劉鴻飛

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

國內(nèi)既有普速鐵路均采用CTCS-0級制式。地面自動閉塞區(qū)間采用ZPW-2000系列軌道電路負責占用檢查及地車信息傳輸；半自動區(qū)段多采用25 Hz軌道電路負責接近區(qū)段占用檢查，采用ZPW-2000軌道電路設(shè)備作為電碼化設(shè)備。站內(nèi)一般采用計算機聯(lián)鎖或6502電氣集中聯(lián)鎖負責站內(nèi)進路的辦理及信號顯示的控制，采用25 Hz軌道電路負責站內(nèi)軌道區(qū)段的占用檢查，一般采用ZPW-2000軌道電路作為電碼化設(shè)備，正線多為預(yù)疊加發(fā)碼方式，側(cè)線多為疊加發(fā)碼方式。列車控制是以司機為主的控制模式，地面信號作為主體信號，采用LKJ及機車信號作為輔助行車設(shè)備。CTCS-0級列控系統(tǒng)適用于速度不高于160 km/h的普速鐵路以及重載鐵路，追蹤間隔一般不低于6 min。

近年來國內(nèi)鐵路研究建設(shè)的重點在高速鐵路，修建并開通了大量高速客運專線，同時在高速動車組列車控制方面也進行了非常深入的研究，有非常成熟的CTCS-2 級和 CTCS-3 級列控系統(tǒng)。在普速鐵路方面雖然也進行了多方向研究，但至今仍未研究出適合普速的列控系統(tǒng)。普速鐵路運營仍舊依賴“LKJ+通用式機車信號”的傳統(tǒng)方式，人工因素影響較多，行車運營存在安全隱患， 因此研究適用于機車的列控系統(tǒng)有重要的安全意義。

2 方案比選

在普速鐵路方向研究適用于機車的列控系統(tǒng)，有3個方案可選擇。

1）升級既有LKJ車載設(shè)備。方案1存在的問題是車載LKJ設(shè)備缺乏地面系統(tǒng)支持，LKJ是非安全設(shè)備，當數(shù)據(jù)變更時需要逐列車進行換裝，更新不及時。

2）簡化CTCS-2點式地面設(shè)備的ATP機車控制系統(tǒng)。方案2以CTCS-2列控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進出站設(shè)置有源應(yīng)答器組和區(qū)間設(shè)置少量無源應(yīng)答器提供線路數(shù)據(jù)。該方案工程實施難度大（信號、聯(lián)鎖、閉塞及軌道電路等室內(nèi)外設(shè)備均需改造，施工要點多），對運輸影響大。

3）采用數(shù)據(jù)基于無線傳輸、信號授權(quán)基于既有地面信號設(shè)備的ATP機車控制系統(tǒng)。方案3對普速鐵路進行改造，車載采用ATP安全控車設(shè)備，地面設(shè)備增設(shè)數(shù)據(jù)服務(wù)器用于發(fā)送地面數(shù)據(jù)，地面和車載設(shè)備增設(shè)無線通信單元進行數(shù)據(jù)傳輸。此方案車載設(shè)備解決LKJ非安全設(shè)備和數(shù)據(jù)更新不及時的問題，同時數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信的方式也解決了CTCS-2列控系統(tǒng)地面設(shè)備鋪設(shè)電纜等對既有線路施工難度大的問題，因此該方案最適用于普速鐵路。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備功能

適用于機車的列控系統(tǒng)由車載和地面兩部分構(gòu)成，其中車載設(shè)備主要由主控單元、無線通信單元、軌道電路信息接收單元、衛(wèi)星單元、列尾設(shè)備、應(yīng)答器信息接收單元、數(shù)據(jù)記錄單元、列車接口單元、測速測距單元和人機界面等組成。

地面設(shè)備主要由站數(shù)據(jù)服務(wù)器、聯(lián)鎖、臨時限速服務(wù)器、閉塞、軌道電路、應(yīng)答器及無線通信設(shè)備等組成。

基于無線廣播方式適用于機車的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 基于無線廣播方式的機車列控系統(tǒng)機車結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of train control system applicable to locomotives based on radio broadcast

3.1 車載設(shè)備

車載設(shè)備可根據(jù)列車參數(shù)和地面設(shè)備提供的軌道電路信息、線路數(shù)據(jù)、臨時限速等，按照目標-距離模式生成控制曲線，監(jiān)控列車安全運行。車載設(shè)備實現(xiàn)無線通信功能。車載設(shè)備可根據(jù)地面應(yīng)答器提供的信息，控制車載電臺制式的選用。

