高鐵聯(lián)絡(luò)線不利條件下CTCS3-CTCS2等級轉(zhuǎn)換方案研究

盧佩玲,郝 韜,徐 強

(中國鐵道科學(xué)研究院集團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)線進行C3向C2等級轉(zhuǎn)換時[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)換點的設(shè)置方式進行深入的研究，以保證列車在經(jīng)過等級轉(zhuǎn)換點時的平穩(wěn)運行。本文將結(jié)合現(xiàn)場的實際案例，對存在聯(lián)絡(luò)線長度過短、經(jīng)大號碼道岔側(cè)向運行等不利條件時C3-C2等級轉(zhuǎn)換設(shè)置的設(shè)計方案及注意事項進行探討。

1 C3-C2等級轉(zhuǎn)換分析

1.1 C3-C2等級轉(zhuǎn)換原理

為實現(xiàn)列車從C3區(qū)域駛?cè)隒2區(qū)域時的不停車自動轉(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信息重新計算控車曲線，以保證列車運行通過C3-C2等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行點時，列車運行速度不高于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)換點的C2目標(biāo)速度等信息重新計算控車曲線，以保證列車在等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行點的列車速度滿足進行等級轉(zhuǎn)換的要求[8]。列車通過等級轉(zhuǎn)換點且運行速度滿足C2等級要求后，列車自動轉(zhuǎn)為C2等級運行[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)換過程中計算控車曲線時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“實時速度控制”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)換點的C2目標(biāo)速度，并以該速度作為C3-C2等級轉(zhuǎn)換點的目標(biāo)速度計算控車曲線[11]。

(2)“實時速度控制”方式

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

1.3 C3-C2等級轉(zhuǎn)換點設(shè)置

為保證列車平穩(wěn)運行，在設(shè)計C3-C2等級轉(zhuǎn)換點時應(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點后，因C2控車信息的計算，導(dǎo)致列車實際的控車曲線產(chǎn)生突降，進而引起列車制動[12-13]。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，在等級轉(zhuǎn)換點設(shè)置時應(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]。在列車正線運行的情況下，行車許可信息可覆蓋前方7個閉塞分區(qū)(L5碼)，按每個閉塞分區(qū)2 km計算，最遠可以向車載發(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行，因此在設(shè)置C3-C2等級轉(zhuǎn)換點時，主要考慮對列車在C2、C3級下運行的最高允許速度差進行防護[17]。

在動車組列車經(jīng)有直股發(fā)車條件的側(cè)線進路運行的情況下，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)答器報文容量限制，臨時限速信息的有效范圍只描述到前方延續(xù)臨時限速的應(yīng)答器(一般為前方反向進站應(yīng)答器)并延伸80 m，此時C2系統(tǒng)向車載設(shè)備提供的臨時限速信息有效范圍遠小于C3系統(tǒng)(圖2)，只有列車通過前方延續(xù)臨時限速的應(yīng)答器后，C2車載設(shè)備才能對前方區(qū)間的臨時限速信息進行更新。

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

2.2 臨時限速處理差異

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

C2系統(tǒng)在處理臨時限速時，在辦理正線進路的情況下，可以對于區(qū)間的臨時限速實現(xiàn)精確預(yù)告，在辦理側(cè)線進路時，出站應(yīng)答器(含辦理有直股發(fā)車條件的接車進路的進站應(yīng)答器)受報文容量限制，對臨時限速的描述進行了合并處理，在進路的臨時限速檢查范圍內(nèi)(最遠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，C2系統(tǒng)會在出站應(yīng)答器報文中將臨時限速有效范圍縮短至出站口+80 m，并描述為全進路限速[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限速信息。與C3系統(tǒng)相比，造成了臨時限速起點的提前及臨時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)向的進路時，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)送大號碼道岔報文[19]，實現(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限速，或在區(qū)間反向運行等情況下，均會停止發(fā)送大號碼道岔報文，此時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)前實際限速情況控制列車運行，提高了運行效率，也導(dǎo)致了在C2系統(tǒng)因列車占用或臨時限速等情況停止發(fā)送大號碼道岔包時，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)計算的速度曲線不同。

