CTCS-3車載ATP行車許可結(jié)合軌道電路信息防護(hù)優(yōu)化

徐 昱，劉長(zhǎng)波

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 概述

CTCS-3（簡(jiǎn)稱C3）級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)時(shí)速300～350 km高速鐵路的重要技術(shù)裝備，是國(guó)內(nèi)鐵路技術(shù)體系和裝備現(xiàn)代化的重要組成部分，是保證高速列車運(yùn)行安全、可靠、高效的核心技術(shù)之一[1]。C3級(jí)列控系統(tǒng)的基本工作原理如下：車站列控中心（TCC）將區(qū)間軌道區(qū)段狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給車站聯(lián)鎖（CBI），車站CBI將軌道區(qū)段狀態(tài)信息和車站進(jìn)路信息發(fā)送給RBC；RBC通過(guò)GSM-R無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接受車載設(shè)備發(fā)送的位置和列車數(shù)據(jù)等信息，從臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）獲取臨時(shí)限速信息，并根據(jù)軌道區(qū)段狀態(tài)、聯(lián)鎖進(jìn)路等信息生成行車許可（MA），通過(guò)GSM-R無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將MA、線路參數(shù)、臨時(shí)限速傳輸給C3級(jí)車載設(shè)備。C3級(jí)車載ATP設(shè)備根據(jù)接收到的行車許可，結(jié)合列車運(yùn)行速度、動(dòng)車組車輛制動(dòng)特性以及列車運(yùn)行前方線路情況（含臨時(shí)限速信息）等，按照安全制動(dòng)模型，計(jì)算出目標(biāo)-距離速度控制模式曲線，監(jiān)控列車安全運(yùn)行。

為進(jìn)一步優(yōu)化完善C3級(jí)列控系統(tǒng)，原鐵路總公司修訂發(fā)布了《CTCS-3級(jí)ATP行車許可結(jié)合軌道電路信息暫行技術(shù)條件》（鐵總工電〔2018〕18號(hào)，以下簡(jiǎn)稱18號(hào)文），C3級(jí)列控系統(tǒng)行車許可結(jié)合軌道電路信息是C3級(jí)車載ATP設(shè)備將其接收到的由RBC提供的MA信息與軌道電路設(shè)備提供的低頻碼信息進(jìn)行安全比較，有效實(shí)現(xiàn)了C3系統(tǒng)與C2系統(tǒng)的信息融合，進(jìn)一步完善了C3系統(tǒng)的功能，更好地提高了C3系統(tǒng)的安全性[2]。

2 防護(hù)場(chǎng)景

根據(jù)18號(hào)文規(guī)定，C3級(jí)車載ATP設(shè)備在完全監(jiān)控模式（FS）下，結(jié)合軌道電路低頻碼L3、L2、L、LU、U、HU、HU碼變無(wú)碼（包括25.7 Hz及27.9 Hz），并根據(jù)列車當(dāng)前位置確定軌道電路信息許可終點(diǎn)或輸出制動(dòng)。

軌道電路低頻碼為L(zhǎng)3、L2、L、LU時(shí)，若C3級(jí)的行車許可終點(diǎn)位置（EoA）大于軌道電路信息許可終點(diǎn)（即LC3＞LC2）并持續(xù)5s，則C3級(jí)車載ATP設(shè)備將行車許可終點(diǎn)位置（EoA）縮短至軌道電路信息許可終點(diǎn)處。

軌道電路信息許可長(zhǎng)度LC2=N（軌道電路信息所定義的空閑閉塞分區(qū)數(shù)量+列車所在區(qū)段+控制余量）×閉塞分區(qū)平均長(zhǎng)度L均。其中，列車所在區(qū)段為1，控制余量為2，根據(jù)以上公式計(jì)算軌道電路信息許可長(zhǎng)度。

閉塞分區(qū)平均長(zhǎng)度L均根據(jù)當(dāng)前C3級(jí)行車許可范圍內(nèi)的平均坡度取值如公式（1）所示。

C3級(jí)行車許可范圍內(nèi)的平均坡度G′計(jì)算方式如公式（2）[3]所示。

其中：G′為計(jì)算得出的平均坡度；Gn為C3級(jí)行車許可范圍內(nèi)每段坡度的坡度值，若坡度大于0‰則取值為0；Ln為C3級(jí)行車許可范圍內(nèi)每段坡度的長(zhǎng)度值。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

