普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案研究

臧一佩 ，梁志國 ，馮浩楠 ，郭 偉 ，許 鎮(zhèn)

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團 有限公司 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

我國主要的干線高速鐵路客流量大、行車密度高[1]，當線路、設(shè)備突發(fā)故障時，可能導致列車長時間晚點，甚至中斷行車，對運輸秩序造成嚴重影響和經(jīng)濟損失，同時也可能導致旅客大量滯留，對車站管理造成壓力。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)我國主要高速鐵路線路與周邊普速鐵路多數(shù)存在迂回運行的條件，在非常時期可考慮高速鐵路動車組借道普速鐵路運行，以減小高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施故障或突發(fā)事件對高速鐵路運輸秩序的影響。隨著普速鐵路對運輸效率和安全要求的不斷提升，目前采用的CTCS-0級列控系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足普速鐵路日益發(fā)展的運營要求?；谝陨闲枨?，研究適合我國普速鐵路現(xiàn)狀的信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案十分必要。

1 鐵路信號系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

我國現(xiàn)有高速鐵路動車組及車載設(shè)備主要分為2類：① 250 km/h動車組安裝的車載設(shè)備為CTCS-2級[2]（以下簡稱“C2級”）列車自動防護系統(tǒng)（ATP），由于安裝了列車運行監(jiān)控設(shè)備（LKJ）作為后備，其在普速鐵路運行時可按照CTCS-0級（以下簡稱“C0級”）標準使用LKJ設(shè)備監(jiān)控運行。② 300 km/h及以上動車組安裝的車載設(shè)備為CTCS-3級[3]（以下簡稱“C3級”）ATP，按照當前的配置在普速鐵路運行時，由于沒有后備的LKJ可用，C3級ATP又因為缺少線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臨時限速命令信息，無法生成目標-距離模式曲線監(jiān)控列車安全運行，其在普速鐵路運行時最高速度不超過80 km/h，無法滿足普速鐵路的運營要求。

對于高速鐵路，其運行動車組絕大多數(shù)為 300 km/h及以上速度等級類型，若通過加裝LKJ設(shè)備實現(xiàn)高速鐵路動車組跨普速鐵路迂回運行[4]，必須對動車組車載設(shè)備進行改造，并且需要結(jié)合動車組高級修在主機廠進行，改造周期不可控，且成本較高。

我國普速鐵路采用的C0級列控系統(tǒng)，由LKJ設(shè)備和通用機車信號組成，在使用過程中面臨以下問題：①現(xiàn)有LKJ設(shè)備沒有采用安全冗余結(jié)構(gòu)；②LKJ控車數(shù)據(jù)存儲在LKJ設(shè)備芯片上，每次地面設(shè)備變化都需要對每列車上的LKJ數(shù)據(jù)換裝，數(shù)據(jù)核對維護工作量多、難度高，數(shù)據(jù)影響面積大，存在運用安全風險；③在設(shè)置臨時限速時，需將臨時限速數(shù)據(jù)提前寫入LKJ設(shè)備IC卡，由機車乘務員出乘前核對，出乘后發(fā)生的臨時限速只能發(fā)布調(diào)度命令，由調(diào)度通知，采取人機聯(lián)控人工控制速度；④對于不同的分支線路需司機人工選擇交路號，存在一定安全風險；⑤在運行過程中LKJ位置誤差大，需要司機手動調(diào)整列車位置。

因此，選擇一種適合普速鐵路實際情況的列控系統(tǒng)改造方案，來實現(xiàn)高速鐵路動車組在普速鐵路的迂回運行，同時克服LKJ設(shè)備目前存在的問題，以提高普速鐵路的運輸效率和安全等級，降低司機勞動強度至關(guān)重要。

2 普速鐵路車地信號系統(tǒng)改造方案

為減少施工周期及投資成本，基于列車運行安全和工程實際需求，借鑒C2級列控技術(shù)體系[5]， 在維持普速鐵路既有聯(lián)鎖和自動閉塞設(shè)備不變的情況下，提出一種新的普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案。該方案增設(shè)車站數(shù)據(jù)服務器（SDS），采用 400 MHz無線廣播通信向車載設(shè)備發(fā)送基于應答器的線路數(shù)據(jù)、進路信息和臨時限速等信息，并利用既有的軌道電路向車載設(shè)備提供移動授權(quán)。

