盧佩玲,郝 韜,徐 強(qiáng)

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081)

引言

隨著我國高鐵網(wǎng)絡(luò)的完善，CTCS3級[1](以下簡稱“C3”)線路與CTCS2級[2](以下簡稱“C2”)線路的結(jié)合處逐年增多，等級轉(zhuǎn)換[3]場景也越來越復(fù)雜[4-6]，尤其是經(jīng)車站或線路所側(cè)線進(jìn)行C3向C2等級轉(zhuǎn)換時(shí)[7]，由于不同車載設(shè)備的處理邏輯存在差異，在相同的場景下可能會導(dǎo)致不同的控車結(jié)果，因此，有必要對在不利線路條件下C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的設(shè)置方式進(jìn)行深入的研究，以保證列車在經(jīng)過等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行。本文將結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際案例，對存在聯(lián)絡(luò)線長度過短、經(jīng)大號碼道岔側(cè)向運(yùn)行等不利條件時(shí)C3-C2等級轉(zhuǎn)換設(shè)置的設(shè)計(jì)方案及注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

1 C3-C2等級轉(zhuǎn)換分析

1.1 C3-C2等級轉(zhuǎn)換原理

為實(shí)現(xiàn)列車從C3區(qū)域駛?cè)隒2區(qū)域時(shí)的不停車自動轉(zhuǎn)換，需要在線路上設(shè)置C3/C2等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器組，其中包括等級轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組(YG3-2)、等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器組(ZX3-2)，等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器設(shè)置情況如圖1所示。

圖1 C3-C2等級轉(zhuǎn)換應(yīng)答器設(shè)置

列車以C3等級運(yùn)行經(jīng)過等級轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組，接收到應(yīng)答器或RBC發(fā)送的C3-C2等級轉(zhuǎn)換信息后，開始結(jié)合C2信息重新計(jì)算控車曲線，以保證列車運(yùn)行通過C3-C2等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)時(shí)，列車運(yùn)行速度不高于C2最高允許速度。

車載接收到C3-C2等級轉(zhuǎn)換信息后，C3控制單元開始從后臺C2控制單元獲取等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置、允許速度等控車信息。車載C3控制單元結(jié)合當(dāng)前從RBC收到的C3控車信息及從C2控制單元獲取的C2控車信息，基于等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的C2目標(biāo)速度等信息重新計(jì)算控車曲線，以保證列車在等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)的列車速度滿足進(jìn)行等級轉(zhuǎn)換的要求[8]。列車通過等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)且運(yùn)行速度滿足C2等級要求后，列車自動轉(zhuǎn)為C2等級運(yùn)行[9]，RBC判斷C3-C2等級轉(zhuǎn)換完成后，斷開與列車的通信會話，釋放無線通道[10]。

1.2 等級轉(zhuǎn)換過程中車載計(jì)算控車曲線的差異

不同型號的ATP車載系統(tǒng)在等級轉(zhuǎn)換過程中計(jì)算控車曲線時(shí)采用不同的控車處理邏輯，主要包括“目標(biāo)速度控制”方式和“實(shí)時(shí)速度控制”方式。

(1)“目標(biāo)速度控制”方式

收到C3-C2等級轉(zhuǎn)換信息后，車載C3控制單元從C2控制單元獲取C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的C2目標(biāo)速度，并以該速度作為C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的目標(biāo)速度計(jì)算控車曲線[11]。

(2)“實(shí)時(shí)速度控制”方式

收到C3-C2等級轉(zhuǎn)換信息后，車載C3控制單元從C2控制單元實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前的C2控車信息，當(dāng)兩者頂棚速度不同時(shí)，以其中速度較低的一方作為控車曲線計(jì)算依據(jù)。

1.3 C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置

為保證列車平穩(wěn)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量保證列車在等級轉(zhuǎn)換過程中C3及C2控車曲線的一致性，防止列車在越過YG3-2點(diǎn)后，因C2控車信息的計(jì)算，導(dǎo)致列車實(shí)際的控車曲線產(chǎn)生突降，進(jìn)而引起列車制動[12-13]。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置時(shí)應(yīng)充分考慮C2、C3系統(tǒng)的差異性，尤其是C2系統(tǒng)與C3系統(tǒng)在臨時(shí)限速處理邏輯、大號碼道岔處理邏輯、線路及限速數(shù)據(jù)覆蓋范圍等關(guān)鍵點(diǎn)上的差異對C2、C3控車曲線的影響[14]。

