陳建強

自2008年我國第一條具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、設(shè)計時速300 km的京津城際通車運營以來,截至2020年底,我國高速鐵路運營里程已達3.8萬km。列控系統(tǒng)（CTCS）作為我國高鐵的關(guān)鍵核心技術(shù)之一,對其相關(guān)技術(shù)的研究與積累,以進一步提高其技術(shù)體系的完備性,對我國高鐵更好地走出國門具有重要意義。

根據(jù)系統(tǒng)配置和功能,我國列控系統(tǒng)劃分為CTCS-0～4級［1］,目前國內(nèi)高鐵推廣應(yīng)用的是CTCS-2級（C2）和CTCS-3級（C3）列控系統(tǒng)。列控系統(tǒng)由地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)組成,地面子系統(tǒng)一般由工程設(shè)計單位和系統(tǒng)集成商分別負責(zé)設(shè)計和實施；車載子系統(tǒng)則由車載設(shè)備供應(yīng)商負責(zé)設(shè)計及制造。為避免因不同的分工導(dǎo)致車地之間出現(xiàn)不匹配,我國鐵路管理部門陸續(xù)頒布了如文獻［2］～［9］等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),分別對車載設(shè)備設(shè)計制造與地面設(shè)計實施進行約束。但隨著我國鐵路網(wǎng)密度不斷加大,既有線路與新建線路交織、樞紐日趨復(fù)雜、鐵路運用與建設(shè)的矛盾以及環(huán)境等因素,導(dǎo)致列車運行場景繁復(fù)多樣,工程建設(shè)過程中不斷出現(xiàn)車地不匹配的案例。

通過對多年來累計出現(xiàn)的列控系統(tǒng)車地不匹配案例進行梳理分析,探討形成原因,并提出改進建議,希望引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑匾?進而研制出更完備的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列控系統(tǒng)。

1 車地不匹配性案例分析與策略

1.1 分相區(qū)在進站口外方

1）案例簡述。如圖1所示,某站SLF進站口外方796 m處有一分相區(qū),列控數(shù)據(jù)表中對該分相位置進行了描述。實際運用時發(fā)現(xiàn),動車組列車以C2完全監(jiān)控模式（FS）由下行正向側(cè)線5道進站,經(jīng)轉(zhuǎn)線發(fā)車（X→X5→SF）通過時,在SF信號機后約247 m處,車載輸出過分相指令,控制車載真空斷路器斷開（此處實際并無分相區(qū)）。

圖1 分相區(qū)在進站口外方平面示意圖

2）原因分析。據(jù)查X信號機處有源應(yīng)答器按規(guī)范發(fā)送了特殊區(qū)段信息（ETCS-68包）,描述了SLF信號機外方796 m的分相區(qū)情況（窯村方向）；X5、SF信號機處應(yīng)答器組報文不包含分相區(qū)信息。當(dāng)車載ATP經(jīng)過X信號機處應(yīng)答器時,收到分相區(qū)信息,經(jīng)過X5、SF信號機處應(yīng)答器時,無新的分相區(qū)信息。按照ATP設(shè)備處理邏輯,ATP以FS側(cè)線運行時,不會丟棄ETCS-68包,直到收到新的ETCS-68包才會更新。因此ATP從X5→SF轉(zhuǎn)線時,一直保存從X信號機處應(yīng)答器收到的分相區(qū)信息。在列車行至SF信號外方區(qū)間247 m時,輸出過分相指令。

3）解決方案。根據(jù)車載處理邏輯,當(dāng)排列X5→SLF直股發(fā)車時,出站有源BX5應(yīng)答器的發(fā)車進路報文維持預(yù)告SLF外方的分相區(qū)；當(dāng)排列X5→SF或者X5→S發(fā)車時,在出站有源BX5應(yīng)答器的發(fā)車進路報文中增加ETCS-68包,表明進站外方無分相,動車在經(jīng)過此應(yīng)答器時,更新區(qū)間分相區(qū)信息。

