符 萌 林 強 楊 俐 韓永強

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 430063， 武漢；2. 上海申鐵投資有限公司， 200003， 上?！蔚谝蛔髡?， 高級工程師)

0 引言

目前國內(nèi)的動車組有4節(jié)編組、8節(jié)編組、16節(jié)編組及17節(jié)編組等多種編組形式。其中，高速鐵路多采用8節(jié)編組、16節(jié)編組或17節(jié)編組，本文將該情況下的8節(jié)編組列車定義為短編組列車；市域鐵路和城際鐵路多采用4節(jié)編組及8節(jié)編組，本文將該情況下的4節(jié)編組列車定義為短編組列車。不同編組的列車，其車長差異很大，例如：4節(jié)編組列車通常長100 m左右；8節(jié)編組列車通常長200～220 m；16節(jié)編組、17節(jié)編組列車通常長400～440 m左右。

在進行列車折返作業(yè)時，高速鐵路通常在停車股道原地折返，市域鐵路和城際鐵路則通常設(shè)站后折返線，列車在折返線上進行站后折返。

在CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))信號制式下，不同編組的列車在進入折返線進行站后折返時，均以前方阻擋信號機(信號機前預(yù)留了一定的安全防護距離)作為打靶點。對于短編組列車而言，若不采取一定的特殊設(shè)計，在折返線內(nèi)需要多走行一段距離，其距離約為長編組列車車長和短編組列車車長之差的2倍。以4節(jié)編組、8節(jié)編組動車組混跑為例，4節(jié)編組列車在折返線內(nèi)往返需多走行約200 m，按列車平均運行速度40 km/h計算，則多走行約18 s，造成列車折返時間的浪費。因此，為縮短列車折返時間，需實現(xiàn)以下目標(biāo)：短編組列車進入折返線后宜盡快停車，車尾宜盡量靠近折返信號機。在考慮應(yīng)答器組的設(shè)置后，可將車尾與折返信號機的距離設(shè)為30～35 m。

在CBTC信號制式下，由于列車上有電子地圖，實現(xiàn)上述目標(biāo)較為簡單。如上海軌道交通16號線有3節(jié)編組與6節(jié)編組列車混跑，列車進入折返線后，不同編組列車的車載給列車下達不同的停車位置命令，信號車載結(jié)合電子地圖自動控制列車停于預(yù)定位置。

在CTCS信號制式下，目前仍不能實現(xiàn)列車自動折返功能，文獻[1]對CTCS制式下如何實現(xiàn)列車自動折返功能進行了一定的探討，但尚未見有文獻對短編組列車的快速停車方案進行研究。本文重點研究CTCS信號制式下短編組列車自動折返時的快速停車方案。

1 短編組列車自動折返快速停車方案

目前對列車折返間隔要求較高的多為市域鐵路。市域鐵路通常使用4節(jié)編組、8節(jié)編組或4節(jié)編組+4節(jié)編組重聯(lián)動車組，較少使用16節(jié)編組、17節(jié)編組動車組或8節(jié)編組+8節(jié)編組重聯(lián)動車組。為此，本文對地面設(shè)備布置進行研究時，以動車組采用4節(jié)編組、8節(jié)編組為例進行分析，提出了6個研究方案。為便于描述，將列車進入折返線時的激活端稱為A端，另一端(即列車駛出折返線時的激活端)稱為B端。

本文將沒有進行特別設(shè)計以縮短短編組列車停車耗時的常規(guī)設(shè)計方案稱為“原方案”。以圖1所示的典型站場為例，原方案下列車進入停車股道后，經(jīng)交叉渡線駛?cè)胝鄯稻€1或折返線2，列車停穩(wěn)實施換端作業(yè)后從折返線駛出。在此基礎(chǔ)上，本文重點研究列車站后自動折返時折返線信號機、應(yīng)答器等軌旁設(shè)備的優(yōu)化布置，以及信號車載設(shè)備、列車運行控制(以下簡稱“列控”)系統(tǒng)、CTC(調(diào)度集中)系統(tǒng)等的配套修改方案。

注：XI、XII、X3、X4表示出站兼發(fā)車進路信號機；SL1、SL2表示折返發(fā)車進路信號機；X5、X6表示盡頭阻擋信號機；2#、4#、6#、8#均為道岔編號。

1.1 方案A：折返線中間設(shè)分隔信號機

如圖2所示，方案A采用了類似動車所的一線兩列位方案，即在折返線中間設(shè)紅藍白分隔信號機XF1、XF2，將折返線分隔為2段(如將折返線1分隔為1G1及1G2，將折返線2分隔為2G1及2G2)。折返線的長度按滿足8節(jié)編組列車的長度予以設(shè)計。4節(jié)編組列車停在第一段(如1G1或2G1)，8節(jié)編組列車停整個折返線。

