楊 俐

(上海申鐵投資有限公司， 200003， 上海∥高級工程師)

1 項目概況

上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線是上海第一條新建的市域鐵路，從虹橋站至上海東站全長68.63 km，共設(shè)車站9座、動車運(yùn)用所1處,其線路走向如圖1所示。該線與上海市域鐵路嘉閔線、南匯支線(又稱為“兩港快線”)互聯(lián)互通，并在三林南站預(yù)留了與國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)互聯(lián)互通的線路條件，擬通過南站支線(三林南路至鐵路上海南站)實現(xiàn)與金山鐵路線、國鐵網(wǎng)的互聯(lián)互通。三林南站以東至上海東站區(qū)域為國鐵城際列車和上海市域列車共線運(yùn)營范圍。上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線采用25 kV交流架空接觸網(wǎng)供電，列車采用市域動車組(4節(jié)編組、8節(jié)編組列車混跑)，設(shè)計最高運(yùn)行速度為160 km/h。

圖1 上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線走向示意圖

上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線信號采用CTCS-2(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)2級)+ATO(列車自動運(yùn)行)系統(tǒng)，主要包括CTC(調(diào)度集中)、CTCS-2、ATO、車站聯(lián)鎖、集中監(jiān)測等系統(tǒng)。線路區(qū)間采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路。這些系統(tǒng)均接入新建的上海市域鐵路調(diào)度中心。

CTCS-2+ATO系統(tǒng)于2016年起在珠江三角洲的城際莞惠線、佛肇線等線路上投入使用，其升級版本CTCS-3(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)3級)+ATO于2019年在京張(北京—張家口)高速鐵路線上得以首次應(yīng)用。CTCS(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng))與ATO相結(jié)合，實現(xiàn)了列車的自動駕駛、精確停車、車門與站臺門聯(lián)動等功能，但其折返仍采用人工換端方式，站后折返作業(yè)用時大于10 min。

面對CTCS-2+ATO下線路折返能力不足問題，上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線建設(shè)方牽頭組織開展了市域鐵路CTCS-2+ATO下列車自動折返能力的研究。本研究以現(xiàn)有信號系統(tǒng)設(shè)備和中國高速鐵路ATO技術(shù)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線的需求，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和探索，首次提出了CTCS-2+ATO系統(tǒng)3 min內(nèi)完成列車自動折返的技術(shù)方案，并仿真驗證了該方案的可行性。

2 CTCS-2+ATO下的列車折返問題

2.1 線路折返能力不足問題分析

上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線建設(shè)方牽頭組織設(shè)計院、設(shè)備廠家等單位，對市域鐵路CTCS-2+ATO下的列車自動折返功能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，珠江三角洲的城際鐵路中，信號系統(tǒng)采用CTCS-2+ATO的線路的站后折返作業(yè)時間均大于10 min，其中，司機(jī)換端走行時間、換端后車地通信建立時間及開機(jī)注冊時間均較長。即使采用雙司機(jī)配置方式，車載人工換端用時也需120 s。因此，線路折返能力不足已成為制約上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線全線開行最小行車間隔3 min運(yùn)行方案的瓶頸。

2.2 確定研究對象

在列車的折返過程中，若列車可自動折返，則可減少司機(jī)操作時間，進(jìn)而減少列車折返耗時?？紤]到目前CTCS-2+ATO仍處于GoA2(半自動化列車運(yùn)行)，列車自動折返需由司機(jī)發(fā)起操作。因列車采用的原地自動折返方式(即列車進(jìn)入股道后，關(guān)閉本務(wù)端駕駛臺并激活另一端駕駛臺，列車準(zhǔn)備向另一個方向發(fā)車的折返方式)相對較簡單，本文不予以討論，僅以機(jī)場聯(lián)絡(luò)線的上海東站為例，對列車站后折返方式進(jìn)行闡述。

如圖2所示，本務(wù)端(以下稱為“A端”)的車載設(shè)備在站臺股道接收到司機(jī)下發(fā)的自動折返發(fā)車指令后，ATO車載設(shè)備自動駕駛列車從站臺股道駛?cè)胝?線內(nèi)并停穩(wěn)。待兩端車載設(shè)備完成控制權(quán)交接后，原休眠端(以下稱為“B端”)ATO車載設(shè)備自動駕駛列車駛出折1線，列車運(yùn)行到站臺股道停穩(wěn)、停準(zhǔn)。