1.2 站場未開通線路限速

1）案例簡述。如圖2所示,某站由于ⅤG/ⅥG向煙臺方面發(fā)車進路暫不開通,因此工務(wù)提供5#、7#道岔（42號道岔）的側(cè)向速度為30 km/h。列車在ⅤG/ⅥG以部分監(jiān)控模式（PS）往濰坊方面發(fā)車,經(jīng)過出站應(yīng)答器組后觸發(fā)制動。

圖2 某站平面示意圖

2）原因分析。PS下車載ATP僅監(jiān)控列車速度是否超過45 km/h,ATP在經(jīng)過出站應(yīng)答器組時,收到有源應(yīng)答器中E27包描述的線路速度為71 m（應(yīng)答器安裝距離）后30 km/h,并在出站信號機處轉(zhuǎn)為FS,此時常用制動速度模式曲線（NBP）由45km/h陡降至30 km/h,如列車在經(jīng)過出站應(yīng)答器組時速度已提升到45 km/h,車載此時會判斷當(dāng)前NBP速度不滿足71 m后降至30 km/h,就會引起制動。

3）解決方案。5#、7#道岔的側(cè)向速度在出站應(yīng)答器組報文中描述為45 km/h,現(xiàn)場由司機根據(jù)《站細》人工限速30 km/h側(cè)向過岔。

1.3 反向運行時的車載要求及使用限制

1）案例簡述。某站既有反向直向發(fā)車進路沒有設(shè)置電碼化,車站改造為C2后,進站口有源應(yīng)答器給出了反向運行報文,但部分型號車載在進入發(fā)車進路后產(chǎn)生制動。

2）原因分析。目前全路在用車載設(shè)備包括200C、200H、300T、300S和300H型,反向運行時發(fā)車進路是否需要載頻、有效碼,各車載設(shè)備的處理方式存在差異［10］。正常在車載收到反向運行報文情況下,200C和300T車載不要求地面有低頻或檢測碼（JC）,反向發(fā)車進路可以不補碼；200H、300S和300H車載則要求地面至少需要有JC,用于輔助判斷軌道電路是否完好,否則將產(chǎn)生制動。

3）解決方案。對反向直向發(fā)車進路補發(fā)JC碼。

1.4 過絕緣節(jié)時車載收碼延時

1）案例簡述。某線原有一處級間轉(zhuǎn)換點與進站應(yīng)答器合設(shè),即級間轉(zhuǎn)換點位于進站信號機絕緣節(jié)外方30 m處,200C車載過絕緣節(jié)時觸發(fā)制動。

2）原因分析。200C車載過絕緣節(jié)時,載頻和低頻信息會中斷約1 s,到達級間切換點轉(zhuǎn)為C2時,尚未收到有效低頻碼,ATP不能計算移動授權(quán),認為冒進而觸發(fā)制動。

3）解決方案。將級間轉(zhuǎn)換應(yīng)答器組移設(shè)至距絕緣節(jié)200 m處。

1.5 車載對轉(zhuǎn)頻碼的處理邏輯

1）案例簡述。某線聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中發(fā)現(xiàn),動車組側(cè)向進入股道后,會瞬間觸發(fā)B7制動,通過ATP記錄數(shù)據(jù)分析,應(yīng)答器描述的無碼區(qū)長度小于車載子系統(tǒng)收到有效碼時的實際走行距離,且超過車載子系統(tǒng)允許誤差。

2）原因分析。某線典型車站的載頻布置如圖3所示,站內(nèi)采用97型25 Hz軌道電路,僅正線及股道發(fā)碼。因該線為客貨共線鐵路,為實現(xiàn)未裝備ATP車載子系統(tǒng)的機車上、下行載頻自動切換,故設(shè)計了轉(zhuǎn)頻碼。