在進(jìn)行某線實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，設(shè)置5784G 區(qū)段占用，如圖1 所示。列車由6016G運(yùn)行至5998G時(shí)，會(huì)觸發(fā)列車最大常用制動(dòng)。

經(jīng)分析，設(shè)置5748G區(qū)段占用，列車由L4碼(6016G)運(yùn)行至L3碼(5998G)時(shí)，C3級(jí)行車許可長(zhǎng)度LC3為25 025 m。該范圍內(nèi)各坡度段為110 m 3‰上坡道、14 353 m 30‰下坡道、1 400 m 14‰下坡道、3 950 m 7‰下坡道、1 830 m 0‰平坡道、1 070 m 5‰上坡道、2 312 m 19‰上坡道，如圖 1所示。

根據(jù)公式（2）平均坡度計(jì)算公式，計(jì)算得出平均坡度G′為19‰下坡道。

根據(jù)閉塞分區(qū)平均長(zhǎng)度計(jì)算公式（1），計(jì)算得出閉塞分區(qū)平均長(zhǎng)度L均為2 400 m。

根據(jù)軌道電路信息許可長(zhǎng)度計(jì)算，此時(shí)L3碼軌道電路信息許可長(zhǎng)度LC2為19 200 m，C3級(jí)行車許可長(zhǎng)度LC3大于軌道電路信息許可長(zhǎng)度LC2并持續(xù)5 s，C3級(jí)列控車載設(shè)備將行車許可終點(diǎn)位置（EoA）由 25 025 m 處縮短至 19 200 m 處，縮短了5 825 m，因此導(dǎo)致車載設(shè)備輸出最大常用制動(dòng)。

4 優(yōu)化措施

C3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備和無(wú)線閉塞中心設(shè)備間通過(guò)無(wú)線消息進(jìn)行相互通信，RBC向車載設(shè)備發(fā)送MA信息，使列車在線路上安全運(yùn)行，在現(xiàn)有無(wú)線通信消息數(shù)據(jù)構(gòu)成基礎(chǔ)上，可對(duì)無(wú)線通信行車許可信息包進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)軌道電路低頻碼為L(zhǎng)3至LU、UU、UUS、U2、U2S處理邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 無(wú)線通信消息包調(diào)整

1）MA的結(jié)構(gòu)

MA的結(jié)構(gòu)如圖2所示，到MA終點(diǎn)（EoA）的距離可由若干區(qū)段組成[4]。

對(duì)于構(gòu)成MA的每個(gè)區(qū)段應(yīng)包含下列信息：

a. 區(qū)段長(zhǎng)度；

b. 區(qū)段有效時(shí)間和區(qū)段起點(diǎn)至區(qū)段有效時(shí)間停止計(jì)時(shí)位置的距離（可選）。

MA的末區(qū)段包括但不限于以下信息：

a. 末區(qū)段保持時(shí)間和末區(qū)段的保持時(shí)間計(jì)時(shí)開(kāi)始位置至末區(qū)段終點(diǎn)的距離（可選）；

b. 危險(xiǎn)點(diǎn)信息（末區(qū)段終點(diǎn)至危險(xiǎn)點(diǎn)的距離、與危險(xiǎn)點(diǎn)相關(guān)的RS）（RS開(kāi)口速度可選）；

c. 保護(hù)區(qū)段信息（末區(qū)段終點(diǎn)至保護(hù)區(qū)段終點(diǎn)的距離、保持時(shí)間、保護(hù)區(qū)段的保持時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)位置至保護(hù)區(qū)段終點(diǎn)的距離、與保護(hù)區(qū)段相關(guān)的RS）（RS 可選）。

2）MA區(qū)段含義

RBC通過(guò)無(wú)線發(fā)送的MA信息中，第一個(gè)區(qū)段的長(zhǎng)度以同一消息中的LRBG的位置參照點(diǎn)作為參考。MA中的每個(gè)區(qū)段長(zhǎng)度應(yīng)能到達(dá)線路上的任何位置，區(qū)段可以包含若干個(gè)閉塞分區(qū)，如圖2所示。

