用大容量無源應(yīng)答器

在同一組內(nèi)增加無源應(yīng)答器數(shù)量，可以整體上增加信息包的容納空間，另外也可獨(dú)立增設(shè)應(yīng)答器，在必要的關(guān)鍵信號點(diǎn)增設(shè)應(yīng)答器，從而縮小區(qū)間應(yīng)答器描述的范圍。目前許多新建線路由于受地理等多種因素條件的制約，線路坡度往往較大，甚至達(dá)到30‰，從而造成動車組運(yùn)行時速度的限制要求，為確保運(yùn)行效率和行車安全，必須增加速度變化點(diǎn)，使應(yīng)答器中速度和坡度信息內(nèi)容增大，造成無源應(yīng)答器的容量也很緊張。

目前大容量無源應(yīng)答器已經(jīng)研發(fā)成功，并在大西綜合試驗段成功測試。其上行鏈路采用雙通道結(jié)構(gòu)，可并行傳輸數(shù)據(jù)信息，提高了數(shù)據(jù)傳輸容量[10]。應(yīng)答器上行鏈路的2個通道為并行關(guān)系，通道1采用FSK調(diào)制方式，通道2采用PSK調(diào)制方式，2個通道可同時使用，也可單獨(dú)使用[11]。大容量無源應(yīng)答器預(yù)先存儲2條應(yīng)答器報文，當(dāng)被BTM載波能量激活后，分別采用FSK和PSK調(diào)制方式并行發(fā)送這2條報文，應(yīng)答器可傳輸短格式和長格式報文或交叉使用，數(shù)據(jù)傳輸量是當(dāng)前應(yīng)答器的2倍。使用大容量無源應(yīng)答器后，在不增加組內(nèi)無源應(yīng)答器的情況下，可解決目前無源應(yīng)答器遇到的容量問題。

3.3 合并線路參數(shù)

在合理分配有源和無源應(yīng)答器數(shù)據(jù)以及增設(shè)無源應(yīng)答器仍無法滿足要求時，目前階段可采用合并線路參數(shù)的方法。合并線路參數(shù)過程中應(yīng)遵循相關(guān)原則和規(guī)范，最大限度地保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（1）坡度合并。坡度合并的基本原則是按照應(yīng)答器技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定算法計算可以合并的變坡點(diǎn)，并按照安全側(cè)取合并后的坡度[11]。首先合并制動距離內(nèi)的坡度，因為此段數(shù)據(jù)車載系統(tǒng)最后進(jìn)行驗證，主要作用為延長數(shù)據(jù)范圍，坡度合并不能超出制動距離的范圍，超出后會影響制動模式曲線的生成。

（2）速度合并。速度合并的原則是制動范圍內(nèi)的速度變化點(diǎn)，同樣在不影響運(yùn)輸效率和行車安全的前提下進(jìn)行合并，對于速度變化較大的情況不適合合并，合并時必須保證前后數(shù)據(jù)的一致性。

（3）合并軌道區(qū)段。軌道區(qū)段的合并是在丟失1組應(yīng)答器不影響列車運(yùn)行的條件下，在制動距離范圍內(nèi)由遠(yuǎn)及近對各閉塞分區(qū)內(nèi)的軌道區(qū)段進(jìn)行合并，合并后的各閉塞分區(qū)載頻為“無載頻”。

3.4 加大有源大容量應(yīng)答器的研發(fā)

無論是增設(shè)應(yīng)答器還是合并線路參數(shù)信息都是為了解決應(yīng)答器容量問題，構(gòu)建大容量應(yīng)答器成為需求，尤其是大容量有源應(yīng)答器。由于有源應(yīng)答器與LEU及列控中心密切相關(guān)，比大容量無源應(yīng)答器實現(xiàn)更復(fù)雜，目前還處于探索研究階段，因此，應(yīng)加大研發(fā)力度。只有解決了有源應(yīng)答器的容量問題，在大型樞紐車站和線路條件復(fù)雜的線路環(huán)境中，才能使列控中心對車載系統(tǒng)發(fā)送的信息更加準(zhǔn)確，大幅提高與列控工程數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)的一致性，從而保證鐵路運(yùn)輸安全有序。

4 結(jié)論

應(yīng)答器作為車地信息通信的主要單元，承載的數(shù)據(jù)對于車載系統(tǒng)至關(guān)重要，應(yīng)最大可能地保證車載系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)與列控工程數(shù)據(jù)的一致性和完整性。在相對復(fù)雜的進(jìn)路中，有源應(yīng)答器所發(fā)送的信息應(yīng)全面結(jié)合進(jìn)路的實際情況，要合理分配1組應(yīng)答器中有源和無源的信息數(shù)據(jù)，為有源應(yīng)答器留有足夠的空間來描述其他信息。對于無源應(yīng)答器容量問題，可通過增設(shè)無源應(yīng)答器或使用大容量無源應(yīng)答器的方式來解決。在合理優(yōu)化有源和無源信息并增設(shè)應(yīng)答器仍然無法解決問題時，再采用根據(jù)實際線路情況合并相關(guān)線路參數(shù)的方式解決容量問題。同時，針對目前有源應(yīng)答器的容量問題，應(yīng)加大研發(fā)力度，爭取早日投入應(yīng)用。