圖3 某線典型車站頻率布置示意圖

根據(jù)大量的測試數(shù)據(jù)分析,絕大部分B7制動均存在有轉(zhuǎn)頻的進路。某線調(diào)試動車組為CRH2、CRH5型,分別裝備200H、200C車載子系統(tǒng)。根據(jù)車載設(shè)備廠家對低頻信息的處理方式:200H在應(yīng)答器描述的無碼區(qū)范圍（允許50 m誤差）收到并譯出載頻,即認為到了有碼區(qū)；200C在應(yīng)答器描述的無碼區(qū)范圍（窗口時間約2.3 s）內(nèi)收到并譯出有效低頻,才認為到有碼區(qū)。由于軌道電路的分路狀況、列控中心反應(yīng)時間、車載子系統(tǒng)的解碼時間等,都會對動車組進入股道后能否及時收到地面信息帶來影響,如側(cè)線股道絕緣節(jié)處的銹蝕、轉(zhuǎn)頻碼本身需占用的時間,都使得車載子系統(tǒng)在譯出有效低頻時,經(jīng)常超出其系統(tǒng)設(shè)備設(shè)定的誤差范圍,故出現(xiàn)B7制動現(xiàn)象。

3）解決方案。取消轉(zhuǎn)頻碼,當(dāng)未裝備ATP的列車需轉(zhuǎn)頻時,由司機采用手動轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式進行上、下行載頻切換。

1.6 直向始發(fā)列車在部分模式下的制動現(xiàn)象

1）案例簡述。裝載200H的動車組以PS在某站XIG經(jīng)上行線反向發(fā)車時,如圖4所示,在SL1前發(fā)生瞬間B7制動,相同場景以FS發(fā)車,在該位置卻未發(fā)生該現(xiàn)象。

圖4 直向始發(fā)場景示意圖

2）原因分析。當(dāng)200H車載ATP從股道以PS發(fā)車時,保持下行載頻鎖定,雖在出站應(yīng)答器指定65 m處為岔區(qū)載頻2 000 Hz的起點,但列車運行65 m后,ATP因考慮測距誤差不會立即鎖定2 000 Hz載頻,此時在岔區(qū)內(nèi)由于地面發(fā)送上行載頻,因ATP保持下行鎖定而判定為掉碼,直至（65+30）m處ATP強制鎖定2 000 Hz載頻并開始解碼,但時間已超過4 s,觸發(fā)B7制動。若采用FS發(fā)車,200H車載ATP提前鎖定2 300 Hz和2 000 Hz載頻,處于位置確定狀態(tài),能夠在過信號后立即接收2 000 Hz載頻并解碼,因而未發(fā)生制動現(xiàn)象。

3）解決方案。采用修改地面子系統(tǒng)的特殊處理方案。一是列控中心修改出發(fā)信號機處有源應(yīng)答器BXXI-1的XXI至XC1直向進路報文:①軌道區(qū)段信息包（CTCS-1包,反方向有效）中增加1個長度為65 m軌道區(qū)段的描述,其中描述起點D_signal=0,該軌道區(qū)段載頻為2 300 Hz（與股道載頻一致）,其末端信號機類型為7；②線路速度信息包（ETCS-27包,反方向有效）也做相應(yīng)修改,描述起點為0,其描述范圍與CTCS-1包的描述范圍一致。二是修改BXXI-2無源應(yīng)答器報文中的線路坡度信息包（ETCS-21包,反方向有效）,描述起點改為0,不短于CTCS-1包的描述范圍。

1.7 側(cè)停后直進盡頭式存車線制動問題

1）案例簡述。如圖5所示的某動車段內(nèi)站型,裝載300H的動車組由XF進入AG停車后啟動,直向駛往前方存車庫線,動車組越過XA絕緣節(jié)收到HU碼后,制動停車。

圖5 動車段特殊站型示意圖

2）原因分析。300H由PS轉(zhuǎn)FS的邏輯為收到地面有效低頻（非HU）碼+應(yīng)答器中線路和限速信息,越過地面絕緣節(jié)后30 m內(nèi),仍為有效低頻碼時轉(zhuǎn)入FS。由于此處為盡頭線路,越過XA絕緣節(jié)后地面只能發(fā)HU碼,因此該處300H無法按PS運行到前方信號機處。

3）解決方案。取消XA應(yīng)答器和XA絕緣節(jié)后地面的發(fā)碼,AG改發(fā)UU碼,讓列車以部分監(jiān)控運行到前方信號機處。

1.8 關(guān)于部分車載對進路信號機的特殊處理

1）案例簡述。某站存在進路信號機,聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間,因進路信號機應(yīng)答器報文將信號機類型描述為“進路信號機”,裝載200H的動車組經(jīng)進路信號機側(cè)向接車經(jīng)過應(yīng)答器后,出現(xiàn)超速冒進。