《Dimensioning and Engineering rules》（SUBSET-040）對(duì)MA區(qū)段的數(shù)量進(jìn)行了規(guī)定，且在V2.0.0版中指出MA 信息包中“區(qū)段”為具有不同超時(shí)計(jì)時(shí)器的“軌道段”[5]。 因此，若連續(xù)的“信號(hào)閉塞分區(qū)”沒(méi)有特定的超時(shí)計(jì)時(shí)器（如區(qū)間閉塞分區(qū)），它們就可以合并到一個(gè)“MA區(qū)段”中。同時(shí)規(guī)定一個(gè)信息包中MA區(qū)段的最大迭代為6，但V3.4.0版中規(guī)定一個(gè)信息包中MA區(qū)段的最大迭代為5[6]。以上迭代次數(shù)均不包含末區(qū)段。

3) C3列控系統(tǒng)中MA描述形式及優(yōu)化調(diào)整

目前C3列控系統(tǒng)中信息包15的描述形式采用SUBSET-040的建議，如圖3所示，辦理X至3G接車，接車長(zhǎng)度1 911 m，RBC基于應(yīng)答器組1發(fā)送的信息包15實(shí)例如表1所示。MA長(zhǎng)度為8 306 m（205 m+1 982 m+1 998 m+2 210 m+1 911 m）。

表1 側(cè)線接車MA調(diào)整前行車許可信息包Tab.1 MA message package before adjustment for receiving the train on the siding

C3列控系統(tǒng)可在SUBSET-040建議的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，每個(gè)閉塞分區(qū)雖然沒(méi)有超時(shí)計(jì)時(shí)器，但也可采用分段描述，即將目前信息包15描述形式采用表2的方式。仍以X-3G接車為例，如圖3所示，RBC基于應(yīng)答器組1發(fā)送的信息包15中MA區(qū)段分4段描述，第一段從應(yīng)答器組1至信號(hào)標(biāo)志牌3，第二段從信號(hào)標(biāo)志牌3至標(biāo)志牌5，第三段從信號(hào)標(biāo)志牌5至X進(jìn)站信號(hào)機(jī)，末區(qū)段從X進(jìn)站信號(hào)機(jī)至X3出站信號(hào)機(jī)。

表2 側(cè)線接車MA調(diào)整后行車許可信息包Tab.2 MA message package after adjustment for receiving the train on the siding

調(diào)整后的描述方式相對(duì)于現(xiàn)有方式，每增加一個(gè)閉塞分區(qū)，P15包的長(zhǎng)度增加 2 Byte（16 bit）。工程實(shí)踐中，線路最高速度為310 km/h，MA長(zhǎng)度通常為20～22 km，折合閉塞分區(qū)個(gè)數(shù)約10～11個(gè)；線路最高速度為350 km/h，MA長(zhǎng)度通常為28 km，折合閉塞分區(qū)個(gè)數(shù)約16～17個(gè)。按閉塞分區(qū)合并描述，在310 km/h線路P15包長(zhǎng)度增加約 20 Byte，350 km/h 線路P15 包長(zhǎng)度增加約32 Byte。

每個(gè)RBC消息的最大長(zhǎng)度，作為普通優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送的應(yīng)用數(shù)據(jù)（不包括Euroradio協(xié)議數(shù)據(jù)）不能大于500 Byte，按閉塞分區(qū)描述不會(huì)超過(guò)此要求。當(dāng)C3車載設(shè)備收到上述形式的信息包后，將所有的L_SECTION長(zhǎng)度和L_ENDSECTION長(zhǎng)度相加之和作為MA長(zhǎng)度，按此距離控制列車運(yùn)行。

4.2 軌道電路低頻碼L3、L2、L、LU處理邏輯

當(dāng)列車收到L3碼至LU碼后，車載設(shè)備根據(jù)軌道電路低頻碼確認(rèn)前方閉塞分區(qū)數(shù)量（5～2個(gè)閉塞分區(qū)）[7]，然后從RBC發(fā)送的P15信息包中計(jì)算前方相應(yīng)的L_SECTION數(shù)量和余量，計(jì)算軌道電路行車許可長(zhǎng)度后再與C3級(jí)行車許可長(zhǎng)度比較。

正線運(yùn)行時(shí)，L3、L2、L、LU表示的閉塞分區(qū)空閑數(shù)量，其C2行車許可終點(diǎn)與C3行車許可終點(diǎn)完全一致。

