楊霓霏，王 浩，劉曉斌，徐 強(qiáng)，趙 琳

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

重載鐵路運(yùn)輸因具有運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢(shì)而受到世界各國(guó)的廣泛重視，是大宗貨物經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)輸方式。大秦鐵路是我國(guó)西煤東運(yùn)的主要通道之一，也是我國(guó)第一條雙線電氣化重載運(yùn)煤專線，作為我國(guó)重載鐵路發(fā)展的標(biāo)桿，大秦鐵路從建成通車到現(xiàn)在已有30年[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)于重載鐵路貨運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)輸能力提出了更高的要求。大秦鐵路線上運(yùn)行的機(jī)車車輛類型、編組長(zhǎng)度等組合較多，現(xiàn)有的固定閉塞制式不能充分發(fā)揮各種類型列車的性能?；谥剌d列車車長(zhǎng)、制動(dòng)力等方面安全因素的考慮，大秦鐵路重載列車目前普遍是地面信號(hào)顯示綠黃燈時(shí)降速，地面信號(hào)黃燈時(shí)控制列車停車，不能使線路允許通過能力最大化，在一定程度上限制了運(yùn)輸效率的進(jìn)一步提升?；诖耍疚囊源笄罔F路為依托，對(duì)重載鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)進(jìn)行研究[3]，在既有重載線路考慮引入移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，從而提升大秦鐵路乃至我國(guó)重載鐵路貨物運(yùn)輸能力。

1 移動(dòng)閉塞原理

1.1 固定閉塞制式

在采用固定閉塞制式的系統(tǒng)中，信號(hào)顯示是速差式信號(hào)。列車追蹤目標(biāo)點(diǎn)為前行列車所在閉塞分區(qū)的始端，后行列車從最高速度開始制動(dòng)的計(jì)算點(diǎn)為要求開始減速的閉塞分區(qū)的始端，這兩個(gè)點(diǎn)不因列車特性等因素而變化。在這種分級(jí)速度控制模式下，以一個(gè)閉塞分區(qū)為單位，根據(jù)列車運(yùn)行的速度分級(jí)，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行速度控制。分級(jí)速度控制系統(tǒng)的列車追蹤間隔主要與閉塞分區(qū)的劃分、列車性能和速度有關(guān)，而閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度是以最壞性能的列車為依據(jù)并結(jié)合線路參數(shù)來確定的，因此對(duì)于不同速度列車混合運(yùn)行的線路，固定閉塞制式嚴(yán)重影響其運(yùn)輸能力。

1.2 移動(dòng)閉塞制式

移動(dòng)閉塞制式下，列車可以直接追蹤到前行列車的安全后端，不再需要固定的閉塞分區(qū)劃分。沒有了固定閉塞分區(qū)劃分的限制，從而可實(shí)現(xiàn)更靈活和更高密度的追蹤。

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)采用連續(xù)速度曲線控制模式進(jìn)行閉塞設(shè)計(jì)，通過車地通信系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)列車位置信息，實(shí)現(xiàn)列車安全定位，地面無線閉塞中心根據(jù)前方線路狀況及軌道占用情況，實(shí)時(shí)生成行車許可并發(fā)送給相應(yīng)列車[4-5]。而列車車載設(shè)備則依據(jù)列車安全控制模型，根據(jù)列車動(dòng)態(tài)特性參數(shù)、線路參數(shù)及速度和位置等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，計(jì)算列車當(dāng)前最大允許速度，實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行，從而保證列車安全、高效運(yùn)行。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)在顯著縮短行車間隔和提升線路運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)上，由于不再依靠地面軌道電路設(shè)備識(shí)別軌道占用，而是以前行列車的尾端作為移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)，可以極大地減少軌旁設(shè)備，從而也能減少后期的維護(hù)成本，降低工程造價(jià)，是目前軌道交通可持續(xù)發(fā)展的信號(hào)控制模式。

