滬渝蓉高鐵大號碼道岔應(yīng)答器組優(yōu)化研究及應(yīng)用

張海東

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

我國高速鐵路車站的部分道岔采用1/18號以上大號碼道岔，目的是提高列車側(cè)向經(jīng)過道岔時的速度[1]。尤其是起到銜接相鄰線路作用的線路所，為保證列車能夠快速轉(zhuǎn)線，多采用大號碼道岔來提高列車運行效率[2]。而列車得知運行前方經(jīng)過的大號碼道岔側(cè)向位置是通過應(yīng)答器來實現(xiàn)的，即列車經(jīng)過大號碼道岔應(yīng)答器后接收到來自大號碼道岔應(yīng)答器傳遞的報文信息，進而產(chǎn)生行車憑證，控制列車以規(guī)定速度側(cè)向通過前方道岔[3-7]。

高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的作用是在特定地點完成地面與車載設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸[8-9]。應(yīng)答器信息傳輸系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

其中，實線框內(nèi)為應(yīng)答器信息傳輸車載設(shè)備，包括應(yīng)答器信息接收單元BTM及應(yīng)答器接收天線。其中，應(yīng)答器信息接收單元用來接收、解調(diào)地面應(yīng)答器信號，并將解調(diào)后的信息傳送給車載主機單元。應(yīng)答器信息接收天線用于接收應(yīng)答器信息，安裝在頭車車體底部的橫向中心線上[10-11]。

虛框部分是應(yīng)答器信息傳輸?shù)孛嬖O(shè)備，無源應(yīng)答器用來存儲線路固定限速信息，線路坡度信息及列控系統(tǒng)級間轉(zhuǎn)換等一些固定數(shù)據(jù)信息。有源應(yīng)答器用于存儲一些實時信息，如進路信息、臨時限速信息等。

本文研究的大號碼道岔臨時限速信息是通過有源應(yīng)答器傳遞給列車，臨時限速信息報文發(fā)送的時機為：當車站值班員辦理了一條經(jīng)過大號碼道岔側(cè)向位置的進路后，列控中心會生成限速報文傳輸給地面電子單元LEU，地面電子單元將列控中心發(fā)送的應(yīng)答器報文命令經(jīng)過驅(qū)動放大后發(fā)送至室外應(yīng)答器中[12]。當列車經(jīng)過地面應(yīng)答器上方后，應(yīng)答器接收到高頻能量后被喚醒，將其存儲的報文信息以頻移鍵控信號的形式傳遞給應(yīng)答器接收天線，進而傳遞給BTM形成控車信息。當列車遠離地面應(yīng)答器以后，應(yīng)答器又開始進入“休眠”狀態(tài)。

既有大號碼道岔應(yīng)答器的布置原則是：“在距大號碼道岔外方，宜在發(fā)送U2S閉塞分區(qū)入口200 m處設(shè)置大號碼道岔應(yīng)答器組[13]”。此時，在特定運營場景下列車經(jīng)過大號碼道岔應(yīng)答器時，會存在超速過岔的風險[14-18]。因此，亟需采取相應(yīng)措施解決超速過岔風險。

1 特殊運營場景下既有大號碼道岔設(shè)置存在弊端分析

1.1 緊追蹤運營模式

緊追蹤運營模式如圖2所示，圖中9號道岔是1/42號大號碼道岔，車站內(nèi)其余道岔均為1/18號道岔，TB10099—2017《鐵路車站及樞紐設(shè)計規(guī)范》及《鐵路道岔參數(shù)手冊》中規(guī)定：“1/42號道岔的列車側(cè)向過岔限速為160 km/h，1/18號道岔的列車側(cè)向過岔限速為80 km/h[19-20]”。

圖2 緊追蹤模式下列車進路示意

當車站值班員給列車1辦理了往3G的接車進路后，如圖2中紅線進路所示，車站列控中心隨即控制大號碼道岔應(yīng)答器組發(fā)送大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，隨著列車1的運行，車載設(shè)備接收到應(yīng)答器報文后，結(jié)合鋼軌傳遞的移頻信號碼序產(chǎn)生行車憑證，控制列車運行。

而在緊追蹤運營模式下，列車1未進站之前，后續(xù)列車2追蹤運行進入到大號碼道岔所在閉塞分區(qū)，這里需注意的是列車1未進站前，列控中心會一直控制大號碼道岔應(yīng)答器發(fā)送大號碼道岔報文，即隨著列車2的運行其接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。

根據(jù)列車1所處的位置，具體場景如下。

場景1：列車2在大號碼道岔應(yīng)答器區(qū)段，列車1處于1621G(即2JG區(qū)段)。此時列車2的行車許可終點未到大號碼道岔所在地點，不會出現(xiàn)超速過岔的危險情況發(fā)生。

