青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)方案研究

張 淼 ，趙 陽 ，曲以勝，范 楷 ，周博淵

ZHANG Miao1, 2，ZHAO Yang1, 2, QU Yisheng3，F(xiàn)AN Kai1, 2，ZHOU Boyuan1, 2

（1.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；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081；3.中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司 科信部，新疆 烏魯木齊 830011)

(1.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2.National Research Center of Railway Intelligence Transportation System Engineering Technology, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China；3.China Railway Urumqi Group Co., Ltd., Urumqi 830011, Xinjiang, China)

自青藏鐵路(西寧—拉薩)開通以來[1]，格爾木—拉薩段一直采用固定閉塞制式行車[2-3]，且未能實(shí)現(xiàn)列車的追蹤運(yùn)行。隨著近年來青海省、西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展[4,5]，青藏鐵路的運(yùn)輸能力逐漸無法滿足日益增長的運(yùn)輸需求[6]，需要通過設(shè)備升級改造等措施提升線路的運(yùn)輸能力。相關(guān)研究表明，采用移動閉塞制式可以實(shí)現(xiàn)列車的追蹤運(yùn)行，從而提升單線鐵路運(yùn)輸效率，是提升青藏鐵路運(yùn)輸能力的重要手段之一[7-9]。因此，研究青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)，對于提升線路運(yùn)輸能力，支持青藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與國防建設(shè)尤為重要。首先，比較分析幾種主要的閉塞制式，指出移動閉塞制式的特點(diǎn)和優(yōu)勢，然后結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出適用于青藏鐵路的移動閉塞制式列控安全技術(shù)方案。

1 青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)方案總體架構(gòu)

1.1 區(qū)間閉塞制式比較分析

區(qū)間閉塞技術(shù)是對區(qū)間有列車運(yùn)行的線路進(jìn)行封鎖，不準(zhǔn)許其他列車駛?cè)耄乐沽熊囅嘧驳陌踩刂萍夹g(shù)。該技術(shù)是鐵路列車運(yùn)行控制的基礎(chǔ)保障，也是提升運(yùn)輸效率的重要手段。根據(jù)線路條件和運(yùn)輸需求的不同，區(qū)間閉塞技術(shù)可以分為站間閉塞、自動閉塞和移動閉塞等制式。

（1）站間閉塞。站間閉塞是將2個車站間的區(qū)間作為1個閉塞分區(qū)管理，即1個區(qū)間僅能運(yùn)行1列車。站間閉塞管理簡單，但效率較低，多用于單線鐵路。目前，青藏鐵路格林—拉薩段使用站間閉塞制式。

（2）自動閉塞。自動閉塞將區(qū)間劃分為若干個閉塞分區(qū)，每個閉塞分區(qū)允許1列車運(yùn)行，區(qū)間則允許多列車追蹤運(yùn)行。相比站間閉塞，自動閉塞的行車效率明顯提升。但是，自動閉塞需要增配相應(yīng)的軌旁設(shè)備(如軌道電路、信號機(jī))，建設(shè)與維護(hù)成本顯著增加，多用于復(fù)線鐵路。目前，我國采用CTCS-2/3列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的高速鐵路均采用自動閉塞制式控制列車運(yùn)行。

（3）移動閉塞。移動閉塞作為一種新型的閉塞技術(shù)，與站間閉塞或自動閉塞相比，其最顯著特點(diǎn)是取消了軌旁設(shè)備分割的固定閉塞區(qū)間，列車間最小運(yùn)行間隔由列車位置、速度等運(yùn)行狀態(tài)確定。列車追蹤運(yùn)行時，閉塞區(qū)間隨列車運(yùn)行不斷移動和調(diào)整，后車的行車許可隨著前車位置變化而動態(tài)移動，因而稱之為移動閉塞。

3種閉塞制式下列車運(yùn)行方式如圖1所示。

1.2 青藏鐵路移動閉塞優(yōu)勢

針對青藏鐵路這類有著突出“少維護(hù)、高效率”需求的鐵路，近年來國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開展了大量相關(guān)的研究與試驗[10-12]。相較站間閉塞或自動閉塞，青藏鐵路采用移動閉塞具有以下優(yōu)勢。

（1）更高效。采用移動閉塞后，列車追蹤間隔時間更小，列車運(yùn)行效率更高。根據(jù)童有超等[7]理論計算，青藏鐵路格拉段采用移動閉塞制式能夠?qū)F(xiàn)有站間閉塞制式的通過能力提升近1倍，較自動閉塞也有一定提升。不同閉塞制式下青藏鐵路格拉段通過能力對比如表1所示。

