適用于機車的列控系統研究

劉鴻飛

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

國內既有普速鐵路均采用CTCS-0級制式。地面自動閉塞區間采用ZPW-2000系列軌道電路負責占用檢查及地車信息傳輸；半自動區段多采用25 Hz軌道電路負責接近區段占用檢查，采用ZPW-2000軌道電路設備作為電碼化設備。站內一般采用計算機聯鎖或6502電氣集中聯鎖負責站內進路的辦理及信號顯示的控制，采用25 Hz軌道電路負責站內軌道區段的占用檢查，一般采用ZPW-2000軌道電路作為電碼化設備，正線多為預疊加發碼方式，側線多為疊加發碼方式。列車控制是以司機為主的控制模式，地面信號作為主體信號，采用LKJ及機車信號作為輔助行車設備。CTCS-0級列控系統適用于速度不高于160 km/h的普速鐵路以及重載鐵路，追蹤間隔一般不低于6 min。

近年來國內鐵路研究建設的重點在高速鐵路，修建并開通了大量高速客運專線，同時在高速動車組列車控制方面也進行了非常深入的研究，有非常成熟的CTCS-2 級和 CTCS-3 級列控系統。在普速鐵路方面雖然也進行了多方向研究，但至今仍未研究出適合普速的列控系統。普速鐵路運營仍舊依賴“LKJ+通用式機車信號”的傳統方式，人工因素影響較多，行車運營存在安全隱患， 因此研究適用于機車的列控系統有重要的安全意義。

2 方案比選

在普速鐵路方向研究適用于機車的列控系統，有3個方案可選擇。

1）升級既有LKJ車載設備。方案1存在的問題是車載LKJ設備缺乏地面系統支持，LKJ是非安全設備，當數據變更時需要逐列車進行換裝，更新不及時。

2）簡化CTCS-2點式地面設備的ATP機車控制系統。方案2以CTCS-2列控系統為基礎，進出站設置有源應答器組和區間設置少量無源應答器提供線路數據。該方案工程實施難度大（信號、聯鎖、閉塞及軌道電路等室內外設備均需改造，施工要點多），對運輸影響大。

3）采用數據基于無線傳輸、信號授權基于既有地面信號設備的ATP機車控制系統。方案3對普速鐵路進行改造，車載采用ATP安全控車設備，地面設備增設數據服務器用于發送地面數據，地面和車載設備增設無線通信單元進行數據傳輸。此方案車載設備解決LKJ非安全設備和數據更新不及時的問題，同時數據傳輸采用無線通信的方式也解決了CTCS-2列控系統地面設備鋪設電纜等對既有線路施工難度大的問題，因此該方案最適用于普速鐵路。

3 系統結構及主要設備功能

適用于機車的列控系統由車載和地面兩部分構成，其中車載設備主要由主控單元、無線通信單元、軌道電路信息接收單元、衛星單元、列尾設備、應答器信息接收單元、數據記錄單元、列車接口單元、測速測距單元和人機界面等組成。

地面設備主要由站數據服務器、聯鎖、臨時限速服務器、閉塞、軌道電路、應答器及無線通信設備等組成。

基于無線廣播方式適用于機車的列控系統結構示意如圖1所示。

圖1 基于無線廣播方式的機車列控系統機車結構示意Fig.1 Schematic diagram of train control system applicable to locomotives based on radio broadcast

3.1 車載設備

車載設備可根據列車參數和地面設備提供的軌道電路信息、線路數據、臨時限速等，按照目標-距離模式生成控制曲線，監控列車安全運行。車載設備實現無線通信功能。車載設備可根據地面應答器提供的信息，控制車載電臺制式的選用。

1）機車車載設備新增顯示功能

a.機車信號信息；

b.列車運行速度與限速；

c.距前方信號機距離；

d.機車所在位置的里程坐標；

e.控制模式和列車制動狀態；

f.列車最近走過的不小于1.5 km以內的運行速度值軌跡曲線；

g.機車當前位置至前方不少于4.5 km以內的制動模式曲線；

h.以曲線、符號和文字形式沿線路里程的延展顯示機車運行前方不少于4.5 km的線路曲線、坡道坡度、道口、橋梁、隧道及車站、信號機、電氣化鐵路接觸網分相標等設置情況；

i.其他需要顯示的信息。

2）機車車載設備新增語音提示功能

a.無線通信單元報警；

b.機車信號變化；

c.解除牽引動力；

d.常用制動或緊急制動指令輸出；

e.允許緩解；

f.車機聯控；

g.警惕報警；

h.前方限速變化；

i.季節性防汛地點提示；

j.其他需要的語音提示。

3.2 車站數據服務器

車站數據服務器根據自身存儲的車站線路信息及CBI、TSRS等設備提供的信息，實現無線報文的實時組幀、校驗的功能。車站數據服務器應具備通過2 M網絡從TSRS設備獲得臨時限速，并將執行結果反饋給TSRS功能。車站數據服務器應具有車站及區間線路基礎數據的存儲功能。車站數據服務器根據進路和區間方向發送相應方向的無線報文。車站數據服務器支持無線報文廣播功能。

3.3 應答器

系統在車站列車信號機前方、區間適當地點設置應答器，為車載設備提供列車定位、級間轉換信息。應答器編號作為車載選取無線報文信息的唯一依據。用于識別運行方向的應答器組應包括至少2個應答器。車站應答器設置原則如圖2所示。

