徐 昱，劉長波

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

CTCS-3（簡稱C3）級列車運行控制系統(tǒng)是國內時速300～350 km高速鐵路的重要技術裝備，是國內鐵路技術體系和裝備現(xiàn)代化的重要組成部分，是保證高速列車運行安全、可靠、高效的核心技術之一[1]。C3級列控系統(tǒng)的基本工作原理如下：車站列控中心（TCC）將區(qū)間軌道區(qū)段狀態(tài)信息轉發(fā)給車站聯(lián)鎖（CBI），車站CBI將軌道區(qū)段狀態(tài)信息和車站進路信息發(fā)送給RBC；RBC通過GSM-R無線通信網絡接受車載設備發(fā)送的位置和列車數(shù)據等信息，從臨時限速服務器（TSRS）獲取臨時限速信息，并根據軌道區(qū)段狀態(tài)、聯(lián)鎖進路等信息生成行車許可（MA），通過GSM-R無線通信網絡將MA、線路參數(shù)、臨時限速傳輸給C3級車載設備。C3級車載ATP設備根據接收到的行車許可，結合列車運行速度、動車組車輛制動特性以及列車運行前方線路情況（含臨時限速信息）等，按照安全制動模型，計算出目標-距離速度控制模式曲線，監(jiān)控列車安全運行。

為進一步優(yōu)化完善C3級列控系統(tǒng)，原鐵路總公司修訂發(fā)布了《CTCS-3級ATP行車許可結合軌道電路信息暫行技術條件》（鐵總工電〔2018〕18號，以下簡稱18號文），C3級列控系統(tǒng)行車許可結合軌道電路信息是C3級車載ATP設備將其接收到的由RBC提供的MA信息與軌道電路設備提供的低頻碼信息進行安全比較，有效實現(xiàn)了C3系統(tǒng)與C2系統(tǒng)的信息融合，進一步完善了C3系統(tǒng)的功能，更好地提高了C3系統(tǒng)的安全性[2]。

2 防護場景

根據18號文規(guī)定，C3級車載ATP設備在完全監(jiān)控模式（FS）下，結合軌道電路低頻碼L3、L2、L、LU、U、HU、HU碼變無碼（包括25.7 Hz及27.9 Hz），并根據列車當前位置確定軌道電路信息許可終點或輸出制動。

軌道電路低頻碼為L3、L2、L、LU時，若C3級的行車許可終點位置（EoA）大于軌道電路信息許可終點（即LC3＞LC2）并持續(xù)5s，則C3級車載ATP設備將行車許可終點位置（EoA）縮短至軌道電路信息許可終點處。

軌道電路信息許可長度LC2=N（軌道電路信息所定義的空閑閉塞分區(qū)數(shù)量+列車所在區(qū)段+控制余量）×閉塞分區(qū)平均長度L均。其中，列車所在區(qū)段為1，控制余量為2，根據以上公式計算軌道電路信息許可長度。

閉塞分區(qū)平均長度L均根據當前C3級行車許可范圍內的平均坡度取值如公式（1）所示。

C3級行車許可范圍內的平均坡度G′計算方式如公式（2）[3]所示。

其中：G′為計算得出的平均坡度；Gn為C3級行車許可范圍內每段坡度的坡度值，若坡度大于0‰則取值為0；Ln為C3級行車許可范圍內每段坡度的長度值。

3 應用場景

在進行某線實驗室測試時，設置5784G 區(qū)段占用，如圖1 所示。列車由6016G運行至5998G時，會觸發(fā)列車最大常用制動。

經分析，設置5748G區(qū)段占用，列車由L4碼(6016G)運行至L3碼(5998G)時，C3級行車許可長度LC3為25 025 m。該范圍內各坡度段為110 m 3‰上坡道、14 353 m 30‰下坡道、1 400 m 14‰下坡道、3 950 m 7‰下坡道、1 830 m 0‰平坡道、1 070 m 5‰上坡道、2 312 m 19‰上坡道，如圖 1所示。