場景2：列車2在大號碼道岔應(yīng)答器區(qū)段，列車1在1637G(即3JG區(qū)段)。此時列車2的行車許可終點未到大號碼道岔所在地點，不會出現(xiàn)超速過岔的危險情況發(fā)生。

場景3：列車2在大號碼道岔應(yīng)答器區(qū)段，列車1越過進站信號機位于道岔區(qū)段。此時列控中心會控制大號碼道岔應(yīng)答器停止發(fā)送大號碼道岔報文，同時列車2的行車許可終點仍然在進站信號機外方，未到大號碼道岔所在地點，因此也不會出現(xiàn)超速過岔的危險情況發(fā)生。

場景4：列車2在大號碼道岔應(yīng)答器區(qū)段，且?？吭诖筇柎a道岔應(yīng)答器組與1621信號機之間，只有當列車1進站?？恐?G以后，車站值班員隨即給列車2辦理了一條往4G的接車進路，如圖2中綠線所示，此條進路上無大號碼道岔，因此，道岔的側(cè)向過岔限速是80 km/h，但列車2的車載設(shè)備會啟用已接收到的大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，同時結(jié)合1637G發(fā)送的UUS碼移頻信號共同產(chǎn)生控車信息，意味著列車運行前方是經(jīng)過1/18號道岔的側(cè)向接車進路，但車載設(shè)備仍然以側(cè)向過岔160 km/h的速度控車，這樣就存在超速過岔的風險，嚴重時會造成脫軌情況發(fā)生，危及行車安全。

1.2 接車進路變更運營模式

接車進路變更運營場景如圖3所示，車站值班員給列車1辦理了一條接至3G的接車進路，列車1運行到1621區(qū)間通過信號機前停車，停車前已經(jīng)接收到了大號碼道岔應(yīng)答器組發(fā)送大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。但車站值班員臨時變更了接車進路，即辦理了一條接至IIG的進路，如圖3中藍線進路所示。辦理完接車進路信號開放后，列車1繼續(xù)前行越過1621信號機后接收到U2S碼序(意味著列車運行前方下一架信號機開放的是經(jīng)過1/18號及以上道岔的側(cè)向接車進路)，同時啟用大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，軌道電路傳遞的控車信息及應(yīng)答器傳遞的控車信息均指示車載設(shè)備以側(cè)向過岔160 km/h的速度控車，這樣就存在超速過岔的風險，嚴重時會造成脫軌情況發(fā)生，危及行車安全。

圖3 接車進路變更模式下列車進路示意

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，上述兩種運營場景下均存在列車超速過岔的風險，尤其在高速鐵路車站，為提高運行效率，較多采用大號碼道岔，因此，針對上述情況，亟待提出解決方案對列車超速過岔進行防護，從列控中心優(yōu)化控制應(yīng)答器報文及大號碼道岔應(yīng)答器組優(yōu)化設(shè)置方面入手，解決上述問題。

2 大號碼道岔超速過岔防護研究

2.1 大號碼道岔應(yīng)答器組報文控制研究

針對上節(jié)所述運營場景存在問題，對大號碼道岔應(yīng)答器組報文展開研究，大號碼道岔報文信息包[CTCS-4包]如表1所示。道岔過岔速度是通過V_TURNOUT變量控制，7位數(shù)報文信息通過調(diào)制后形成相位連續(xù)式2FSK上行鏈路信號供機車接收。

表1 應(yīng)答器報文信息

為了解決緊追蹤模式下后續(xù)列車可能存在的超速過岔風險，提出報文及時停發(fā)防護控制，即大號碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區(qū)有車占用時，修改列控中心報文控制策略，使得大號碼道岔應(yīng)答器組不能發(fā)送大號碼道岔應(yīng)答器報文。這樣在緊追蹤運營模式下，列車1雖還未進站，列車2即使追蹤運行進入到大號碼道岔所在閉塞分區(qū)，經(jīng)過大號碼道岔應(yīng)答器后也不會接收到大號碼道岔應(yīng)答器報文，列車2運行前方是經(jīng)過1/18號道岔的側(cè)向接車進路時，車載設(shè)備仍然以側(cè)向過岔80 km/h的速度控車，這樣就解決了緊追蹤模式下超速過岔的風險。

2.2 大號碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置位置優(yōu)化研究

上述通過列控中心控制應(yīng)答器報文及時停發(fā)防護雖然解決了緊追蹤模式下可能存在的列車超速過岔風險，但對于接車進路變更場景下存在的列車超速過岔風險仍未能解決。這是由于此場景下大號碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區(qū)里無列車，沒有列車列控中心就不能觸發(fā)應(yīng)答器報文及時停發(fā)控制策略，即列車經(jīng)過大號碼道岔應(yīng)答器后，當進路變更，進站信號機重新開放后，列車仍然以側(cè)向160 km/h的速度經(jīng)過道岔，存在超速過岔風險。