2）原因分析。由于200H車載ATP無針對進路信號機的描述類型,當(dāng)進路信號機對應(yīng)的應(yīng)答器報文將信號機類型描述為“進路信號機”時,ATP按區(qū)間信號機處理。當(dāng)排列側(cè)向接車進路,且丟失該進路應(yīng)答器組后,ATP將維持正線接車處理邏輯,僅作報警提示,但會使用正線數(shù)據(jù)進行控車,導(dǎo)致目標(biāo)點錯誤而冒進信號機。

3）解決方案。將進路信號機的信號機類型描述為“進站信號機”,排列側(cè)向接車進路后,如果丟失該進路應(yīng)答器組,ATP按照側(cè)線接車丟進站應(yīng)答器處理,觸發(fā)最大常用制動,轉(zhuǎn)為部分監(jiān)控模式,從而避免冒進信號機。根據(jù)已開通項目動車兼容性試驗結(jié)論,上述處理方法對目前在用的5種車載ATP均可適用,不會影響其他處理邏輯。

這里需指出,200H、300S和300H因本身缺少“進路信號機”專有描述類型,導(dǎo)致通過地面子系統(tǒng)修改來適應(yīng)車載子系統(tǒng),即為了兼容所有車載設(shè)備,將地面設(shè)備原本正確的描述改為與實際不符,此種做法值得商榷［11］。

2 案例特點歸納總結(jié)

列控系統(tǒng)作為安全等級高達SIL4級的“故障-安全”系統(tǒng),其對安全苛求的實現(xiàn)必須滿足系統(tǒng)所適用的條件。車載安全邏輯有很多,如默認報文處理、無碼處理邏輯、控制模式轉(zhuǎn)換處理、側(cè)線特殊控制邏輯、應(yīng)答器一致性檢查、車尾保持邏輯以及等級轉(zhuǎn)換處理等,其總原則是車地協(xié)調(diào),在滿足基本功能的同時,實現(xiàn)基于安全的可用性的最大化［12］。歸納以上各個案例的特點,總結(jié)梳理見表1。

從表1可以看出,各個案例均采用修改地面子系統(tǒng)的方案解決問題,案例1～7均包含車載安全邏輯；車載安全邏輯在特殊場景下體現(xiàn)為車載特殊處理邏輯,部分案例的車載特殊處理邏輯未納入車載相關(guān)規(guī)范,甚至部分車載子系統(tǒng)未執(zhí)行車載相關(guān)規(guī)范,導(dǎo)致車地不匹配問題難以被提前發(fā)現(xiàn)；遇到特殊站型,更易出現(xiàn)車地不匹配問題。

3 車地不匹配性原因探討

綜上所述,造成列控系統(tǒng)車地不匹配的原因主要是車載安全邏輯在實際運用中因場景特殊所致,也有專家認為是工程設(shè)計單位對車載設(shè)備某些邏輯限制條件了解不夠透徹,未充分考慮列控系統(tǒng)的特殊性造成［13］。

1）列控車載子系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)是安全計算機平臺。在發(fā)展初期,由于安全計算機平臺的軟、硬件受國外技術(shù)約束,當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)問題時往往難以及時修正,特別是涉及平臺軟件底層時,問題修正只能依賴外方或作為遺留問題［12］,現(xiàn)場只能通過修改地面子系統(tǒng)進行適應(yīng),最終使全路各種特殊地段的地面子系統(tǒng)成了特殊設(shè)計,造成表1中案例的解決均是通過修改地面設(shè)備。