2 C2、C3系統(tǒng)差異分析

2.1 線路數(shù)據(jù)及行車許可描述差異

C2級列控系統(tǒng)通過軌道電路及應(yīng)答器向車載設(shè)備發(fā)送行車許可、線路數(shù)據(jù)及限速信息[15]。在列車正線運(yùn)行的情況下，行車許可信息可覆蓋前方7個(gè)閉塞分區(qū)(L5碼)，按每個(gè)閉塞分區(qū)2 km計(jì)算，最遠(yuǎn)可以向車載發(fā)送前方14 km范圍內(nèi)的行車許可信息。

C3級列控系統(tǒng)基于GSM-R無線通信，由RBC向車載設(shè)備發(fā)送行車許可、線路信息及限速信息[16]，最遠(yuǎn)可以向車載發(fā)送前方32 km范圍內(nèi)的行車許可信息。

動車組列車在正線運(yùn)行的情況下，C2、C3系統(tǒng)給出的控車信息均可以保證列車以該等級的最大允許速度正常運(yùn)行，因此在設(shè)置C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，主要考慮對列車在C2、C3級下運(yùn)行的最高允許速度差進(jìn)行防護(hù)[17]。

在動車組列車經(jīng)有直股發(fā)車條件的側(cè)線進(jìn)路運(yùn)行的情況下，C3系統(tǒng)可以向車載設(shè)備提供行車許可范圍內(nèi)完整的線路數(shù)據(jù)及限速信息，C2系統(tǒng)受有源應(yīng)答器報(bào)文容量限制，臨時(shí)限速信息的有效范圍只描述到前方延續(xù)臨時(shí)限速的應(yīng)答器(一般為前方反向進(jìn)站應(yīng)答器)并延伸80 m，此時(shí)C2系統(tǒng)向車載設(shè)備提供的臨時(shí)限速信息有效范圍遠(yuǎn)小于C3系統(tǒng)(圖2)，只有列車通過前方延續(xù)臨時(shí)限速的應(yīng)答器后，C2車載設(shè)備才能對前方區(qū)間的臨時(shí)限速信息進(jìn)行更新。

圖2 側(cè)線進(jìn)路C2、C3系統(tǒng)臨時(shí)限速預(yù)告范圍示意

2.2 臨時(shí)限速處理差異

C3系統(tǒng)在處理臨時(shí)限速時(shí)，具備對正線上任意位置限速進(jìn)行精確預(yù)告的能力，在處理側(cè)線限速時(shí)，會對進(jìn)路上存在的限速合并描述為全進(jìn)路限速。

C2系統(tǒng)在處理臨時(shí)限速時(shí)，在辦理正線進(jìn)路的情況下，可以對于區(qū)間的臨時(shí)限速實(shí)現(xiàn)精確預(yù)告，在辦理側(cè)線進(jìn)路時(shí)，出站應(yīng)答器(含辦理有直股發(fā)車條件的接車進(jìn)路的進(jìn)站應(yīng)答器)受報(bào)文容量限制，對臨時(shí)限速的描述進(jìn)行了合并處理，在進(jìn)路的臨時(shí)限速檢查范圍內(nèi)(最遠(yuǎn)至線路最高速度制動到45 km/h的距離，以下簡稱“L2范圍”)存在限速時(shí)，C2系統(tǒng)會在出站應(yīng)答器報(bào)文中將臨時(shí)限速有效范圍縮短至出站口+80 m，并描述為全進(jìn)路限速[18]，直至列車通過出站口應(yīng)答器后，才能獲取前方精確的臨時(shí)限速信息。與C3系統(tǒng)相比，造成了臨時(shí)限速起點(diǎn)的提前及臨時(shí)限速信息描述范圍的縮短，如圖3所示。

