CTCS制式下短編組列車自動折返快速停車方案研究*

符 萌 林 強 楊 俐 韓永強

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢；2. 上海申鐵投資有限公司， 200003， 上?！蔚谝蛔髡撸?高級工程師)

0 引言

目前國內的動車組有4節編組、8節編組、16節編組及17節編組等多種編組形式。其中，高速鐵路多采用8節編組、16節編組或17節編組，本文將該情況下的8節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節編組及8節編組，本文將該情況下的4節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節編組列車通常長100 m左右；8節編組列車通常長200～220 m；16節編組、17節編組列車通常長400～440 m左右。

在進行列車折返作業時，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站后折返線，列車在折返線上進行站后折返。

在CTCS(中國列車運行控制系統)信號制式下，不同編組的列車在進入折返線進行站后折返時，均以前方阻擋信號機(信號機前預留了一定的安全防護距離)作為打靶點。對于短編組列車而言，若不采取一定的特殊設計，在折返線內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節編組、8節編組動車組混跑為例，4節編組列車在折返線內往返需多走行約200 m，按列車平均運行速度40 km/h計算，則多走行約18 s，造成列車折返時間的浪費。因此，為縮短列車折返時間，需實現以下目標：短編組列車進入折返線后宜盡快停車，車尾宜盡量靠近折返信號機。在考慮應答器組的設置后，可將車尾與折返信號機的距離設為30～35 m。

在CBTC信號制式下，由于列車上有電子地圖，實現上述目標較為簡單。如上海軌道交通16號線有3節編組與6節編組列車混跑，列車進入折返線后，不同編組列車的車載給列車下達不同的停車位置命令，信號車載結合電子地圖自動控制列車停于預定位置。

在CTCS信號制式下，目前仍不能實現列車自動折返功能，文獻[1]對CTCS制式下如何實現列車自動折返功能進行了一定的探討，但尚未見有文獻對短編組列車的快速停車方案進行研究。本文重點研究CTCS信號制式下短編組列車自動折返時的快速停車方案。

1 短編組列車自動折返快速停車方案

目前對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節編組、8節編組或4節編組+4節編組重聯動車組，較少使用16節編組、17節編組動車組或8節編組+8節編組重聯動車組。為此，本文對地面設備布置進行研究時，以動車組采用4節編組、8節編組為例進行分析，提出了6個研究方案。為便于描述，將列車進入折返線時的激活端稱為A端，另一端(即列車駛出折返線時的激活端)稱為B端。

本文將沒有進行特別設計以縮短短編組列車停車耗時的常規設計方案稱為“原方案”。以圖1所示的典型站場為例，原方案下列車進入停車股道后，經交叉渡線駛入折返線1或折返線2，列車停穩實施換端作業后從折返線駛出。在此基礎上，本文重點研究列車站后自動折返時折返線信號機、應答器等軌旁設備的優化布置，以及信號車載設備、列車運行控制(以下簡稱“列控”)系統、CTC(調度集中)系統等的配套修改方案。

注：XI、XII、X3、X4表示出站兼發車進路信號機；SL1、SL2表示折返發車進路信號機；X5、X6表示盡頭阻擋信號機；2#、4#、6#、8#均為道岔編號。

1.1 方案A：折返線中間設分隔信號機

如圖2所示，方案A采用了類似動車所的一線兩列位方案，即在折返線中間設紅藍白分隔信號機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節編組列車的長度予以設計。4節編組列車停在第一段(如1G1或2G1)，8節編組列車停整個折返線。

注：XF1、XF2表示股道分隔信號機；DW表示定位應答器組。

1.1.1 信號機設置

在AM(自動駕駛模式)下，動車組必須處于FS(完全監控)模式或特殊的PS(部分監控)模式，此時列車不能采用SH(調車)模式，因此折返線上的信號機均按列車信號機進行設置。

如圖2所示，在折返線岔前設置紅綠白三燈位的折返發車進路信號機SL1、SL2。折返線中間設置紅藍白三燈位信號機XF1、XF2，用以分隔股道。阻擋信號機X5、X6設于折返線盡頭處，采用三燈位信號機，常亮紅燈，另外兩燈位封閉。考慮到X5、X6信號機常亮紅燈，為減少電纜、信號機等設備，減少維修工作量，也可將這2個信號機改為紅色停車標志牌。

1.1.2 應答器設置

在SL1、SL2處設置由1個有源應答器和1個無源應答器組成的發車進路信號機應答器組，應答器組與SL1、SL2的距離為20 m。在XF1、XF2處設置由1個有源應答器和1個無源應答器組成的應答器組，應答器組與XF1、XF2的距離為55 m(該距離可根據現場工程情況調整)。

在盡頭阻擋信號機X5、X6(或停車標志牌)處設置2個無源應答器組成的應答器組，應答器組與X5、X6的距離分別為55 m、60 m，用以發送絕對停車報文。為減少測速、測距誤差，提高列車的停車精度，考慮在每個區段中間設置1個定位應答器組。該定位應答器組為非精確定位應答器組，不描述距離停車點的距離。

