CTCS制式下短編組列車自動(dòng)折返快速停車方案研究*

符 萌 林 強(qiáng) 楊 俐 韓永強(qiáng)

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(jí)工程師)

0 引言

目前國內(nèi)的動(dòng)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(jìn)行列車折返作業(yè)時(shí)，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(jìn)行站后折返。

在CTCS(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng))信號(hào)制式下，不同編組的列車在進(jìn)入折返線進(jìn)行站后折返時(shí)，均以前方阻擋信號(hào)機(jī)(信號(hào)機(jī)前預(yù)留了一定的安全防護(hù)距離)作為打靶點(diǎn)。對(duì)于短編組列車而言，若不采取一定的特殊設(shè)計(jì)，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(dòng)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(yùn)行速度40 km/h計(jì)算，則多走行約18 s，造成列車折返時(shí)間的浪費(fèi)。因此，為縮短列車折返時(shí)間，需實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：短編組列車進(jìn)入折返線后宜盡快停車，車尾宜盡量靠近折返信號(hào)機(jī)。在考慮應(yīng)答器組的設(shè)置后，可將車尾與折返信號(hào)機(jī)的距離設(shè)為30～35 m。

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

在CTCS信號(hào)制式下，目前仍不能實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)折返功能，文獻(xiàn)[1]對(duì)CTCS制式下如何實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)折返功能進(jìn)行了一定的探討，但尚未見有文獻(xiàn)對(duì)短編組列車的快速停車方案進(jìn)行研究。本文重點(diǎn)研究CTCS信號(hào)制式下短編組列車自動(dòng)折返時(shí)的快速停車方案。

1 短編組列車自動(dòng)折返快速停車方案

目前對(duì)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(dòng)車組，較少使用16節(jié)編組、17節(jié)編組動(dòng)車組或8節(jié)編組+8節(jié)編組重聯(lián)動(dòng)車組。為此，本文對(duì)地面設(shè)備布置進(jìn)行研究時(shí)，以動(dòng)車組采用4節(jié)編組、8節(jié)編組為例進(jìn)行分析，提出了6個(gè)研究方案。為便于描述，將列車進(jìn)入折返線時(shí)的激活端稱為A端，另一端(即列車駛出折返線時(shí)的激活端)稱為B端。

本文將沒有進(jìn)行特別設(shè)計(jì)以縮短短編組列車停車耗時(shí)的常規(guī)設(shè)計(jì)方案稱為“原方案”。以圖1所示的典型站場(chǎng)為例，原方案下列車進(jìn)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(shí)施換端作業(yè)后從折返線駛出。在此基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究列車站后自動(dòng)折返時(shí)折返線信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器等軌旁設(shè)備的優(yōu)化布置，以及信號(hào)車載設(shè)備、列車運(yùn)行控制(以下簡(jiǎn)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(jìn)路信號(hào)機(jī)；SL1、SL2表示折返發(fā)車進(jìn)路信號(hào)機(jī)；X5、X6表示盡頭阻擋信號(hào)機(jī)；2#、4#、6#、8#均為道岔編號(hào)。

1.1 方案A：折返線中間設(shè)分隔信號(hào)機(jī)

如圖2所示，方案A采用了類似動(dòng)車所的一線兩列位方案，即在折返線中間設(shè)紅藍(lán)白分隔信號(hào)機(jī)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(jì)。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(gè)折返線。

