單線鐵路CTCS-2級列控系統設計應用研究

袁俊喜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

列車運行控制系統是高速鐵路保證行車安全、提高列車運行效率的重要技術裝備，當列車速度超過160 km/h時，由于人的反應能力限制，以地面色燈信號顯示為行車憑證的方式已不能確保列車安全運行，應采用以車載設備為行車憑證的列車運行控制系統對列車運行速度、運行間隔進行實時監控和超速防護。

新建包銀鐵路銀川至巴彥浩特支線位于寧夏回族自治區銀川市境內與內蒙古自治區阿拉善盟境內，線路自銀川站南端在建銀西高鐵以線路所的方式分上下行引出，向北經巴潤別立鎮至終點巴彥浩特站。本線是一條以區際旅客交流為主，兼顧城際功能的客運鐵路，作為地區性客運主干線，主要承擔寧夏回族自治區以及蒙西主要城市進京的旅客交流。根據運量預測分析，本線采用單線能夠滿足客流需求，且時速200 km與相鄰線匹配較好，可實現動車組列車跨線運行，運輸質量高，因此，本線速度目標值采用200 km/h，按單線客運專線設計。

速度目標值為160 km/h單線鐵路采取雙接近的方式，車載設備采用LKJ(列車運行記錄監控裝置)+機車信號組成CTCS-0級列控系統。速度目標值200 km/h及以上復線鐵路均裝設了CTCS-2級或CTCS-3級列控系統[1]。對于包銀鐵路銀巴支線速度目標值200 km/h的單線鐵路列車運行安全控制目前沒有具體方案。TB 10007—2017《鐵路信號設計規范》規定設計速度160 km/h以上、250 km/h以下線路，采用CTCS-2列控系統[2]。CTCS-2級列控系統是基于軌道電路和應答器傳輸地-車間信息的點連式列車超速防護系統，能夠滿足200 km/h(或250 km/h)動車組上線安全運行。結合復線鐵路CTCS-2級列控系統應用經驗，對于包銀鐵路銀巴支線這種200 km/h及以上300 km/h以下的單線鐵路應采用CTCS-2列控系統監控列車運行。由于單線鐵路較復線鐵路從閉塞制式、運營模式等方面存在較多不同之處，應對CTCS-2級列控系統總體技術方案和特殊技術問題進行分析和研究。

2 單線CTCS-2級列控系統總體方案

為確保行車安全，必須向高速運行的列車發送控車信息，該信息根據先行列車的位置以及進路狀態，給出列車允許的速度信號，以此速度信號對列車實施超速防護。CTCS-2級列控系統是基于軌道電路和點式應答器傳輸列車運行許可信息，并采用目標-距離連續速度控制模式監控列車安全運行的列車運行控制系統[3]。車載設備根據動車組參數和地面軌道電路、應答器等提供的行車許可命令、線路參數、臨時限速信息，生成速度-距離模式曲線，產生行車憑證監控列車安全運行。

單線鐵路區間根據運輸能力要求一般采用自動站間閉塞，很少采用自動閉塞，原因是采用自動閉塞理論上雖可提高一定的通過能力，但需增加沿線部分車站股道數量，且成組追蹤列車在沿線進行交會，列車等待時間長，運輸質量低，列車追蹤運行對運輸組織的要求高、行車調度指揮較為復雜、靈活性較差，一旦晚點，恢復正常的運行圖秩序困難。實現自動站間閉塞必須設置區間占用/空閑檢查設備，目前主要采用軌道電路或計軸設備完成。CTCS-2級列控系統是基于軌道電路和點式應答器傳輸列車許可信息，按目標-距離連續速度控制曲線監控列車運行，即軌道電路區間貫通是CTCS-2級列控系統的必要條件。采用計軸自動站間閉塞由于區間不設軌道電路，不能滿足CTCS-2級系統功能需求，如要實現CTCS-2級列控系統，必須解決由于區間無軌道電路無法得知其目標距離和目標速度的問題，可增加新的CTCS應答器數據包，定義空閑授權數據包和空閑授權結束數據包，相應修改CTCS-2級列控系統車載軟件以及相關技術規范[6]，特別對跨線列車的運行帶來很大的影響，且工程實施需要試驗驗證。因此，在不突破現行規范規定，不修改列控車載設備的前提下，單線鐵路CTCS-2級列控系統總體技術方案應以區間軌道電路貫通為基礎，以行車牽引計算的閉塞分區作為碼序單元(以下閉塞分區均按此定義)進行構建，以實現250 km/h及以下的動車組按自動站間閉塞雙方向安全運行。

