丁 一

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

中國高速鐵路采用的列車運行控制系統(tǒng)簡稱CTCS，根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程(高速鐵路部分)》要求：250 km/h鐵路宜采用CTCS-3級列控系統(tǒng)，250 km/h以下鐵路采用CTCS-2級列控系統(tǒng)，300 km/h及以上鐵路采用CTCS-3級列控系統(tǒng)[1-3]。CTCS-3級列控系統(tǒng)能夠兼容CTCS-2列控系統(tǒng)，C3車載設備將C2級控車作為車載系統(tǒng)的后備。

隨著高鐵的建設發(fā)展，高鐵運營線路不斷增加，不同的線路可能采用不同的CTCS等級，新建高鐵線路接入高鐵線路網(wǎng)時情況復雜多變。為保證C3列車在不同等級線路上實現(xiàn)不停車等級自動轉換，以及C3車載設備因故降級為C2模式時重新恢復C3模式控車，設計CTCS-2級與CTCS-3級等級轉換是十分必要的[4-7]。

1 CTCS-3級列控系統(tǒng)等級轉換的基本原理及主要流程

1.1 CTCS-3級系統(tǒng)等級轉換原理

CTCS-3級系統(tǒng)等級轉換由地面設備和車載設備相互配合，最終在車載設備上完成級間轉換。地面設備包括RBC子系統(tǒng)和應答器。車載設備包含C3主控單元及C2主控單元，級間轉換由C3主控單元控制。CTCS-3級列控系統(tǒng)等級轉換原理如圖1所示[8]。

圖1 CTCS等級轉換原理

列車經(jīng)過配置了等級轉換數(shù)據(jù)的地面應答器后，車載ATP呼叫RBC并進行位置報告。RBC根據(jù)列車位置啟動等級轉換流程，向車載發(fā)送等級轉換命令。車載設備運行到轉換點后執(zhí)行相關指令，實現(xiàn)列控等級轉換[9]。

1.2 CTCS-2向CTCS-3轉換過程

(1)當列車越過RBC連接應答器組RL，車載設備接收到通信管理信息包ETCS-42，開始與RBC進行連接，與RBC建立傳輸通道。

(2)當列車越過等級轉換預告應答器組YG2-3，車載設備根據(jù)應答器數(shù)據(jù)，校正列車位置并報告RBC，RBC根據(jù)位置報告向車載設備發(fā)送前方等級轉換點的位置及轉換命令。

(3)C3車載設備根據(jù)接收到RBC的信息，在后臺計算并生成CTCS-3等級下的控車曲線。

(4)當列車接近等級轉換執(zhí)行應答器組ZX2-3時，車載計算機通過DMI提示司機，對等級轉換信息進行確認。

(5)列車越過等級轉換執(zhí)行應答器，C3主控單元轉換至前臺接管列車控制，列車轉換為CTCS-3模式。

1.3 CTCS-3向CTCS-2轉換過程

(1)當列車越過等級轉換預告應答器YG3-2，或列車行車許可終點越過等級轉換執(zhí)行應答器，RBC將向車載設備發(fā)送前方等級轉換點的位置及轉換命令。

(2)收到等級轉換命令信息后，車載C2控制單元在后臺激活，計算CTCS-2等級下的控車曲線，并將計算結果通過系統(tǒng)總線傳輸至C3控制單元，C3單元結合CTCS-2系統(tǒng)的允許速度等因素，重新計算控車曲線，以保證等級轉換時的車速符合CTCS-2線路要求。

(3)在接近轉換點時，車載系統(tǒng)通過DMI提示司機對等級轉換信息進行確認。

(4)列車前端越過等級轉換執(zhí)行應答器組ZX3-2，C2控制單元轉換至前臺接管列車控制，C3控制單元將釋放控制權，轉換至后臺對車載系統(tǒng)運行狀況進行監(jiān)控。

(5)等級轉換完成后，C3控制單元向RBC報送列車位置后，將關閉與RBC的通信通道，終止無線連接。

1.4 CTCS-3級系統(tǒng)等級轉換信息包的配置

(1)由CTCS-2向CTCS-3等級轉換，執(zhí)行應答器不配置等級轉換信息包(ETCS-41)，而將ETCS-41信息包配置在RBC中，當不具備轉換條件時，車載將維持CTCS-2等級不變。如果將ETCS-41信息包配置在地面應答器中，列車經(jīng)過轉換點時強行轉為C3模式，此時如C3車載不具備轉換條件將導致列車產(chǎn)生緊急制動。

(2)從CTCS-3級向CTCS-2級等級轉換，在地面應答器組內(nèi)配置等級轉換信息包(ETCS-41)，當列車經(jīng)過執(zhí)行應答器時車載無條件轉換至CTCS-2等級。

(3)從CTCS-3級向CTCS-2級等級轉換，設置等級轉換預告應答器時，RBC可不配置等級轉換信息包。等級轉換的預告和執(zhí)行由地面應答器組配置ETCS-41信息包來實現(xiàn)。