根據公式（2）平均坡度計算公式，計算得出平均坡度G′為19‰下坡道。

根據閉塞分區(qū)平均長度計算公式（1），計算得出閉塞分區(qū)平均長度L均為2 400 m。

根據軌道電路信息許可長度計算，此時L3碼軌道電路信息許可長度LC2為19 200 m，C3級行車許可長度LC3大于軌道電路信息許可長度LC2并持續(xù)5 s，C3級列控車載設備將行車許可終點位置（EoA）由 25 025 m 處縮短至 19 200 m 處，縮短了5 825 m，因此導致車載設備輸出最大常用制動。

4 優(yōu)化措施

C3級列控系統(tǒng)車載設備和無線閉塞中心設備間通過無線消息進行相互通信，RBC向車載設備發(fā)送MA信息，使列車在線路上安全運行，在現(xiàn)有無線通信消息數(shù)據構成基礎上，可對無線通信行車許可信息包進行調整，同時對軌道電路低頻碼為L3至LU、UU、UUS、U2、U2S處理邏輯進行優(yōu)化。

4.1 無線通信消息包調整

1）MA的結構

MA的結構如圖2所示，到MA終點（EoA）的距離可由若干區(qū)段組成[4]。

對于構成MA的每個區(qū)段應包含下列信息：

a. 區(qū)段長度；

b. 區(qū)段有效時間和區(qū)段起點至區(qū)段有效時間停止計時位置的距離（可選）。

MA的末區(qū)段包括但不限于以下信息：

a. 末區(qū)段保持時間和末區(qū)段的保持時間計時開始位置至末區(qū)段終點的距離（可選）；

b. 危險點信息（末區(qū)段終點至危險點的距離、與危險點相關的RS）（RS開口速度可選）；

c. 保護區(qū)段信息（末區(qū)段終點至保護區(qū)段終點的距離、保持時間、保護區(qū)段的保持時間開始計時位置至保護區(qū)段終點的距離、與保護區(qū)段相關的RS）（RS 可選）。

2）MA區(qū)段含義

RBC通過無線發(fā)送的MA信息中，第一個區(qū)段的長度以同一消息中的LRBG的位置參照點作為參考。MA中的每個區(qū)段長度應能到達線路上的任何位置，區(qū)段可以包含若干個閉塞分區(qū)，如圖2所示。

《Dimensioning and Engineering rules》（SUBSET-040）對MA區(qū)段的數(shù)量進行了規(guī)定，且在V2.0.0版中指出MA 信息包中“區(qū)段”為具有不同超時計時器的“軌道段”[5]。 因此，若連續(xù)的“信號閉塞分區(qū)”沒有特定的超時計時器（如區(qū)間閉塞分區(qū)），它們就可以合并到一個“MA區(qū)段”中。同時規(guī)定一個信息包中MA區(qū)段的最大迭代為6，但V3.4.0版中規(guī)定一個信息包中MA區(qū)段的最大迭代為5[6]。以上迭代次數(shù)均不包含末區(qū)段。

3) C3列控系統(tǒng)中MA描述形式及優(yōu)化調整

目前C3列控系統(tǒng)中信息包15的描述形式采用SUBSET-040的建議，如圖3所示，辦理X至3G接車，接車長度1 911 m，RBC基于應答器組1發(fā)送的信息包15實例如表1所示。MA長度為8 306 m（205 m+1 982 m+1 998 m+2 210 m+1 911 m）。

表1 側線接車MA調整前行車許可信息包Tab.1 MA message package before adjustment for receiving the train on the siding