2.1 系統(tǒng)應用場景

（1）高速鐵路動車組利用普速鐵路迂回運行。京廣高速鐵路（北京西—廣州南）與京廣鐵路（北京西—廣州）存在多處交匯互通，如北京西站、石家莊站、鄭州東站至疏解線路所至鄭州站間，橫店東站至漢口站間，武漢站至楠姆廟線路所至灄口站間，株洲北線路所至白馬垅站間，株洲南線路所至十里沖至株洲北站間，廣州北站至郭塘站間等。在京廣高速鐵路線路或設(shè)備突發(fā)故障時，高速鐵路動車組可通過高速鐵路與普速鐵路的互通點迂回到普速鐵路運行，在繞過故障區(qū)段后，再通過高速鐵路與普速鐵路的互通點繞回高速鐵路運行。

高速鐵路動車組利用普速鐵路運行示意圖如圖1所示。圖1中，當保定東—定州東區(qū)間發(fā)生故障，列車無法正常運行時，高速鐵路動車組可以在北京西站沿京廣鐵路運行至石家莊站，在石家莊站返回高速鐵路運行，同時可以在沿途有上下客需求的車站，進行上下客作業(yè)。解決了高速鐵路線路故障，高速鐵路動車組無法正常運行或長時間晚點的問題，同時能避免旅客大量滯留情況的發(fā)生[6]。

圖1 高速鐵路動車組利用普速鐵路運行示意圖Fig.1 Schematic diagram of high speed railway EMU running on conventional railway

（2）優(yōu)化LKJ控車。利用該系統(tǒng)對LKJ控車模式進行升級，在現(xiàn)有普速鐵路機車上加裝ATP設(shè)備，司機在列車出發(fā)前通過人機界面（DMI）輸入列車類型、長度、載重等關(guān)鍵信息，ATP設(shè)備根據(jù)輸入的各種關(guān)鍵信息，再結(jié)合車輛牽引制動性能和收到的地面數(shù)據(jù)，生成目標－距離模式曲線監(jiān)控列車安全運行，以提高普速鐵路裝備水平，克服LKJ控車模式中存在的問題，進一步提高機車列控設(shè)備的安全等級，減輕機車司機的勞動強度。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

ATP車載設(shè)備增加400 MHz無線數(shù)據(jù)處理模塊，以既有C2模塊為核心，地 面增加車站數(shù)據(jù)服務器和400 MHz無線廣播發(fā)射設(shè)備，實現(xiàn)列車在普速鐵路安全運行。

普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 System structure of the optimization scheme of train control for the signal system in conventional railway

2.2.1 車載設(shè)備改造

（1）動車組車載設(shè)備改造。①加裝400 MHz無線傳輸單元；②修改主控單元模塊，增加與400 MHz無線傳輸單元的接口；③修改DMI，增加相應的信息顯示；④修改應答器信息接收單元（BTM），增加與400 MHz無線傳輸單元的接口。

（2）機車車載設(shè)備改造。①加裝具備400 MHz無線消息處理功能的C2級ATP車載設(shè)備；②加裝400 MHz無線傳輸單元；③加裝具有與400 MHz無線傳輸單元接口的BTM。

2.2.2 地面設(shè)備改造

地面設(shè)備的改造主要涉及以下方面：①在有?？炕蛘咿D(zhuǎn)線作業(yè)需求的車站，增加車站數(shù)據(jù)服務器和400 MHz電臺與天線，車站數(shù)據(jù)服務器用于站內(nèi)和區(qū)間線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲，并能夠根據(jù)聯(lián)鎖（CBI）、臨時限速服務器（TSRS）等設(shè)備提供的信息，實現(xiàn)無線報文的實時組幀和校驗后，發(fā)送給400 MHz電臺，400 MHz電臺負責將無線報文向外廣播發(fā)送。②聯(lián)鎖系統(tǒng)改造，在實現(xiàn)既有車站基本控制功能的基礎(chǔ)上，增加與車站數(shù)據(jù)服務器接口，以進路號的形式向車站數(shù)據(jù)服務器傳送車站列車進路信息。對于繼電聯(lián)鎖采用繼電電路向車站數(shù)據(jù)服務器提供進路信息。③臨時限速服務器改造，增加與車站數(shù)據(jù)服務器的接口，并在現(xiàn)有限速檔位的基礎(chǔ)之上，增加25 km/h的限速檔位[7]。④在區(qū)間和站內(nèi)布置無源應答器，向車載設(shè)備提供應答器編號，應答器編號為車載設(shè)備選取無線報文信息的唯一依據(jù)。