注：X為下行進(jìn)站信號機(jī)；XF為下行反向進(jìn)站信號機(jī)；SL為上行接車進(jìn)路信號機(jī)；X/XF/SL字母后數(shù)字均為信號機(jī)編號。

3 列車自動折返研究的主要成果

上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線CTCS-2+ATO依據(jù)TJ/DW 202—2019《高速鐵路ATO系統(tǒng)總體暫行技術(shù)規(guī)范》系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。《高速鐵路ATO系統(tǒng)總體暫行技術(shù)規(guī)范》在珠江三角洲城際鐵路線ATO實際運(yùn)行效果基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，取消了CCS(通信控制服務(wù)器)，相關(guān)功能由TSRS(臨時限速服務(wù)器)實現(xiàn)，其他信號子系統(tǒng)的地面設(shè)備不變[1]。上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線CTCS-2+ATO下列車自動折返的研究在此基礎(chǔ)上開展。

3.1 首次提出了CTCS-2+ATO下3 min內(nèi)完成列車自動折返的技術(shù)方案

無論原地自動折返還是站后自動折返，列車折返的關(guān)鍵均是自動換端，因此，本文研究的重點為兩端車載自動切換和換端期間保持車地通信。

3.1.1 兩端車載自動切換

兩端車載自動切換的實現(xiàn)方式有2種：方式1為A端—B端通過硬線交互信息；方式2為A端—B端通過無線通信交互信息[2]。考慮到無線通信延時對換端效率的影響，本文采用方式1。與方式2相比，方式1的實時性、可靠性更高，在動車組頭部和尾部駕駛室內(nèi)敷設(shè)2根不同物理路徑的貫通線，貫通線優(yōu)先采用車輛MVB(多功能車輛總線)。A端—B端的交互信息主要包括車載內(nèi)部狀態(tài)、換端后的車次號、列車車長、司機(jī)號、軌道區(qū)段載頻信息等。采用兩端車載自動切換方式，可節(jié)省司機(jī)開機(jī)人工注冊時間。

3.1.2 換端期間車地通信的保持

在高速鐵路ATO技術(shù)體系中，TSRS負(fù)責(zé)ATO車載與CTC之間的聯(lián)系。本研究采用B端提前與TSRS建立連接的方式來保持換端期間的車地通信，進(jìn)而節(jié)省TSRS與A端斷開后再與B端建立通信會話的時間。該方式需TSRS支持與休眠端車載保持連接的功能。

列車自動折返作業(yè)是一個典型的獨(dú)立運(yùn)營場景。為此，本研究新增了TSRS至車載折返計劃的信息包【CTCS-47】，以及CTC至TSRS的折返計劃信息。列車進(jìn)入折返車站前，CTC以6 s間隔周期性地向TSRS發(fā)送折返計劃信息，TSRS立即將信息轉(zhuǎn)發(fā)給車載設(shè)備。列車自動折返完成后，CTC停止發(fā)送折返計劃信息。此外，本研究還新增了車載至TSRS折返狀態(tài)反饋的信息包【CTCS-48】，以及TSRS至CTC折返狀態(tài)反饋信息。列車進(jìn)入自動折返狀態(tài)時，車載以6 s間隔周期性地向TSRS發(fā)送折返狀態(tài)反饋信息，TSRS立即將信息轉(zhuǎn)發(fā)給CTC，以表明列車處于自動折返狀態(tài)。信息包【CTCS-47】的格式如表1所示。

表1 TSRS至車載折返計劃信息包【CTCS-47】的格式

3.1.3 其他

如上文所述，列車自動折返需同步修改信號車載設(shè)備、TSRS、CTC及TCC(列車控制中心)的技術(shù)條件。列車站后自動折返換端完成且車載處于自動折返狀態(tài)時，信號系統(tǒng)應(yīng)支持車載設(shè)備從PS(部分監(jiān)控)模式進(jìn)入AM(自動駕駛模式)。另外，上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線移動通信系統(tǒng)采用LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))為市域列車提供服務(wù)，信號系統(tǒng)還應(yīng)支持LTE-M實現(xiàn)車地?zé)o線通信。

針對上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線4節(jié)編組和8節(jié)編組列車混跑情況下4節(jié)編組列車的快速折返問題，本研究對信號機(jī)、軌道電路、應(yīng)答器等地面設(shè)備進(jìn)行多方案比選后，得出設(shè)置中間分隔信號機(jī)以區(qū)分長、短折返進(jìn)路的優(yōu)化布置方案。