列車自主定位和列車自主完整性檢查是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞的關(guān)鍵技術(shù)，也使得取消如軌道電路等軌道占用檢查系統(tǒng)、簡(jiǎn)化軌旁設(shè)備成為可能，但保留軌道占用檢查系統(tǒng)并不制約移動(dòng)閉塞制式的實(shí)現(xiàn)，甚至更有其積極意義[6-7]。當(dāng)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的列車定位或列車完整性檢查功能故障時(shí)，在未安裝軌道電路或計(jì)軸設(shè)備的線路上恢復(fù)列車運(yùn)行將變得非常困難。因此，軌道占用檢查系統(tǒng)對(duì)于充當(dāng)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的后備系統(tǒng)和支持多制式列車混運(yùn)有著重要的意義。針對(duì)既有重載鐵路信號(hào)系統(tǒng)的情況和特點(diǎn)，在保留既有主要軌旁設(shè)備基礎(chǔ)上建設(shè)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)是一個(gè)值得研究的方向[8]。

2 重載鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 重載鐵路既有信號(hào)系統(tǒng)

以具有代表性的大秦鐵路為例，重載鐵路線軌旁安裝有軌道電路和信號(hào)機(jī)，軌道電路以絕緣節(jié)分割，將軌道劃分成區(qū)段，完成軌道占用檢查和發(fā)碼功能，為車載提供機(jī)車信號(hào)授權(quán)，信號(hào)機(jī)為行車提供目視信號(hào)授權(quán)。區(qū)間自動(dòng)閉塞系統(tǒng)根據(jù)區(qū)間運(yùn)行方向、閉塞分區(qū)占用/空閑狀態(tài)、按照固定閉塞制式控制區(qū)間通過信號(hào)機(jī)顯示和軌道電路的發(fā)碼。如圖1所示，機(jī)車裝備CTCS-0級(jí)系統(tǒng)、測(cè)速測(cè)距設(shè)備、軌道電路信息讀取設(shè)備（TCR，Track Circuit Reader）、CTCS-0級(jí)的列車接口和司機(jī)接口。

2.2 基于CTCS-0級(jí)系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞功能改造

為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞功能，需引入以下技術(shù)和設(shè)備：軌旁新增定位應(yīng)答器，車載新增應(yīng)答器傳輸模塊（BTM，Baliser Transmission Module），實(shí)現(xiàn)列車自主定位功能；列尾新增列車完整性檢查列尾單元，車載新增列車完整性檢查單元，實(shí)現(xiàn)列車完整性檢查功能；車載安裝列控用通信電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于無線通信的車地雙向通信；車載新增列車超速防護(hù)（ATP，Automatic Train Protection）主控單元及其他設(shè)備和功能單元；軌旁新增無線閉塞中心（RBC，Radio Block Center）系統(tǒng)。改造后的重載鐵路車載和軌旁信號(hào)系統(tǒng)如圖2所示。

RBC系統(tǒng)是移動(dòng)閉塞地面系統(tǒng)的核心設(shè)備，RBC與既有的聯(lián)鎖系統(tǒng)通過列控專用網(wǎng)絡(luò)連接，從聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取車站進(jìn)路狀態(tài)信息及所有站內(nèi)和區(qū)間軌旁設(shè)備狀態(tài)信息；RBC接入無線通信系統(tǒng)核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與車載的雙向通信，從車載獲取列車數(shù)據(jù)信息和實(shí)時(shí)的列車位置信息，并向車載發(fā)出以移動(dòng)授權(quán)（MA，Movement Autority）信息為主的控制信息。

圖2 改造后的重載鐵路車載和軌旁信號(hào)系統(tǒng)

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

CTCS是我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的基本體系，隨著鐵路信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展，CTCS體系也在穩(wěn)步地發(fā)展和完善，移動(dòng)閉塞屬于CTCS-4級(jí)功能要求，本文以CTCS體系為依托進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）線路上布置應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)列車自主定位并向列車提供RBC呼叫信息；