注：XF1、XF2表示股道分隔信號機；DW表示定位應(yīng)答器組。

1.1.1 信號機設(shè)置

在AM(自動駕駛模式)下，動車組必須處于FS(完全監(jiān)控)模式或特殊的PS(部分監(jiān)控)模式，此時列車不能采用SH(調(diào)車)模式，因此折返線上的信號機均按列車信號機進行設(shè)置。

如圖2所示，在折返線岔前設(shè)置紅綠白三燈位的折返發(fā)車進路信號機SL1、SL2。折返線中間設(shè)置紅藍白三燈位信號機XF1、XF2，用以分隔股道。阻擋信號機X5、X6設(shè)于折返線盡頭處，采用三燈位信號機，常亮紅燈，另外兩燈位封閉。考慮到X5、X6信號機常亮紅燈，為減少電纜、信號機等設(shè)備，減少維修工作量，也可將這2個信號機改為紅色停車標(biāo)志牌。

1.1.2 應(yīng)答器設(shè)置

在SL1、SL2處設(shè)置由1個有源應(yīng)答器和1個無源應(yīng)答器組成的發(fā)車進路信號機應(yīng)答器組，應(yīng)答器組與SL1、SL2的距離為20 m。在XF1、XF2處設(shè)置由1個有源應(yīng)答器和1個無源應(yīng)答器組成的應(yīng)答器組，應(yīng)答器組與XF1、XF2的距離為55 m(該距離可根據(jù)現(xiàn)場工程情況調(diào)整)。

在盡頭阻擋信號機X5、X6(或停車標(biāo)志牌)處設(shè)置2個無源應(yīng)答器組成的應(yīng)答器組，應(yīng)答器組與X5、X6的距離分別為55 m、60 m，用以發(fā)送絕對停車報文。為減少測速、測距誤差，提高列車的停車精度，考慮在每個區(qū)段中間設(shè)置1個定位應(yīng)答器組。該定位應(yīng)答器組為非精確定位應(yīng)答器組，不描述距離停車點的距離。

1.1.3 其他配套設(shè)計

CTC系統(tǒng)需根據(jù)動車組編組的不同辦理不同的長短進路，其方式與動車所一線兩列位辦理長短進路類似。

4節(jié)編組列車進入1G1/2G1停穩(wěn)后，若信號車載設(shè)備自動換端結(jié)束時折返進路尚未辦理完畢，此時1G1/2G1的軌道電路發(fā)碼方向尚未改變方向。為降低B端車載受到鄰線干擾的概率，在兩端車載換端時，要求A端車載將載頻信息傳遞給B端車載，并進行鎖頻。

8節(jié)編組(或4節(jié)編組+4節(jié)編組重聯(lián))列車進入1G1/2G1停穩(wěn)后，同樣為降低B端車載受到鄰線干擾的概率，要求列車車頭進入1G1/2G1后，TCC(列控中心)控制1G1/2G1立即轉(zhuǎn)換軌道電路的發(fā)碼方向。

方案A的優(yōu)點是對各信號系統(tǒng)軟件的修改較少。方案A的缺點是地面設(shè)備設(shè)計復(fù)雜，且車載換端后折返進路可能尚未辦理完成，列車所處區(qū)段的軌道電路尚未改變方向，此時B端車載仍可能受到鄰線干擾，需采取特殊的處理措施。

1.2 方案B：車載設(shè)備根據(jù)列車編組數(shù)的不同確定不同的打靶點位置

如圖3所示，方案B下折返線中間不設(shè)股道分隔信號機，但為了使軌道電路發(fā)碼方向能及時改向，仍設(shè)置絕緣節(jié)(絕緣節(jié)設(shè)置在折返線左側(cè))。方案B下的折返線長度與方案A相同，但4節(jié)編組列車停車時需要占壓2段軌道電路。

圖3 方案B下軌旁設(shè)備布置示意圖

對于具備自動折返功能的車載設(shè)備，在列車進入自動折返狀態(tài)后，車載設(shè)備將結(jié)合列車編組數(shù)確定打靶點位置，并自動計算控制列車停于預(yù)定位置。4節(jié)編組列車可將打靶點位置設(shè)定在比8節(jié)編組列車縮短100 m處(縮短的距離為兩種編組列車車長的差值)。