側(cè)線接車時(shí)，L3、L2、L、LU表示的閉塞分區(qū)空閑數(shù)量，其C2行車許可終點(diǎn)為進(jìn)站信號(hào)機(jī)，而C3行車許可終點(diǎn)為出站信號(hào)機(jī)，C3行車許可比C2行車許可多一個(gè)閉塞分區(qū)，如圖4所示。

因此，為保證側(cè)線運(yùn)行時(shí)列車運(yùn)行速度不會(huì)提前降速，在L3、L2、L、LU碼時(shí)仍按照18號(hào)文規(guī)定增加閉塞分區(qū)控制余量數(shù)量，閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度按照列控車載設(shè)備接收RBC發(fā)送的P15信息包中L_SECTION數(shù)量和余量進(jìn)行計(jì)算。

4.3 軌道電路低頻碼UU、UUS、U2、U2S處理邏輯

UU、UUS、U2、U2S碼均為側(cè)線接車，以下按照側(cè)線停車和側(cè)線通過(guò)分別說(shuō)明碼序結(jié)合情況。

1）當(dāng)側(cè)線停車時(shí)，C2行車許可終點(diǎn)為出站信號(hào)機(jī)，與RBC發(fā)送的C3行車許可終點(diǎn)一致。

2）當(dāng)側(cè)線通過(guò)進(jìn)路為80 km/h時(shí)，RBC發(fā)送的C3行車許可終點(diǎn)會(huì)越過(guò)出站信號(hào)機(jī)，但C2模式下UU和UUS閉塞分區(qū)的出口速度已被限制，C3列車運(yùn)行速度會(huì)略受影響，該場(chǎng)景下需要增加一個(gè)閉塞分區(qū)控制余量。

3）當(dāng)側(cè)線通過(guò)進(jìn)路為大號(hào)碼道岔時(shí)，RBC發(fā)送的C3行車許可終點(diǎn)會(huì)越過(guò)出站信號(hào)機(jī)，C3行車許可截取到出站信號(hào)機(jī)時(shí)列車運(yùn)行速度將受影響，不能以大號(hào)碼道岔速度運(yùn)行。為避免該情況發(fā)生，需要對(duì)大號(hào)碼接車時(shí)的C2行車許可結(jié)合功能進(jìn)行優(yōu)化。

a. 《列控中心技術(shù)條件》（Q/CR 817-2021）6.11.8條規(guī)定：對(duì)于具備大號(hào)碼道岔的側(cè)向進(jìn)路，當(dāng)側(cè)向接車信號(hào)開(kāi)放USU，接近區(qū)段發(fā)送UUS碼，進(jìn)路行車許可長(zhǎng)度超過(guò)制動(dòng)距離檢查范圍時(shí)，才準(zhǔn)許TCC發(fā)送大號(hào)碼道岔數(shù)據(jù)包[8]。

b. 大號(hào)碼道岔側(cè)向允許速度制動(dòng)到0 km/h的距離，按照大號(hào)碼道岔側(cè)向160 km/h及CRH380BK車型制動(dòng)距離計(jì)算，平坡時(shí)常用制動(dòng)距離約2 km，30‰下坡時(shí)常用制動(dòng)距離約4.4 km，通常兩個(gè)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度已經(jīng)覆蓋。

c. 考慮復(fù)雜場(chǎng)景及極端情況，側(cè)線通過(guò)進(jìn)路接車為大號(hào)碼道岔，列控車載設(shè)備C2單元接收到應(yīng)答器報(bào)文[CTCS-4]包時(shí)，在UUS、U2S碼下對(duì)C2行車許可閉塞分區(qū)終點(diǎn)出站信號(hào)機(jī)再增加兩個(gè)閉塞分區(qū)控制余量，如圖5所示。

結(jié)合上述分析，軌道電路低頻碼為UU、UUS、U2、U2S時(shí)軌道電路信息許可長(zhǎng)度如表3所示。

表3 側(cè)線軌道電路信息許可計(jì)算明細(xì)Tab.3 MA calculation of siding track circuit codes

4.4 場(chǎng)景舉例

1）區(qū)間正常追蹤運(yùn)行

如圖6所示，當(dāng)后車運(yùn)行至L3區(qū)段時(shí)，以當(dāng)前位置向前計(jì)算8個(gè)閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包里計(jì)算相應(yīng)的SECTION長(zhǎng)度作為軌道電路許可長(zhǎng)度，因?qū)嶋HEoA位置超過(guò)了P15包中SECTION+ENDSECTION數(shù)量，所以C3行車許可結(jié)合軌道電路信息比較后取P15包中MA長(zhǎng)度，即C2和C3長(zhǎng)度一致。

