張海東
(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)
我國高速鐵路車站的部分道岔采用1/18號(hào)以上大號(hào)碼道岔,目的是提高列車側(cè)向經(jīng)過道岔時(shí)的速度[1]。尤其是起到銜接相鄰線路作用的線路所,為保證列車能夠快速轉(zhuǎn)線,多采用大號(hào)碼道岔來提高列車運(yùn)行效率[2]。而列車得知運(yùn)行前方經(jīng)過的大號(hào)碼道岔側(cè)向位置是通過應(yīng)答器來實(shí)現(xiàn)的,即列車經(jīng)過大號(hào)碼道岔應(yīng)答器后接收到來自大號(hào)碼道岔應(yīng)答器傳遞的報(bào)文信息,進(jìn)而產(chǎn)生行車憑證,控制列車以規(guī)定速度側(cè)向通過前方道岔[3-7]。
高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的作用是在特定地點(diǎn)完成地面與車載設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸[8-9]。應(yīng)答器信息傳輸系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
圖1 應(yīng)答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
其中,實(shí)線框內(nèi)為應(yīng)答器信息傳輸車載設(shè)備,包括應(yīng)答器信息接收單元BTM及應(yīng)答器接收天線。其中,應(yīng)答器信息接收單元用來接收、解調(diào)地面應(yīng)答器信號(hào),并將解調(diào)后的信息傳送給車載主機(jī)單元。應(yīng)答器信息接收天線用于接收應(yīng)答器信息,安裝在頭車車體底部的橫向中心線上[10-11]。
虛框部分是應(yīng)答器信息傳輸?shù)孛嬖O(shè)備,無源應(yīng)答器用來存儲(chǔ)線路固定限速信息,線路坡度信息及列控系統(tǒng)級(jí)間轉(zhuǎn)換等一些固定數(shù)據(jù)信息。有源應(yīng)答器用于存儲(chǔ)一些實(shí)時(shí)信息,如進(jìn)路信息、臨時(shí)限速信息等。
本文研究的大號(hào)碼道岔臨時(shí)限速信息是通過有源應(yīng)答器傳遞給列車,臨時(shí)限速信息報(bào)文發(fā)送的時(shí)機(jī)為:當(dāng)車站值班員辦理了一條經(jīng)過大號(hào)碼道岔側(cè)向位置的進(jìn)路后,列控中心會(huì)生成限速報(bào)文傳輸給地面電子單元LEU,地面電子單元將列控中心發(fā)送的應(yīng)答器報(bào)文命令經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大后發(fā)送至室外應(yīng)答器中[12]。當(dāng)列車經(jīng)過地面應(yīng)答器上方后,應(yīng)答器接收到高頻能量后被喚醒,將其存儲(chǔ)的報(bào)文信息以頻移鍵控信號(hào)的形式傳遞給應(yīng)答器接收天線,進(jìn)而傳遞給BTM形成控車信息。當(dāng)列車遠(yuǎn)離地面應(yīng)答器以后,應(yīng)答器又開始進(jìn)入“休眠”狀態(tài)。
既有大號(hào)碼道岔應(yīng)答器的布置原則是:“在距大號(hào)碼道岔外方,宜在發(fā)送U2S閉塞分區(qū)入口200 m處設(shè)置大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組[13]”。此時(shí),在特定運(yùn)營場景下列車經(jīng)過大號(hào)碼道岔應(yīng)答器時(shí),會(huì)存在超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)[14-18]。因此,亟需采取相應(yīng)措施解決超速過岔風(fēng)險(xiǎn)。
緊追蹤運(yùn)營模式如圖2所示,圖中9號(hào)道岔是1/42號(hào)大號(hào)碼道岔,車站內(nèi)其余道岔均為1/18號(hào)道岔,TB10099—2017《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鐵路道岔參數(shù)手冊(cè)》中規(guī)定:“1/42號(hào)道岔的列車側(cè)向過岔限速為160 km/h,1/18號(hào)道岔的列車側(cè)向過岔限速為80 km/h[19-20]”。
圖2 緊追蹤模式下列車進(jìn)路示意
當(dāng)車站值班員給列車1辦理了往3G的接車進(jìn)路后,如圖2中紅線進(jìn)路所示,車站列控中心隨即控制大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組發(fā)送大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],隨著列車1的運(yùn)行,車載設(shè)備接收到應(yīng)答器報(bào)文后,結(jié)合鋼軌傳遞的移頻信號(hào)碼序產(chǎn)生行車憑證,控制列車運(yùn)行。