圖2 車站應答器設置示意Fig.2 Schematic diagram of station balise setting

根據線路速度在區間適當位置設置接近區段應答器組。基于接近區段應答器組與進站應答器組冗余布置，丟失一個不影響正向正線及側線接車或正線通過進路。區間應答器設置原則如圖3所示。

圖3 區間應答器設置示意Fig.3 Schematic diagram of section balise setting

3.4 無線通信設備功能

無線通信設備具備無線廣播功能，可向車載實時發送無線報文。無線通信設備實現了在12.5 kHz頻寬下不小于9.6 kbit/s的空口速率以及4.8 kbit/s的應用數據傳輸能力并滿足運行速度200 km/h以下的運營要求。普通車站無線覆蓋范圍滿足列車以線路最高運行速度通過車站時，在進站前地面給列車提供完整數據的要求。

基于無線通信的車站無線覆蓋區域如圖4所示。

圖4 無線覆蓋區域Fig.4 Radio coverage area

4 主要運營場景

適用于機車的列控系統包括啟動、駕駛室激活、區間追蹤運行、機外停車、車站正線通過、車站側向通過、正側向接車、正側向發車、引導接車和特殊場景等運營場景。下面簡要介紹幾個主要運營場景。

4.1 區間追蹤運行

通過軌道電路向列車提供運行前方軌道區段空閑信息，同時通過在甲站接收到的無線報文向列車提供列車運行前方線路數據，車載設備根據上述信息實時生成目標-距離模式曲線監控列車安全運行，如圖5所示。

圖5 追蹤運行示例Fig.5 Tracking running sample

4.2 自動閉塞區間運行帶容許信號

當貨運列車運行前方的信號機為裝設有容許信號的通過信號機時，車載設備收到地面發送HB或HU時，車載設備生成在該通過信號機前停車的目標-距離模式曲線。完全監控模式下,當列車滿足特定條件（速度不大于20 km/h或列車距離該信號機小于一定距離）時，經司機確認后轉入走停走模式。列車越過當前信號機后，若收到無碼則生成在前方信號機前停車且頂棚為20 km/h的目標-距離模式曲線，司機駕駛隨時停車；若收到HU碼則生成在前方信號機前停車且頂棚為20 km/h的目標-距離模式曲線，司機駕駛在次一架信號機前停車；若收到允許碼，按頂棚20 km/h運行直至次一架信號機后繼續運行，如圖6～8所示。

圖6 有容許信號的通過信號機前方無碼示意Fig.6 Schematic diagram of train stopping in advance of block signal with permissive signal when receiving no code

圖7 有容許信號的通過信號機前方HU碼示意Fig.7 Schematic diagram of train stopping in advance of block signal with permissive signal when receiving code HU

圖8 有容許信號的通過信號機前方允許碼示意Fig.8 Schematic diagram of train stopping in advance ofblock signal with permissive signal when receiving permission code

其他列車運行前方的信號機為裝設有容許信號的通過信號機時，車載設備收到地面發送HB或HU時，在該信號機前停車。

4.3 正線接車

正線接車時，出站信號機未開放，接車進路發HU碼。該場景下軌道電路編碼序列與區間追蹤運行相同，如圖9所示。

圖9 正線接車Fig.9 Receiving on mainline

4.4 側線接車

車站開通經12號道岔的側向接車進路，進站信號機外方的接近區段發UU碼。在列車到達U2碼區段前，車載設備應先默認進站信號機關閉生成機外停車的目標-距離模式曲線。當列車收到U2碼及BYX應答器報文后，重新生成目標點在接車進路線路限速處、目標速度為接車進路限速的目標-距離模式曲線。當列車越過接車進路限速區域后，根據進站口處應答器提供的線路參數信息生成在出站信號機前停車的目標-距離模式曲線，監控列車安全運行，如圖10所示。

圖10 側線接車Fig.10 Receiving on sideline

5 系統優勢

1）數據集中管理

適用于機車的列控系統相對既有CTCS-0級系統數據管理由原有LKJ列車存儲方式，改為利用車站設備集中管理和傳輸線路數據，數據修改無需再追蹤列車修改數據，僅修改相應的車站數據服務器即可。適用于機車的列控系統相對既有CTCS-2級系統，數據無需在沿線修改應答器數據，便于應答器僅為報文選擇鑰匙，便于管理和維護。

2）安全車載設備

適用于機車列控系統的車載ATP設備可根據列車參數和地面設備通過無線方式提供的軌道電路信息、線路數據、臨時限速等，按照目標-距離模式生成控制曲線，監控列車安全運行，符合SIL4級要求。

3）精確進路數據

適用于機車列控系統的地面設備與聯鎖設備相連接且有接口傳輸信息，因此可在車站辦理進路時給出精確的進路數據滿足列車運行要求。相對既有CTCS-0級系統LKJ列車由司機輸入股道號，選取最低的安全側線路數據，適用于機車列控系統更安全、更高效。

4）無線設備僅覆蓋車站

適用于機車列控系統對于無線設備覆蓋要求僅要求覆蓋到車站進站信號機外方第二個接近區段和出站口外方第二個離去區段。相對既有CTCS-3級系統對無線設備覆蓋要求低，造價低、易實施，有利于系統快速推廣應用。

6 結束語

適用于機車列控系統實現進路數據自動上車、臨時限速命令實時傳達、線路數據統一維護等功能，可有效提高鐵路運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，為國內既有線路改造提供解決方案。在對既有線改造影響不大的情況下提升既有線的安全運行水平和運行效率。研究適用于機車的列控系統，既是國內普速鐵路技術發展的需要，也是完善鐵路列控系統等級的需要，對普速鐵路列控技術的發展和創新，具有重要意義。