2）側(cè)線接車（U2S、UUS、U2、UU）

如圖7所示，當(dāng)后車運(yùn)行至U2S/UUS、U2/UU區(qū)段，以當(dāng)前位置向前計(jì)算4～3個(gè)閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包里計(jì)算相應(yīng)的SECTION長(zhǎng)度作為軌道電路許可長(zhǎng)度，因?qū)嶋HEoA位置超過(guò)了P15包中SECTION+ENDSECTION數(shù)量，所以C3行車許可結(jié)合軌道電路信息比較后取P15包中MA長(zhǎng)度，即C2和C3長(zhǎng)度一致。

3）側(cè)向通過(guò)（U2S、UUS）

如圖8所示，當(dāng)后車運(yùn)行至U2S/UUS、U2/UU區(qū)段，以當(dāng)前位置向前計(jì)算4～3個(gè)閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包里計(jì)算相應(yīng)的SECTION長(zhǎng)度作為軌道電路許可長(zhǎng)度，如P15包中SECTION+ ENDSECTION數(shù)量大于該長(zhǎng)度，則選取P15包中4～3個(gè)L_SECTION長(zhǎng)度之和，截取C3的MA長(zhǎng)度。

當(dāng)后車運(yùn)行至U2S/UUS區(qū)段且收到大號(hào)碼道岔信息包，則再延長(zhǎng)1個(gè)閉塞長(zhǎng)度，即以當(dāng)前位置向前計(jì)算5～4個(gè)閉塞分區(qū)（含列車所在閉塞分區(qū)及控制余量），從RBC發(fā)送的P15包中計(jì)算相應(yīng)的SECTION長(zhǎng)度作為軌道電路許可長(zhǎng)度，如P15包中SECTION+ENDSECTION數(shù)量大于該長(zhǎng)度，則選取P15包里5～4個(gè)L_SECTION長(zhǎng)度之和，截取C3的MA長(zhǎng)度。若該場(chǎng)景下未收到大號(hào)碼道岔信息包時(shí)，將還按照80 km/h側(cè)向過(guò)岔。

4）錯(cuò)誤防護(hù)

若RBC發(fā)送的MA存在錯(cuò)誤，按照上述優(yōu)化對(duì)行車許可進(jìn)行比較，以場(chǎng)景1區(qū)間正常追蹤運(yùn)行為例。當(dāng)后車運(yùn)行至L3區(qū)段時(shí)，從RBC發(fā)送的P15包里選取8個(gè)SECTION，因P15包中SECTION加ENDSECTION數(shù)量大于8個(gè)，所以經(jīng)行車許可比較后選取P15包中8個(gè)L_SECTION長(zhǎng)度之和作為C3行車許可的長(zhǎng)度，隨著列車運(yùn)行低頻碼變化，經(jīng)軌道電路信息比較后C3行車許可逐漸截短直至HU碼末端，如圖9所示。

5 結(jié)論

C3級(jí)ATP行車許可結(jié)合軌道電路信息是利用國(guó)內(nèi)鐵路既有技術(shù)優(yōu)勢(shì)、持續(xù)提升高鐵安全性的重要技術(shù)措施。自2016年全面實(shí)施以來(lái)，運(yùn)用效果良好，有效地實(shí)現(xiàn)了C3系統(tǒng)與C2系統(tǒng)的資源整合，進(jìn)一步完善和提高了列控系統(tǒng)的安全性。本文針對(duì)在實(shí)際工程測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行分析，分別從地車-通信無(wú)線消息包結(jié)構(gòu)、軌道電路低頻碼L3、L2、L、LU以及 UU、U2、UUS、U2S處理邏輯的優(yōu)化方面提出建議，細(xì)化適應(yīng)場(chǎng)景并進(jìn)行舉例說(shuō)明，進(jìn)一步提高C3級(jí)ATP行車許可結(jié)合軌道電路信息的適應(yīng)性。