2 從CTCS-2級向CTCS-3級轉換在工程設計中的應用分析

2.1 工程設計中CTCS-2級向CTCS-3級轉換設置

如圖2所示，CTCS-3級線路分別與相鄰3條CTCS-2線路和1條CTCS-3級線路接軌。以下行方向為例。

圖2 由CTCS-2級向CTCS-3級的轉換點布置示意

在CTCS-3線路的車站正反向離去口的區(qū)間閉塞分區(qū)，設置CTCS-2轉CTCS-3等級轉換點。

CTCS-2線路進入CTCS-3線路時，綜合考慮聯(lián)絡線的線路允許速度.聯(lián)絡線閉塞分區(qū)個數(shù)等條件，設置CTCS-2級向CTCS-3級轉換點。

CTCS-2級車站與CTCS-3級車站的區(qū)間線路設計速度為300 km/h及以上時，應設計CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換點，滿足線路的運營速度要求。

當聯(lián)絡線不具備轉換條件時，結合運輸需求也可考慮取消等級轉換點，簡化設計方案。以車站2銜接的CTCS-2線路為例，列車在C2線路以C2模式運行至車站2(已經(jīng)進入CTCS-3線路)，繼續(xù)按C2模式發(fā)車，列車進入?yún)^(qū)間后，經(jīng)過等級轉換點，列車轉為C3模式。

根據(jù)TB3484-2017《列控系統(tǒng)應答器應用原則》的要求，CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換，RBC連接應答器RL發(fā)送呼叫RBC的ETCS-42信息包，RL應答器與執(zhí)行應答器ZX的距離應滿足L>Vmax×40 s，預告應答器YG.執(zhí)行應答器ZX的距離應滿足L>Vmax×20 s，其中，Vmax為線路最高允許速度[10]。

當條件限制，無法單獨設置應答器時，可將等級轉換相關信息寫入定位.進站或區(qū)間應答器組，對應答器進行合并。

圖2中，所有車站按能夠滿足條件在車站離去區(qū)段設置了等級轉換點。然而，一般情況下并非所有車站的離去區(qū)段都具備設置等級轉換點的條件，CTCS-2轉CTCS-3等級轉換包括以下限制條件。

2.2 從CTCS-2向CTCS-3級轉換設置的限制條件

(1)限制條件1

根據(jù)TB3484-2017《列控系統(tǒng)應答器應用原則》的要求，CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換需設置RL.YG2-3.ZX2-3應答器，應答器組間距離除滿足按線路允許速度運行20s的距離要求外，應答器組應在不同的閉塞分區(qū)內(nèi)。因此，車站相鄰區(qū)間一般至少大于3個閉塞分區(qū)，才能滿足設置應答器的要求。

(2)限制條件2

如果從CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換點的區(qū)間同時還包含RBC轉換應答器，等級轉換應答器組和RBC轉換點應答器組間距應大于等級轉換執(zhí)行應答器組所在區(qū)段線路最高碼序至HU碼的距離。

如圖3所示，RBC交權轉換時，如CTCS-2至CTCS-3轉換點不能滿足要求時，可能出現(xiàn)CTCS-2級控車速度大于CTCS-3級的情況，出現(xiàn)等級轉換失敗，引起列車緊急制動[11]。

圖3 從CTCS-2向CTCS-3級的轉換點與RBC交權邊界在同一區(qū)間示意

因此，在RBC交權的區(qū)間，線路最高碼序為L5碼，滿足CTCS-2→CTCS-3轉換要求，區(qū)間閉塞一般不少與12個閉塞分區(qū)。

(3)限制條件3

在區(qū)間有分相區(qū)的情況下，C2模式下控車，分相區(qū)信息由應答器發(fā)送，C3模式下控車分相區(qū)信息由RBC發(fā)送，為防止錯誤過分相及列車電源斷路器不能閉合，在分相區(qū)車載輸出斷分相開關及閉合的范圍內(nèi)禁止設置等級轉換點，這種情況下可將轉換點向后移動一個閉塞分區(qū)。

3 從CTCS-3級向CTCS-2級轉換在工程設計中的應用分析

3.1 工程設計中從CTCS-3向CTCS-2級轉換的設置

圖4所示為CTCS-3至CTCS-2的轉換點布置示意圖。全線在CTCS-3向CTCS-2運行方向設置了3處等級轉換點，CTCS-3級線路上C3模式的列車，進入CTCS-2區(qū)段，可不停車自動轉換為C2模式控車。

圖4 CTCS-3至CTCS-2的轉換點布置示意

從CTCS-3級向CTCS-2級等級轉換包括預告應答器組YG和等級轉換執(zhí)行應答器組ZX。預告應答器與執(zhí)行應答器，間距應滿足L=Lc+Vmax×5 s，其中，Lc為列車按照常用制動，由C3允許速度制動到C2允許速度走行的距離，Vmax×5 s為列車按照線路的最高允許速度運行5 s的距離。

