高鐵信號工程相鄰軌道電路相同基準(zhǔn)載頻布置的研究

邵樂樂，聶 磊，陳 濱

(北京和利時系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176)

引言

高速鐵路列控系統(tǒng)是鐵路安全的重要保證。中國借鑒了歐洲列車控制系統(tǒng)(European Train Control System， ETCS)[1]結(jié)合中國鐵路的實際情況形成了中國列車控制系統(tǒng)(Chinese Train Control System， CTCS)體系。

列車運行控制系統(tǒng)CTCS包括地面列控系統(tǒng)和車載列控設(shè)備兩部分。CTCS-2級列控系統(tǒng)基于軌道電路、點式應(yīng)答器向車載傳輸列車運行許可信息，采用目標(biāo)-距離模式監(jiān)控列車安全運行。列控系統(tǒng)的運行許可信息作為列車行駛的憑證，是高速列車安全運行的保證[2-4]。

2004年原鐵道部發(fā)布了《CTCS技術(shù)規(guī)范總則(暫行)》[5]，在總則指引下，中國鐵路逐步完善了CTCS列控系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成從總體方案、設(shè)計、生產(chǎn)、測試、施工、驗收一系列標(biāo)準(zhǔn)，為CTCS系統(tǒng)在中國高鐵的運用起到保駕護航的作用[6-8]。

截至2019年年底，我國高鐵開通運營里程將達(dá)3.5萬km，CTCS系統(tǒng)在實踐中得到普遍運用，目前，CTCS系統(tǒng)各種標(biāo)準(zhǔn)滿足了高鐵列控系統(tǒng)從設(shè)計、施工、開通到運營維護全生命周期的要求[9-11]。

然而，在某些工程的特殊情況，尤其是樞紐引入時，設(shè)計規(guī)范沒有涵蓋所有情形，此時，工程設(shè)計人員需要結(jié)合列控產(chǎn)品的技術(shù)要求，在保證地面系統(tǒng)的可靠工作外，同時滿足車載列控設(shè)備的要求。

1 問題提出

在CTCS-2級列控系統(tǒng)中，移頻軌道電路是地面列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備。移頻軌道電路載頻布置是工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。高速鐵路接入樞紐或復(fù)雜站場工程，會出現(xiàn)相鄰移頻軌道電路相同基準(zhǔn)載頻的情況。例如大西線高速鐵路與既有何寨站接軌(圖1)，在何寨站進站信號機處布置了相同基準(zhǔn)載頻。相關(guān)列控數(shù)據(jù)按照相同基準(zhǔn)載頻進行配置，數(shù)據(jù)的驗證、靜態(tài)測試、現(xiàn)場靜態(tài)驗收均正常。在何寨站車地系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試時，排列了SN信號機至IG的正線接車進路，列車車載因何寨站進站信號機處相同基準(zhǔn)載頻觸發(fā)最大常用制動。

圖1 何寨信號平面示意

在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中發(fā)現(xiàn)此類問題時，需要重新變更信號平面布置及列控原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)變更又會導(dǎo)致列控軟件數(shù)據(jù)重新編制、軌道電路調(diào)諧單元重新布置、使用單位重新驗證與確認(rèn)等一系列變更，耗費人力、物力，增加工程投資。

工程設(shè)計階段應(yīng)結(jié)合車載ATP系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮區(qū)間及站內(nèi)移頻軌道電路的載頻布置，遇到區(qū)間及站內(nèi)相鄰移頻軌道電路相同基準(zhǔn)載頻的場景，應(yīng)結(jié)合地面軌道電路及列控車載控制邏輯進行分析。

2 車載設(shè)備對移頻軌道電路處理邏輯分析

2.1 移頻軌道電路地面基準(zhǔn)載頻配置原則

目前，高鐵軌道電路一般采用ZPW-2000系列移頻軌道電路。根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定，ZPW-2000系列移頻軌道電路共有4種基準(zhǔn)載頻：1 700，2 000，2 300，2 600 Hz。基準(zhǔn)載頻派生-1型載頻及-2型載頻。相同載頻是基準(zhǔn)載頻和派生類型均相同。

機械絕緣節(jié)兩側(cè)區(qū)段應(yīng)采用不同載頻軌道電路，如：1700-1；2300-1或1700-1；1700-2。

電氣絕緣節(jié)兩側(cè)區(qū)段應(yīng)采用不同基準(zhǔn)載頻的軌道電路，如：1700-1；2300-1。

區(qū)間車站軌道電路載頻類型應(yīng)統(tǒng)籌布置，下行按照1700-1，2300-1，1700-2，2300-2排列，上行按照2000-1，2600-1，2000-2，2600-2排列。

車站下行股道(到發(fā)線)應(yīng)采用1 700 Hz及2 300 Hz基準(zhǔn)載頻；車站上行股道(到發(fā)線)應(yīng)采用2 000 Hz及2 600 Hz基準(zhǔn)載頻。

