基于運營場景的 CTCS-3級列控系統功能需求分析

張新明 禹志陽 袁煥靖

*中國鐵道科學研究院通信信號研究所 副研究員,100081北京

**北京維修基地 高級工程師 (鐵道部C3技術攻關組成員)100860 北京

CTCS-3級列控系統由車載設備,GSM-R無線通信網絡,以及無線閉塞中心 RBC、臨時限速服務器、列控中心 TCC、軌道電路、應答器等地面設備構成。RBC與聯鎖、CTC等設備通信,獲取車站進路信息、列車運行信息和限速調度命令信息,通過 GSM-R無線網絡為控制區域內各列車提供行車許可、線路參數和臨時限速等信息。車載設備通過 GSM-R無線網絡向 RBC發送位置信息和列車數據,并根據 RBC提供的控車信息生成目標-距離模式曲線,監控列車安全運行。

CTCS-3級列控系統規范對運營場景進行了詳細描述,運營場景包括列車注冊與注銷、等級轉換、行車許可、調車、緊急情況處理、臨時限速、RBC切換等。

1 列車注冊與注銷

1.1 列車啟動

車載設備上電、自檢完成后進入待機模式。當非本務端車載設備處于休眠模式時 (駕駛臺未開啟),來自本務端的激活信號使其保持該模式。當關閉本務端駕駛臺,該激活信號失效,原先處于休眠模式的車載設備轉為待機模式。司機開啟本務端駕駛臺,其車載設備首先要求司機輸入或確認駕駛員識別號,同時輸出激活信號使駕駛臺關閉的非本務端由待機模式轉為休眠模式。如果車載設備處于調車模式,則司機選擇退出調車后,車載設備轉為待機模式。

1.2 列車注冊

車載設備用已經存儲的電話號碼呼叫無線閉塞中心 RBC,呼叫成功后,觸發通信會話初始化過程。車-地之間的通信會話建立后,車載設備向RBC發送 “SOM位置報告”;RBC對車載設備的識別信息進行注冊,并向車載設備發送行車許可申請參數和位置報告參數。RBC收到 “SOM位置報告”后,檢查位置報告的有效性。

1.3 列車發車準備

司機可以選擇調車模式或列車數據輸入。如果選擇了列車數據輸入,則輸入包括車次號在內的列車數據,車載設備向 RBC發送“驗證的列車數據”。RBC收到有效的列車數據后,對該列車數據進行注冊,之后向車載設備發送“列車數據的確認”。

1.4 列車發車

司機按壓 “啟動”按鈕后,車載設備向 RBC周期性發送 “行車許可申請”。

1.如果調度員無法為列車排列進路,RBC不能向車載設備發送行車許可,則司機可以有以下選擇:

1)選擇 “越行”,之后車載設備轉換到目視模式。

2)若RBC判斷出列車在站內且調車信號開放,可以申請調車。

2.如果調度員可以為列車排列進路,則分為以下幾種情況:

1)假設車載設備給RBC的位置報告是無效的、未知的或不確切的 (位置確切是指RBC能確定列車所處進路),RBC不能向車載設備發送行車許可,則司機選擇 “越行”,車載設備轉換到目視模式。

2)假設車載設備給RBC的位置報告是有效的、確切的,進路中的軌道故障占用,聯鎖辦理引導接、發車,則RBC向車載設備發送帶引導的行車許可。車載設備收到新的行車許可后,要求司機確認引導模式轉換,司機確認后車載設備轉到引導模式。

3)假設車載設備給RBC的位置報告是有效的、確切的,進路中的軌道空閑,車載設備在停車之前的模式是非完全監控模式,則RBC發送車頭到前方防護信號之間為引導模式,其余區段為完全監控模式的行車許可。

4)假設車載設備給RBC的位置報告是有效的、確切的,進路中的軌道空閑,車載設備在停車之前的模式是完全監控模式,列車發車方向與停車前的運行方向一致,則RBC向車載設備發送完全監控模式的行車許可。