C3列控系統(tǒng)可在SUBSET-040建議的基礎上進行優(yōu)化調整，每個閉塞分區(qū)雖然沒有超時計時器，但也可采用分段描述，即將目前信息包15描述形式采用表2的方式。仍以X-3G接車為例，如圖3所示，RBC基于應答器組1發(fā)送的信息包15中MA區(qū)段分4段描述，第一段從應答器組1至信號標志牌3，第二段從信號標志牌3至標志牌5，第三段從信號標志牌5至X進站信號機，末區(qū)段從X進站信號機至X3出站信號機。

表2 側線接車MA調整后行車許可信息包Tab.2 MA message package after adjustment for receiving the train on the siding

調整后的描述方式相對于現(xiàn)有方式，每增加一個閉塞分區(qū)，P15包的長度增加 2 Byte（16 bit）。工程實踐中，線路最高速度為310 km/h，MA長度通常為20～22 km，折合閉塞分區(qū)個數(shù)約10～11個；線路最高速度為350 km/h，MA長度通常為28 km，折合閉塞分區(qū)個數(shù)約16～17個。按閉塞分區(qū)合并描述，在310 km/h線路P15包長度增加約 20 Byte，350 km/h 線路P15 包長度增加約32 Byte。

每個RBC消息的最大長度，作為普通優(yōu)先級數(shù)據發(fā)送的應用數(shù)據（不包括Euroradio協(xié)議數(shù)據）不能大于500 Byte，按閉塞分區(qū)描述不會超過此要求。當C3車載設備收到上述形式的信息包后，將所有的L_SECTION長度和L_ENDSECTION長度相加之和作為MA長度，按此距離控制列車運行。

4.2 軌道電路低頻碼L3、L2、L、LU處理邏輯

當列車收到L3碼至LU碼后，車載設備根據軌道電路低頻碼確認前方閉塞分區(qū)數(shù)量（5～2個閉塞分區(qū)）[7]，然后從RBC發(fā)送的P15信息包中計算前方相應的L_SECTION數(shù)量和余量，計算軌道電路行車許可長度后再與C3級行車許可長度比較。

正線運行時，L3、L2、L、LU表示的閉塞分區(qū)空閑數(shù)量，其C2行車許可終點與C3行車許可終點完全一致。

側線接車時，L3、L2、L、LU表示的閉塞分區(qū)空閑數(shù)量，其C2行車許可終點為進站信號機，而C3行車許可終點為出站信號機，C3行車許可比C2行車許可多一個閉塞分區(qū)，如圖4所示。

因此，為保證側線運行時列車運行速度不會提前降速，在L3、L2、L、LU碼時仍按照18號文規(guī)定增加閉塞分區(qū)控制余量數(shù)量，閉塞分區(qū)的長度按照列控車載設備接收RBC發(fā)送的P15信息包中L_SECTION數(shù)量和余量進行計算。

4.3 軌道電路低頻碼UU、UUS、U2、U2S處理邏輯

UU、UUS、U2、U2S碼均為側線接車，以下按照側線停車和側線通過分別說明碼序結合情況。

1）當側線停車時，C2行車許可終點為出站信號機，與RBC發(fā)送的C3行車許可終點一致。

2）當側線通過進路為80 km/h時，RBC發(fā)送的C3行車許可終點會越過出站信號機，但C2模式下UU和UUS閉塞分區(qū)的出口速度已被限制，C3列車運行速度會略受影響，該場景下需要增加一個閉塞分區(qū)控制余量。

3）當側線通過進路為大號碼道岔時，RBC發(fā)送的C3行車許可終點會越過出站信號機，C3行車許可截取到出站信號機時列車運行速度將受影響，不能以大號碼道岔速度運行。為避免該情況發(fā)生，需要對大號碼接車時的C2行車許可結合功能進行優(yōu)化。

a. 《列控中心技術條件》（Q/CR 817-2021）6.11.8條規(guī)定：對于具備大號碼道岔的側向進路，當側向接車信號開放USU，接近區(qū)段發(fā)送UUS碼，進路行車許可長度超過制動距離檢查范圍時，才準許TCC發(fā)送大號碼道岔數(shù)據包[8]。