本次研究將大號碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置于大號碼道岔外方發(fā)送U2S碼的閉塞分區(qū)入口內(nèi)方≥200 m處，該應(yīng)答器設(shè)置如圖4所示。

圖4 大號碼道岔應(yīng)答器移設(shè)示意

當給列車排列了一條經(jīng)1/42號道岔的側(cè)向進路，假如列車接收到大號碼道岔應(yīng)答器發(fā)送的報文信息后停在1637信號機前方，此時進路變更，又排列了一條經(jīng)1/18號道岔的側(cè)向進路，這時列車接收到移頻信號碼序的變化情況為：U2S-U-U2S，即存在碼序變化的情況，車載設(shè)備接收到變化的碼序后會自動降速，控制列車以80 km/h的速度過岔。如大號碼道岔應(yīng)答器位置不移設(shè)，仍然在一接近區(qū)段(1621信號機外方200 m處)，則進路變更后，列車接收到移頻信號碼序情況為：LU-LU-LU，即不能通過移頻信號的碼序變化實現(xiàn)車載設(shè)備的降速防護。

在工程實施過程中，對于已開通運營的線路，移設(shè)應(yīng)答器組方案涉及列控中心和無線閉塞中心軟件修改、應(yīng)答器報文修改以及應(yīng)答器安裝和線纜敷設(shè)等室外工程，實施難度大，對既有線運營影響也大，工程投資高。因此，采取碼序降級防護措施，即大號碼道岔應(yīng)答器所在進路始端信號機外方LU區(qū)段為占用狀態(tài)，若大號碼道岔進路取消或信號關(guān)閉，再次開放其他經(jīng)1/18號道岔的側(cè)向進路，接近區(qū)段發(fā)U2碼或UU碼，如表2所示，并向聯(lián)鎖發(fā)送降級信息，直至列車越過大號碼道岔防護信號機或大號碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)，至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區(qū)均為空閑狀態(tài)后恢復(fù)常態(tài)。此方法中雖然列車接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，但接近區(qū)段軌道電路碼序已降級為U2碼或UU碼(UU碼意味列車以不超過45 km/h速度側(cè)向經(jīng)過前方道岔)，即應(yīng)答器傳遞的控車信息與軌道電路傳遞的控車信息不一致，車載設(shè)備控制列車減速，以導(dǎo)向安全側(cè)的控車信息行車，解決了超速過岔的風險。

表2 碼序降級變化

3 優(yōu)化研究的工程應(yīng)用與驗證

針對工程進展情況，提出具體方案解決大號碼道岔處列車可能存在的超速過岔風險。在工程設(shè)計階段就將大號碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置于發(fā)送U2S碼的閉塞分區(qū)入口內(nèi)方≥200 m處。并將“大號碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區(qū)有車占用時，控制大號碼道岔應(yīng)答器組不能發(fā)送大號碼道岔應(yīng)答器報文”的控制策略寫入車站列控中心軟件中，來保證列車不會超速過岔。

以滬渝蓉高鐵龍城線路所為例，龍城線路所示意如圖5中虛線框內(nèi)所示。為提高列車過岔時的速度，保證列車運行效率，龍城線路所1號及3號道岔采用1/42號大號碼道岔，在大號碼道岔外方適當位置處設(shè)置有大號碼道岔應(yīng)答器組。下面分別從報文控制策略及應(yīng)答器組位置調(diào)整方面進行研究，對列車車載控車曲線進行優(yōu)化，來解決列車超速過岔問題。

3.1 報文控制策略優(yōu)化后緊追蹤模式下車載控車曲線研究

由南京方面(合寧客專)發(fā)往合肥南方面的列車需在肥東站IG?？浚瑒t龍城線路所需辦理經(jīng)過1/42號道岔側(cè)向通過進路。

圖5 龍城線路所大號碼道岔布置示意

緊追蹤場景下前后兩列車的車載控車曲線如圖6所示。圖6(a)中龍城線路所給列車1辦理了經(jīng)過1號道岔(1/42號)側(cè)向往肥東站IG的接車進路，列車1在XL線路所通過信號機前降速至160 km/h，接著以160 km/h的速度經(jīng)過道岔側(cè)向，同時肥東站辦理了下行往IG的接車進路后，列車在XI出站信號機前降速至0后停車。若未采取大號碼道岔應(yīng)答器報文及時停發(fā)防護策略，列車2在列車1還未經(jīng)過龍城線路所大號碼道岔側(cè)向進路之前仍然會收到大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，此時列車2在龍城線路所的二接近區(qū)段3327G防護信號機外方開始加速，經(jīng)過龍城線路所XL線路所通過信號機外方速度已提高至160 km/h，車站值班員在龍城線路所再給列車2辦理了一條經(jīng)1號道岔直向，5號道岔(1/18號)側(cè)向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進路后，就存在超速過岔的風險。

