霍黎明

（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）

0 引言

在我國列車運行控制系統(tǒng)技術規(guī)范中，從CTCS-1級至CTCS-4級均配置應答器設備，應答器是既有線改造提速和高鐵建設中不可缺少的設備，所采用的磁感應技術能夠向高速行駛的車載系統(tǒng)提供大量固定信息和可變信息[1-2]。其傳輸鏈路分為上下2路，上行鏈路由地面應答器向車載系統(tǒng)傳輸，信息包括固定信息和可變信息；下行鏈路由車載系統(tǒng)向地面應答器傳輸列車運行信息。當前車地信息傳輸中以上行鏈路數據為主，主要向列控車載系統(tǒng)傳送以下信息：鏈接信息、軌道區(qū)段信息、坡度和自動過分相信息、速度信息、臨時限速信息、車站相關進路信息、等級轉換信息、定位信息、站臺側信息、站名信息等。

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，不斷出現大型樞紐車站，通常具有以下特點：建有多種發(fā)揮不同作用的線路，包括不同場間的場聯線、與動車所相關的動走線、避免線路相互交叉的立交交叉疏解線、機務專用的折返線等；有2個以上進出站口；車站股道區(qū)段距離咽喉區(qū)較遠并配有進路信號機。上述特點不僅增加了樞紐車站的線路復雜度，而且增加了聯鎖進路數據的復雜度，進而增加了仿真和動態(tài)檢測的復雜度。通過分析近年來信號系統(tǒng)聯調聯試大量的試驗數據后發(fā)現，在樞紐車站和線路條件復雜、信息多變的區(qū)段，有源應答器和無源應答器在發(fā)送信息的分配上有時不夠合理，實際應用中許多信息沒有結合站場線路實際情況進行充分調整，依靠經驗簡單地生搬硬套，使用不夠靈活。

1 數據應用分析

根據列控系統(tǒng)應答器應用原則，有源應答器組的數據應合理分配，固定信息宜設置在無源應答器中，無源應答器用于發(fā)送對直向方向有效的線路坡度、線路速度、應答器鏈接和軌道區(qū)段信息。正反向進站信號機、中繼站、有始發(fā)列車作業(yè)的車站出站信號機無源應答器中應發(fā)送里程信息。當發(fā)車信號開放后，有源應答器發(fā)送對發(fā)車方向有效的應答器鏈接、線路允許速度、里程系、軌道區(qū)段、臨時限速及特殊區(qū)段等信息[3]。在實際應用中，應答器數據分配和使用出現的問題較多，尤其在坡度、里程系、速度和限速信息等方面。

1.1 坡度方面

某疏解線反向走行部分簡圖見圖1。列車反向運行（正線XTF—201#岔尖—SZ7），當列車從正線運行至側線后，一直使用正線坡度信息，直到收到SZ7應答器數據才能更新坡度信息，從201#岔尖至SZ7應答器這段，坡度與實際不符[4]。

圖1 某疏解線反向走行部分簡圖

原因分析：由于該樞紐車站的部分正線和側線坡度相差較大，而無源應答器只能寫單一方向坡度信息，正線應答器只能寫正線坡度信息，側線應答器只能寫側線坡度信息，當列車從正線經過走側線時，會一直使用正線坡度數據，直到收到側線第1組應答器數據才能更新為側線坡度數據，因此從過岔尖開始到側線第1組應答器這段，坡度值和實際現場坡度值不符。

以上問題不僅出現在疏解線，在場聯線和動走線正反向也常出現類似問題。坡度信息在行車中起著重要作用，是車載系統(tǒng)邏輯運算的重點數據參數，也能為司機提供明確的提示信息。如果側線和正線坡度差別不大，對行車影響不大，但在復雜的車站，尤其是疏解線等立體交叉類線路條件中，往往坡度值較大，甚至達到±30‰。對于這樣的線路，坡度信息就顯得尤其重要，必須準確地提供給車載系統(tǒng)，否則將影響行車安全。