b. 大號碼道岔側向允許速度制動到0 km/h的距離，按照大號碼道岔側向160 km/h及CRH380BK車型制動距離計算，平坡時常用制動距離約2 km，30‰下坡時常用制動距離約4.4 km，通常兩個閉塞分區(qū)長度已經覆蓋。

c. 考慮復雜場景及極端情況，側線通過進路接車為大號碼道岔，列控車載設備C2單元接收到應答器報文[CTCS-4]包時，在UUS、U2S碼下對C2行車許可閉塞分區(qū)終點出站信號機再增加兩個閉塞分區(qū)控制余量，如圖5所示。

結合上述分析，軌道電路低頻碼為UU、UUS、U2、U2S時軌道電路信息許可長度如表3所示。

表3 側線軌道電路信息許可計算明細Tab.3 MA calculation of siding track circuit codes

4.4 場景舉例

1）區(qū)間正常追蹤運行

如圖6所示，當后車運行至L3區(qū)段時，以當前位置向前計算8個閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包里計算相應的SECTION長度作為軌道電路許可長度，因實際EoA位置超過了P15包中SECTION+ENDSECTION數(shù)量，所以C3行車許可結合軌道電路信息比較后取P15包中MA長度，即C2和C3長度一致。

2）側線接車（U2S、UUS、U2、UU）

如圖7所示，當后車運行至U2S/UUS、U2/UU區(qū)段，以當前位置向前計算4～3個閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包里計算相應的SECTION長度作為軌道電路許可長度，因實際EoA位置超過了P15包中SECTION+ENDSECTION數(shù)量，所以C3行車許可結合軌道電路信息比較后取P15包中MA長度，即C2和C3長度一致。

3）側向通過（U2S、UUS）

如圖8所示，當后車運行至U2S/UUS、U2/UU區(qū)段，以當前位置向前計算4～3個閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包里計算相應的SECTION長度作為軌道電路許可長度，如P15包中SECTION+ ENDSECTION數(shù)量大于該長度，則選取P15包中4～3個L_SECTION長度之和，截取C3的MA長度。

當后車運行至U2S/UUS區(qū)段且收到大號碼道岔信息包，則再延長1個閉塞長度，即以當前位置向前計算5～4個閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包中計算相應的SECTION長度作為軌道電路許可長度，如P15包中SECTION+ENDSECTION數(shù)量大于該長度，則選取P15包里5～4個L_SECTION長度之和，截取C3的MA長度。若該場景下未收到大號碼道岔信息包時，將還按照80 km/h側向過岔。

4）錯誤防護

若RBC發(fā)送的MA存在錯誤，按照上述優(yōu)化對行車許可進行比較，以場景1區(qū)間正常追蹤運行為例。當后車運行至L3區(qū)段時，從RBC發(fā)送的P15包里選取8個SECTION，因P15包中SECTION加ENDSECTION數(shù)量大于8個，所以經行車許可比較后選取P15包中8個L_SECTION長度之和作為C3行車許可的長度，隨著列車運行低頻碼變化，經軌道電路信息比較后C3行車許可逐漸截短直至HU碼末端，如圖9所示。

5 結論

C3級ATP行車許可結合軌道電路信息是利用國內鐵路既有技術優(yōu)勢、持續(xù)提升高鐵安全性的重要技術措施。自2016年全面實施以來，運用效果良好，有效地實現(xiàn)了C3系統(tǒng)與C2系統(tǒng)的資源整合，進一步完善和提高了列控系統(tǒng)的安全性。本文針對在實際工程測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，結合運營場景進行分析，分別從地車-通信無線消息包結構、軌道電路低頻碼L3、L2、L、LU以及 UU、U2、UUS、U2S處理邏輯的優(yōu)化方面提出建議，細化適應場景并進行舉例說明，進一步提高C3級ATP行車許可結合軌道電路信息的適應性。