重載鐵路移動閉塞計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)研究

張利峰，王春華

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

1 概述

與公路運輸、航空運輸相比，鐵路運輸有著運量大，成本低，能耗低的特點。高速、重載是鐵路發(fā)展的兩個方向，其中重載鐵路運輸因具有運能大、效率高、運輸成本低等優(yōu)勢而受到世界各國的廣泛重視，是世界上大宗貨物最經濟有效的運輸方式，隨著經濟社會快速發(fā)展，國內、國際上對于重載貨運鐵路系統(tǒng)的運輸能力提出了更高要求。

朔黃鐵路全長600多km，上游連接神朔鐵路、準池鐵路，下游連接黃驊港，是國內西煤東運的重要通道。目前朔黃鐵路信號系統(tǒng)采用三顯示自動閉塞信號系統(tǒng)，車地通過軌道電路來實現(xiàn)車地單方向通信，司機在機車信號、 LKJ 設備的輔助下人工駕駛列車運行?，F(xiàn)有三顯示自動閉塞信號系統(tǒng)只能滿足10 min左右的追蹤間隔，無法滿足年運量快速增長的要求，急需縮短追蹤間隔以進一步提升運輸能力?；跓o線通信的移動閉塞是解決目前重載列車安全運輸問題和提高效率的有效手段，相比于三顯示固定閉塞的行車方式，移動閉塞可有效保證列車運行安全，能顯著縮短行車間隔和發(fā)車間隔，在保證重載運行安全性與可靠性的基礎上，大幅提升線路運能。

2 朔黃重載鐵路移動閉塞技術方案

朔黃重載鐵路采用基于通信的移動閉塞技術方案。重載列車車載設備通過速度傳感器和雷達主動計算位置，通過應答器信息對列車位置進行校準，計算得到列車的位置信息并通過TD-LTE 無線通信系統(tǒng)發(fā)送到地面RBC設備，同時接收RBC下達的行車許可數(shù)據(jù)來計算制動曲線，將控車命令通過列車接口單元傳遞給機車制動系統(tǒng)，來實施常用制動或緊急制動。地面RBC設備根據(jù)接收到的列車位置信息和計算機聯(lián)鎖設備發(fā)送的進路信息，為列車計算行車許可，并通過地面LTE無線通信單元將行車許可發(fā)送到車載設備。CTC子系統(tǒng)根據(jù)時刻表，向聯(lián)鎖子系統(tǒng)下達進路辦理命令。

根據(jù)朔黃鐵路移動閉塞系統(tǒng)總體技術方案，既有朔黃鐵路計算機聯(lián)鎖需要進行升級改造滿足移動閉塞的功能需求。

3 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構

朔黃鐵路肅寧北站、太師莊站、黃驊南站計算機聯(lián)鎖設備（CBI）采用DS6-K5B型計算機聯(lián)鎖，系統(tǒng)核心部件采用“二乘二取二”架構設計，系統(tǒng)結構包括：聯(lián)鎖邏輯部子系統(tǒng)，該部分是承擔聯(lián)鎖運算的核心部件；I/O子系統(tǒng)，該部分負責信號繼電器的采集和驅動；MMI子系統(tǒng)，該部分負責人機會話；電務維修機子系統(tǒng)，該部分實現(xiàn)系統(tǒng)維護、故障查找和記錄等功能。DS6-K5B型計算機系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)通過繼電器控制軌旁的信號機、道岔等信號設備動作；聯(lián)鎖邏輯部子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信接口與無線閉塞中心（RBC）接口；MMI子系統(tǒng)通過串行通信接口與調度集中系統(tǒng)（CTC）接口；電務維修機子系統(tǒng)通過串行接口與集中監(jiān)測系統(tǒng)（CSM）接口。DS6-K5B計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 DS6-K5B型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構Fig.1 DS6-K5B computer based interlocking system structure