5)假設車載設備給RBC的位置報告是有效的、確切的,進路中的軌道空閑,列車發車方向與停車前的運行方向相反,則RBC發送車頭到前方防護信號之間為引導模式,其余區段為完全監控模式的行車許可。

1.5 列車運行

列車在目視模式下行駛時,讀到一個含方向信息的應答器組后,車載設備向RBC發送有效的位置報告。如果先前收到的SOM位置報告是無效或未知的,則RBC向車載設備發送配置參數信息。RBC收到有效的位置報告后,若無法確定列車所處進路,則不發行車許可,或者能夠給出帶引導模式的行車許可,或者能夠給出完全監控模式的行車許可。

1.6 列車注銷

列車停止,司機關閉駕駛臺,車載設備進入待機模式,并向RBC發送 “任務結束”。RBC命令車載設備關閉通信會話,車載設備觸發通信會話結束流程。通信會話結束后,RBC刪除對車載設備的注冊信息。

在未執行正常的通信會話結束流程的情況下,若RBC在 5 min內未收到來自車載設備的信息,即認為與車載設備的通信會話結束。

1.7 關閉列車電源

車載設備斷電后,除最后使用的工作等級、連接RBC所需要的信息外,其他列控信息均為無效。

2 等級轉換

2.1 CTCS-2級向CTCS-3級轉換

列車經過無線通信鏈接點時,車載設備觸發通信會話初始化流程。

通信會話建立后,車載設備發送“驗證后的列車數據”。RBC對列車數據和有效位置進行注冊,并向車載設備發送行車許可請求參數和位置報告參數,然后發送“列車數據確認”和“配置參數”。

車載設備收到 “列車數據確認”后,向RBC發送 “位置報告” “行車許可申請”或 “結束任務”等信息,并接收來自于RBC的控車信息。

RBC收到配置參數的確認后,開始向車載設備發送行車許可。車載設備保存行車許可以便在轉換到 CTCS-3級后使用。

當列車接收到等級轉換預告信息后,進入轉換確認區,如果滿足等級轉換的條件 (車-地之間的通信會話已經建立,車載收到等級轉換命令和越過轉換執行點的 CTCS-3級完全監控行車許可),則車載設備要求司機確認等級轉換。列車經過轉換執行點,如果滿足等級轉換的條件,則轉換到 CTCS-3級;否則繼續在 CTCS-2級下運行。

2.2 CTCS-3級向 CTCS-2級轉換

當列車經過轉換預告點后,接收到應答器中的“等級轉換”信息。列車經過轉換執行點后,完成CTCS-3級到 CTCS-2級的轉換。列車最小安全末端越過等級轉換邊界后 (根據來自于車載的位置報告信息或來自于聯鎖的占用信息),RBC命令車載設備與自己中斷通信會話。車載設備收到該命令后,觸發通信會話結束流程。

2.3 無線通信中斷引發 CTCS-3級向 CTCS-2級轉換

車載設備和RBC之間的安全通信會話建立后,如果在 20 s內車載設備未收到RBC的信息,即認為通信超時且立即實施最大常用制動。當列車速度降低到 CTCS-2級允許速度后,經司機確認可以切換到 CTCS-2級工作。如果司機不確認等級轉換或CTCS-2級設備不能正常工作,則車載設備在CTCS-3級下繼續實施最大常用制動到停車。停車后車載設備自動將行車許可縮短到當前車頭位置。

3 行車許可

3.1 CTC、聯鎖、列控中心、軌道電路、RBC之間的關系

聯鎖根據 CTC的辦理進路申請以及自身的邏輯 (聯鎖依據的站內、接近區段、離去區段的軌道占用信息來自于軌道繼電器或列控中心),控制車站進路的鎖閉/解鎖與信號的開放/關閉。