方案B的優(yōu)點是：① 地面設(shè)備布置較為簡單，列車可停于預(yù)期設(shè)計位置；② 不需要CTC根據(jù)列車編組的不同辦理不同的長短進路。方案B的缺點是：① 對車載設(shè)備的修改較大，修改了車載設(shè)備控制列車的底層邏輯架構(gòu)；② 對于具備自動折返功能的車載設(shè)備，列車進股道停車時因車載無法區(qū)分所進入的線路是普通股道還是折返線，導(dǎo)致列車在普通股道停車時車頭無法對準(zhǔn)站臺端部的預(yù)期停車點 ，這給運營帶來了極大的不便。此時應(yīng)采取其他調(diào)整措施，使車載設(shè)備有能力區(qū)分列車進入的是一般股道還是折返線，但其他調(diào)整措施的加入將使得方案B更為復(fù)雜。

1.3 方案C：利用非本務(wù)端車載設(shè)備接收地面信息并制動

某些列車控制廠家非本務(wù)端的車載設(shè)備處于休眠狀態(tài)時仍可接收軌道電路載頻低頻信息及應(yīng)答器報文(但不進行處理)，因此，4節(jié)編組列車駛?cè)胝鄯稻€并越過SL1/SL2后，可利用接收到的地面軌道電路載頻信號判斷是否已進入折返線。如已進入，則開始輸出常用制動，命令列車盡快停車。方案C的地面設(shè)備布置同方案B。

方案C的優(yōu)點是：① 地面設(shè)備布置簡單；② 不需要CTC根據(jù)列車編組的不同辦理不同的長短進路。方案C的缺點是：① 目前國內(nèi)僅有1家企業(yè)的車載設(shè)備具備非本務(wù)端車載接收地面信息功能，其他設(shè)備廠家暫不具備此功能，若采用此方案，尚需對車載設(shè)備進行改造開發(fā)；② 列車越過SL1/SL2信號機后才開始制動，制動時機太遲，很可能會觸發(fā)列車緊急制動。

1.4 方案D：利用有源精確定位應(yīng)答器發(fā)送不同的停車位置(修改TCC軟件邏輯)

與方案B相比，方案D為4節(jié)編組列車增設(shè)了有源精確定位應(yīng)答器組(8節(jié)編組列車停車位置設(shè)置無源精確定位應(yīng)答器組)。CTCS中定義應(yīng)答器報文時，將列車停車位置信息包命名為【CTCS-13】。如圖4所示，【CTCS-13】信息包寫入有源應(yīng)答器中(包括X1—X4處CZ出站信號機應(yīng)答器組及增設(shè)在IG1、IIG1的JD精確定位應(yīng)答器組)。車載通過TSRS(臨時限速服務(wù)器)向TCC發(fā)送信息。列車編組數(shù)不同時，TCC發(fā)出不同的報文，以告知不同編組的列車停在不同的停車位置。4節(jié)編組列車通過此停車位置信息進行停車。

注：JD表示精確定位應(yīng)答器組。

方案D的優(yōu)點是解決了方案B中需修改車載控制列車的邏輯架構(gòu)問題，也解決了方案C中可能觸發(fā)列車緊急制動的問題。方案D的缺點是：① 按照TJ/DW 221—2019《高速鐵路ATO系統(tǒng)應(yīng)答器設(shè)置及應(yīng)用暫行技術(shù)條件》(ATO為列車自動運行)，【CTCS-13】通常寫入無源應(yīng)答器中，而方案D將其寫入有源應(yīng)答器中，則需對有源應(yīng)答器的報文編制重新進行定義；②TCC必須能夠根據(jù)列車編組數(shù)的不同控制【CTCS-13】寫入距離停車點的不同距離，這需要修改TCC的軟件及相關(guān)接口信息。

1.5 方案E：利用有源精確定位應(yīng)答器發(fā)送不同的停車位置(不修改TCC軟件邏輯)

方案E的地面設(shè)備布置同方案D。基于方案D存在的缺點，方案E進行了改進：【CTCS-13】仍寫入有源應(yīng)答器中，在列車往折返線發(fā)車時，計算機聯(lián)鎖設(shè)備在聯(lián)鎖表中寫2條一樣的進路，并給這兩條進路分配不同的進路號，TCC的進路信息表中也對應(yīng)這2條進路。CTC根據(jù)列車編組數(shù)的不同(需對既有CTC及接口進行修改)辦理不同進路號的進路。TCC根據(jù)進路號的不同控制有源應(yīng)答器，使之發(fā)送不同的停車位置報文。

與方案D相比，方案E的優(yōu)點是TCC及車載的軟件均不需修改。方案E的缺點是：①仍需對寫入【CTCS-13】的有源應(yīng)答器報文的編制重新進行定義；②根據(jù)列車編組數(shù)的不同排列不同的進路，需要對CTC軟件及接口進行修改和調(diào)整。