而在緊追蹤運(yùn)營模式下,列車1未進(jìn)站之前,后續(xù)列車2追蹤運(yùn)行進(jìn)入到大號(hào)碼道岔所在閉塞分區(qū),這里需注意的是列車1未進(jìn)站前,列控中心會(huì)一直控制大號(hào)碼道岔應(yīng)答器發(fā)送大號(hào)碼道岔報(bào)文,即隨著列車2的運(yùn)行其接收到了大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包]。
根據(jù)列車1所處的位置,具體場景如下。
場景1:列車2在大號(hào)碼道岔應(yīng)答器區(qū)段,列車1處于1621G(即2JG區(qū)段)。此時(shí)列車2的行車許可終點(diǎn)未到大號(hào)碼道岔所在地點(diǎn),不會(huì)出現(xiàn)超速過岔的危險(xiǎn)情況發(fā)生。
場景2:列車2在大號(hào)碼道岔應(yīng)答器區(qū)段,列車1在1637G(即3JG區(qū)段)。此時(shí)列車2的行車許可終點(diǎn)未到大號(hào)碼道岔所在地點(diǎn),不會(huì)出現(xiàn)超速過岔的危險(xiǎn)情況發(fā)生。
場景3:列車2在大號(hào)碼道岔應(yīng)答器區(qū)段,列車1越過進(jìn)站信號(hào)機(jī)位于道岔區(qū)段。此時(shí)列控中心會(huì)控制大號(hào)碼道岔應(yīng)答器停止發(fā)送大號(hào)碼道岔報(bào)文,同時(shí)列車2的行車許可終點(diǎn)仍然在進(jìn)站信號(hào)機(jī)外方,未到大號(hào)碼道岔所在地點(diǎn),因此也不會(huì)出現(xiàn)超速過岔的危險(xiǎn)情況發(fā)生。
場景4:列車2在大號(hào)碼道岔應(yīng)答器區(qū)段,且??吭诖筇?hào)碼道岔應(yīng)答器組與1621信號(hào)機(jī)之間,只有當(dāng)列車1進(jìn)站??恐?G以后,車站值班員隨即給列車2辦理了一條往4G的接車進(jìn)路,如圖2中綠線所示,此條進(jìn)路上無大號(hào)碼道岔,因此,道岔的側(cè)向過岔限速是80 km/h,但列車2的車載設(shè)備會(huì)啟用已接收到的大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],同時(shí)結(jié)合1637G發(fā)送的UUS碼移頻信號(hào)共同產(chǎn)生控車信息,意味著列車運(yùn)行前方是經(jīng)過1/18號(hào)道岔的側(cè)向接車進(jìn)路,但車載設(shè)備仍然以側(cè)向過岔160 km/h的速度控車,這樣就存在超速過岔的風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成脫軌情況發(fā)生,危及行車安全。
接車進(jìn)路變更運(yùn)營場景如圖3所示,車站值班員給列車1辦理了一條接至3G的接車進(jìn)路,列車1運(yùn)行到1621區(qū)間通過信號(hào)機(jī)前停車,停車前已經(jīng)接收到了大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組發(fā)送大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包]。但車站值班員臨時(shí)變更了接車進(jìn)路,即辦理了一條接至IIG的進(jìn)路,如圖3中藍(lán)線進(jìn)路所示。辦理完接車進(jìn)路信號(hào)開放后,列車1繼續(xù)前行越過1621信號(hào)機(jī)后接收到U2S碼序(意味著列車運(yùn)行前方下一架信號(hào)機(jī)開放的是經(jīng)過1/18號(hào)及以上道岔的側(cè)向接車進(jìn)路),同時(shí)啟用大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],軌道電路傳遞的控車信息及應(yīng)答器傳遞的控車信息均指示車載設(shè)備以側(cè)向過岔160 km/h的速度控車,這樣就存在超速過岔的風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成脫軌情況發(fā)生,危及行車安全。
圖3 接車進(jìn)路變更模式下列車進(jìn)路示意
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),上述兩種運(yùn)營場景下均存在列車超速過岔的風(fēng)險(xiǎn),尤其在高速鐵路車站,為提高運(yùn)行效率,較多采用大號(hào)碼道岔,因此,針對(duì)上述情況,亟待提出解決方案對(duì)列車超速過岔進(jìn)行防護(hù),從列控中心優(yōu)化控制應(yīng)答器報(bào)文及大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組優(yōu)化設(shè)置方面入手,解決上述問題。
針對(duì)上節(jié)所述運(yùn)營場景存在問題,對(duì)大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組報(bào)文展開研究,大號(hào)碼道岔報(bào)文信息包[CTCS-4包]如表1所示。道岔過岔速度是通過V_TURNOUT變量控制,7位數(shù)報(bào)文信息通過調(diào)制后形成相位連續(xù)式2FSK上行鏈路信號(hào)供機(jī)車接收。