（2）更靈活。采用移動閉塞，列車追蹤間隔可以根據(jù)車速、車型以及運(yùn)輸要求而動態(tài)調(diào)整，運(yùn)輸組織更靈活。青藏鐵路是客貨混跑線路，客、貨列車最高運(yùn)行速度不同，機(jī)車的牽引制動性能均有所不同，如果按照列車最大制動距離制訂統(tǒng)一、固定的追蹤間隔，不利于充分發(fā)揮列車追蹤運(yùn)行帶來的效率優(yōu)勢，而采用移動閉塞制式可以為列車追蹤間隔的動態(tài)調(diào)整奠定基礎(chǔ)。

圖1 3種閉塞制式下列車運(yùn)行方式Fig.1 Train operation mode under 3 block types

表1 不同閉塞制式下青藏鐵路格拉段通過能力對比[7] 對/ dTab.1 Passing capacity of Golmud-Lhasa section of Qinghai Tibet Railway in different block types

（3）更經(jīng)濟(jì)。移動閉塞不需要信號機(jī)、軌道電路等軌旁設(shè)備支持，以軟件代替硬件，更具經(jīng)濟(jì)性，可以更好地滿足“少軌旁設(shè)備，少維護(hù)工作”的需求，降低信號系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)成本，降低現(xiàn)場施工與維護(hù)人員作業(yè)強(qiáng)度。

1.3 方案總體架構(gòu)

我國開展了青藏鐵路列控系統(tǒng)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究工作[13-14]。青藏鐵路移動閉塞列控系統(tǒng)取消區(qū)間軌道電路和通過信號機(jī)，采用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的多源融合技術(shù)、列車完整性檢查技術(shù)和基于IP的無線通信技術(shù)。為了應(yīng)對車地通信中斷、列車完整性丟失等故障，應(yīng)在站間設(shè)置計軸設(shè)備，滿足故障條件下列車運(yùn)行控制安全防護(hù)需要。系統(tǒng)整體設(shè)計符合CTCS技術(shù)體系[15]規(guī)定的“車—地”控制模式，能夠與既有CTCS系統(tǒng)互聯(lián)互通。青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)總體架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)總體架構(gòu)包括設(shè)備層和功能層，功能層描述系統(tǒng)的核心功能和各功能單元間的信息流，設(shè)備層則是系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，支撐系統(tǒng)各項功能的具體實(shí)現(xiàn)。

（1）車載設(shè)備功能。車載設(shè)備具備多源融合自主定位功能、列車完整性檢查功能、速度曲線安全計算功能和列車超速自動防護(hù)功能。車載設(shè)備采用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的多源融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主定位和列車完整性檢查。RBC結(jié)合列車位置報告(含完整性狀態(tài))與車站軌道電路和站間計軸設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)移動閉塞制式的列車追蹤運(yùn)行安全控制功能。通過設(shè)置虛擬區(qū)段，實(shí)現(xiàn)對故障列車所在區(qū)段的“部分封鎖”，在保證安全的前提下提高了系統(tǒng)的可用性。

（2）地面中心設(shè)備功能。無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)設(shè)備具備列車占用安全檢查功能和移動閉塞制式的行車許可(Movement Authority，MA)計算功能，聯(lián)鎖設(shè)備主要負(fù)責(zé)車站道岔聯(lián)鎖關(guān)系和進(jìn)路管理功能，臨時限速服務(wù)器主要負(fù)責(zé)臨時限速的管理功能，車站軌道電路和站間計軸裝置則負(fù)責(zé)區(qū)段占壓狀態(tài)檢測功能。列車運(yùn)行過程中，由地面中心設(shè)備RBC計算生成移動閉塞制式的行車許可，并經(jīng)無線通信系統(tǒng)傳輸至車載設(shè)備，車載設(shè)備根據(jù)MA以“目標(biāo)－距離”模式的速度曲線監(jiān)控列車安全運(yùn)行。

圖2 青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)總體架構(gòu)Fig.2 Overall structural of safety technology of movable block train control system for Qinghai-Tibet Railway

2 青藏鐵路移動閉塞列控安全技術(shù)分析

2.1 列車占用安全檢查功能

青藏鐵路格拉段部分車站已安裝軌道電路設(shè)備，而區(qū)間未安裝任何列車占用檢查設(shè)備，因而列控系統(tǒng)將已經(jīng)安裝軌旁設(shè)備(軌道電路、計軸等)，實(shí)現(xiàn)列車占用檢查的區(qū)段定義為實(shí)體區(qū)段，將區(qū)間線路和車站線路劃分為若干軟件邏輯定義的虛擬區(qū)段，虛擬區(qū)段覆蓋全線的實(shí)體區(qū)段和非實(shí)體區(qū)段。