2.2.3 系統(tǒng)工作機制

車站數(shù)據(jù)服務器負責存儲本站及管轄區(qū)間的線路數(shù)據(jù)，并根據(jù)聯(lián)鎖傳輸?shù)倪M路信息以及臨時限速服務器下達的限速命令生成包含包頭、秘鑰序號、序列號、時間戳、信源標志、激活應答器編號、進路數(shù)據(jù)、循環(huán)冗余校驗碼（CRC）、包尾等信息的無線報文，通過以太網(wǎng)按照固定周期發(fā)送給 400 MHz通信基站，400 MHz基站以單向廣播方式不停的向網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)發(fā)送。

列車在運行到網(wǎng)絡覆蓋范圍后，車載400 MHz電臺接收到地面基站發(fā)送的信息，然后進行解碼，并根據(jù)接收到無線報文中的序列號和時間戳信息判斷無線報文的可用性，獲取滿足要求的信息，發(fā)送給400 MHz無線傳輸單元，400 MHz無線傳輸單元根據(jù)BTM經(jīng)過的應答器編號選取對應的線路數(shù)據(jù)，并傳送給車載主控單元，車載主控單元根據(jù)收到的線路數(shù)據(jù)，結(jié)合收到的軌道電路信息生成目標－距離模式曲線，監(jiān)控列車安全運行。

2.3 工程設(shè)計方案

基于400 MHz無線廣播通信的普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案，核心設(shè)備為車站數(shù)據(jù)服務器，能夠根據(jù)自身存儲的車站、線路數(shù)據(jù)信息，以及CBI，TSRS等設(shè)備提供的信息，實現(xiàn)無線報文的實時組幀，通過400 MHz通信基站發(fā)送給車載設(shè)備。車載設(shè)備根據(jù)經(jīng)過的應答器，選擇對應的無線報文信息，并結(jié)合軌道電路信息，生成目標－距離模式曲線。

2.3.1 車載設(shè)備

（1）動車組車載設(shè)備。車載設(shè)備增加400 MHz通信電臺和400 MHz無線傳輸單元，用于接收、存儲和處理線路數(shù)據(jù)信息，車載BTM單元增加與400 MHz無線傳輸單元的接口，以傳送列車經(jīng)過的地面應答器編號給400 MHz無線傳輸單元，用于對應數(shù)據(jù)信息的選取，主控單元增加與400 MHz無線傳輸單元的接口，用于獲取400 MHz無線傳輸單元根據(jù)應答器編號選取的線路數(shù)據(jù)信息，再結(jié)合軌道電路信息，生成目標－距離模式曲線。

（2）機車車載設(shè)備。因為絕大部分機車沒有ATP和BTM等設(shè)備，因而需要在機車上加裝400 MHz無線傳輸單元、經(jīng)過改造的C2級ATP設(shè)備和與之適應的BTM設(shè)備。

2.3.2 車站數(shù)據(jù)服務器

車站數(shù)據(jù)服務器能夠根據(jù)自身存儲的線路數(shù)據(jù)、接收的進路信息和臨時限速信息，實現(xiàn)無線報文的實時組幀。在有接發(fā)動車組需求的普速鐵路中間站、聯(lián)絡線處的普速鐵路車站和高速鐵路車站、高速鐵路與普速鐵路的共線車站，設(shè)置車站數(shù)據(jù)服務器，用于向列車發(fā)送進路數(shù)據(jù)以及線路數(shù)據(jù)信息。

2.3.3 應答器設(shè)置

根據(jù)京廣鐵路的實際情況，需要改造的車站主要包括有停車作業(yè)需求的普速鐵路中間車站，普速鐵路與高速鐵路共線車站，聯(lián)絡線處高速鐵路車站與普速鐵路車站，以及普速鐵路具備接發(fā)動車組能力的車站，根據(jù)不同的車站情況，其車站改造方案和應答器設(shè)置方式均存在差異。

（1）有停車作業(yè)的普速鐵路中間站。在車站正向進站信號機外方，設(shè)置正向進站應答器組和預告進站應答器組，用于列車定位和激活列車收到的無線報文，預告進站應答器組用于列車提前激活進路數(shù)據(jù)信息，以提高列車的運行效率；在反向進站信號機外方，設(shè)置反向進站應答器組[8]；在具有動車組停車作業(yè)的側(cè)線股道中間位置，設(shè)置側(cè)線定位應答器組，用于激活車載收到的無線報文中對應的發(fā)車進路數(shù)據(jù)。