表1 應(yīng)答器報(bào)文信息
為了解決緊追蹤模式下后續(xù)列車可能存在的超速過岔風(fēng)險(xiǎn),提出報(bào)文及時(shí)停發(fā)防護(hù)控制,即大號(hào)碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護(hù)大號(hào)碼道岔信號(hào)機(jī)之間的閉塞分區(qū)有車占用時(shí),修改列控中心報(bào)文控制策略,使得大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組不能發(fā)送大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文。這樣在緊追蹤運(yùn)營模式下,列車1雖還未進(jìn)站,列車2即使追蹤運(yùn)行進(jìn)入到大號(hào)碼道岔所在閉塞分區(qū),經(jīng)過大號(hào)碼道岔應(yīng)答器后也不會(huì)接收到大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文,列車2運(yùn)行前方是經(jīng)過1/18號(hào)道岔的側(cè)向接車進(jìn)路時(shí),車載設(shè)備仍然以側(cè)向過岔80 km/h的速度控車,這樣就解決了緊追蹤模式下超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。
上述通過列控中心控制應(yīng)答器報(bào)文及時(shí)停發(fā)防護(hù)雖然解決了緊追蹤模式下可能存在的列車超速過岔風(fēng)險(xiǎn),但對(duì)于接車進(jìn)路變更場景下存在的列車超速過岔風(fēng)險(xiǎn)仍未能解決。這是由于此場景下大號(hào)碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護(hù)大號(hào)碼道岔信號(hào)機(jī)之間的閉塞分區(qū)里無列車,沒有列車列控中心就不能觸發(fā)應(yīng)答器報(bào)文及時(shí)停發(fā)控制策略,即列車經(jīng)過大號(hào)碼道岔應(yīng)答器后,當(dāng)進(jìn)路變更,進(jìn)站信號(hào)機(jī)重新開放后,列車仍然以側(cè)向160 km/h的速度經(jīng)過道岔,存在超速過岔風(fēng)險(xiǎn)。
本次研究將大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置于大號(hào)碼道岔外方發(fā)送U2S碼的閉塞分區(qū)入口內(nèi)方≥200 m處,該應(yīng)答器設(shè)置如圖4所示。
圖4 大號(hào)碼道岔應(yīng)答器移設(shè)示意
當(dāng)給列車排列了一條經(jīng)1/42號(hào)道岔的側(cè)向進(jìn)路,假如列車接收到大號(hào)碼道岔應(yīng)答器發(fā)送的報(bào)文信息后停在1637信號(hào)機(jī)前方,此時(shí)進(jìn)路變更,又排列了一條經(jīng)1/18號(hào)道岔的側(cè)向進(jìn)路,這時(shí)列車接收到移頻信號(hào)碼序的變化情況為:U2S-U-U2S,即存在碼序變化的情況,車載設(shè)備接收到變化的碼序后會(huì)自動(dòng)降速,控制列車以80 km/h的速度過岔。如大號(hào)碼道岔應(yīng)答器位置不移設(shè),仍然在一接近區(qū)段(1621信號(hào)機(jī)外方200 m處),則進(jìn)路變更后,列車接收到移頻信號(hào)碼序情況為:LU-LU-LU,即不能通過移頻信號(hào)的碼序變化實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備的降速防護(hù)。
在工程實(shí)施過程中,對(duì)于已開通運(yùn)營的線路,移設(shè)應(yīng)答器組方案涉及列控中心和無線閉塞中心軟件修改、應(yīng)答器報(bào)文修改以及應(yīng)答器安裝和線纜敷設(shè)等室外工程,實(shí)施難度大,對(duì)既有線運(yùn)營影響也大,工程投資高。因此,采取碼序降級(jí)防護(hù)措施,即大號(hào)碼道岔應(yīng)答器所在進(jìn)路始端信號(hào)機(jī)外方LU區(qū)段為占用狀態(tài),若大號(hào)碼道岔進(jìn)路取消或信號(hào)關(guān)閉,再次開放其他經(jīng)1/18號(hào)道岔的側(cè)向進(jìn)路,接近區(qū)段發(fā)U2碼或UU碼,如表2所示,并向聯(lián)鎖發(fā)送降級(jí)信息,直至列車越過大號(hào)碼道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)或大號(hào)碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū),至防護(hù)大號(hào)碼道岔信號(hào)機(jī)之間的閉塞分區(qū)均為空閑狀態(tài)后恢復(fù)常態(tài)。此方法中雖然列車接收到了大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],但接近區(qū)段軌道電路碼序已降級(jí)為U2碼或UU碼(UU碼意味列車以不超過45 km/h速度側(cè)向經(jīng)過前方道岔),即應(yīng)答器傳遞的控車信息與軌道電路傳遞的控車信息不一致,車載設(shè)備控制列車減速,以導(dǎo)向安全側(cè)的控車信息行車,解決了超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。