圖3 L2范圍內(nèi)臨時(shí)限速C2、C3控車曲線差異

2.3 大號碼道岔處理差異

在辦理經(jīng)18號以上道岔側(cè)向的進(jìn)路時(shí)，C2系統(tǒng)需要通過大號碼道岔應(yīng)答器向車載設(shè)備發(fā)送大號碼道岔報(bào)文[19]，實(shí)現(xiàn)對大號碼道岔側(cè)向過岔速度的預(yù)告。在大號碼道岔檢查范圍內(nèi)存在列車占用或存在低于過岔速度的臨時(shí)限速，或在區(qū)間反向運(yùn)行等情況下，均會停止發(fā)送大號碼道岔報(bào)文，此時(shí)C2車載設(shè)備將控制列車按80 km/h的速度通過大號碼道岔。

C3系統(tǒng)下，RBC根據(jù)大號碼道岔的線路速度，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際限速情況控制列車運(yùn)行，提高了運(yùn)行效率，也導(dǎo)致了在C2系統(tǒng)因列車占用或臨時(shí)限速等情況停止發(fā)送大號碼道岔包時(shí)，C3系統(tǒng)與C2系統(tǒng)控制列車通過大號碼道岔的速度可能存在較大差異，如圖4所示，道岔1號為大號碼道岔，在該情況下C3系統(tǒng)和C2系統(tǒng)計(jì)算的速度曲線不同。

圖4 大號碼道岔檢查范圍內(nèi)臨時(shí)限速C2、C3控車曲線差異

3 C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置方案舉例分析

以某高速鐵路聯(lián)絡(luò)線為例，對C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的設(shè)置方案進(jìn)行舉例分析。

3.1 線路情況

線路情況如圖5所示，線路A為C3線路上行正線，線路B為聯(lián)絡(luò)線，RBC管轄范圍終點(diǎn)為車站A股道出站信號機(jī)，列車由正線向聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行C3-C2等級轉(zhuǎn)換，YG3-2設(shè)置在線路所BTS應(yīng)答器處，ZX3-2設(shè)置在聯(lián)絡(luò)線B4296應(yīng)答器處。

線路所2號道岔為42號道岔，側(cè)向允許過岔速度120 km/h，聯(lián)絡(luò)線全長1 191 m，最高線路速度120 km/h，且存在20‰的下坡道，設(shè)置1個(gè)閉塞分區(qū)。

圖5 線路情況示意(單位：m)

在區(qū)間無限速時(shí)，部分車載設(shè)備會在經(jīng)過YG3-2應(yīng)答器后輸出制動。根據(jù)本文2.1節(jié)的分析，由于線路所在辦理側(cè)線進(jìn)路時(shí)，BTS有源應(yīng)答器中描述的臨時(shí)限速有效范圍為前方有源應(yīng)答器(BTXLF)+80 m，未覆蓋到ZX3-2應(yīng)答器(B4296)，導(dǎo)致車載設(shè)備在越過YG3-2點(diǎn)后，無法獲取ZX3-2點(diǎn)的C2限速信息，此時(shí)，采用了“目標(biāo)速度控制”控車曲線計(jì)算邏輯的車載設(shè)備會按ZX3-2點(diǎn)處C2允許速度為45 km/h打靶，由于YG3-2到ZX3-2間的距離為945 m，不滿足由線路最高速度120 km/h降速到45 km/h的制動距離，造成了列車在通過YG3-2后，頂棚速度突降，如圖6方框處所示。

圖6 頂棚速度突降導(dǎo)致列車制動示意(單位：m)

3.2 限制條件分析

為解決以上問題，對該線路條件下各種可能的等級轉(zhuǎn)換設(shè)置方案進(jìn)行了分析及仿真測試。針對不設(shè)置YG3-2點(diǎn)且使用BTXLF/B4296/B4290/BS作為ZY3-2點(diǎn)、使用BTS/BTXLF/B4296作為YG3-2點(diǎn)且使用B4290/BS作為ZX3-2點(diǎn)等設(shè)置方案，分別測試了車站A各進(jìn)路條件下、線路各限速條件下不同車型通過等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)的運(yùn)行情況。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，上述設(shè)置方案均無法滿足所有車型的運(yùn)行需要，存在問題的典型場景有以下2種。