3.2 大號碼道岔對CTCS-2/3等級轉換的影響

(1)經(jīng)過道岔側向CTCS-3級與CTCS-2級控車曲線差異如圖5所示。C3模式控車時，前方有側向通過進路時，RBC根據(jù)前方的線路條件及臨時限速計算MA，一次計算出控車曲線。按道岔過岔速度通過道岔。

圖5 經(jīng)過道岔側向CTCS-3與CTCS-2控車曲線示意

當C2模式前方有側向通過進路時，根據(jù)L5碼，生成在進站信號機前方停車的控車曲線，進入U2及U2S閃時，重新計算出控車曲線。當離去區(qū)段有臨時限速時，C2系統(tǒng)的列控中心在一定條件下發(fā)送全進路限速報文(在C2控車模式下)，C3模式控車的速度可能大于C2模式控車的速度。在經(jīng)過道岔側線的線路上設置等級轉換，要考慮C3控車模式與C2控車模式的速度差[12-13]。

(2)經(jīng)過道岔側向后CTCS-3→CTCS-2轉換點對CTCS-3車載控車的影響

如圖6所示，由于CTCS-3級與CTCS-2級控車曲線的差異，當在側向岔后設置等級轉換點時，如果將等級轉換信息配置在RBC中，車載接近轉換點時，較早啟動CTCS-2級控制單元，CTCS-3級控車曲線進行與CTCS-2級控車曲線進行比較計算，將CTCS-3級控車速度降低到CTCS-2級控車速度以下。生成新的控車曲線降低了過岔速度及行車效率。

圖6 CTCS-3級向CTCS-2級轉換點對CTCS-3控車影響

為避免以上情況發(fā)生，將等級轉換信息配置在地面應答器中，從而保證列車按CTCS-3控車通過道岔，通過道岔后，根據(jù)地面應答器的配置進行CTCS-3→CTCS-2轉換。

當CTCS-3線路經(jīng)過大號碼道岔后接CTCS-2線路(圖4中線路所的情況)，CTCS-3至CTCS-2轉換點應答器布置應盡量遠離大號碼道岔，避免CTCS-2及CTCS-3控車速度在轉換點不同，引起列車制動。當大號碼岔后區(qū)間過短時，應根據(jù)工程情況進一步綜合分析，保證等級轉換點不會導致列車制動[14-15]。

3.3 CTCS-3/2級間在車站的并列車場間轉換

CTCS-3/2級間轉換需通過地面設置級間轉換預告應答器組和執(zhí)行應答器組的方式實現(xiàn)，在RBC數(shù)據(jù)中宜不配置等級轉換信息[16]。預告應答器與執(zhí)行應答器的設置原則按如下兩種情況考慮。

當CTCS-3級和CTCS-2級列車運行速度不一致時，預告應答器距執(zhí)行應答器距離應大于列車由CTCS-3允許速度制動至執(zhí)行點CTCS-2允許速度的制動距離，再加上該區(qū)段線路允許速度運行5S的距離。

如圖7所示，當有跨場間列車進路時，可在進站和出站應答器設置預告轉換信息。

圖7 車站并列車場間CTCS-3至CTCS-2的轉換點布置示意

當進路最小道岔為12號道岔時，CTCS-3級和CTCS-2級在預告點列車運行速度一致(為45 km/h)。預告應答器至執(zhí)行應答器的距離大于列車45 km/h運行5 s的距離。

當進路最小道岔大于12號道岔時，在最不利有45 km/h臨時限速時，CTCS-3級和CTCS-2級在預告點列車運行速度不一致。CTCS-3級在預告點列車運行速度為過岔速度，CTCS-2級在預告點列車運行速度為45 km/h。因此，預告應答器距執(zhí)行應答器的距離大于列車以CTCS-3級允許速度(過岔速度)降至CTCS-2級允許速度(45 km/h)的距離，再加列車以45 km/h運行5 s的距離[17-19]。

制動距離和車速.車型以及裝備的列控系統(tǒng)均有關系，根據(jù)列控設備廠家理論計算及實驗室仿真測試結果，裝備CTCS-3-300T的CRH380BK車型為最不利(制動距離最長)車型。CRH380BK車型由允許速度制動停車，走行距離如表1所示。

表1 CRH380BK制動距離

如樞紐內(nèi)聯(lián)絡線長度不滿足制動距離要求，則需將等級轉換點設置在出站口區(qū)間，或采用手動轉換方案進行設計[20]。

4 結語

列控系統(tǒng)等級轉換點設置是工程設計及系統(tǒng)集成的重點和難點，通過結合列控地面系統(tǒng)及車載系統(tǒng)的轉換原理和過程，對CTCS-3等級轉換點的設置原則進行全面的分析總結，涵蓋了正線區(qū)間.大號碼道岔.并列車場車站等工程應用場景。明確了列控等級轉換點設置的限制條件，量化了等級轉換預告應答器和執(zhí)行應答器的設置間距，總結了在工程設計及系統(tǒng)集成應注意的問題，為高速鐵路列控系統(tǒng)工程設計及系統(tǒng)集成中對標準的把握提供借鑒及參考。