表2 碼序降級(jí)變化
針對(duì)工程進(jìn)展情況,提出具體方案解決大號(hào)碼道岔處列車可能存在的超速過岔風(fēng)險(xiǎn)。在工程設(shè)計(jì)階段就將大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置于發(fā)送U2S碼的閉塞分區(qū)入口內(nèi)方≥200 m處。并將“大號(hào)碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護(hù)大號(hào)碼道岔信號(hào)機(jī)之間的閉塞分區(qū)有車占用時(shí),控制大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組不能發(fā)送大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文”的控制策略寫入車站列控中心軟件中,來保證列車不會(huì)超速過岔。
以滬渝蓉高鐵龍城線路所為例,龍城線路所示意如圖5中虛線框內(nèi)所示。為提高列車過岔時(shí)的速度,保證列車運(yùn)行效率,龍城線路所1號(hào)及3號(hào)道岔采用1/42號(hào)大號(hào)碼道岔,在大號(hào)碼道岔外方適當(dāng)位置處設(shè)置有大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組。下面分別從報(bào)文控制策略及應(yīng)答器組位置調(diào)整方面進(jìn)行研究,對(duì)列車車載控車曲線進(jìn)行優(yōu)化,來解決列車超速過岔問題。
由南京方面(合寧客專)發(fā)往合肥南方面的列車需在肥東站IG停靠,則龍城線路所需辦理經(jīng)過1/42號(hào)道岔側(cè)向通過進(jìn)路。
圖5 龍城線路所大號(hào)碼道岔布置示意
緊追蹤場景下前后兩列車的車載控車曲線如圖6所示。圖6(a)中龍城線路所給列車1辦理了經(jīng)過1號(hào)道岔(1/42號(hào))側(cè)向往肥東站IG的接車進(jìn)路,列車1在XL線路所通過信號(hào)機(jī)前降速至160 km/h,接著以160 km/h的速度經(jīng)過道岔側(cè)向,同時(shí)肥東站辦理了下行往IG的接車進(jìn)路后,列車在XI出站信號(hào)機(jī)前降速至0后停車。若未采取大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文及時(shí)停發(fā)防護(hù)策略,列車2在列車1還未經(jīng)過龍城線路所大號(hào)碼道岔側(cè)向進(jìn)路之前仍然會(huì)收到大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],此時(shí)列車2在龍城線路所的二接近區(qū)段3327G防護(hù)信號(hào)機(jī)外方開始加速,經(jīng)過龍城線路所XL線路所通過信號(hào)機(jī)外方速度已提高至160 km/h,車站值班員在龍城線路所再給列車2辦理了一條經(jīng)1號(hào)道岔直向,5號(hào)道岔(1/18號(hào))側(cè)向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進(jìn)路后,就存在超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。
圖6(b)為采取了大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文及時(shí)停發(fā)防護(hù)策略后的列車車載控制曲線,可以看出,大號(hào)碼道岔應(yīng)答器所在閉塞分區(qū)(不含)至防護(hù)大號(hào)碼道岔信號(hào)機(jī)之間的閉塞分區(qū)(即龍城線路所的三接近區(qū)段3315G)有車占用時(shí),大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組不會(huì)發(fā)送大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文,這樣列車2就不會(huì)接收到大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包]。此時(shí),如果給列車2辦理了一條經(jīng)1號(hào)道岔直向,5號(hào)道岔(1/18號(hào))側(cè)向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進(jìn)路后,列車車載設(shè)備結(jié)合接收到的移頻信號(hào)碼序,控制列車2在XL線路所通過信號(hào)機(jī)前方將速度提升至80 km/h,以不大于80 km/h的速度經(jīng)過道岔側(cè)向位置,就不會(huì)存在超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。