(1)因限速導(dǎo)致線路所列控中心大號碼道岔報(bào)文發(fā)送條件不滿足

在車站A范圍內(nèi)設(shè)置80 km/h限速時(shí)，線路所列控中心因不滿足大號碼道岔檢查條件，控制大號碼道岔應(yīng)答器發(fā)送允許通過報(bào)文(見2.3節(jié))，BTS應(yīng)答器發(fā)送全進(jìn)路限速80 km/h報(bào)文，此時(shí)C2級車載將按線路所進(jìn)路范圍+尾部保持范圍內(nèi)運(yùn)行速度80 km/h控車。因限速位置距離線路所較遠(yuǎn)，RBC不受此限速影響，按大號碼道岔側(cè)向最高允許速度120 km/h控制C3級車載運(yùn)行，此時(shí)C2/C3控車曲線情況如圖7所示。

圖7 大號碼道岔報(bào)文發(fā)送條件不滿足情況下C2/C3控車曲線示意(單位：m)

此時(shí)，C2/C3曲線在BTS～B4296范圍內(nèi)存在差異(B4296應(yīng)答器距BTXLF應(yīng)答器距離220 m，在列車尾部保持范圍內(nèi))，由此導(dǎo)致以BTS/BTXLF/B4296應(yīng)答器作為YG3-2點(diǎn)時(shí)，采用“實(shí)時(shí)速度控制”控車曲線計(jì)算邏輯的車載設(shè)備，會因?yàn)镃2曲線限速較低導(dǎo)致輸出制動。若采用不設(shè)置YG3-2，直接以BTXLF/B4296作為ZX3-2時(shí)，會存在同樣問題。

(2)C2/C3防護(hù)距離不一致

車站A未辦理進(jìn)路或辦理了引導(dǎo)進(jìn)路時(shí)，由于部分車載設(shè)備在C2/C3等級下防護(hù)距離有區(qū)別，C2等級下防護(hù)距離較長(110 m)，導(dǎo)致在低速區(qū)C2/C3級曲線不一致，此時(shí)C2/C3控車曲線情況如圖8所示。

圖8 下一站未辦理接車進(jìn)路情況下C2/C3控車曲線示意(單位：m)

在車站A未辦理接車進(jìn)路時(shí)，C2/C3曲線在B4290～BS范圍內(nèi)存在差異，以B4290/BS應(yīng)答器作為ZX3-2點(diǎn)時(shí)(由于BTS/BTXLF/B4296應(yīng)答器均不能用于YG3-2點(diǎn)，因此以B4290/BS應(yīng)答器作為ZX3-2點(diǎn)時(shí)不設(shè)置YG3-2點(diǎn))，車載設(shè)備在越過ZX3-2時(shí)會因C2/C3曲線不一致，導(dǎo)致輸出制動。經(jīng)測試，在車站A辦理引導(dǎo)進(jìn)路或側(cè)線接車進(jìn)路時(shí)，也存在類似問題。

3.3 解決方案

通過以上分析及試驗(yàn)，排除了BTS/BTXLF/B4296應(yīng)答器用于YG3-2點(diǎn)，B4290/BS應(yīng)答器用于ZX3-2點(diǎn)的可能性。在不對應(yīng)答器設(shè)置或RBC管轄范圍進(jìn)行調(diào)整的前提下，為滿足在聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)C3-C2等級轉(zhuǎn)換的運(yùn)營需要，最終選用線路TS信號外方的B3072應(yīng)答器作為YG3-2點(diǎn)，聯(lián)絡(luò)線B4296應(yīng)答器作為ZX3-2點(diǎn)，同時(shí)將辦理側(cè)線進(jìn)路時(shí)BTS應(yīng)答器中C2包臨時(shí)限速有效區(qū)段長度延長至B4296(ZX3-2)應(yīng)答器組并延伸80 m，如圖9所示。

圖9 C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置解決方案示意(單位：m)