注：XF1、XF2表示股道分隔信號(hào)機(jī)；DW表示定位應(yīng)答器組。

1.1.1 信號(hào)機(jī)設(shè)置

在AM(自動(dòng)駕駛模式)下，動(dòng)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(shí)列車不能采用SH(調(diào)車)模式，因此折返線上的信號(hào)機(jī)均按列車信號(hào)機(jī)進(jìn)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(jìn)路信號(hào)機(jī)SL1、SL2。折返線中間設(shè)置紅藍(lán)白三燈位信號(hào)機(jī)XF1、XF2，用以分隔股道。阻擋信號(hào)機(jī)X5、X6設(shè)于折返線盡頭處，采用三燈位信號(hào)機(jī)，常亮紅燈，另外兩燈位封閉?？紤]到X5、X6信號(hào)機(jī)常亮紅燈，為減少電纜、信號(hào)機(jī)等設(shè)備，減少維修工作量，也可將這2個(gè)信號(hào)機(jī)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(gè)有源應(yīng)答器和1個(gè)無源應(yīng)答器組成的發(fā)車進(jìn)路信號(hào)機(jī)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(gè)有源應(yīng)答器和1個(gè)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(chǎng)工程情況調(diào)整)。

在盡頭阻擋信號(hào)機(jī)X5、X6(或停車標(biāo)志牌)處設(shè)置2個(gè)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(duì)停車報(bào)文。為減少測(cè)速、測(cè)距誤差，提高列車的停車精度，考慮在每個(gè)區(qū)段中間設(shè)置1個(gè)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(diǎn)的距離。

1.1.3 其他配套設(shè)計(jì)

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

4節(jié)編組列車進(jìn)入1G1/2G1停穩(wěn)后，若信號(hào)車載設(shè)備自動(dòng)換端結(jié)束時(shí)折返進(jìn)路尚未辦理完畢，此時(shí)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(shí)，要求A端車載將載頻信息傳遞給B端車載，并進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)是對(duì)各信號(hào)系統(tǒng)軟件的修改較少。方案A的缺點(diǎn)是地面設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜，且車載換端后折返進(jìn)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(shí)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(diǎn)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(hào)機(jī)，但為了使軌道電路發(fā)碼方向能及時(shí)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(shí)需要占?jí)?段軌道電路。

圖3 方案B下軌旁設(shè)備布置示意圖

對(duì)于具備自動(dòng)折返功能的車載設(shè)備，在列車進(jìn)入自動(dòng)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(diǎn)位置，并自動(dòng)計(jì)算控制列車停于預(yù)定位置。4節(jié)編組列車可將打靶點(diǎn)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(diǎn)是：① 地面設(shè)備布置較為簡(jiǎn)單，列車可停于預(yù)期設(shè)計(jì)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(jìn)路。方案B的缺點(diǎn)是：① 對(duì)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(duì)于具備自動(dòng)折返功能的車載設(shè)備，列車進(jìn)股道停車時(shí)因車載無法區(qū)分所進(jìn)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(shí)車頭無法對(duì)準(zhǔn)站臺(tái)端部的預(yù)期停車點(diǎn) ，這給運(yùn)營帶來了極大的不便。此時(shí)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(jìn)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(dòng)

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(shí)仍可接收軌道電路載頻低頻信息及應(yīng)答器報(bào)文(但不進(jìn)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(hào)判斷是否已進(jìn)入折返線。如已進(jìn)入，則開始輸出常用制動(dòng)，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(diǎn)是：① 地面設(shè)備布置簡(jiǎn)單；② 不需要CTC根據(jù)列車編組的不同辦理不同的長短進(jìn)路。方案C的缺點(diǎn)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(duì)車載設(shè)備進(jìn)行改造開發(fā)；② 列車越過SL1/SL2信號(hào)機(jī)后才開始制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)機(jī)太遲，很可能會(huì)觸發(fā)列車緊急制動(dòng)。

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(bào)文時(shí)，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(hào)機(jī)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(shí)限速服務(wù)器)向TCC發(fā)送信息。列車編組數(shù)不同時(shí)，TCC發(fā)出不同的報(bào)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(jìn)行停車。