1）機車車載設(shè)備新增顯示功能

a.機車信號信息；

b.列車運行速度與限速；

c.距前方信號機距離；

d.機車所在位置的里程坐標；

e.控制模式和列車制動狀態(tài)；

f.列車最近走過的不小于1.5 km以內(nèi)的運行速度值軌跡曲線；

g.機車當前位置至前方不少于4.5 km以內(nèi)的制動模式曲線；

h.以曲線、符號和文字形式沿線路里程的延展顯示機車運行前方不少于4.5 km的線路曲線、坡道坡度、道口、橋梁、隧道及車站、信號機、電氣化鐵路接觸網(wǎng)分相標等設(shè)置情況；

i.其他需要顯示的信息。

2）機車車載設(shè)備新增語音提示功能

a.無線通信單元報警；

b.機車信號變化；

c.解除牽引動力；

d.常用制動或緊急制動指令輸出；

e.允許緩解；

f.車機聯(lián)控；

g.警惕報警；

h.前方限速變化；

i.季節(jié)性防汛地點提示；

j.其他需要的語音提示。

3.2 車站數(shù)據(jù)服務(wù)器

車站數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)自身存儲的車站線路信息及CBI、TSRS等設(shè)備提供的信息，實現(xiàn)無線報文的實時組幀、校驗的功能。車站數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具備通過2 M網(wǎng)絡(luò)從TSRS設(shè)備獲得臨時限速，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給TSRS功能。車站數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具有車站及區(qū)間線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲功能。車站數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)進路和區(qū)間方向發(fā)送相應(yīng)方向的無線報文。車站數(shù)據(jù)服務(wù)器支持無線報文廣播功能。

3.3 應(yīng)答器

系統(tǒng)在車站列車信號機前方、區(qū)間適當?shù)攸c設(shè)置應(yīng)答器，為車載設(shè)備提供列車定位、級間轉(zhuǎn)換信息。應(yīng)答器編號作為車載選取無線報文信息的唯一依據(jù)。用于識別運行方向的應(yīng)答器組應(yīng)包括至少2個應(yīng)答器。車站應(yīng)答器設(shè)置原則如圖2所示。

圖2 車站應(yīng)答器設(shè)置示意Fig.2 Schematic diagram of station balise setting

根據(jù)線路速度在區(qū)間適當位置設(shè)置接近區(qū)段應(yīng)答器組?；诮咏鼌^(qū)段應(yīng)答器組與進站應(yīng)答器組冗余布置，丟失一個不影響正向正線及側(cè)線接車或正線通過進路。區(qū)間應(yīng)答器設(shè)置原則如圖3所示。

圖3 區(qū)間應(yīng)答器設(shè)置示意Fig.3 Schematic diagram of section balise setting

3.4 無線通信設(shè)備功能

無線通信設(shè)備具備無線廣播功能，可向車載實時發(fā)送無線報文。無線通信設(shè)備實現(xiàn)了在12.5 kHz頻寬下不小于9.6 kbit/s的空口速率以及4.8 kbit/s的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸能力并滿足運行速度200 km/h以下的運營要求。普通車站無線覆蓋范圍滿足列車以線路最高運行速度通過車站時，在進站前地面給列車提供完整數(shù)據(jù)的要求。

基于無線通信的車站無線覆蓋區(qū)域如圖4所示。

圖4 無線覆蓋區(qū)域Fig.4 Radio coverage area

4 主要運營場景

適用于機車的列控系統(tǒng)包括啟動、駕駛室激活、區(qū)間追蹤運行、機外停車、車站正線通過、車站側(cè)向通過、正側(cè)向接車、正側(cè)向發(fā)車、引導(dǎo)接車和特殊場景等運營場景。下面簡要介紹幾個主要運營場景。

4.1 區(qū)間追蹤運行

通過軌道電路向列車提供運行前方軌道區(qū)段空閑信息，同時通過在甲站接收到的無線報文向列車提供列車運行前方線路數(shù)據(jù)，車載設(shè)備根據(jù)上述信息實時生成目標-距離模式曲線監(jiān)控列車安全運行，如圖5所示。

圖5 追蹤運行示例Fig.5 Tracking running sample

4.2 自動閉塞區(qū)間運行帶容許信號

當貨運列車運行前方的信號機為裝設(shè)有容許信號的通過信號機時，車載設(shè)備收到地面發(fā)送HB或HU時，車載設(shè)備生成在該通過信號機前停車的目標-距離模式曲線。完全監(jiān)控模式下,當列車滿足特定條件（速度不大于20 km/h或列車距離該信號機小于一定距離）時，經(jīng)司機確認后轉(zhuǎn)入走停走模式。列車越過當前信號機后，若收到無碼則生成在前方信號機前停車且頂棚為20 km/h的目標-距離模式曲線，司機駕駛隨時停車；若收到HU碼則生成在前方信號機前停車且頂棚為20 km/h的目標-距離模式曲線，司機駕駛在次一架信號機前停車；若收到允許碼，按頂棚20 km/h運行直至次一架信號機后繼續(xù)運行，如圖6～8所示。