1.2 里程系方面

里程系方面類同于坡度方面，同樣是由于樞紐車站進路條件復雜，每條線路均有單獨里程系，而無源應答器只能寫單一方向里程數據，正線應答器只能寫正線里程信息，側線應答器只能寫側線里程信息，當列車從正線經過走側線時，會一直延用正線里程，直到收到側線第1組應答器數據后才能更新為側線里程，造成某區(qū)段內里程數據和實際里程數據不符。里程信息對司機起著重要的提示作用，一定條件下其重要性不容忽視。

1.3 速度方面

列車在某樞紐車站27G發(fā)車，經上行線正向XTF機外停車。自S27信號機至SL3信號機，列車允許速度一直保持80 km/h，與進路數據不符[4]（進路數據表為80/444，160/1014）。S27—SL3—XTF進路簡圖見圖2。

圖2 S27—SL3—XTF進路簡圖

原因分析：在S27—SL3—XTF進路中，BS27有源應答器要發(fā)送 ETCS-5、CTCS-1、ETCS-27、ETCS-68、CTCS-2包信息。由于該樞紐車站的站場較大，CTCS-1包容量較大，無法寫入全部線路描述信息，為保證BS27有源應答器描述的線路數據的有效性和充分性，克服應答器報文容量有限問題，只能采用合并線路速度的方式來滿足上述要求，即減少ETCS-27包容量。根據運行路徑，合并后的速度取2分段速度中較低值。根據上述方式，對于S27—SL3—XTF進路，原始速度信息為80/444，160/1396，250/1421，處理后為80/1840，250/1421。

在該案例中，由于有源應答器BS27的容量問題，必須采用通過合并線路參數的方式對ETCS-27包中的速度信息進行合并，造成了實際數據與列控工程數據表不一致，沒有準確反映出線路的實際情況。

1.4 限速方面

列車上行線正向運行，某站IIG到發(fā)進路簡圖見圖3，上行線區(qū)間K191+861—K91+661設置200 km/h的臨時限速，列車發(fā)車后經過此站SII應答器組后，允許速度由250 km/h突降到200 km/h，經過出站口XN應答器組及1個車長，允許速度恢復為250 km/h[5]。

原因分析：根據《列控系統(tǒng)相關規(guī)范補充規(guī)定》（鐵總運〔2016〕222號），正線出站設置有源應答器時，報文發(fā)送原則應滿足ATP車載設備在C2等級下以完全監(jiān)控模式運行的需求[6]。此有源應答器需要描述報文編輯如下：報頭：50位，ETCS-5：69位，ETCS-27：86位，CTCS-1：429位，ETCS-68：65位，CTCS-2（3條TSR信息）：221位，共920位。在ETCS-21包已經調整到無源應答器中后，報文長度還是超過應答器最高容量830位。由于報文超過應答器容量限制，無法滿足規(guī)范中的“臨時限速包與進路有源應答器報文發(fā)送原則一致”的要求，只能對臨時限速包進行壓縮或合并，即只能將臨時限速范圍描述到反進站信號機處，從而導致車載系統(tǒng)沒有收到準確的限速信息而出現速度突降。

圖3 某站IIG到發(fā)進路簡圖

2 應答器容量分析

在我國CTCS-2級列控系統(tǒng)中，應答器是車載系統(tǒng)獲取地面信息的重要來源。無源應答器（也稱固定應答器）設于區(qū)間閉塞分區(qū)入口以及車站進、出站信號機外方，同有源應答器成組排列，用于向列控車載系統(tǒng)傳輸閉塞分區(qū)長度和軌道區(qū)段、線路速度和坡度、列車定位等信息；有源應答器（也稱可變應答器）設置于車站進、出站信號機外端，向列車提供接車進路參數、臨時限速等可變信息[3]，應答器報文幀結構見表1[1]。其中應答器發(fā)送的用戶信息包括：應答器鏈接（ETCS-5）、重定位信息（ETCS-16）、線路坡度信息（ETCS-21）、線路速度（ETCS-27）、等級轉換（ETCS-41）、CTCS數據（ETCS-44）、特殊區(qū)段（ETCS-68）、文本信息（ETCS-72）、里程信息（ETCS-79）、調車危險（ETCS-132）、默認信息（ETCS-254）、軌道區(qū)段（CTCS-1）、臨時限速（CTCS-2）、區(qū)間反向運行（CTCS-3）、大號碼道岔（CTCS-4）、絕對停車（CTCS-5）。