4 關鍵技術方案

4.1 移動閉塞多列車進路辦理與解鎖

為減小運行間隔，提高車流密度，在移動閉塞控制系統(tǒng)中，聯(lián)鎖設備根據(jù)列車屬性來決定為列車辦理單列車進路或多列車進路。移動閉塞控制系統(tǒng)中，線路中運行的列車屬性分為具備移動閉塞通信功能的列車（CT）和不具備移動閉塞通信功能的列車（UT）。單列車進路的辦理方式和使用方式與既有固定閉塞系統(tǒng)一致，在辦理多列車進路后，一條進路中允許有多列車運行，列車運行及追蹤安全由RBC設備進行防護。多列車進路的正常解鎖需按照進路內的最后一列CT列車的軌道區(qū)段占用/出清順序來執(zhí)行解鎖。移動閉塞多列車進路解鎖場景如圖2所示。

場景一：前車發(fā)車進路辦理后，信號開發(fā)，前車準備駛入岔區(qū)。場景二：前車駛離沖突道岔后，道岔自動解鎖，聯(lián)鎖具備為后車辦理多列車進路條件。場景三：聯(lián)鎖為后車的移動閉塞列車辦理多列車進路，一個進路內允許多列車運行。場景四：前車出清進路內的軌道區(qū)段時，區(qū)段維持鎖閉狀態(tài)。場景五：多列車進路內的最后一列車出清進路內的軌道區(qū)段時，區(qū)段按出清順序執(zhí)行解鎖。

圖2 移動閉塞多列車進路解鎖場景圖Fig.2 Unlocking diagram of multi-train route in moving block system

4.2 信號機控制

4.2.1 信號機亮滅燈控制

1）列車信號機亮滅燈控制流程

為減少地面信號對移動閉塞中CT列車司機的影響，聯(lián)鎖需對區(qū)間和站內的列車信號機（含列車兼調車信號機）進行亮滅燈控制，控制原則如下：

RBC會沿著CT車的行車許可方向來尋找下一架列車信號機，若列車車頭距該架信號機的距離小于滅燈距離(Lm)且RBC計算的行車許可終點已到達或越過該信號機，則RBC向聯(lián)鎖發(fā)送該架信號機的“CT接近”信息；

聯(lián)鎖收到RBC發(fā)送的“CT接近”信息后，對相關列車信號機（含列車兼調車信號機）執(zhí)行滅燈操作；

當CT車車頭通過信號機時，RBC將發(fā)送的“CT接近”信息變更為“無CT接近”，聯(lián)鎖在收到“無CT接近”信息后將該架信號機恢復為亮燈狀態(tài)。

2）列車信號機的亮滅燈控制過程場景

場景一：UT列車追蹤CT列車，具體情形如圖3所示。

UT列車按照三顯示固定閉塞方式運行，UT車前的信號機始終保持常亮狀態(tài)。CT車在尚未到達進路前方信號機的滅燈區(qū)段時，信號機保持亮燈狀態(tài)。

CT車在到達進路前方信號機的滅燈區(qū)段時，信號機由亮燈狀態(tài)轉為滅燈狀態(tài)。

CT車車頭越過信號機后，RBC將發(fā)送給CBI的“CT接近”轉變?yōu)椤盁oCT車接近”，CBI將該架信號機恢復為亮燈狀態(tài)。UT車前方信號機始終保持常亮狀態(tài)，UT車需根據(jù)信號行車。

CT車繼續(xù)接近向前行駛，CBI依據(jù)RBC發(fā)送的信號機的“CT接近”信息和“無CT車接近”信息對信號機執(zhí)行亮滅燈控制。

場景二：UT列車追蹤UT列車，具體情形如圖4所示。

圖3 列車信號機亮滅燈控制過程場景一Fig.3 Scenario 1 of the control process of signal lighting on and off

信號機常亮，司機按照既有地面信號行車。

場景三：CT列車追蹤UT列車，具體情形如圖4所示。

重載移動閉塞系統(tǒng)下，CT車需間隔一定的安全距離來追蹤UT車。CT車的行車許可由RBC發(fā)送，追蹤UT車的方式由RBC來實現(xiàn)。UT車按照既有固定閉塞方式運行，UT車前方信號機始終保持常亮模式。CBI對CT車前方的列車信號機亮滅燈控制過程與本節(jié)中的“場景一”相同。