3.2 建立了CTCS-2+ATO下的列車自動折返流程

列車原地自動折返的核心流程是自動換端，與列車站后自動折返相比較為簡單，故本文僅描述列車站后自動折返流程。列車的站后自動折返流程主要包括列車從站臺股道運(yùn)行至折返線(以下簡稱“進(jìn)折返線”)、列車自動換端及列車從折返線運(yùn)行至站臺股道(以下簡稱“出折返線”)3個環(huán)節(jié)。

3.2.1 進(jìn)折返線

CTC提前1個車站或在到達(dá)折返站的前1個區(qū)間通過TSRS向車載設(shè)備發(fā)送列車運(yùn)行計劃(含折返計劃)。列車位于折返車站的站臺股道時，CTC通過TSRS收到列車停穩(wěn)且停準(zhǔn)的信息后，根據(jù)折返計劃通過聯(lián)鎖辦理列車自動折返的發(fā)車進(jìn)路，并通過TSRS周期性地向車載設(shè)備發(fā)送列車運(yùn)行計劃。車載設(shè)備收到折返計劃后，通過DMI(車載人機(jī)界面)向司機(jī)發(fā)出自動折返提示。車載設(shè)備判斷列車自動折返條件滿足后，令A(yù)端駕駛臺的自動折返按鈕指示燈綠燈閃爍。

司機(jī)按壓A端駕駛臺上的“自動折返按鈕”后，車載設(shè)備進(jìn)入列車自動折返狀態(tài)。車載設(shè)備控制A端駕駛臺的自動折返按鈕指示燈綠燈亮起，并在DMI上提示司機(jī)可關(guān)閉A端駕駛臺。

司機(jī)關(guān)閉A端駕駛臺并拔出鑰匙，車載設(shè)備根據(jù)列車運(yùn)行計劃判斷得知折返方式為站后自動折返。車載設(shè)備檢查確認(rèn)滿足自動折返條件后，ATO自動起動列車運(yùn)行至折返線，此時按鈕保持綠燈亮起。

3.2.2 自動換端

列車到達(dá)折返線停穩(wěn)后，A端ATO車載設(shè)備通過TSRS向CTC發(fā)送列車已停穩(wěn)信息。CTC按折返計劃通過CBI(計算機(jī)聯(lián)鎖)辦理列車自動折返的接車進(jìn)路。A端車載確認(rèn)具備折返條件后，向B端發(fā)送換端請求及相關(guān)數(shù)據(jù)。在接收到B端車載設(shè)備發(fā)來的準(zhǔn)備就緒信息后，A端向B端發(fā)送換端結(jié)束信息，并進(jìn)入休眠模式。

B端ATO車載設(shè)備接收到A端發(fā)來的列車自動折返換端數(shù)據(jù)后，點亮B端駕駛臺的自動折返指示燈，進(jìn)入待機(jī)模式。在接收到A端發(fā)來的換端結(jié)束確認(rèn)信息后，B端車載設(shè)備通過TSRS向CTC發(fā)送換端狀態(tài)信息，并進(jìn)入PS模式。

3.2.3 出折返線

當(dāng)列車具備發(fā)車條件后，B端車載設(shè)備自動進(jìn)入PS下的ATO模式，列車在折返線上限速45 km/h運(yùn)行。ATO控制列車運(yùn)行一定距離(暫定為20 m)后收到折返進(jìn)路信號機(jī)處的應(yīng)答器組報文，此時列車轉(zhuǎn)為FS(完全監(jiān)控)模式下的AM。列車運(yùn)行至站臺股道停穩(wěn)、停準(zhǔn)后，ATO根據(jù)折返計劃自動打開車門進(jìn)行上下客作業(yè)。

3.3 提出了CTCS-2+ATO下列車自動折返的信號-車輛接口方案

列車自動折返功能的實現(xiàn)，離不開車輛與信號的緊密配合，因此，需新增ATP、ATO與車輛繼電器輸入/輸出接口，如表2所示。

表2 列車自動折返新增的信號-車輛繼電器接口

司機(jī)按壓自動折返按鈕后，車載設(shè)備輸出折返激活信號有效的信息，司機(jī)拔出A端鑰匙。列車收到折返激活信號且檢測到A端的車鑰匙被拔出后，將折返激活信號作為等效鑰匙輸出信息，激活B端駕駛室(站后自動折返時還需輸出“方向手柄前向”信號)，同時給出折返激活反饋信號和組合零位信號，以繼續(xù)保持A端駕駛室的占用狀態(tài)。上述的列車輸出信號均應(yīng)在500 ms內(nèi)給出。