圖4 大號碼道岔檢查范圍內(nèi)臨時限速C2、C3控車曲線差異

3 C3-C2等級轉(zhuǎn)換點設(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)換點的設(shè)置方案進行舉例分析。

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管轄范圍終點為車站A股道出站信號機，列車由正線向聯(lián)絡(luò)線運行時，需要進行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個閉塞分區(qū)。

圖5 線路情況示意(單位：m)

在區(qū)間無限速時，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)線進路時，BTS有源應(yīng)答器中描述的臨時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點后，無法獲取ZX3-2點的C2限速信息，此時，采用了“目標(biāo)速度控制”控車曲線計算邏輯的車載設(shè)備會按ZX3-2點處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)置方案進行了分析及仿真測試。針對不設(shè)置YG3-2點且使用BTXLF/B4296/B4290/BS作為ZY3-2點、使用BTS/BTXLF/B4296作為YG3-2點且使用B4290/BS作為ZX3-2點等設(shè)置方案，分別測試了車站A各進路條件下、線路各限速條件下不同車型通過等級轉(zhuǎn)換點時的運行情況。

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，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)送允許通過報文(見2.3節(jié))，BTS應(yīng)答器發(fā)送全進路限速80 km/h報文，此時C2級車載將按線路所進路范圍+尾部保持范圍內(nèi)運行速度80 km/h控車。因限速位置距離線路所較遠，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級車載運行，此時C2/C3控車曲線情況如圖7所示。

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

此時，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點時，采用“實時速度控制”控車曲線計算邏輯的車載設(shè)備，會因為C2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，會存在同樣問題。

(2)C2/C3防護距離不一致

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

圖8 下一站未辦理接車進路情況下C2/C3控車曲線示意(單位：m)

在車站A未辦理接車進路時，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點時(由于BTS/BTXLF/B4296應(yīng)答器均不能用于YG3-2點，因此以B4290/BS應(yīng)答器作為ZX3-2點時不設(shè)置YG3-2點)，車載設(shè)備在越過ZX3-2時會因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)進路或側(cè)線接車進路時，也存在類似問題。

3.3 解決方案

通過以上分析及試驗，排除了BTS/BTXLF/B4296應(yīng)答器用于YG3-2點，B4290/BS應(yīng)答器用于ZX3-2點的可能性。在不對應(yīng)答器設(shè)置或RBC管轄范圍進行調(diào)整的前提下，為滿足在聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)C3-C2等級轉(zhuǎn)換的運營需要，最終選用線路TS信號外方的B3072應(yīng)答器作為YG3-2點，聯(lián)絡(luò)線B4296應(yīng)答器作為ZX3-2點，同時將辦理側(cè)線進路時BTS應(yīng)答器中C2包臨時限速有效區(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文發(fā)送條件時，由于TS信號機處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)答器中臨時限速有效區(qū)段長度，使車載設(shè)備能在經(jīng)過TS信號機時獲取ZX3-2點完整的C2控車信息，防止車載設(shè)備按45 km/h打靶時因制動距離不足產(chǎn)生制動。

該方案YG3-2距離線路所進站信號距離較遠，且前方進路不唯一，存在列車收到C3-C2等級轉(zhuǎn)換信息后，線路所變更進路，導(dǎo)致等級轉(zhuǎn)換信息失效的風(fēng)險，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)線路所進路的辦理情況，判斷行車許可是否延伸越過C3-C2執(zhí)行點而主動向車載發(fā)送等級轉(zhuǎn)換信息。

3.4 測試驗證

為驗證方案的可行性，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行了測試驗證，確認各車型在各場景下均可正常通過等級轉(zhuǎn)換點，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，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)換點時的注意事項進行了以下總結(jié)。

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

(2)不宜將距離進站信號較近的應(yīng)答器組作為ZX3-2點。

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

(4)若設(shè)置等級轉(zhuǎn)換點的線路過短時，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)換點的布置。

4 結(jié)語

作為高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)的重要功能，C3-C2等級轉(zhuǎn)換點的合理設(shè)計在工程應(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)向運行等不利線路條件下C3-C2等級轉(zhuǎn)換的方案進行了研究、測試，總結(jié)了在不利線路條件下等級轉(zhuǎn)換點設(shè)置時應(yīng)特殊考慮的注意事項，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)換點的設(shè)置條件，為高速鐵路C3-C2等級轉(zhuǎn)換的工程設(shè)計提供了借鑒與支撐。