其他無停車需求的車站均按照區(qū)間進行處理，區(qū)間應答器組間距不大于3 km，以保證列車在丟失一組應答器的情況下，不影響列車正常運行。

普速鐵路中間車站應答器設(shè)置如圖3所示。

圖3 普速鐵路中間車站應答器設(shè)置Fig.3 Balise installation in intermediate station of conventional railway

（2）具備接發(fā)動車組能力車站。對于高速鐵路與普速鐵路的共線車站，以及鄭州站、漢口站等已經(jīng)具備接發(fā)動車組能力的普速鐵路車站，為減少設(shè)備改造范圍及成本，僅需對管轄的京廣鐵路進出站口進行C2級改造，在出站口增加有源應答器，區(qū)間設(shè)置等級轉(zhuǎn)換預告應答器（YG）與等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行應答器（ZX），兩者之間距離大于列車按等級轉(zhuǎn)換點處線路最高允許速度運行5 s的走行距離。

當列車在普速鐵路接車進站后發(fā)往普速鐵路時，列車在進站前經(jīng)過等級轉(zhuǎn)換應答器后轉(zhuǎn)為C2模式，以C2模式進站，站內(nèi)以C2模式發(fā)車，出站后在區(qū)間進行模式轉(zhuǎn)換后，依據(jù)400 MHz無線廣播提供的數(shù)據(jù)控車。

當列車在普速鐵路接車進站后發(fā)往高速鐵路時，列車在進站前經(jīng)過等級轉(zhuǎn)換應答器后轉(zhuǎn)為C2模式，以C2模式進站，站內(nèi)以C2模式發(fā)車，到出站口可以與RBC建立連接轉(zhuǎn)為C3模式控車，沿高速鐵路運行。

當列車在高速鐵路接車進站后發(fā)往普速鐵路時，列車在進站后股道停車，以C2模式發(fā)車，在區(qū)間經(jīng)過等級轉(zhuǎn)換應答器轉(zhuǎn)為400 MHz無線廣播控車模式。

具備接發(fā)動車組能力車站應答器增設(shè)示意圖如圖4所示。

圖4 具備接發(fā)動車組能力車站應答器增設(shè)示意圖Fig.4 Distribution of additional Balise with the ability to receive and dispatch EMU

（3）聯(lián)絡線車站。動車組列車在線路所等高速鐵路與普速鐵路交匯處，一般無停車作業(yè)需要，為實現(xiàn)動車組列車的跨線運行，需要實現(xiàn)列車運行模式在C3級和400 MHz無線廣播控車模式之間的不停車切換，因而需要對聯(lián)絡線處的高速鐵路車站與普速鐵路車站進行適當改造。對于高速鐵路車站，僅對管轄的京廣鐵路進出站口進行C3級改造，出站口增加有源應答器，區(qū)間設(shè)置等級轉(zhuǎn)換預告應答器（YG）與等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行應答器（ZX）。聯(lián)絡線高速鐵路車站應答器布置示意圖如圖5所示。

圖5 聯(lián)絡線高速鐵路車站應答器布置示意圖Fig. 5 Balise layout of high speed railway station on rail link

對于聯(lián)絡線處有停車作業(yè)需求的普速鐵路車站，其應答器設(shè)置方式可以參考既有普速鐵路中間站應答器設(shè)置方案，對于無停車需求的普速鐵路車站，只需在正向進站信號機外方，設(shè)置正向進站應答器組和預告進站應答器組，在反向進站信號機外方，設(shè)置反向進站應答器組。

京廣鐵路全長2 265 km，涉及C2級改造車站約5個，設(shè)置車站數(shù)據(jù)服務器的車站約40個，區(qū)間安裝應答器約1 500組，設(shè)置的應答器基本為無源應答器，并且僅包含應答器編號信息，對既有列車運行沒有影響。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)勢及應用前景

普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案主要優(yōu)勢及應用前景如下。

（1）該信號系統(tǒng)采用車—地一體化設(shè)計，與既有高速鐵路CTCS-2和CTCS-3系統(tǒng)屬于同一思路，系統(tǒng)兼容性好。

（2）地面采用車站數(shù)據(jù)服務器發(fā)送線路數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地面線路數(shù)據(jù)的車站集中管理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、進路信息、限速信息上車，車載設(shè)備僅需通過地面無源應答器編號選取收到的無線報文信息，在后續(xù)工程改造時，僅需在室內(nèi)更換車站數(shù)據(jù)服務器數(shù)據(jù)，無需室外修改應答器報文。