虛擬區(qū)段設(shè)置不影響正常情況下列車在移動閉塞制式下追蹤運(yùn)行，其目的主要在于：①將車站與區(qū)間的區(qū)段劃分統(tǒng)一；②減少對行車調(diào)度、聯(lián)鎖和RBC等既有相關(guān)功能的影響；③當(dāng)列車在區(qū)間出現(xiàn)降級時(如車地通信中斷或完整性丟失)，能夠按虛擬區(qū)段進(jìn)行相應(yīng)防護(hù)，在保證安全的同時避免不必要的全區(qū)間封鎖。

具體而言，虛擬區(qū)段覆蓋全線，車站內(nèi)虛擬區(qū)段劃分應(yīng)與實(shí)體區(qū)段一致，其占用、空閑狀態(tài)由RBC根據(jù)列車位置報告、軌道電路或計軸狀態(tài)綜合計算；區(qū)間虛擬區(qū)段占用、空閑狀態(tài)則由RBC根據(jù)管轄區(qū)內(nèi)列車的位置報告計算。新型列控系統(tǒng)區(qū)段劃分與狀態(tài)計算示意圖如圖3所示。

RBC依據(jù)接收到列車位置報告、完整性狀態(tài)等信息，結(jié)合實(shí)體區(qū)段占用狀態(tài)確定虛擬區(qū)段的占用狀態(tài)。虛擬區(qū)段占用狀態(tài)計算規(guī)則如表2所示。

此外，考慮到虛擬區(qū)段狀態(tài)變?yōu)椤肮收险加谩焙?，存在區(qū)間虛擬區(qū)段無軌旁占用檢查設(shè)備，或車站軌旁占用檢查設(shè)備故障等情況，為了提高系統(tǒng)可用性，可以在人工或其他外部系統(tǒng)確認(rèn)線路實(shí)際空閑后，通過調(diào)度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control System，CTC)由人工確認(rèn)區(qū)段狀態(tài)為“空閑”，或在車地通信正常且具備完整性的列車駛過該區(qū)段后，RBC自動將該虛擬區(qū)段設(shè)置為“空閑”。

2.2 列車追蹤安全防護(hù)功能

2.2.1 正常情況下列車追蹤安全防護(hù)功能

由于青藏鐵路區(qū)間沒有軌道電路等軌旁列車占用檢查設(shè)備，列車的存在和位置全部依賴RBC的計算，而當(dāng)出現(xiàn)未向RBC注冊并上報位置的列車(也稱“隱藏車輛”)時，RBC無法獲得該隱藏車輛的位置，通信列車的運(yùn)行控制存在安全風(fēng)險。因此，對于新注冊并報告位置的通信列車，RBC應(yīng)首先確認(rèn)該列車頭部和尾部所在虛擬區(qū)段有無隱藏車輛，此過程也稱為“頭篩”和“尾篩”，并將頭篩和尾篩的狀態(tài)報告給CTC設(shè)備，供調(diào)度人員決策。

圖3 新型列控系統(tǒng)區(qū)段劃分與狀態(tài)計算示意圖Fig.3 Block division and state calculation diagram of new train control system

表2 虛擬區(qū)段占用狀態(tài)計算規(guī)則Tab.2 Calculation rules of virtual section occupancy status

（1）確認(rèn)通信列車前方無隱藏車輛(頭篩)。列車位于車站內(nèi)時，RBC可使用TAF流程(即確認(rèn)前方軌道空閑流程[11])來清除通信列車頭部前方的隱藏車輛。當(dāng)前方區(qū)段對應(yīng)實(shí)體區(qū)段或站間計軸從“空閑”變?yōu)椤罢加谩遍_始計時，在給定時間內(nèi)收到通信列車最小安全前端占用該區(qū)段的信息時，清除通信列車頭部前方的隱藏車輛。列車位于區(qū)間時，RBC可在接收到CTC下發(fā)的“人工確認(rèn)列車前方軌道空閑”命令后，清除通信列車頭部前方的隱藏車輛。對于頭部處于故障防護(hù)區(qū)域內(nèi)的列車，在該防護(hù)區(qū)域被解除后，可自動清除該通信列車頭部前方的隱藏車輛。