表1 應答器報文幀結構

此外對于CTCS-3級列控系統(tǒng)應答器專用包有[3]：通信管理信息（ETCS-42）、無線網絡注冊（ETCS-45）、有條件轉換（ETCS-46）、RBC切換命令（ETCS-131）和目視行車危險（ETCS-137）。

由以上信息綜合可知，1個應答器只能存儲1條報文，而1條報文的信息容量是固定的830位二進制位，排除固定的50位報文頭信息和8位報文尾信息，可以使用的信息只有772位。830位用戶報文經過數據變換擾亂后進行第10位和第11位轉換后為913位，其他還有控制位3位、擾亂位12位、額外修整位10位、校驗位85位共1 023位。

如果1個應答器中全部用來儲存CTCS-1包，最多可以存儲25個軌道區(qū)段。軌道區(qū)段是構成閉塞分區(qū)的基本單元，而閉塞分區(qū)長度原則上按照不少于2 000 m進行設計，滿足350 km/h速度、3 min列車追蹤運行的要求[7]。目前我國軌道電路區(qū)間閉塞分區(qū)中一般有2或3個軌道區(qū)段，根據CTCS-1包結構（見表2），按最大循環(huán)24次計算，1個CTCS-1包中可以描述8個閉塞分區(qū)，共可以描述14 km，根據軌道電路區(qū)間追蹤碼序L5推算，前方要求描述7個閉塞分區(qū)，目標距離達到14 km，才能滿足車載一次性模式曲線的要求，在CTCS-3級中距離要求更遠。而實際應用中，應答器報文容量中不可能全部用來存儲CTCS-1包。

表2 CTCS-1包結構

由此可以看出應答器的容量非常緊張，對于線路條件復雜的線路，除了正常軌道區(qū)段信息外，還要求加入其他的用戶信息包，軌道區(qū)段的循環(huán)次數會降低到至多10次，只能描述7～8 km的數據，特殊情況下甚至更低，描述的距離將更短。在一次性模式曲線運行的有效行車許可范圍內，要求相關數據必須及時更新，否則會影響運輸效率和行車安全，所以應答器容量問題顯得更加突出。

當車載系統(tǒng)由部分模式轉到完全模式時，CTCS-1、CTCS-2、ETCS-21、ETCS-27包信息是必要條件，以上信息可以在1組應答器的有源和無源應答器中根據容量限制合理分配。但在大型樞紐車站和線路條件復雜的進路環(huán)境下，由于坡度、速度、軌道區(qū)段和限速信息與進路環(huán)境聯系非常緊密，甚至鏈接信息（ETCS-5）、分相信息（ETCS-68）、反向運行信息（CTCS-3包）、大號碼道岔信息（CTCS-4包）、里程信息（ETCS-79）也要求通過有源應答器發(fā)送，該情況下有源應答器的容量就顯得更加緊張。經過仿真測試，按以下信息分配后（CTCS-1：8個區(qū)段；CTCS-2：3條限速信息；ETCS-21：5段信息；ETCS-27：5區(qū)段信息），有源應答器容量就已經達到極限，如果想要增加其他信息，必須對已有信息進行合并或壓縮處理，這樣必然造成實際數據和列控工程數據不符，影響數據的準確性，進而影響行車安全。

3 優(yōu)化建議

應答器是列控車載設備重要的地面信息來源，應該全面準確地反映地面實際情況，應盡最大可能保證其信息的準確性和充分性，為行車安全提供數據支撐。

3.1 合理安排1組應答器中有源和無源數據

合理安排1組應答器中有源和無源數據，為有源應答器留有足夠的空間。在CTCS列控體系中，應答器組內應答器數量要求不宜超過3個[8]，1個應答器組中最多只能有1個有源應答器。在復雜的情況下，有源應答器應充分考慮線路的實際情況，合理分配固定信息和可變信息[9]，為有源應答器預留足夠的可變空間，滿足在特殊情況下的坡度、速度、軌道區(qū)段、限速信息、鏈接、分相區(qū)、反向運行、大號碼道岔、里程等信息的發(fā)送需求。

3.2 增設無源應答器或使用大容量無源應答器

在同一組內增加無源應答器數量，可以整體上增加信息包的容納空間，另外也可獨立增設應答器，在必要的關鍵信號點增設應答器，從而縮小區(qū)間應答器描述的范圍。目前許多新建線路由于受地理等多種因素條件的制約，線路坡度往往較大，甚至達到30‰，從而造成動車組運行時速度的限制要求，為確保運行效率和行車安全，必須增加速度變化點，使應答器中速度和坡度信息內容增大，造成無源應答器的容量也很緊張。

目前大容量無源應答器已經研發(fā)成功，并在大西綜合試驗段成功測試。其上行鏈路采用雙通道結構，可并行傳輸數據信息，提高了數據傳輸容量[10]。應答器上行鏈路的2個通道為并行關系，通道1采用FSK調制方式，通道2采用PSK調制方式，2個通道可同時使用，也可單獨使用[11]。大容量無源應答器預先存儲2條應答器報文，當被BTM載波能量激活后，分別采用FSK和PSK調制方式并行發(fā)送這2條報文，應答器可傳輸短格式和長格式報文或交叉使用，數據傳輸量是當前應答器的2倍。使用大容量無源應答器后，在不增加組內無源應答器的情況下，可解決目前無源應答器遇到的容量問題。

3.3 合并線路參數

在合理分配有源和無源應答器數據以及增設無源應答器仍無法滿足要求時，目前階段可采用合并線路參數的方法。合并線路參數過程中應遵循相關原則和規(guī)范，最大限度地保證數據的準確性。

（1）坡度合并。坡度合并的基本原則是按照應答器技術規(guī)范中的規(guī)定算法計算可以合并的變坡點，并按照安全側取合并后的坡度[11]。首先合并制動距離內的坡度，因為此段數據車載系統(tǒng)最后進行驗證，主要作用為延長數據范圍，坡度合并不能超出制動距離的范圍，超出后會影響制動模式曲線的生成。

（2）速度合并。速度合并的原則是制動范圍內的速度變化點，同樣在不影響運輸效率和行車安全的前提下進行合并，對于速度變化較大的情況不適合合并，合并時必須保證前后數據的一致性。

（3）合并軌道區(qū)段。軌道區(qū)段的合并是在丟失1組應答器不影響列車運行的條件下，在制動距離范圍內由遠及近對各閉塞分區(qū)內的軌道區(qū)段進行合并，合并后的各閉塞分區(qū)載頻為“無載頻”。

3.4 加大有源大容量應答器的研發(fā)

無論是增設應答器還是合并線路參數信息都是為了解決應答器容量問題，構建大容量應答器成為需求，尤其是大容量有源應答器。由于有源應答器與LEU及列控中心密切相關，比大容量無源應答器實現更復雜，目前還處于探索研究階段，因此，應加大研發(fā)力度。只有解決了有源應答器的容量問題，在大型樞紐車站和線路條件復雜的線路環(huán)境中，才能使列控中心對車載系統(tǒng)發(fā)送的信息更加準確，大幅提高與列控工程數據表數據的一致性，從而保證鐵路運輸安全有序。

4 結論

應答器作為車地信息通信的主要單元，承載的數據對于車載系統(tǒng)至關重要，應最大可能地保證車載系統(tǒng)接收到的數據與列控工程數據的一致性和完整性。在相對復雜的進路中，有源應答器所發(fā)送的信息應全面結合進路的實際情況，要合理分配1組應答器中有源和無源的信息數據，為有源應答器留有足夠的空間來描述其他信息。對于無源應答器容量問題，可通過增設無源應答器或使用大容量無源應答器的方式來解決。在合理優(yōu)化有源和無源信息并增設應答器仍然無法解決問題時，再采用根據實際線路情況合并相關線路參數的方式解決容量問題。同時，針對目前有源應答器的容量問題，應加大研發(fā)力度，爭取早日投入應用。