1.6 方案F：【CTCS-13】停車位置信息包按列車編組數(shù)的不同分別描述

方案F與方案D的差別在于，在地面設(shè)備布置中，方案F將精確定位應(yīng)答器由方案D的有源應(yīng)答器改為無源應(yīng)答器，如圖5所示。

圖5 方案F下軌旁設(shè)備布置示意圖

方案F將【CTCS-13】寫入無源應(yīng)答器中，但1G1、2G1的JD應(yīng)答器組一次性寫2個位置，其中：4節(jié)編組列車對應(yīng)折返線中間位置，8節(jié)編組列車對應(yīng)折返線盡頭位置。車載設(shè)備收到應(yīng)答器報文后，根據(jù)列車編組數(shù)選擇使用對應(yīng)報文。

方案F將【CTCS-13】寫入無源應(yīng)答器中，符合應(yīng)答器報文編制規(guī)范，但寫2個停車位置的做法與國家鐵路中應(yīng)答器報文編制的相關(guān)規(guī)范不符，需重新定義。此外，車載設(shè)備需根據(jù)列車編組數(shù)判斷使用報文，需修改車載設(shè)備軟件。

2 實驗室仿真結(jié)果分析

本文搭建了仿真平臺，對上述6個方案進行仿真模擬。為了得到更好的對比結(jié)論，本文將不采取任何調(diào)整措施的原方案也納入對比范疇。

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真時采用了統(tǒng)一的車輛參數(shù)和線路參數(shù)。其中，車輛采用CRH6型4節(jié)編組動車組的參數(shù)：① 列車長度為100.5 m；② 動拖比采用3動1拖；③ 列車在0～40 km/h時的起動加速度為1.0 m/s2，列車160～0 km/h時的常用制動平均減速度為1.0 m/s2。

線路參數(shù)采用如圖1所示的線路參數(shù)：① 列車在3G停車時，車頭距離X3信號機90 m,X3至SL1的距離為255 m，折返線全長305 m，線路均為平坡；② 道岔均采用12號道岔，列車側(cè)向過岔時限速45 km/h。

此外，設(shè)定仿真試驗中列車運行路徑為：短編組列車從3G出發(fā)，進入1G1，然后經(jīng)6#/8#道岔反位進入4G。

2.2 仿真結(jié)果

各方案的仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 各方案的仿真結(jié)果對比

原方案的仿真結(jié)果如圖6所示。因方案A、方案B、方案D、方案E及方案F的4節(jié)編組列車的停車點均在折返線中部，車尾均越過折返信號機約35 m，僅在實現(xiàn)方式上有所不同，因此其仿真結(jié)果差別并不大，這5個方案的仿真結(jié)果如圖7所示。方案C的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖6 原方案的仿真結(jié)果

從上述仿真結(jié)果可看出，采用方案A、方案B、方案D、方案E及方案F時，短編組列車均可停于預(yù)期位置，且與原方案相比，列車駛?cè)?、駛出折返線的走行距離減少了200 m，折返用時減少了17.4 s。采用方案C時，由于列車觸發(fā)了緊急制動，列車走行了445 m后被迫停車，車尾位于SL1信號機處，尚未越過折返信號機的應(yīng)答器組，導(dǎo)致后續(xù)折返作業(yè)尚需人工處理，列車自動折返失敗。

圖7 方案A、B、D、E及F的仿真結(jié)果

圖8 方案C的仿真結(jié)果

3 各方案優(yōu)缺點分析

綜合上述研究及仿真結(jié)果，各方案的優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 各方案優(yōu)缺點對比

4 結(jié)語

根據(jù)仿真結(jié)果，方案C未能實現(xiàn)預(yù)期的停車目標(biāo)，首先予以排除。其余方案均能實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，但考慮到CTCS的車載設(shè)備、聯(lián)鎖子系統(tǒng)及列控子系統(tǒng)是保障行車安全的核心，其功能確認(rèn)有著嚴(yán)格的測試及上道認(rèn)證流程，且為了實現(xiàn)與周邊線路的互聯(lián)互通，這些子系統(tǒng)宜采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不宜做出較大的改動。方案B、方案F對車載的修改較大，方案D對TCC的修改較大，方案D、E及F均需重新定義應(yīng)答器報文的編制規(guī)范。因此，本文推薦采用對信號系統(tǒng)修改最少、實現(xiàn)效果最好的方案——方案A。

雖然上述方案主要是為了縮短列車折返間隔、配合列車進行自動折返而采取的方案，但方案A同樣適用于無ATO的CTCS線路下人工駕駛列車折返的情況。方案A將在采用列車自動折返技術(shù)的上海市域鐵路機場聯(lián)絡(luò)線及后續(xù)其他的市域/都市圈城際鐵路上得以應(yīng)用。