表1 車地不匹配案例分析表

2）雖然目前車載子系統(tǒng)已突破國外技術(shù)瓶頸,具備了自我修正的能力,但優(yōu)化修改車載軟件必須同時修改地面子系統(tǒng)的特殊設(shè)計。面對多年歷史積累遺留的特殊場景,進行全面統(tǒng)一的修正,代價太高,因而在一段時間內(nèi)需維持原來的車載子系統(tǒng)邏輯,制約了軟件修改的可行性；同時車地不匹配問題往往在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間,或者開通運營之后才被發(fā)現(xiàn),此時若對車載子系統(tǒng)進行修改,就面臨鐵路運用與建設(shè)的工期矛盾問題,也造成修改車載軟件難以實施。

3）伴隨著列控系統(tǒng)復(fù)雜程度的相應(yīng)增加,加大了車地子系統(tǒng)的設(shè)計難度,也給列控系統(tǒng)車地不匹配問題的出現(xiàn)提供了可能。

4）在我國,列控車、地子系統(tǒng)分別由不同單位分工設(shè)計,缺少直接交流；雖然有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范,但因設(shè)計者往往只關(guān)注本領(lǐng)域的規(guī)范內(nèi)容,對其他規(guī)范理解的深度和廣度不足,難以做到統(tǒng)籌考慮。

5）我國列控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范本身具有一定的局限性。以車載子系統(tǒng)為例,各車載設(shè)備供應(yīng)商提供的系統(tǒng)架構(gòu)模型、處理邏輯等均存在極大差異,難以做到完全統(tǒng)一要求,即技術(shù)條件規(guī)定無法完全涵蓋車載設(shè)備本身的特殊處理邏輯,即使地面子系統(tǒng)設(shè)計同時完全執(zhí)行車、地技術(shù)規(guī)范,也無法完全避免車地不匹配問題的出現(xiàn)。

綜上,因歷史原因?qū)е碌能囕d子系統(tǒng)軟件的特殊處理邏輯將長期存在,因此通過修改地面設(shè)備條件,以適應(yīng)車載軟件特殊處理邏輯的情況,也將在我國長期存在。

4 相關(guān)建議

1）具備車地子系統(tǒng)底層軟件的自主修改能力是實現(xiàn)車地協(xié)調(diào)匹配的前提條件。目前我國的安全計算機平臺已基本滿足運用需求和自主知識產(chǎn)權(quán)要求［12］,但各設(shè)備廠商仍需進一步加強科研攻關(guān),實現(xiàn)對車地子系統(tǒng)底層軟件的全面掌握,擁有列控系統(tǒng)完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

2）加強不同車載子系統(tǒng)廠家與地面子系統(tǒng)廠家之間的交流。建議國鐵集團定期舉辦列控系統(tǒng)車載、地面設(shè)計者和鐵路工程設(shè)計者交流會,通過彼此深入探討碰撞,雖求同存異,但期統(tǒng)籌融合。

3）建議在路內(nèi)提倡具有豐富經(jīng)驗的工程設(shè)計者投身從事列控車載子系統(tǒng)的科研開發(fā),同時具有豐富列控車載子系統(tǒng)研究經(jīng)驗的科研人員,在設(shè)計院定期開展工程設(shè)計工作,通過雙方人員的融合交流,探索開發(fā)出更加完備的列控系統(tǒng)。

4）建議在全路范圍內(nèi)對列控系統(tǒng)存在的車地不匹配現(xiàn)狀進行深入詳盡的調(diào)查,形成完整的調(diào)查報告,并委托工程設(shè)計單位進行車地不匹配性整改的可行性研究,形成整改方案、投資等成果文件,上報國鐵集團決策,擇機進行整治。

5 結(jié)語

通過對多年來工程建設(shè)中出現(xiàn)的列控系統(tǒng)車地不匹配案例進行分析,進一步探討列控系統(tǒng)車地不匹配問題的原因,并提出建議措施。目前很多案例的解決方案側(cè)重于對實際運營干擾小、付出代價低,缺少站在系統(tǒng)架構(gòu)的高度進行深謀遠慮的思考,因此需要在問題發(fā)生前期,提早進行系統(tǒng)分析歸類,從源頭、系統(tǒng)層面去克服車地不匹配問題,真正構(gòu)建完備的列控系統(tǒng),為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列控系統(tǒng)技術(shù)走出國門,奠定更為堅實的基礎(chǔ)。