（2）車載新增ATP子系統(tǒng)，ATP與所屬位置的RBC建立通信，向RBC報(bào)告列車位置等信息，接受RBC分配的MA并嚴(yán)格按MA控制列車運(yùn)行；

（3）列車上配置具備列車完整性檢查功能的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)安全的列車完整性檢查功能；

（4）采用IP化的車地通信接口，更好地適應(yīng)通信領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展；

（5）地面新增RBC子系統(tǒng)，RBC與其管轄范圍內(nèi)的車載建立雙向通信，管理與其通信的列車狀態(tài)，接收列車位置報(bào)告并給車載分配MA及線路數(shù)據(jù)，控制列車以移動(dòng)閉塞制式在區(qū)間運(yùn)行；

（6）既有聯(lián)鎖改造，增加與RBC接口，將車站進(jìn)路狀態(tài)及區(qū)間軌道電路狀態(tài)（代傳）發(fā)送給RBC；

（7）既有CTC改造，增加與RBC接口，獲取通信列車狀態(tài)并可向RBC下達(dá)部分控車命令，包括臨時(shí)限速命令；

（8）保持既有重載鐵路固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)功能并作為移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，預(yù)留由ATP子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）的功能。

如圖3所示，圖中的棕色框是新增設(shè)備和系統(tǒng)，棕色線表示新增接口，而新增接口均是CTCS體系標(biāo)準(zhǔn)接口。藍(lán)色框表示既有需改造設(shè)備，藍(lán)色線為既有需改造接口。

圖3 重載鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)架構(gòu)

3 基于列車位置追蹤的移動(dòng)閉塞安全功能

作為列控系統(tǒng)的較高等級(jí)，移動(dòng)閉塞系統(tǒng)基于各子系統(tǒng)的多項(xiàng)安全功能來實(shí)現(xiàn)，其中，有些是移動(dòng)閉塞系統(tǒng)新增的關(guān)鍵技術(shù)，比如對(duì)于車載子系統(tǒng)的列車定位、列車完整性檢查，對(duì)于地面核心設(shè)備RBC而言，就是列車位置的追蹤功能。列車位置追蹤功能是基于車載提供的列車安全位置、列車完整性狀態(tài)、軌旁閉塞分區(qū)占用和空閑狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)RBC管轄范圍內(nèi)所有列車位置進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記和處理，為移動(dòng)閉塞制式的MA分配提供安全依據(jù)。

3.1 基于軌旁區(qū)段狀態(tài)標(biāo)記追蹤區(qū)域

系統(tǒng)初始狀態(tài)下，“占用”的區(qū)段如圖4（a）所示，區(qū)段A被標(biāo)記為“未知區(qū)域”，表示可能有隱藏車輛（位置未知的車輛）在該區(qū)域內(nèi)的任何位置。“空閑”的區(qū)段B則可確認(rèn)該區(qū)段范圍內(nèi)無車。

3.2 給新報(bào)告位置的報(bào)告車標(biāo)記追蹤區(qū)域

如圖4（b）所示，車1報(bào)告位置在區(qū)段A，不具備完整性，只能確定車頭位置，無法確定車尾位置（只能估計(jì)一個(gè)后端）；如圖4（c）所示，車1報(bào)告確認(rèn)了列車完整性，可以確定其后端的位置（稱為確認(rèn)后端）。以上兩種情況都仍然要在位置報(bào)告車的前端到區(qū)段A的邊界及后端到區(qū)段A的另一邊邊界標(biāo)記“未知區(qū)域”，表示仍然可能有隱藏車輛在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。