列控中心將區間進路信息 (區間進路就是閉塞分區,其信息包括:占用/空閑、閉塞分區編號等)傳送給聯鎖。聯鎖將站內進路信息 (包括:站內進路的鎖閉 /解鎖、占用/空閑、信號開放/關閉、進路類型、進路編號、信號降級狀態等)、區間進路信息以及進路授權信息 (進路授權、進路使用、無進路)傳送給RBC。RBC利用來自于聯鎖的進路授權信息確定向車載設備發送的行車許可范圍。

在RBC中,可以將所有進路歸結為 3種狀態:有車占用、空閑但有行車許可涉及該閉塞分區和空閑且無行車許可涉及該閉塞分區。

3.2 聯鎖的解鎖過程

聯鎖采用逐段解鎖的方式且其解鎖不受RBC控制。

3.2.1 正常解鎖

1.聯鎖辦理接車進路,聯鎖向RBC發送 “接車進路授權”,列車依次占用進路中的各區段,聯鎖發送 “接車進路使用”,當列車完全進入股道后,股道之前的區段已經逐段解鎖完畢。之后的場景分以下 2種情況:①如果聯鎖未辦理對應的發車進路 (單接車),則股道列車停穩計時 40 s后,股道解鎖,聯鎖發送 “接車進路無進路”;②如果聯鎖已經辦理對應的發車進路 (先接車后發車),則參考以下 2.的流程。

2.當列車在股道停車后,聯鎖辦理單發車進路,聯鎖向RBC發送 “股道 +發車進路授權”,或列車在接車股道未解鎖時,聯鎖辦理發車進路,聯鎖向RBC發送 “發車進路授權”,列車依次占用發車進路中的各區段,聯鎖發送 “發車進路使用”,并出清股道 (在單發車時,聯鎖發送 “股道無進路”;在先接車后發車時,聯鎖發送 “接車進路無進路”),當列車完全越過離去區段后,發車進路中的各區段逐段解鎖完畢,聯鎖發送 “發車進路無進路”。

3.2.2 人工解鎖

定義進站信號機外方的接近區段滿足列車由CTCS-3級最高速度常用制動到停車所需要的制動距離,同時考慮相關的最不利通信時延。當列車尚未進入接近區段時,采用進路取消方式解鎖接車進路;當列車已經進入接近區段時,采用人工 3 min延時解鎖接車進路。

3.3 行車許可延伸

當列車到達模式曲線指示限之前的一定距離時,車載設備開始周期性向RBC發送 “行車許可申請”。RBC判斷前方區間軌道區段空閑或站內信號開放,則向車載設備發送延伸后的行車許可。

3.4 停車后列車數據更改

司機更改列車數據 (例如列車完成重聯、摘解作業,或者更改司機號、車次號)后,車載設備自動將行車許可和線路參數描述縮短到當前車頭,并向RBC發送除司機號以外的其他列車數據。RBC對收到的新 “列車數據”進行注冊,并給車載設備發送 “列車數據的確認”。車載設備在收到“列車數據的確認”之后,向RBC發送行車許可申請。

3.5 列車自動過分相區

在行車許可中描述其范圍內的分相區。當列車前端距分相區有 10 s的走行距離時,車載設備向司機輸出提示信息;當列車前端受電弓距分相區有3s的走行距離時,觸發動車組過分相操作 (落下受電弓、關閉主電源);當列車前端受電弓越過分相區后,取消過分相操作。如果動車組采用其他受電弓,則動車組應具備調整觸發時機的功能。

4 調車

RBC工程數據中,在車站內劃分出允許調車的區域。允許調車的區域的邊界設置含 “調車危險”信息的應答器。

4.1 調車作業

司機根據調度員指示選擇調車模式,車載設備向RBC發送 “申請調車”。RBC根據 “申請調車”中的 “位置報告”判斷列車是否在允許調車的區域內:①如果列車不在允許調車的區域內,則RBC向車載設備發送 “拒絕車載的調車請求”;②如果列車在允許調車的區域內,則RBC將該列車注冊為調車單元,之后向車載設備發送 “同意車載的調車請求”。