（3）車載設(shè)備無需存儲線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，簡化運用管理，降低控車數(shù)據(jù)維護工作量和工作強度，并且以機控為主，降低司機勞動強度，提高列車控制的安全等級和運行效率，同時動車組改造無需回廠，在動車所即可完成。

（4）400 MHz無線廣播通信技術(shù)成熟，對于部分無GSM-R網(wǎng)絡覆蓋的既有鐵路車站來說，無需進行GSM-R網(wǎng)絡覆蓋，節(jié)約建設(shè)成本，縮短建設(shè)周期，并且400 MHz為鐵路專用頻率，可以避免通信干擾，地面基站設(shè)備可通過調(diào)整發(fā)射功率或者增加基站數(shù)量來滿足各個車站覆蓋需求，僅需單站覆蓋，無需漫游切換，能夠適應我國中東部地區(qū)建筑密集的環(huán)境，便于將來通信系統(tǒng)的升級改造。

（5）該技術(shù)方案充分利用既有信號設(shè)備，工程量少，投資成本相對較低，改造周期短，并且能夠在區(qū)間或站內(nèi)任意范圍設(shè)置臨時限速，滿足多種運行場景需求。

（6）該系統(tǒng)可以在普速鐵路機車上推廣應用，能夠克服目前LKJ控車模式的諸多問題，提高機車安全等級和普速鐵路運力，減輕機車司機大量參與LKJ控車操作的勞動強度，改變既有LKJ控車數(shù)據(jù)需要大量人員進行定期維護的現(xiàn)狀。

（7）優(yōu)化既有高速鐵路運輸組織模式，提高高速鐵路抗風險能力，避免線路故障停運給鐵路帶來的巨大經(jīng)濟損失和社會影響。

2.5 經(jīng)濟性分析

近些年，由于氣候變化，極端天氣增多，線路設(shè)備故障造成停運的事件時有發(fā)生，給鐵路運輸造成損失。動車組列車載客量大，發(fā)車頻次高，動車組列車停運將造成客票收入的損失，對高速鐵路準時、高效的優(yōu)勢造成影響，突發(fā)的列車停運會使乘客大量滯留車站易引發(fā)安全事故。該系統(tǒng)能夠避免高速鐵路列車停運造成的損失，同時能夠克服LKJ控車模式存在的諸多問題，對LKJ控車模式優(yōu)化升級是必然的發(fā)展趨勢，其對于提高普速鐵路列車的運行效率和安全等級具有重要意義，同時可以減少大量LKJ數(shù)據(jù)維護人員，節(jié)約人力資源，具有可觀的經(jīng)濟價值。

3 結(jié)論

高速鐵路動車組迂回運行時，將導致列車停靠車站的變更，對于高速鐵路與普速鐵路不同站的情況，需要及時通知購票旅客變更乘車車站，并做好已進站旅客的轉(zhuǎn)運和引導工作，提供人性化的候車與城市交通銜接服務，做好改變行程旅客的車票退改簽工作[9]。同時，高速鐵路迂回運行對普速鐵路列車運行會產(chǎn)生一定影響，因此可以提前編制應急預案，設(shè)置運行線優(yōu)先排列規(guī)則，以減小對普速鐵路旅客列車正常運輸秩序的影響。

普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案，實現(xiàn)高速鐵路動車組跨普速鐵路的安全運營，以及高速鐵路線路運輸組織模式多樣化。在高速鐵路線路故障時可以采用普速鐵路迂回運行，改變目前高速鐵路線路故障時只能暫停線路運營從而造成高速鐵路列車大面積晚點或停運的狀況，減少經(jīng)濟損失，提升高速鐵路運輸?shù)姆召|(zhì)量和競爭力，并且能夠擴大高速鐵路動車組的運營范圍。

普速鐵路信號系統(tǒng)控車優(yōu)化方案，充分考慮了普速鐵路信號系統(tǒng)的實際情況，在不改變既有信號聯(lián)鎖、閉塞、軌道電路基礎(chǔ)上，僅對車載和地面信號設(shè)備適當改造，即可實現(xiàn)對LKJ控車模式的優(yōu)化升級。該系統(tǒng)使用C2級中的信息包，描述線路數(shù)據(jù)，可以適應不同的列車類型，并且可以根據(jù)普速鐵路線路情況需求，靈活增加信息包，對普速鐵路機車適應性高，便于在機車上應用，為現(xiàn)有LKJ控車模式的優(yōu)化升級提供了新的思路。