列車任意一端檢測到駕駛臺插入鑰匙以激活駕駛臺時，列車給出相應(yīng)駕駛臺激活/休眠和方向手柄位置信號，并撤銷折返激活反饋信號。

當(dāng)車載設(shè)備確認(rèn)具備自動折返條件時，車載將相關(guān)信息輸出至列車，列車控制A端的自動折返按鈕指示燈，使其保持穩(wěn)定的亮綠色閃爍狀態(tài)。司機(jī)按下自動折返按鈕后，A端的自動折返按鈕常亮綠燈；換端結(jié)束后，A端的自動折返按鈕指示燈熄滅，B端的自動折返按鈕常亮綠燈；B端退出列車自動折返狀態(tài)時，B端的自動折返按鈕指示燈熄滅。

3.4 實驗室仿真驗證平臺的驗證結(jié)果

列車控制車載設(shè)備的廠家各自獨(dú)立搭建了3 min內(nèi)完成列車自動折返的實驗室半實物仿真平臺，用以驗證列車自動折返的技術(shù)條件。其中：車載、TSRS、TCC均采用真實設(shè)備，軌道電路、應(yīng)答器均采用仿真設(shè)備，CTC、CBI結(jié)合各自情況選用真實/仿真設(shè)備。

3.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

仿真采用上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線初步設(shè)計階段的相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，車輛的主要參數(shù)如表3所示。

3.4.2 列車自動折返模型

表3 上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線車輛主要參數(shù)

根據(jù)列車站后自動折返的流程，單列車折返時間T單主要包括自動折返發(fā)車進(jìn)路辦理時間T1、列車進(jìn)折返線停穩(wěn)時間T2、換端時間T3及自動折返接車進(jìn)路辦理時間T31、列車出折返線至站臺股道停穩(wěn)停準(zhǔn)時間T4。其計算式[3]為：

T單=T1+T2+max(T3,T31)+T4

(1)

列車的站后折返若考慮交替折返，可根據(jù)不同區(qū)段的占用沖突狀態(tài)，列車折返間隔T折應(yīng)從到達(dá)站臺列車到達(dá)間隔TD1、折返線列車到達(dá)間隔TD2及出發(fā)站臺列車到達(dá)間隔TD3中取最大值：

T折=max(TD1,TD2,TD3)

(2)

3.4.3 仿真驗證結(jié)果

設(shè)備廠家對CTCS-2+ATO在上海東站的列車站后自動折返進(jìn)行了仿真，表4為該線8節(jié)編組列車自動折返仿真結(jié)果。

表4 CTCS-2+ATO下8節(jié)編組列車站后自動折返仿真結(jié)果

4節(jié)編組列車和8節(jié)編組列車在線上混跑時，由于8節(jié)編組列車折返時的走行距離較長，因此，線路折返能力受8節(jié)編組列車限制。從表4可知：本研究建立的列車自動折返技術(shù)方案是可行的，CTCS-2+ATO下列車自動換端時間在20 s以內(nèi)，因此，列車自動折返全過程可以在3 min內(nèi)完成。

3.5 制定了列車自動折返運(yùn)營場景故障時的處置措施

本研究還梳理了列車自動折返過程中可能出現(xiàn)的設(shè)備故障及誤操作等情況，基于這些運(yùn)營場景的故障現(xiàn)象描述，制定了操作流程建議及處置措施，以確保列車原地自動折返和站后自動折返不成功時能有效地減少對運(yùn)營的影響。

4 結(jié)語

國鐵線路雖然沒有列車自動折返的功能需求，但CTCS+ATO用于市域或城際鐵路高密度運(yùn)營時，列車自動折返功能不可缺少。本文提出的CTCS-2+ATO下列車自動折返的功能需求、技術(shù)條件已作為技術(shù)要求，納入上海市域鐵路機(jī)場聯(lián)絡(luò)線信號系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備采購要求中，并制定了與之匹配的運(yùn)營場景及故障處置措施，為上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線行車規(guī)則的制定奠定了基礎(chǔ)。此外，本文提出的CTCS-2+ATO下列車自動折返技術(shù)條件擬被中國鐵道學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)《市域鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范》采用，有望推廣至全國范圍內(nèi)市域(郊)鐵路建設(shè)中。