該方案通過調(diào)整YG3-2位置，保證YG3-2到線路所TS信號機(jī)間的距離滿足120 km/h到80 km/h的制動要求，防止車載設(shè)備在列控中心不滿足大號碼道岔報(bào)文發(fā)送條件時(shí)，由于TS信號機(jī)處C3目標(biāo)速度與C2目標(biāo)速度不一致產(chǎn)生制動。通過延長BTS應(yīng)答器中臨時(shí)限速有效區(qū)段長度，使車載設(shè)備能在經(jīng)過TS信號機(jī)時(shí)獲取ZX3-2點(diǎn)完整的C2控車信息，防止車載設(shè)備按45 km/h打靶時(shí)因制動距離不足產(chǎn)生制動。

該方案YG3-2距離線路所進(jìn)站信號距離較遠(yuǎn)，且前方進(jìn)路不唯一，存在列車收到C3-C2等級轉(zhuǎn)換信息后，線路所變更進(jìn)路，導(dǎo)致等級轉(zhuǎn)換信息失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此，YG3-2應(yīng)答器中不應(yīng)設(shè)置等級轉(zhuǎn)換信息，需要RBC根據(jù)線路所進(jìn)路的辦理情況，判斷行車許可是否延伸越過C3-C2執(zhí)行點(diǎn)而主動向車載發(fā)送等級轉(zhuǎn)換信息。

3.4 測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案的可行性，基于線路仿真環(huán)境采用了300S、300H、300T型車載設(shè)備對上述解決方案進(jìn)行了測試驗(yàn)證，確認(rèn)各車型在各場景下均可正常通過等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)，測試情況見表1。

表1 方案測試情況

3.5 方案總結(jié)

通過對本案例中C3-C2等級轉(zhuǎn)換的方案的研究以及多種類型車載設(shè)備的仿真試驗(yàn)，對存在大號碼道岔、線路長度過短等不利條件下，設(shè)置C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)的注意事項(xiàng)進(jìn)行了以下總結(jié)。

(1)線路條件允許時(shí)，盡量不在大號碼道岔側(cè)向進(jìn)路的一離去區(qū)段上設(shè)置C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)。必須設(shè)置時(shí)，不應(yīng)將C3-C2預(yù)告點(diǎn)設(shè)置在大號碼道岔進(jìn)路防護(hù)信號機(jī)外方至大號碼道岔進(jìn)路末端外方列車尾部保持的范圍內(nèi)[20]，不設(shè)置C3-C2預(yù)告點(diǎn)時(shí)，不應(yīng)將C3-C2執(zhí)行點(diǎn)設(shè)置在大號碼道岔進(jìn)路末端外方列車尾部保持的范圍內(nèi)。

(2)不宜將距離進(jìn)站信號較近的應(yīng)答器組作為ZX3-2點(diǎn)。

(3)若判斷列車經(jīng)過YG3-2點(diǎn)無法獲取到ZX3-2點(diǎn)完整的C2線路及限速信息時(shí)，應(yīng)按照ZX3-2點(diǎn)的C2目標(biāo)速度為45 km/h來計(jì)算與YG3-2點(diǎn)的距離。

(4)若設(shè)置等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的線路過短時(shí)，在條件允許的情況下，可考慮適當(dāng)延長RBC管轄范圍，以方便等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的布置。

4 結(jié)語

作為高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要功能，C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中至關(guān)重要。本文通過深入分析等級轉(zhuǎn)換過程中車載計(jì)算控車曲線的差異、C2/C3系統(tǒng)差異，對線路過短、坡度過大、經(jīng)大號碼道岔側(cè)向運(yùn)行等不利線路條件下C3-C2等級轉(zhuǎn)換的方案進(jìn)行了研究、測試，總結(jié)了在不利線路條件下等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置時(shí)應(yīng)特殊考慮的注意事項(xiàng)，并提出了解決方案，明確了高鐵聯(lián)絡(luò)線不利線路條件下C3-C2等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的設(shè)置條件，為高速鐵路C3-C2等級轉(zhuǎn)換的工程設(shè)計(jì)提供了借鑒與支撐。