車載設備收到 “同意車載設備的調車請求”后,進入調車模式,刪除車次號以外的其他列車信息,并向RBC發送 “任務結束”。RBC收到 “任務結束”后,命令調車單元關閉通信會話。之后車載設備發起結束通信會話的流程,司機根據地面調車信號進行調車作業。調車作業結束后,司機選擇退出調車模式,車載設備轉入待機模式,重新進行啟動、注冊等過程。

4.2 調車模式下列車冒進

當列車在調車模式下收到應答器中的 “調車危險”時,車載設備進入冒進模式。進入冒進模式后,經司機確認,車載設備進入冒后模式,這時司機可以選擇調車模式或列車數據輸入。

5 緊急情況處理

5.1 列車所在閉塞分區出現緊急情況

列車已經獲得了涉及前方進路的行車許可,而列車所在的閉塞分區出現軌道故障占用或道岔失去表示,RBC對此情況不做反應。

5.2 列車前方閉塞分區出現緊急情況

列車已經獲得了涉及前方某進路的行車許可,該進路出現軌道占用或道岔失去表示時,對于處于引導或完全監控模式下的列車,RBC發送 CEM(控車監督點為該進路的防護信號);對于處于目視模式的列車,RBC不做反應。

如果是本列車占用,則車載設備忽略 CEM;如果是其他情況,則車載設備按緊急停車點控車。車載設備收到 CEM后,向RBC發送 “緊急停車命令的確認”。如果前方的緊急狀態取消,則RBC向車載設備發送 “撤消緊急停車”,之后若車載設備未發生冒進,則可以接受新行車許可。

5.3 人工解鎖接、發車進路

列車運行前方的接車或發車進路開放,當前行車許可已經涉及該進路,防護信號因進路取消或人工解鎖操作而關閉,則RBC向車載設備發送強制縮短行車許可 (控車監督點為該關閉的防護信號)。

5.4 區間停車后的越行與目視行車進出站

列車停在發生軌道故障占用的區間閉塞分區防護信號的外方,或者站內發生道岔失去表示,司機按壓 “越行”按鈕,車載設備進入目視模式。

RBC根據來自于車載設備的位置報告判斷出最小安全前端已經越過發生故障的閉塞分區,根據來自于聯鎖的信息判斷出發生軌道故障占用的閉塞分區之后的軌道被占用,而且RBC獲得這 2種信息的時間差在 6 s以內,則RBC根據前方進路情況,可以向車載設備發送完全監控行車許可。

5.5 在進站信號機外方或股道停車后的引導接發車

站內發生軌道故障占用,調度員辦理引導接、發車進路,RBC向車載設備發送接、發車進路為引導模式,其他區段為完全監控模式的行車許可。

5.6 無條件緊急停車 (UEM)

RBC根據調度員命令或來自于報警傳感器的信息,向車載設備發送 UEM。車載設備收到 UEM后,把當前行車許可和相關線路參數描述縮短到車頭位置,并立刻進入冒進模式且緊急制動。UEM適用于處于目視、引導或完全監控模式下的列車。

5.7 列車最小安全前端越過 EOA后引發的冒進

列車最小安全前端越過 EOA后,車載設備進入冒進模式,刪除當前行車許可和線路參數描述。列車停穩后,司機確認冒進,車載設備緩解緊急制動,轉到冒后模式。RBC收到車載設備轉入冒后模式的位置報告后,向車載設備發送 “確認退出冒進模式”。如果不是由緊急停車命令引發的冒進,則車載設備收到 “確認退出冒進模式”后,允許司機選擇啟動或調車。如果是由緊急停車命令引發的冒進,則車載設備收到 “確認退出冒進模式”和 “撤消緊急停車”后,允許司機選擇啟動或調車。