單線鐵路CTCS-2級列控系統由列控中心、軌旁電子單元、應答器、ZPW-2000系列軌道電路及信號安全數據網等設備組成，采用TSRS對臨時限速命令進行集中管理。其總體技術方案與雙線自動閉塞鐵路CTCS-2級列控系統大體相同，但在規范的執行上及閉塞設備僅控制列車(無追蹤)運行等方面存在一定的差異性，對于這些差異性特殊問題必須研究解決。

3 單線CTCS-2級列控系統特殊問題解決方案

3.1 臨時限速的管理

原則上與調度臺對應設置TSRS負責列控系統臨時限速命令的集中管理。對于復線鐵路，上下行線的每條線分別定義了正方向和反方向，臨時限速命令限速區起點與終點里程均按正方向設置。對于單線雙方向運行的鐵路，同樣需定義正方向與反方向，由于單線鐵路上、下行方向性質相同，所以，正反方向的定義可考慮按單線與之銜接的雙線鐵路直向貫通的線路方向一致。如銀巴支線單線區段的下行方向與良田線路所銜接的雙線區段直向貫通的下行線一致，則單線段銀巴支線下行方向為正方向，上行方向則為反方向，如圖1所示。相應的單線區段站內下行方向左側股道為下行側線，右側股道為上行側線。根據《客運專線列控系統臨時限速技術規范(V1.0)》(科技運[2008]151號)相關規定，區間及站內正線臨時限速按實際里程標設置，側線臨時限速可以上、下行側線分別(不含正線)按區設置[9]，臨時限速命令的線路號可按下行正線、下行側線、上行側線順序編號。

圖1 單線段運行方向示意

3.2 區間軌道電路

區間采用ZPW-2000系列電氣絕緣軌道電路，用于列車占用檢查和向車載提供碼序信息，以閉塞分區為發碼單元。由于沒有列車追蹤運行的行車組織要求，閉塞分區劃分可在牽引計算的基礎上充分考慮軌道電路極限長度，根據各閉塞分區的道床特性，將一個閉塞分區分隔成兩段或多段軌道電路以滿足TB/T 3206—2017《ZPW2000軌道電路技術條件》的規定[10]。閉塞分區的長度一般情況可按2 km設置。

關于區間軌道電路載頻配置，由于單線鐵路僅有一條正線，所以軌道電路的載頻只能是上行載頻或下行載頻。載頻的選擇應與所銜接的雙線直向貫通的線路軌道電路的載頻一致，如銀巴支線直向與雙線段下行線貫通，則單線段按1 700，2 300 Hz配置。這樣配置主要是考慮未裝備列控車載設備列車，由雙線段的上行線經良田線路所道岔的側向無碼區段運行時實現人工轉頻的因素。即：動車組由巴彥浩特運行至良田線路所，通過其進站口設置的有源應答器實現載頻切換后向上行聯絡線運行，未裝備列控車載設備列車由巴彥浩特運行至良田線路所，在道岔側向區段(無碼區)由司機手動進行載頻切換后向上行聯絡線運行，反之亦然。載頻配置如圖2所示。

圖2 載頻配置示意

3.3 應答器設置

應答器的設置應符合TB/T 3484—2017《列控系統應答器應用原則》的規定。同一區域內不同功能的應答器組宜合并設置，但不同方向作為發送線路數據的應答器組不宜合并設置，用于定位的應答器組可以共用，對于區間應答器組正向數據范圍應冗余覆蓋，丟失一個應答器組列車運行不受影響[11-12]。

3.3.1 區間應答器組

由于單線鐵路采用自動站間閉塞，參照復線鐵路反方向運行時區間應答器設置的規定，線路數據由進站口或中繼站處設置的應答器提供，當進站口或中繼站發送線路數據的無源應答器容量不能滿足要求(約大于10 km)時，可在區間上下行分別單獨設置反向區間應答器組。按此設置，從速度控制的角度區間可不再設置其他區間應答器組，但是，區間應答器[Q]還具有列車定位功能，特別是裝載C3列控系統車載設備的動車在C2線路上運行通過應答器定位和位置校正，如果區間不設應答器組，至少裝載C3列控系統車載設備的動車無法在C2線路上運行，部分C2列控系統車載設備的動車也無法運行。

裝配CTCS-3(兼容CTCS-2)列控系統功能車載設備的動車組以CTCS-2功能運行，通過鏈接的應答器組時，車載設備根據應答器鏈接信息修正測距誤差，并對列車的位置信息進行校正。因此，車載設備(如300S、300T、200C)邏輯上定義了相鄰應答器組之間的距離限值，當動車組按CTCS-2運行超過5 000 m沒有收到應答器信息時，則會觸發ATP由完全監控模式轉為部分監控模式運行，因此，CTCS-2級區段區間任意連續3組應答器組中，第一、第三組應答器組之間的距離大于5 000 m時，該兩組應答器組之間未設置區間應答器組的閉塞分區入口處應增設定位應答器組[11]。