場景四：CT列車追蹤CT列車，具體情形如圖4所示。

CT車追蹤CT車時，兩車可以運行至同一區(qū)段內。CBI對CT車前方的列車信號機亮滅燈控制過程與本節(jié)中的“場景一”相同。

場景五：CT列車異常降級，具體情形如圖5所示。

CT車追蹤UT車時，當后車CT車發(fā)生降級變?yōu)閁T車時，RBC給CBI發(fā)送的“CT接近”信息轉變?yōu)椤盁oCT接近”，信號機將恢復亮燈狀態(tài)。

CT追蹤CT車運行時，兩車均在信號機的點滅燈區(qū)段內，當前車CT車發(fā)生降級變?yōu)閁T車后，由RBC向聯(lián)鎖發(fā)送該信號機無CT車接近，聯(lián)鎖控制信號機為亮燈狀態(tài)；當后車CT車發(fā)生降級變?yōu)閁T車后，由RBC向聯(lián)鎖發(fā)送該信號機為CT車接近，聯(lián)鎖控制信號機保持滅燈狀態(tài)。

4.2.2 信號關閉

移動閉塞系統(tǒng)下，單列車進路的信號正常關閉原則沿用既有原則，單列車進路和多列車進路的信號異常關閉原則沿用既有原則，多列車進路的信號正常關閉流程需按如下步驟進行：

多列車進路的始端信號機開放后，CT車接近該信號機，RBC向CBI發(fā)送“CT接近”信息，CBI將該信號機控制為開放且滅燈狀態(tài)；

RBC判斷列車車頭已越過信號機后，向CBI同時發(fā)送“無車接近”和“信號機跨壓”信息，CBI在收到“無車接近”信息后將信號機恢復為亮燈狀態(tài)；

圖4 列車信號機亮滅燈控制過程場景二、三、四Fig.4 Scenario 2, 3 and 4 of the control process of signal lighting on and off

圖5 列車信號機亮滅燈控制過程場景五Fig.5 Scenario 5 of the control process of signal lighting on and off

CBI收到“信號機跨壓”信息后將信號機置于關閉狀態(tài)。多列車進路的信號機關閉場景如圖6所示。

圖6 多列車進路的信號機關閉場景Fig.6 Signal lighting off scenario of multi-train route

由于車載ATP設備存在定位誤差，RBC可能在列車車頭未越過信號機前就向CBI匯報多列車進路內方第一區(qū)段被CT車占用，同時，RBC設備需確保列車首輪對通過信號機后才會向CBI發(fā)送“無CT接近”和“信號機跨壓”。因此，當CBI檢測到多列車進路內方第一區(qū)段被占用但沒有收到RBC發(fā)送的“信號機跨壓”時，聯(lián)鎖不關閉本架信號機，避免出現(xiàn)司機看到紅燈的情況。

4.3 區(qū)段融合處理

移動閉塞系統(tǒng)下，聯(lián)鎖可以通過繼電器獲取區(qū)段占用/空閑信息，還可以從RBC獲取邏輯區(qū)段占用/空閑信息，聯(lián)鎖設備將兩路信息融合后進行邏輯運算和站場狀態(tài)顯示。朔黃線全線鋪設軌道電路，而軌道電路存在“分路不良”特性，信號設備不能有效的檢測該故障。針對移動閉塞模式的列車，聯(lián)鎖需要結合RBC發(fā)送的邏輯區(qū)段狀態(tài)信息（占用/空閑）聯(lián)鎖采集的軌道區(qū)段占用狀態(tài)（GJ吸起或者落下），采用“或占用”、“RBC占用優(yōu)先”的原則進行融合處理，并將融合后的狀態(tài)應用在聯(lián)鎖邏輯處理中。朔黃鐵路站內的邏輯區(qū)段按照物理區(qū)段進行劃分，對于站內的邏輯區(qū)段，采用“或占用”邏輯進行融合處理。區(qū)段的“或占用”融合處理邏輯如表1所示。