注：JD表示精確定位應(yīng)答器組。

方案D的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)的問題。方案D的缺點(diǎn)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(dòng)運(yùn)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(duì)有源應(yīng)答器的報(bào)文編制重新進(jìn)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(diǎn)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?；诜桨窪存在的缺點(diǎn)，方案E進(jìn)行了改進(jìn)：【CTCS-13】仍寫入有源應(yīng)答器中，在列車往折返線發(fā)車時(shí)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備在聯(lián)鎖表中寫2條一樣的進(jìn)路，并給這兩條進(jìn)路分配不同的進(jìn)路號(hào)，TCC的進(jìn)路信息表中也對(duì)應(yīng)這2條進(jìn)路。CTC根據(jù)列車編組數(shù)的不同(需對(duì)既有CTC及接口進(jìn)行修改)辦理不同進(jìn)路號(hào)的進(jìn)路。TCC根據(jù)進(jìn)路號(hào)的不同控制有源應(yīng)答器，使之發(fā)送不同的停車位置報(bào)文。

與方案D相比，方案E的優(yōu)點(diǎn)是TCC及車載的軟件均不需修改。方案E的缺點(diǎn)是：①仍需對(duì)寫入【CTCS-13】的有源應(yīng)答器報(bào)文的編制重新進(jìn)行定義；②根據(jù)列車編組數(shù)的不同排列不同的進(jìn)路，需要對(duì)CTC軟件及接口進(jìn)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(gè)位置，其中：4節(jié)編組列車對(duì)應(yīng)折返線中間位置，8節(jié)編組列車對(duì)應(yīng)折返線盡頭位置。車載設(shè)備收到應(yīng)答器報(bào)文后，根據(jù)列車編組數(shù)選擇使用對(duì)應(yīng)報(bào)文。

方案F將【CTCS-13】寫入無源應(yīng)答器中，符合應(yīng)答器報(bào)文編制規(guī)范，但寫2個(gè)停車位置的做法與國家鐵路中應(yīng)答器報(bào)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(bào)文，需修改車載設(shè)備軟件。

2 實(shí)驗(yàn)室仿真結(jié)果分析

本文搭建了仿真平臺(tái)，對(duì)上述6個(gè)方案進(jìn)行仿真模擬。為了得到更好的對(duì)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(duì)比范疇。

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真時(shí)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(dòng)車組的參數(shù)：① 列車長度為100.5 m；② 動(dòng)拖比采用3動(dòng)1拖；③ 列車在0～40 km/h時(shí)的起動(dòng)加速度為1.0 m/s2，列車160～0 km/h時(shí)的常用制動(dòng)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(shí)，車頭距離X3信號(hào)機(jī)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(hào)道岔，列車側(cè)向過岔時(shí)限速45 km/h。

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

2.2 仿真結(jié)果

各方案的仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 各方案的仿真結(jié)果對(duì)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(diǎn)均在折返線中部，車尾均越過折返信號(hào)機(jī)約35 m，僅在實(shí)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(gè)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(shí)，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)搿Ⅰ偝稣鄯稻€的走行距離減少了200 m，折返用時(shí)減少了17.4 s。采用方案C時(shí)，由于列車觸發(fā)了緊急制動(dòng)，列車走行了445 m后被迫停車，車尾位于SL1信號(hào)機(jī)處，尚未越過折返信號(hào)機(jī)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(dòng)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(diǎn)分析

綜合上述研究及仿真結(jié)果，各方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)語

根據(jù)仿真結(jié)果，方案C未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的停車目標(biāo)，首先予以排除。其余方案均能實(shí)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(cè)試及上道認(rèn)證流程，且為了實(shí)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(dòng)。方案B、方案F對(duì)車載的修改較大，方案D對(duì)TCC的修改較大，方案D、E及F均需重新定義應(yīng)答器報(bào)文的編制規(guī)范。因此，本文推薦采用對(duì)信號(hào)系統(tǒng)修改最少、實(shí)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(jìn)行自動(dòng)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(dòng)折返技術(shù)的上海市域鐵路機(jī)場(chǎng)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。