6 臨時限速

6.1 臨時限速的設置

在列車當前行車許可范圍以外存在臨時限速區時,則RBC在向車載設備發送新的行車許可中包含 “臨時限速設置”。

列車運行前方的臨時限速已經設置成功 (RBC已經在給車載設備發送的行車許可中對該臨時限速進行了描述,并且收到對應的確認信息),如果行車許可發生延伸或縮短,而且延伸或縮短后的行車許可范圍仍然涉及該臨時限速區,則延伸或縮短后的行車許可中仍然包含該 “臨時限速設置”。

6.2 臨時限速的取消

在列車當前行車許可范圍以內存在臨時限速區,當取消臨時限速的調度命令通過限速服務器下達到RBC時,則RBC向車載設備發送含 “取消臨時限速”的通用信息。RBC需要縮短行車許可(強制縮短行車許可、有條件緊急停車且被車載接受、無條件緊急停車),且縮短后的行車許可不再涉及臨時限速,則RBC在向車載設備發送縮短行車許可的信息后,又向車載設備發送含 “取消臨時限速”的通用信息。列車改變運行方向后,先前收到的原運行方向上的臨時限速信息自動失效。

7 RBC切換

“移交RBC”和 “接收RBC”的管轄范圍有重疊,2個RBC能夠各自獨立獲得重疊區的鏈接、進路、線路參數、臨時限速、等級轉換和緊急停車命令等信息。

7.1 車載雙電臺工作時的RBC切換

列車越過切換預告點后,向 “移交RBC”發送位置報告。“移交RBC”據此向車載設備發送切換命令。車載設備收到切換命令后,開始嘗試與“接收RBC”建立通信會話。

車載設備與 “接收RBC”建立通信會話后,向RBC發送 “驗證后的列車數據”。 “接收RBC”對列車數據和有效位置進行注冊,并向車載設備發送行車許可請求參數和位置報告參數,然后發送“列車數據確認”和 “配置參數”。

車載設備收到來自于 “接收RBC”的 “列車數據確認”后,開始向 “接收RBC”發送 “行車許可申請”,直到獲得行車許可并將其保存。之后車載設備向 2個RBC發送位置報告、行車許可申請等信息,并接收來自于 2個RBC的控車信息。

當列車最大安全前端越過切換邊界點時,車載設備采用 “接收RBC”的信息控車。當 “移交RBC”判斷列車最小安全末端已經越過切換邊界點時,命令車載設備與本 “移交RBC”結束通信會話。

在列車最大安全前端越過切換邊界點之前,如果 2個RBC因緊急情況各自發送 SMA、CEM和UEM信息使行車許可縮短到切換邊界點之前,或者收到來自于車載設備的結束任務信息,表明切換過程將被中途取消,“接收RBC”命令車載設備與本RBC結束通信會話。待啟動切換過程的條件重新具備后,“移交RBC”再次向車載設備發送切換命令。

在列車最大安全前端越過切換邊界點之后,不允許取消切換過程。

7.2 車載單電臺工作時的RBC切換

車載設備收到來自于 “移交RBC”的切換命令后,當 “移交RBC”判斷列車最小安全末端已經越過切換邊界點時,命令車載與本RBC結束通信會話,之后車載設備嘗試與 “接收RBC”建立通信會話。

若 40 s內車載設備未與 “接收RBC”建立起通信會話,按無線通信超時處理。與 “接收RBC”的通信會話建立后,車載設備與RBC之間的信息交換與前面雙電臺的情況類似。

8 結束語

本文對適合中國鐵路運輸特點的 CTCS-3級列控系統功能需求中的一些特點進行了介紹,希望對CTCS-3級列控系統的研究、運用和維護提供一定的幫助與參考。

[1］ 鐵道部科技司.CTC S技術規范總則(暫行).北京:中國鐵道出版社,2004.

[2］ 鐵道部科技司運輸局.CTCS-3級列控系統功能需求規范(F R S)(V 0.1).2008,8.

[3］ 鐵道部科技司運輸局.CTCS-3級列控系統總體技術方案(V 0.1).2008,3.