圖6(b)為采取了大號碼道岔應(yīng)答器報文及時停發(fā)防護策略后的列車車載控制曲線，可以看出，大號碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區(qū)(即龍城線路所的三接近區(qū)段3315G)有車占用時，大號碼道岔應(yīng)答器組不會發(fā)送大號碼道岔應(yīng)答器報文，這樣列車2就不會接收到大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。此時，如果給列車2辦理了一條經(jīng)1號道岔直向，5號道岔(1/18號)側(cè)向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進路后，列車車載設(shè)備結(jié)合接收到的移頻信號碼序，控制列車2在XL線路所通過信號機前方將速度提升至80 km/h，以不大于80 km/h的速度經(jīng)過道岔側(cè)向位置，就不會存在超速過岔的風險。

圖6 緊追蹤模式下車載控車曲線

3.2 應(yīng)答器組位置調(diào)整后接車進路變更模式下車載控車曲線研究

由南京方面(合寧客專)發(fā)往合肥南方面的列車，經(jīng)過龍城線路所時辦理了一條經(jīng)1號道岔(1/42號)側(cè)向通過的進路。對列車1而言，當存在進路變更場景時列車的車載控車曲線如圖7所示?？梢钥吹?，在大號碼道岔應(yīng)答器組位置未移設(shè)前(位于二接近3327G外方)，列車在二接近區(qū)段防護信號機前停車時車載已經(jīng)接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。此時，接車進路由之前的經(jīng)1號道岔(1/42號)側(cè)向變更為經(jīng)1號道岔直向，5號道岔(1/18號)側(cè)向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進路后，一接近區(qū)段3339G的軌道移頻信號碼序未發(fā)生改變，一直是LU碼，則車載設(shè)備結(jié)合應(yīng)答器報文信息及軌道電路碼序控制列車以160 km/h的速度行車，經(jīng)過5號道岔(1/18號)側(cè)向時存在超速過岔的風險。

圖7 應(yīng)答器組位置調(diào)整后車載控車曲線

將大號碼道岔應(yīng)答器組位置移設(shè)至二接近區(qū)段3327G內(nèi)方后，分兩種場景，一種是列車在二接近區(qū)段3327G通過信號機前方停車，停車時列車沒有接收到大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，雖然接車進路發(fā)生了變更，變更后車站列控中心根據(jù)進路實際情況控制大號碼道岔應(yīng)答器不會發(fā)送報文信息，這樣列車會根據(jù)鋼軌上傳遞的軌道電路移頻信號碼序控車，在XL進站信號機前降速至80 km/h，不會產(chǎn)生超速過岔的風險。另一種情況是列車在三接近區(qū)段3315G通過信號機前停車，停車后列車雖然已接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，同時接車進路發(fā)生了變更，但在進路發(fā)送變更的時候，二接近區(qū)段3327G的軌道電路碼序發(fā)生了變化，即由U2S變?yōu)閁，再變?yōu)閁2S，車載設(shè)備接收到變化的碼序后，會導(dǎo)向安全側(cè)降速控車，以不大于80 km/h的速度側(cè)向經(jīng)過5號道岔(1/18號)，避免了超速過岔的風險。

4 結(jié)論

為保證鐵路運輸效率，大號碼道岔被廣泛應(yīng)用至高速鐵路，而大號碼道岔應(yīng)答器組的作用是給列車傳遞準確的過岔速度信息，因此，應(yīng)答器組的合理設(shè)置就顯得尤為重要，主要研究成果及創(chuàng)新點如下。

(1)分析了既有大號碼道岔應(yīng)答器組的設(shè)置位置及車站列控中心關(guān)于大號碼道岔應(yīng)答器報文發(fā)送時機在特定運營場景下存在危及行車安全的情況。

(2)提出列控中心報文及時停發(fā)防護策略及大號碼道岔應(yīng)答器組位置優(yōu)化設(shè)置，解決了既有大號碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置原則下存在的弊端。

(3)將此方法應(yīng)用至滬渝蓉高速鐵路龍城線路所外大號碼道岔應(yīng)答器處，結(jié)合工程實際，優(yōu)化研究驗證了上述方法的可行性及可實施性，為其他工程設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗。