張 淼 ，趙 陽 ，曲以勝，范 楷 ，周博淵

ZHANG Miao1, 2，ZHAO Yang1, 2, QU Yisheng3，F(xiàn)AN Kai1, 2，ZHOU Boyuan1, 2

（1.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；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100081；3.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司 科信部，新疆 烏魯木齊 830011)

(1.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2.National Research Center of Railway Intelligence Transportation System Engineering Technology, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China；3.China Railway Urumqi Group Co., Ltd., Urumqi 830011, Xinjiang, China)

自青藏鐵路(西寧—拉薩)開通以來[1]，格爾木—拉薩段一直采用固定閉塞制式行車[2-3]，且未能實現(xiàn)列車的追蹤運行。隨著近年來青海省、西藏自治區(qū)經(jīng)濟社會的快速發(fā)展[4,5]，青藏鐵路的運輸能力逐漸無法滿足日益增長的運輸需求[6]，需要通過設備升級改造等措施提升線路的運輸能力。相關研究表明，采用移動閉塞制式可以實現(xiàn)列車的追蹤運行，從而提升單線鐵路運輸效率，是提升青藏鐵路運輸能力的重要手段之一[7-9]。因此，研究青藏鐵路移動閉塞列控安全技術，對于提升線路運輸能力，支持青藏地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展與國防建設尤為重要。首先，比較分析幾種主要的閉塞制式，指出移動閉塞制式的特點和優(yōu)勢，然后結合國內外研究現(xiàn)狀，提出適用于青藏鐵路的移動閉塞制式列控安全技術方案。

1 青藏鐵路移動閉塞列控安全技術方案總體架構

1.1 區(qū)間閉塞制式比較分析

區(qū)間閉塞技術是對區(qū)間有列車運行的線路進行封鎖，不準許其他列車駛入，防止列車相撞的安全控制技術。該技術是鐵路列車運行控制的基礎保障，也是提升運輸效率的重要手段。根據(jù)線路條件和運輸需求的不同，區(qū)間閉塞技術可以分為站間閉塞、自動閉塞和移動閉塞等制式。

（1）站間閉塞。站間閉塞是將2個車站間的區(qū)間作為1個閉塞分區(qū)管理，即1個區(qū)間僅能運行1列車。站間閉塞管理簡單，但效率較低，多用于單線鐵路。目前，青藏鐵路格林—拉薩段使用站間閉塞制式。

（2）自動閉塞。自動閉塞將區(qū)間劃分為若干個閉塞分區(qū)，每個閉塞分區(qū)允許1列車運行，區(qū)間則允許多列車追蹤運行。相比站間閉塞，自動閉塞的行車效率明顯提升。但是，自動閉塞需要增配相應的軌旁設備(如軌道電路、信號機)，建設與維護成本顯著增加，多用于復線鐵路。目前，我國采用CTCS-2/3列車運行控制系統(tǒng)的高速鐵路均采用自動閉塞制式控制列車運行。

（3）移動閉塞。移動閉塞作為一種新型的閉塞技術，與站間閉塞或自動閉塞相比，其最顯著特點是取消了軌旁設備分割的固定閉塞區(qū)間，列車間最小運行間隔由列車位置、速度等運行狀態(tài)確定。列車追蹤運行時，閉塞區(qū)間隨列車運行不斷移動和調整，后車的行車許可隨著前車位置變化而動態(tài)移動，因而稱之為移動閉塞。

3種閉塞制式下列車運行方式如圖1所示。

1.2 青藏鐵路移動閉塞優(yōu)勢

針對青藏鐵路這類有著突出“少維護、高效率”需求的鐵路，近年來國內外研究機構開展了大量相關的研究與試驗[10-12]。相較站間閉塞或自動閉塞，青藏鐵路采用移動閉塞具有以下優(yōu)勢。

（1）更高效。采用移動閉塞后，列車追蹤間隔時間更小，列車運行效率更高。根據(jù)童有超等[7]理論計算，青藏鐵路格拉段采用移動閉塞制式能夠將現(xiàn)有站間閉塞制式的通過能力提升近1倍，較自動閉塞也有一定提升。不同閉塞制式下青藏鐵路格拉段通過能力對比如表1所示。

（2）更靈活。采用移動閉塞，列車追蹤間隔可以根據(jù)車速、車型以及運輸要求而動態(tài)調整，運輸組織更靈活。青藏鐵路是客貨混跑線路，客、貨列車最高運行速度不同，機車的牽引制動性能均有所不同，如果按照列車最大制動距離制訂統(tǒng)一、固定的追蹤間隔，不利于充分發(fā)揮列車追蹤運行帶來的效率優(yōu)勢，而采用移動閉塞制式可以為列車追蹤間隔的動態(tài)調整奠定基礎。

圖1 3種閉塞制式下列車運行方式Fig.1 Train operation mode under 3 block types

表1 不同閉塞制式下青藏鐵路格拉段通過能力對比[7] 對/ dTab.1 Passing capacity of Golmud-Lhasa section of Qinghai Tibet Railway in different block types

（3）更經(jīng)濟。移動閉塞不需要信號機、軌道電路等軌旁設備支持，以軟件代替硬件，更具經(jīng)濟性，可以更好地滿足“少軌旁設備，少維護工作”的需求，降低信號系統(tǒng)建設與維護成本，降低現(xiàn)場施工與維護人員作業(yè)強度。

1.3 方案總體架構

我國開展了青藏鐵路列控系統(tǒng)設計和關鍵技術研究工作[13-14]。青藏鐵路移動閉塞列控系統(tǒng)取消區(qū)間軌道電路和通過信號機，采用基于北斗衛(wèi)星導航的多源融合技術、列車完整性檢查技術和基于IP的無線通信技術。為了應對車地通信中斷、列車完整性丟失等故障，應在站間設置計軸設備，滿足故障條件下列車運行控制安全防護需要。系統(tǒng)整體設計符合CTCS技術體系[15]規(guī)定的“車—地”控制模式，能夠與既有CTCS系統(tǒng)互聯(lián)互通。青藏鐵路移動閉塞列控安全技術總體架構如圖2所示。

由圖2可知，青藏鐵路移動閉塞列控安全技術總體架構包括設備層和功能層，功能層描述系統(tǒng)的核心功能和各功能單元間的信息流，設備層則是系統(tǒng)的硬件構成，支撐系統(tǒng)各項功能的具體實現(xiàn)。

（1）車載設備功能。車載設備具備多源融合自主定位功能、列車完整性檢查功能、速度曲線安全計算功能和列車超速自動防護功能。車載設備采用基于北斗衛(wèi)星導航的多源融合技術，實現(xiàn)自主定位和列車完整性檢查。RBC結合列車位置報告(含完整性狀態(tài))與車站軌道電路和站間計軸設備信息，實現(xiàn)移動閉塞制式的列車追蹤運行安全控制功能。通過設置虛擬區(qū)段，實現(xiàn)對故障列車所在區(qū)段的“部分封鎖”，在保證安全的前提下提高了系統(tǒng)的可用性。

（2）地面中心設備功能。無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)設備具備列車占用安全檢查功能和移動閉塞制式的行車許可(Movement Authority，MA)計算功能，聯(lián)鎖設備主要負責車站道岔聯(lián)鎖關系和進路管理功能，臨時限速服務器主要負責臨時限速的管理功能，車站軌道電路和站間計軸裝置則負責區(qū)段占壓狀態(tài)檢測功能。列車運行過程中，由地面中心設備RBC計算生成移動閉塞制式的行車許可，并經(jīng)無線通信系統(tǒng)傳輸至車載設備，車載設備根據(jù)MA以“目標－距離”模式的速度曲線監(jiān)控列車安全運行。

圖2 青藏鐵路移動閉塞列控安全技術總體架構Fig.2 Overall structural of safety technology of movable block train control system for Qinghai-Tibet Railway

2 青藏鐵路移動閉塞列控安全技術分析

2.1 列車占用安全檢查功能

青藏鐵路格拉段部分車站已安裝軌道電路設備，而區(qū)間未安裝任何列車占用檢查設備，因而列控系統(tǒng)將已經(jīng)安裝軌旁設備(軌道電路、計軸等)，實現(xiàn)列車占用檢查的區(qū)段定義為實體區(qū)段，將區(qū)間線路和車站線路劃分為若干軟件邏輯定義的虛擬區(qū)段，虛擬區(qū)段覆蓋全線的實體區(qū)段和非實體區(qū)段。

虛擬區(qū)段設置不影響正常情況下列車在移動閉塞制式下追蹤運行，其目的主要在于：①將車站與區(qū)間的區(qū)段劃分統(tǒng)一；②減少對行車調度、聯(lián)鎖和RBC等既有相關功能的影響；③當列車在區(qū)間出現(xiàn)降級時(如車地通信中斷或完整性丟失)，能夠按虛擬區(qū)段進行相應防護，在保證安全的同時避免不必要的全區(qū)間封鎖。

具體而言，虛擬區(qū)段覆蓋全線，車站內虛擬區(qū)段劃分應與實體區(qū)段一致，其占用、空閑狀態(tài)由RBC根據(jù)列車位置報告、軌道電路或計軸狀態(tài)綜合計算；區(qū)間虛擬區(qū)段占用、空閑狀態(tài)則由RBC根據(jù)管轄區(qū)內列車的位置報告計算。新型列控系統(tǒng)區(qū)段劃分與狀態(tài)計算示意圖如圖3所示。

RBC依據(jù)接收到列車位置報告、完整性狀態(tài)等信息，結合實體區(qū)段占用狀態(tài)確定虛擬區(qū)段的占用狀態(tài)。虛擬區(qū)段占用狀態(tài)計算規(guī)則如表2所示。

此外，考慮到虛擬區(qū)段狀態(tài)變?yōu)椤肮收险加谩焙螅嬖趨^(qū)間虛擬區(qū)段無軌旁占用檢查設備，或車站軌旁占用檢查設備故障等情況，為了提高系統(tǒng)可用性，可以在人工或其他外部系統(tǒng)確認線路實際空閑后，通過調度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control System，CTC)由人工確認區(qū)段狀態(tài)為“空閑”，或在車地通信正常且具備完整性的列車駛過該區(qū)段后，RBC自動將該虛擬區(qū)段設置為“空閑”。

2.2 列車追蹤安全防護功能

2.2.1 正常情況下列車追蹤安全防護功能

由于青藏鐵路區(qū)間沒有軌道電路等軌旁列車占用檢查設備，列車的存在和位置全部依賴RBC的計算，而當出現(xiàn)未向RBC注冊并上報位置的列車(也稱“隱藏車輛”)時，RBC無法獲得該隱藏車輛的位置，通信列車的運行控制存在安全風險。因此，對于新注冊并報告位置的通信列車，RBC應首先確認該列車頭部和尾部所在虛擬區(qū)段有無隱藏車輛，此過程也稱為“頭篩”和“尾篩”，并將頭篩和尾篩的狀態(tài)報告給CTC設備，供調度人員決策。

圖3 新型列控系統(tǒng)區(qū)段劃分與狀態(tài)計算示意圖Fig.3 Block division and state calculation diagram of new train control system

表2 虛擬區(qū)段占用狀態(tài)計算規(guī)則Tab.2 Calculation rules of virtual section occupancy status

（1）確認通信列車前方無隱藏車輛(頭篩)。列車位于車站內時，RBC可使用TAF流程(即確認前方軌道空閑流程[11])來清除通信列車頭部前方的隱藏車輛。當前方區(qū)段對應實體區(qū)段或站間計軸從“空閑”變?yōu)椤罢加谩遍_始計時，在給定時間內收到通信列車最小安全前端占用該區(qū)段的信息時，清除通信列車頭部前方的隱藏車輛。列車位于區(qū)間時，RBC可在接收到CTC下發(fā)的“人工確認列車前方軌道空閑”命令后，清除通信列車頭部前方的隱藏車輛。對于頭部處于故障防護區(qū)域內的列車，在該防護區(qū)域被解除后，可自動清除該通信列車頭部前方的隱藏車輛。

（2）確認通信列車后方無隱藏車輛(尾篩)。列車位于車站內時，通信列車的最小末端離開一個設置實體區(qū)段的區(qū)段或站間計軸區(qū)域，該實體區(qū)段或站間計軸從“占用”狀態(tài)轉變?yōu)椤翱臻e”狀態(tài)。當下面2個事件在給定時間內發(fā)生時，RBC應將通信列車尾部的隱藏車輛清除：①列車位于區(qū)間時，RBC在接收到CTC下發(fā)的“人工確認列車后方軌道空閑”命令后，清除該通信列車尾部后方的隱藏車輛；②對于尾部處于故障防護區(qū)域內的列車，在該防護區(qū)域被解除后，可自動清除該通信列車尾部后方的隱藏車輛。

基于以上方案，列車向RBC注冊后，從車站出發(fā)前，應首先完成頭篩和尾篩，RBC僅向完成頭篩的列車計算并發(fā)送MA，并將未完成尾篩的列車尾部所處虛擬區(qū)段設置為“故障占用”進行安全防護。

2.2.2 故障情況下列車追蹤安全防護功能

（1）RBC與車載設備無線通信中斷情況。RBC設備或車地通信故障導致車地間通信中斷時，車載設備按無線消息超時處理，列車應制動停車。RBC會根據(jù)失去通信列車最后的位置報告，將列車可能占用的虛擬區(qū)段設置為“故障占用”，并進行必要防護。車地通信中斷后恢復的典型場景示意圖如圖4所示。

（2）軌旁設備故障或列車降級情況。當發(fā)生軌道電路故障占用，或列車降級，或未裝備列控車載設備的車輛闖入等特殊事件發(fā)生時，RBC會根據(jù)事件發(fā)生的位置，將可能存在占用的虛擬區(qū)段設置為“故障占用”，并進行必要防護。未知列車駛入?yún)^(qū)間的典型場景示意圖如圖5所示，其他情況類似。

圖4 車地通信中斷后恢復的典型場景示意圖Fig.4 Typical scene of recovery after train-ground communication interruption

圖5 未知列車駛入?yún)^(qū)間的典型場景示意圖Fig.5 Typical scene of unknown train entering the section

（3）車載設備判斷列車完整性丟失情況。車載設備判斷列車完整性丟失時，可能存在2種情況：①列車未斷鉤，列車完整性檢查功能故障導致誤判；②列車斷鉤導致車輛非正常解編。其中，前者是可恢復的，后者則必須由人工方式進行救援，RBC對此2種情況采取不同的安全控制與防護方案。列車完整性檢查功能故障后恢復典型場景示意圖如圖6所示。需要注意的是，根據(jù)車輛設計要求，發(fā)生斷鉤后會導致制動，因而系統(tǒng)不考慮對斷鉤車輛的退行防護。

3 結束語

面向青藏鐵路特殊環(huán)境與地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展帶來的運量增長需求，分析青藏鐵路既有ITCS的特點和問題，提出適用于青藏鐵路的移動閉塞制式列控安全技術總體框架，對移動閉塞制式下的安全防護技術方案進行了深入的研究分析，通過典型運營場景，對方案安全性、可靠性和完備性進行了闡述。適用于青藏鐵路的移動閉塞技術可以為青藏鐵路類單線鐵路提供安全、可靠、高效的列車追蹤運行控制方案，在保證列車運行安全的前提下，實現(xiàn)青藏鐵路的通過能力加強，提升運輸效率。移動閉塞技術在青藏鐵路的實現(xiàn)，可以為我國移動閉塞的發(fā)展積累技術經(jīng)驗，有助于該技術在全國鐵路推廣應用，具有一定的現(xiàn)實意義與研究價值。

圖6 列車完整性檢查功能故障后恢復典型場景示意圖Fig.6 Typical scene of recovery after train integrity check function failure