站內(nèi)軌道電路基準(zhǔn)載頻不能交錯排列情況在目前設(shè)計規(guī)范中沒有明確規(guī)定。

2.2 車載ATP軌道電路邊界切換邏輯分析

軌道電路的邊界采用不同載頻是為防止軌道電路絕緣破損失效，而對車載ATP設(shè)備來說通過地面絕緣節(jié)時，解析不同的基準(zhǔn)載頻，來更新車載定位在股道電路的邊界，不區(qū)分移頻軌道電路的-1、-2型載頻。

車載ATP能夠通過基準(zhǔn)載頻變化來確定自身從一個軌道電路運行到了另外一個軌道電路上，同時更新自己所處軌道電路邊界，以便正確計算MA。如圖2所示，當(dāng)車載ATP鎖定2 300 Hz的基準(zhǔn)載頻后，立即更新自身所處的軌道電路邊界。

圖2 車載設(shè)備軌道電路邊界切換邏輯(一)

2.3 相鄰軌道區(qū)段不同基準(zhǔn)載頻的軌道電路邊界切換

列車越過應(yīng)答器后，根據(jù)D_SIGNAL距離且判斷出經(jīng)過軌道電路絕緣節(jié)后，更新列車所處軌道電路的邊界。車載判斷經(jīng)過絕緣節(jié)的邏輯如下：當(dāng)列車運行到D_SIGNAL-X處時，VC(車載安全計算機)將開始同時接收、解調(diào)[CTCS-1]包信息中所描述的TC1(1 700 Hz)和TC2(2 300 Hz)所指定的基準(zhǔn)載頻，當(dāng)列車接收到TC2(2 300 Hz)的基準(zhǔn)載頻時，判斷列車經(jīng)過絕緣節(jié)。列車判斷自身在區(qū)間時，X取值為100 m；列車判斷自身在站內(nèi)時，X取值為50 m。如圖3所示。

圖3 車載設(shè)備軌道電路邊界切換邏輯(二)

2.4 相鄰軌道區(qū)段相同基準(zhǔn)載頻的軌道電路邊界切換

如果相鄰軌道區(qū)段相同基準(zhǔn)載頻，列車是無法通過基準(zhǔn)載頻變化判斷自身越過絕緣節(jié)的，也就無法通過基準(zhǔn)載頻變化更新軌道電路邊界。那么在相同基準(zhǔn)載頻下，車載對于更新軌道邊界是按如下邏輯處理的：車載判斷列車越過應(yīng)答器后運行D_SIGNAL距離再走行X強制更新軌道電路邊界。列車判斷自身在區(qū)間時，X取值為100 m，列車判斷自身在站內(nèi)時，X取值為50 m。

結(jié)合車載ATP軌道電路邊界切換邏輯分析，從車載ATP控車邏輯對相鄰軌道電路相鄰載頻的場景進行分析研究。

3 相鄰軌道電路相同基準(zhǔn)載頻場景問題研究

3.1 對ATP正?？剀囉杏绊懙南噜徿壍离娐废嗤鶞?zhǔn)載頻布置

3.1.1 接近區(qū)段與接車咽喉區(qū)相同基準(zhǔn)載頻

圖4 相鄰軌道電路同基準(zhǔn)載頻場景(一)

如圖4所示，站場相同基準(zhǔn)載頻場景為接近區(qū)段與接車咽喉區(qū)設(shè)置相同基準(zhǔn)載頻，分別為 1700-1，1700-2，地面排列X至IG接車進路，軌道電路發(fā)送U碼，接車咽喉區(qū)段、股道發(fā)送HU碼。

車載ATP根據(jù)應(yīng)答器接收的[CTCS-1]信息包，獲得接近區(qū)段基準(zhǔn)載頻信息及軌道電路長度Lm。ATP結(jié)合應(yīng)答器報文信息與基準(zhǔn)載頻變化判斷進入接近區(qū)段，在接近區(qū)段上解析軌道電路低頻信息U碼并按照U碼計算目標(biāo)停車點在XI出站信號機前方一定安全距離處。

列車?yán)^續(xù)前行，由于接近區(qū)段與接車咽喉區(qū)同基準(zhǔn)載頻，ATP不能根據(jù)基準(zhǔn)載頻變化的方式及時判斷自身是否駛?cè)胙屎韰^(qū)端，當(dāng)動車組運行于咽喉區(qū)段前100 m內(nèi)時，ATP判斷自身仍然處于接近區(qū)段上。但是ATP解析軌道電路低頻信息為咽喉區(qū)的HU碼。ATP結(jié)合自身位置(接近區(qū)段)及低頻信息HU碼，將目標(biāo)停車點縮短至X進站信號機前方一定安全距離處，ATP判斷自身位置超出目標(biāo)停車點而施加緊急制動，導(dǎo)致動車組停車。

3.1.2 股道與發(fā)車咽喉區(qū)相同基準(zhǔn)載頻

如圖5所示，站場相同基準(zhǔn)載頻場景為股道與發(fā)車咽喉區(qū)設(shè)置相同基準(zhǔn)載頻，分別為 2300-1，2300-2，地面排列XI至SF發(fā)車進路，二離去區(qū)段有車占用，股道軌道電路發(fā)送U碼，發(fā)車咽喉區(qū)、離去區(qū)段發(fā)送HU碼。