表1 區(qū)段“或占用”融合邏輯Tab.1 "Or occupation" fusion logic of track section

區(qū)間的一個物理區(qū)段可能被分為多個邏輯區(qū)段，對于區(qū)間的物理區(qū)段，聯(lián)鎖采用“RBC占用優(yōu)先”的原則進行占用狀態(tài)處理。如圖7所示，1G 為區(qū)間的一個物理區(qū)段， 1A、1B、1C為1G包含的3個邏輯區(qū)段。當1G處于空閑態(tài)，有CT車壓入邏輯區(qū)段1A 時，聯(lián)鎖會采集到1G占用，RBC 會匯報1A 是 CT占用，1B和1C處于空閑狀態(tài)。為避免聯(lián)鎖按照“或占用”融合出 1A 是CT占用、1B和1C是 UT 占用的情況，聯(lián)鎖需采用“RBC占用優(yōu)先”的原則，將 1A 置為CT占用，將1B和1C置為空閑態(tài)。

圖7 “RBC占用優(yōu)先”原則Fig.7 "RBC occupancy first" principle

4.4 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)接口

4.4.1 移動閉塞接口交互數(shù)據(jù)

移動閉塞系統(tǒng)下，計算機聯(lián)鎖設備與CTC、RBC使用通信接口進行數(shù)據(jù)交互。交互流程如下：

CTC依據(jù)計劃和列車位置向聯(lián)鎖下發(fā)進路辦理命令；

聯(lián)鎖將采集的區(qū)段占用/空閑狀態(tài)和RBC根據(jù)列車位置發(fā)送的邏輯區(qū)段狀態(tài)進行融合處理；

聯(lián)鎖使用融合后的區(qū)段狀態(tài)進行聯(lián)鎖運算，判斷進路是否可以辦理成功；

聯(lián)鎖設備周期將處理后的結果以碼位的形式發(fā)送給CTC；

調度人員依據(jù)站場狀態(tài)判斷是否需要人工干預(例如，執(zhí)行信號重開等操作)。

移動閉塞系統(tǒng)接口交互數(shù)據(jù)流如圖8所示。

4.4.2 CBI與RBC接口

RBC與CBI同時接入信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)（新設），一個RBC可以管理多個CBI，CBI與RBC在安全通信協(xié)議的基礎上進行周期通信并交互數(shù)據(jù)；RBC向CBI發(fā)送通信列車接近信息、通信車跨壓信號機信息、邏輯區(qū)段狀態(tài)信息；CBI向RBC發(fā)送信號機狀態(tài)信息、物理區(qū)段狀態(tài)信息、道岔狀態(tài)信息、進路狀態(tài)信息。

圖8 移動閉塞系統(tǒng)接口交互數(shù)據(jù)示意圖Fig.8 Schematic diagram of interface data interaction in moving block system

4.4.3 CBI與CTC接口

CBI從CTC接收進路控制命令信息，并向CTC發(fā)送站場狀態(tài)信息。CBI與CTC維持既有的物理接口方式。CBI將邏輯區(qū)段狀態(tài)發(fā)送給CTC，用于細化顯示移動閉塞列車位置。

4.4.4 CBI與CSM接口

CBI將站場設備狀態(tài)信息發(fā)送給CSM設備。CBI與CSM維持既有的物理接口方式。CBI將增加的邏輯區(qū)段、信號機亮滅燈等狀態(tài)信息發(fā)送給CSM設備。

5 結束語

本文所述重載鐵路移動閉塞計算機聯(lián)鎖升級方案是基于既有線信號系統(tǒng)進行升級改造實現(xiàn)了移動閉塞功能，對既有運營影響最小。同時兼容既有固定閉塞的功能，在全線移動閉塞改造完成后，在保證系統(tǒng)安全的前提下，將顯著提高貨運列車追蹤密度和朔黃鐵路的運輸能力。目前中國國家鐵路集團有限公司正在組織相關單位對高速鐵路移動閉塞方案進行研究和試驗，朔黃重載鐵路移動閉塞技術方案對高速鐵路移動閉塞方案的研究具有一定借鑒意義。