圖6 緊追蹤模式下車載控車曲線
由南京方面(合寧客專)發(fā)往合肥南方面的列車,經(jīng)過龍城線路所時(shí)辦理了一條經(jīng)1號(hào)道岔(1/42號(hào))側(cè)向通過的進(jìn)路。對(duì)列車1而言,當(dāng)存在進(jìn)路變更場景時(shí)列車的車載控車曲線如圖7所示??梢钥吹?,在大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組位置未移設(shè)前(位于二接近3327G外方),列車在二接近區(qū)段防護(hù)信號(hào)機(jī)前停車時(shí)車載已經(jīng)接收到了大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包]。此時(shí),接車進(jìn)路由之前的經(jīng)1號(hào)道岔(1/42號(hào))側(cè)向變更為經(jīng)1號(hào)道岔直向,5號(hào)道岔(1/18號(hào))側(cè)向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進(jìn)路后,一接近區(qū)段3339G的軌道移頻信號(hào)碼序未發(fā)生改變,一直是LU碼,則車載設(shè)備結(jié)合應(yīng)答器報(bào)文信息及軌道電路碼序控制列車以160 km/h的速度行車,經(jīng)過5號(hào)道岔(1/18號(hào))側(cè)向時(shí)存在超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。
圖7 應(yīng)答器組位置調(diào)整后車載控車曲線
將大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組位置移設(shè)至二接近區(qū)段3327G內(nèi)方后,分兩種場景,一種是列車在二接近區(qū)段3327G通過信號(hào)機(jī)前方停車,停車時(shí)列車沒有接收到大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],雖然接車進(jìn)路發(fā)生了變更,變更后車站列控中心根據(jù)進(jìn)路實(shí)際情況控制大號(hào)碼道岔應(yīng)答器不會(huì)發(fā)送報(bào)文信息,這樣列車會(huì)根據(jù)鋼軌上傳遞的軌道電路移頻信號(hào)碼序控車,在XL進(jìn)站信號(hào)機(jī)前降速至80 km/h,不會(huì)產(chǎn)生超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。另一種情況是列車在三接近區(qū)段3315G通過信號(hào)機(jī)前停車,停車后列車雖然已接收到了大號(hào)碼道岔信息包[CTCS-4包],同時(shí)接車進(jìn)路發(fā)生了變更,但在進(jìn)路發(fā)送變更的時(shí)候,二接近區(qū)段3327G的軌道電路碼序發(fā)生了變化,即由U2S變?yōu)閁,再變?yōu)閁2S,車載設(shè)備接收到變化的碼序后,會(huì)導(dǎo)向安全側(cè)降速控車,以不大于80 km/h的速度側(cè)向經(jīng)過5號(hào)道岔(1/18號(hào)),避免了超速過岔的風(fēng)險(xiǎn)。
為保證鐵路運(yùn)輸效率,大號(hào)碼道岔被廣泛應(yīng)用至高速鐵路,而大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組的作用是給列車傳遞準(zhǔn)確的過岔速度信息,因此,應(yīng)答器組的合理設(shè)置就顯得尤為重要,主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下。
(1)分析了既有大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組的設(shè)置位置及車站列控中心關(guān)于大號(hào)碼道岔應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送時(shí)機(jī)在特定運(yùn)營場景下存在危及行車安全的情況。
(2)提出列控中心報(bào)文及時(shí)停發(fā)防護(hù)策略及大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組位置優(yōu)化設(shè)置,解決了既有大號(hào)碼道岔應(yīng)答器組設(shè)置原則下存在的弊端。
(3)將此方法應(yīng)用至滬渝蓉高速鐵路龍城線路所外大號(hào)碼道岔應(yīng)答器處,結(jié)合工程實(shí)際,優(yōu)化研究驗(yàn)證了上述方法的可行性及可實(shí)施性,為其他工程設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。