圖3 區間應答器組設置示意(一)(單位：m)

基于上述分析，如果參照復線鐵路反方向運行時區間應答器設置原則，單線區段可采取在每個閉塞分區設置一個定位應答器的方案，即：線路數據由進站口(或中繼站處)設置的應答器及反向區間應答器組提供，定位數據由定位應答器提供，如圖3所示。本方案技術上是可行的，但也存在當反向區間應答器組[FQ]丟失或故障時列車由于缺失線路數據而制動停車的問題，另外，距離車站(或中繼站)約大于10 km設置一組反向區間應答器組不符合TB/T 3484—2017《列控系統應答器應用原則》關于相鄰反向區間應答器組[FQ]之間的距離“不宜大于3個閉塞分區”的規定[11]。因此，區間應答器組設計應按上下行兩方向分別間隔1個閉塞分區設置，用于向車載設備發送列車定位和線路坡度、線路允許速度、軌道區段及特殊區段等線路固定信息，如圖4所示。上下行兩個方向區間應答器組[Q]各自向車載發送線路數據。用于定位時不區分上下行，由于閉塞分區劃分在2 km左右，這樣丟失一個應答器組后相鄰應答器組之間的距離小于5 000 m，保證動車組的正常運行，同時，也為自動閉塞改造預留了條件。

圖4 區間應答器組設置示意(二)(單位：m)

3.3.2 中繼站應答器組

中繼站應答器組由兩組應答器組組成，每組分別由一個有源應答器和兩個無源應答器構成，用于發送臨時限速和線路數據。其中有源應答器根據區間方向發送應答器鏈接信息和臨時限速信息，第一組無源應答器發送反向(上行方向)線路數據，第二組無源應答器發送正向(下行方向)線路數據，如圖5所示。第二組無源應答器發送的里程信息(ETCS-79包)是雙向有效，所以按規定設置上述兩組應答器組滿足單線鐵路列車雙向運行的技術要求。

圖5 中繼站應答器組設置示意(單位：m)

3.3.3 自動過分相應答器組

自動過分相應答器組的設置與發送線路數據的應答器有關，由于區間應答器組結合上文均按上下行兩方向分別間隔一個閉塞分區設置，發送所管轄范圍內的線路數據，因此，設計時上、下行方向均按TB/T 3484—2017《列控系統應答器應用原則》規定的正向運行時自動過分相應答器的設置方式，分別設置3組應答器組發送分相信息[11]，如圖6所示。

圖6 自動過分相應答器組設置示意

3.3.4 其他應答器組

車站應答器組、等級轉換應答器組、大號碼應答器組等按照《列控系統應答器應用原則》(TB/T 3484-2017)相關規定進行設置，不再贅述。

4 結語

CTCS-2級列控系統相關技術標準、規范雖然沒有規定僅適用于雙線鐵路，但對于單線鐵路執行時又具有特殊性。通過對這些特殊技術問題的研究解決，在自動站間閉塞區間以設置連續軌道電路為基礎構建CTCS-2級列控系統，符合現行CTCS-2級列控系統技術規范規定，實現列車按最高運行速度200 km/h(或250 km/h)安全運行。

根據運輸需求，如果區間采用自動閉塞行車，區間可采用一個方向按自動閉塞設計，另一個方向按自動站間閉塞設計的方案，或者區間按雙方向自動閉塞設計的方案。無論哪種方案兩方向均應按追蹤碼序設計。區間一個方向按自動閉塞設計，另一個方向按自動站間閉塞設計的方案兩個方向區間閉塞標準不一致、行車能力不均，不利于運輸調度指揮和行車組織，優點是與目前運營的客專標準一致，相當于復線鐵路的一條線。區間按雙方向自動閉塞設計的方案類似于動車走行線，區別是動車走行線列車運行速度較低，一般最高運行速度為160 km/h，且不設區間中繼站。另外動車走行線一般在某些時段內密集到發，與干線鐵路運輸組織有所不同。無論哪種方案，軌道電路、應答器完成的功能與雙線自動閉塞CTCS-2級列控系統基本相同。

隨著列控技術的發展及列控標準體系的日趨完善，對于單線高速鐵路也可研究采用CTCS-4級列控系統方案。以車載為核心，基于北斗衛星列車精確定位，車地雙向無線通信構建列車運行控制系統，從而簡化列控系統的地面設備和軌旁設備，實現列車安全運行。目前CTCS-4級列控系統尚處于理論研究階段，如要工程應用需進行技術研究、標準制定、設備研發及系統試驗驗證等工作。CTCS-2級列控系統具有成熟的技術、完善的體系和豐富的運營經驗，因此，通過單線鐵路CTCS-2級列控系統應用研究，對單線鐵路列控系統構建、工程設計應用具有一定的參考價值和借鑒意義。