（2）確認(rèn)通信列車后方無隱藏車輛(尾篩)。列車位于車站內(nèi)時，通信列車的最小末端離開一個設(shè)置實(shí)體區(qū)段的區(qū)段或站間計軸區(qū)域，該實(shí)體區(qū)段或站間計軸從“占用”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱臻e”狀態(tài)。當(dāng)下面2個事件在給定時間內(nèi)發(fā)生時，RBC應(yīng)將通信列車尾部的隱藏車輛清除：①列車位于區(qū)間時，RBC在接收到CTC下發(fā)的“人工確認(rèn)列車后方軌道空閑”命令后，清除該通信列車尾部后方的隱藏車輛；②對于尾部處于故障防護(hù)區(qū)域內(nèi)的列車，在該防護(hù)區(qū)域被解除后，可自動清除該通信列車尾部后方的隱藏車輛。

基于以上方案，列車向RBC注冊后，從車站出發(fā)前，應(yīng)首先完成頭篩和尾篩，RBC僅向完成頭篩的列車計算并發(fā)送MA，并將未完成尾篩的列車尾部所處虛擬區(qū)段設(shè)置為“故障占用”進(jìn)行安全防護(hù)。

2.2.2 故障情況下列車追蹤安全防護(hù)功能

（1）RBC與車載設(shè)備無線通信中斷情況。RBC設(shè)備或車地通信故障導(dǎo)致車地間通信中斷時，車載設(shè)備按無線消息超時處理，列車應(yīng)制動停車。RBC會根據(jù)失去通信列車最后的位置報告，將列車可能占用的虛擬區(qū)段設(shè)置為“故障占用”，并進(jìn)行必要防護(hù)。車地通信中斷后恢復(fù)的典型場景示意圖如圖4所示。

（2）軌旁設(shè)備故障或列車降級情況。當(dāng)發(fā)生軌道電路故障占用，或列車降級，或未裝備列控車載設(shè)備的車輛闖入等特殊事件發(fā)生時，RBC會根據(jù)事件發(fā)生的位置，將可能存在占用的虛擬區(qū)段設(shè)置為“故障占用”，并進(jìn)行必要防護(hù)。未知列車駛?cè)雲(yún)^(qū)間的典型場景示意圖如圖5所示，其他情況類似。

圖4 車地通信中斷后恢復(fù)的典型場景示意圖Fig.4 Typical scene of recovery after train-ground communication interruption

圖5 未知列車駛?cè)雲(yún)^(qū)間的典型場景示意圖Fig.5 Typical scene of unknown train entering the section

（3）車載設(shè)備判斷列車完整性丟失情況。車載設(shè)備判斷列車完整性丟失時，可能存在2種情況：①列車未斷鉤，列車完整性檢查功能故障導(dǎo)致誤判；②列車斷鉤導(dǎo)致車輛非正常解編。其中，前者是可恢復(fù)的，后者則必須由人工方式進(jìn)行救援，RBC對此2種情況采取不同的安全控制與防護(hù)方案。列車完整性檢查功能故障后恢復(fù)典型場景示意圖如圖6所示。需要注意的是，根據(jù)車輛設(shè)計要求，發(fā)生斷鉤后會導(dǎo)致制動，因而系統(tǒng)不考慮對斷鉤車輛的退行防護(hù)。

3 結(jié)束語

面向青藏鐵路特殊環(huán)境與地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來的運(yùn)量增長需求，分析青藏鐵路既有ITCS的特點(diǎn)和問題，提出適用于青藏鐵路的移動閉塞制式列控安全技術(shù)總體框架，對移動閉塞制式下的安全防護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了深入的研究分析，通過典型運(yùn)營場景，對方案安全性、可靠性和完備性進(jìn)行了闡述。適用于青藏鐵路的移動閉塞技術(shù)可以為青藏鐵路類單線鐵路提供安全、可靠、高效的列車追蹤運(yùn)行控制方案，在保證列車運(yùn)行安全的前提下，實(shí)現(xiàn)青藏鐵路的通過能力加強(qiáng)，提升運(yùn)輸效率。移動閉塞技術(shù)在青藏鐵路的實(shí)現(xiàn)，可以為我國移動閉塞的發(fā)展積累技術(shù)經(jīng)驗，有助于該技術(shù)在全國鐵路推廣應(yīng)用，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義與研究價值。

圖6 列車完整性檢查功能故障后恢復(fù)典型場景示意圖Fig.6 Typical scene of recovery after train integrity check function failure