3.3 確認(rèn)報(bào)告車前端和后端無隱藏車

必須經(jīng)過一個(gè)安全的處理過程確認(rèn)才能“清除”報(bào)告車前端和后端的隱藏車，如圖4（d）所示，車1經(jīng)歷了一個(gè)前方軌道空閑（TAF，Track Ahead Free）確認(rèn)過程之后，前端被標(biāo)記為“無車區(qū)域”；如圖4（e）所示，車1經(jīng)歷了一個(gè)后端篩選過程之后，后端被標(biāo)記為“無車區(qū)域”。只有確認(rèn)前端無隱藏車之后才可以為該車分配MA，只有確認(rèn)了后端無隱藏車之后才可以為該車后方的車分配移動(dòng)閉塞的MA。

如果錯(cuò)誤地標(biāo)記了無車區(qū)域，比如錯(cuò)誤地標(biāo)記了前端無隱藏車，則為車1分配MA后，車1依據(jù)MA提速運(yùn)行，會(huì)與實(shí)際存在于車頭前方的車發(fā)生碰撞；比如錯(cuò)誤地標(biāo)記了后端無隱藏車，則為車1后方的車分配以車1確認(rèn)后端為終點(diǎn)的MA，可能會(huì)造成后車與車1后方實(shí)際存在的車發(fā)生碰撞。

3.4 為全部軌道實(shí)時(shí)標(biāo)記列車追蹤區(qū)域

圖4 列車追蹤區(qū)域標(biāo)記

列車位置追蹤功能就是實(shí)時(shí)地為全部軌道標(biāo)記以下3種區(qū)域：“未知區(qū)域”“報(bào)告車區(qū)域”“無車區(qū)域”，如圖5（a）所示。其中，“未知區(qū)域”是安全側(cè)，“無車區(qū)域”是危險(xiǎn)側(cè)，只有當(dāng)確認(rèn)無風(fēng)險(xiǎn)才可標(biāo)記為“無車區(qū)域”。

3.5 列車位置丟失后標(biāo)記相關(guān)區(qū)域?yàn)椤拔粗獏^(qū)域”

如圖5（b）所示，車1位置丟失，區(qū)段B范圍被標(biāo)記為“未知區(qū)域”，車2的MA縮回到區(qū)段B的入口處。車1離開區(qū)段B，區(qū)段B空閑后，車2的MA可繼續(xù)延伸。

3.6 在“無車范圍”內(nèi)的區(qū)段從空閑變?yōu)檎加?/h3>

如圖5（c）所示，區(qū)段B在車1的MA范圍內(nèi)，從空閑變?yōu)檎加?，這時(shí)不能立即將其按“未知區(qū)域”處理，因?yàn)閰^(qū)段B所在區(qū)域?yàn)椤盁o車”，區(qū)段B占用可能為車1進(jìn)入或區(qū)段B故障占用（實(shí)際無車進(jìn)入），這種情況下先確認(rèn)是否為車1進(jìn)入，比如通過一定時(shí)間的等待，若在等待時(shí)間內(nèi)收到車1的位置報(bào)告進(jìn)入?yún)^(qū)段B，則確認(rèn)為車1進(jìn)入?yún)^(qū)段，否則確認(rèn)為隱藏車。

上述列舉了部分基于區(qū)間軌道電路區(qū)段實(shí)現(xiàn)列車追蹤的典型場(chǎng)景，移動(dòng)閉塞功能基于列車位置追蹤實(shí)現(xiàn)，保證安全性兼顧可用性是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，處理好這對(duì)矛盾是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖5 基于區(qū)間軌道電路的列車追蹤區(qū)域標(biāo)記

4 結(jié)束語

文章依托大秦鐵路，研究重載鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)架構(gòu)。詳細(xì)介紹了移動(dòng)閉塞系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)，以及基于列車位置追蹤的移動(dòng)閉塞安全功能。針對(duì)既有重載鐵路信號(hào)系統(tǒng)的情況和特點(diǎn)，下一步將研究如何在保留既有主要軌旁設(shè)備基礎(chǔ)上建設(shè)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。在重載鐵路既有線引入移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，可以提升大秦鐵路乃至我國(guó)重載鐵路貨物運(yùn)輸能力。