圖5 相鄰軌道電路同基準(zhǔn)載頻場景(二)

車載ATP應(yīng)答器接收的[CTCS-1]信息包獲得股道基準(zhǔn)載頻信息及軌道電路長度Lm。ATP結(jié)合應(yīng)答器報文信息與基準(zhǔn)載頻變化判斷進入股道區(qū)段，在股道上解析軌道電路低頻信息U碼并按照U碼計算目標(biāo)停車點在一離去末端通過信號機前方一定安全距離處。

列車?yán)^續(xù)前行，由于股道與發(fā)車咽喉區(qū)相同基準(zhǔn)載頻，當(dāng)動車組運行于發(fā)車咽喉區(qū)段前100 m內(nèi)時，ATP判斷自身仍然處于股道上。但是ATP解析軌道電路低頻信息為發(fā)車咽喉區(qū)的HU碼。ATP結(jié)合自身位置(股道內(nèi)方)及低頻信息HU碼，將目標(biāo)停車點縮短至XI出站信號機前方一定安全距離處，ATP判斷自身位置超出目標(biāo)停車點而施加緊急制動，導(dǎo)致動車組停車。

3.1.3 側(cè)線股道布置有源應(yīng)答器，接車咽喉與側(cè)線股道相同基準(zhǔn)載頻

根據(jù)《列控數(shù)據(jù)管理暫行辦法》等規(guī)范[12-16]“列控工程數(shù)據(jù)表格式及填寫說明”中1.6節(jié)第8項的規(guī)定，“報文編制時，一個閉塞分區(qū)內(nèi)含多個區(qū)段，且相鄰軌道區(qū)段載頻相同(僅區(qū)分-1和-2載頻)，則軌道區(qū)段應(yīng)合并填寫”。因此JZ報文在描述圖6中的同基準(zhǔn)載頻場景時，將接車咽喉區(qū)和股道描述為一段軌道區(qū)段。

在圖6情景中辦理3G側(cè)線通過進路時，JZ應(yīng)答器中[CTCS-1]描述軌道電路終點信號機類型是帶有源應(yīng)答器的出站信號機(0111b)。300H型車載ATP經(jīng)過FCZ應(yīng)答器時，收到包含d_signal=0的[CTCS-1]包且判斷距離進站信號機絕緣節(jié)大于100 m，會將FCZ應(yīng)答器識別為CZ應(yīng)答器。由于FCZ應(yīng)答器較CZ應(yīng)答器缺少坡度信息，車載判定側(cè)線出站應(yīng)答器丟失，轉(zhuǎn)入部分模式，并觸發(fā)最大常用制動至停車。

圖6 相鄰軌道電路同基準(zhǔn)載頻場景(三)

3.2 車載ATP正?？剀嚐o影響的相鄰軌道電路相同基準(zhǔn)載頻布置

3.2.1 側(cè)線咽喉區(qū)相同基準(zhǔn)載頻

在咽喉區(qū)移頻軌道電路(一般絕緣節(jié)兩側(cè)沒有布置應(yīng)答器)，此時布置相同基準(zhǔn)載頻對車載ATP控車沒有影響。

如圖7所示，以上站場有兩種載頻排列方式，第二種方案雖然不存在相鄰軌道電路相同基準(zhǔn)載頻的情況，但是卻存在相鄰股道相同基準(zhǔn)載頻的問題，存在鄰線干擾的安全隱患。第一種方案存在相同基準(zhǔn)載頻，而對軌道電路還是車載ATP卻均無影響，因此，圖7中第一種方案為最佳設(shè)計方案。

圖7 相鄰軌道電路同基準(zhǔn)載頻場景(四)

3.2.2 側(cè)線股道無有源應(yīng)答器，接車咽喉和側(cè)線股道相同基準(zhǔn)載頻

如圖8所示，當(dāng)側(cè)線股道上沒有布置應(yīng)答器或者僅布置了無源應(yīng)答器時，接車咽喉區(qū)與側(cè)線股道同基準(zhǔn)載頻對車載ATP正常控車無影響。

圖8 相鄰軌道電路同基準(zhǔn)載頻場景(五)

4 結(jié)論

CTCS系統(tǒng)在我國高鐵有廣泛的應(yīng)用，各種標(biāo)準(zhǔn)基本滿足工程建設(shè)的需要。隨著各種工程經(jīng)驗的積累，列控標(biāo)準(zhǔn)可以進一步細(xì)化及明確。移頻軌道電路的應(yīng)用情況比較復(fù)雜，在今后工程中也需要進一步規(guī)范、統(tǒng)一[17-21]。

目前，高速鐵路工程設(shè)計規(guī)范中沒有明確規(guī)定軌道電路相同基準(zhǔn)載頻排列的具體要求。從車載ATP邏輯的角度，分析了地面列控系統(tǒng)中軌道電路相同基準(zhǔn)載頻布置對車載列控系統(tǒng)的影響，并提出解決方案，避免將此類設(shè)計問題遺留到車-地聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，為同類工程設(shè)計提供借鑒和指導(dǎo)作用。