圖6 有容許信號的通過信號機前方無碼示意Fig.6 Schematic diagram of train stopping in advance of block signal with permissive signal when receiving no code

圖7 有容許信號的通過信號機前方HU碼示意Fig.7 Schematic diagram of train stopping in advance of block signal with permissive signal when receiving code HU

圖8 有容許信號的通過信號機前方允許碼示意Fig.8 Schematic diagram of train stopping in advance ofblock signal with permissive signal when receiving permission code

其他列車運行前方的信號機為裝設(shè)有容許信號的通過信號機時，車載設(shè)備收到地面發(fā)送HB或HU時，在該信號機前停車。

4.3 正線接車

正線接車時，出站信號機未開放，接車進路發(fā)HU碼。該場景下軌道電路編碼序列與區(qū)間追蹤運行相同，如圖9所示。

圖9 正線接車Fig.9 Receiving on mainline

4.4 側(cè)線接車

車站開通經(jīng)12號道岔的側(cè)向接車進路，進站信號機外方的接近區(qū)段發(fā)UU碼。在列車到達U2碼區(qū)段前，車載設(shè)備應(yīng)先默認進站信號機關(guān)閉生成機外停車的目標-距離模式曲線。當列車收到U2碼及BYX應(yīng)答器報文后，重新生成目標點在接車進路線路限速處、目標速度為接車進路限速的目標-距離模式曲線。當列車越過接車進路限速區(qū)域后，根據(jù)進站口處應(yīng)答器提供的線路參數(shù)信息生成在出站信號機前停車的目標-距離模式曲線，監(jiān)控列車安全運行，如圖10所示。

圖10 側(cè)線接車Fig.10 Receiving on sideline

5 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）數(shù)據(jù)集中管理

適用于機車的列控系統(tǒng)相對既有CTCS-0級系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理由原有LKJ列車存儲方式，改為利用車站設(shè)備集中管理和傳輸線路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)修改無需再追蹤列車修改數(shù)據(jù)，僅修改相應(yīng)的車站數(shù)據(jù)服務(wù)器即可。適用于機車的列控系統(tǒng)相對既有CTCS-2級系統(tǒng)，數(shù)據(jù)無需在沿線修改應(yīng)答器數(shù)據(jù)，便于應(yīng)答器僅為報文選擇鑰匙，便于管理和維護。

2）安全車載設(shè)備

適用于機車列控系統(tǒng)的車載ATP設(shè)備可根據(jù)列車參數(shù)和地面設(shè)備通過無線方式提供的軌道電路信息、線路數(shù)據(jù)、臨時限速等，按照目標-距離模式生成控制曲線，監(jiān)控列車安全運行，符合SIL4級要求。

3）精確進路數(shù)據(jù)

適用于機車列控系統(tǒng)的地面設(shè)備與聯(lián)鎖設(shè)備相連接且有接口傳輸信息，因此可在車站辦理進路時給出精確的進路數(shù)據(jù)滿足列車運行要求。相對既有CTCS-0級系統(tǒng)LKJ列車由司機輸入股道號，選取最低的安全側(cè)線路數(shù)據(jù)，適用于機車列控系統(tǒng)更安全、更高效。

4）無線設(shè)備僅覆蓋車站

適用于機車列控系統(tǒng)對于無線設(shè)備覆蓋要求僅要求覆蓋到車站進站信號機外方第二個接近區(qū)段和出站口外方第二個離去區(qū)段。相對既有CTCS-3級系統(tǒng)對無線設(shè)備覆蓋要求低，造價低、易實施，有利于系統(tǒng)快速推廣應(yīng)用。

6 結(jié)束語

適用于機車列控系統(tǒng)實現(xiàn)進路數(shù)據(jù)自動上車、臨時限速命令實時傳達、線路數(shù)據(jù)統(tǒng)一維護等功能，可有效提高鐵路運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，為國內(nèi)既有線路改造提供解決方案。在對既有線改造影響不大的情況下提升既有線的安全運行水平和運行效率。研究適用于機車的列控系統(tǒng)，既是國內(nèi)普速鐵路技術(shù)發(fā)展的需要，也是完善鐵路列控系統(tǒng)等級的需要，對普速鐵路列控技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，具有重要意義。