1.1.3 其他配套設計

CTC系統需根據動車組編組的不同辦理不同的長短進路，其方式與動車所一線兩列位辦理長短進路類似。

4節編組列車進入1G1/2G1停穩后，若信號車載設備自動換端結束時折返進路尚未辦理完畢，此時1G1/2G1的軌道電路發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，要求A端車載將載頻信息傳遞給B端車載，并進行鎖頻。

8節編組(或4節編組+4節編組重聯)列車進入1G1/2G1停穩后，同樣為降低B端車載受到鄰線干擾的概率，要求列車車頭進入1G1/2G1后，TCC(列控中心)控制1G1/2G1立即轉換軌道電路的發碼方向。

方案A的優點是對各信號系統軟件的修改較少。方案A的缺點是地面設備設計復雜，且車載換端后折返進路可能尚未辦理完成，列車所處區段的軌道電路尚未改變方向，此時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：車載設備根據列車編組數的不同確定不同的打靶點位置

如圖3所示，方案B下折返線中間不設股道分隔信號機，但為了使軌道電路發碼方向能及時改向，仍設置絕緣節(絕緣節設置在折返線左側)。方案B下的折返線長度與方案A相同，但4節編組列車停車時需要占壓2段軌道電路。

圖3 方案B下軌旁設備布置示意圖

對于具備自動折返功能的車載設備，在列車進入自動折返狀態后，車載設備將結合列車編組數確定打靶點位置，并自動計算控制列車停于預定位置。4節編組列車可將打靶點位置設定在比8節編組列車縮短100 m處(縮短的距離為兩種編組列車車長的差值)。

方案B的優點是：① 地面設備布置較為簡單，列車可停于預期設計位置；② 不需要CTC根據列車編組的不同辦理不同的長短進路。方案B的缺點是：① 對車載設備的修改較大，修改了車載設備控制列車的底層邏輯架構；② 對于具備自動折返功能的車載設備，列車進股道停車時因車載無法區分所進入的線路是普通股道還是折返線，導致列車在普通股道停車時車頭無法對準站臺端部的預期停車點 ，這給運營帶來了極大的不便。此時應采取其他調整措施，使車載設備有能力區分列車進入的是一般股道還是折返線，但其他調整措施的加入將使得方案B更為復雜。

1.3 方案C：利用非本務端車載設備接收地面信息并制動

某些列車控制廠家非本務端的車載設備處于休眠狀態時仍可接收軌道電路載頻低頻信息及應答器報文(但不進行處理)，因此，4節編組列車駛入折返線并越過SL1/SL2后，可利用接收到的地面軌道電路載頻信號判斷是否已進入折返線。如已進入，則開始輸出常用制動，命令列車盡快停車。方案C的地面設備布置同方案B。

方案C的優點是：① 地面設備布置簡單；② 不需要CTC根據列車編組的不同辦理不同的長短進路。方案C的缺點是：① 目前國內僅有1家企業的車載設備具備非本務端車載接收地面信息功能，其他設備廠家暫不具備此功能，若采用此方案，尚需對車載設備進行改造開發；② 列車越過SL1/SL2信號機后才開始制動，制動時機太遲，很可能會觸發列車緊急制動。

1.4 方案D：利用有源精確定位應答器發送不同的停車位置(修改TCC軟件邏輯)

與方案B相比，方案D為4節編組列車增設了有源精確定位應答器組(8節編組列車停車位置設置無源精確定位應答器組)。CTCS中定義應答器報文時，將列車停車位置信息包命名為【CTCS-13】。如圖4所示，【CTCS-13】信息包寫入有源應答器中(包括X1—X4處CZ出站信號機應答器組及增設在IG1、IIG1的JD精確定位應答器組)。車載通過TSRS(臨時限速服務器)向TCC發送信息。列車編組數不同時，TCC發出不同的報文，以告知不同編組的列車停在不同的停車位置。4節編組列車通過此停車位置信息進行停車。

注：JD表示精確定位應答器組。

方案D的優點是解決了方案B中需修改車載控制列車的邏輯架構問題，也解決了方案C中可能觸發列車緊急制動的問題。方案D的缺點是：① 按照TJ/DW 221—2019《高速鐵路ATO系統應答器設置及應用暫行技術條件》(ATO為列車自動運行)，【CTCS-13】通常寫入無源應答器中，而方案D將其寫入有源應答器中，則需對有源應答器的報文編制重新進行定義；②TCC必須能夠根據列車編組數的不同控制【CTCS-13】寫入距離停車點的不同距離，這需要修改TCC的軟件及相關接口信息。

1.5 方案E：利用有源精確定位應答器發送不同的停車位置(不修改TCC軟件邏輯)

方案E的地面設備布置同方案D?；诜桨窪存在的缺點，方案E進行了改進：【CTCS-13】仍寫入有源應答器中，在列車往折返線發車時，計算機聯鎖設備在聯鎖表中寫2條一樣的進路，并給這兩條進路分配不同的進路號，TCC的進路信息表中也對應這2條進路。CTC根據列車編組數的不同(需對既有CTC及接口進行修改)辦理不同進路號的進路。TCC根據進路號的不同控制有源應答器，使之發送不同的停車位置報文。

與方案D相比，方案E的優點是TCC及車載的軟件均不需修改。方案E的缺點是：①仍需對寫入【CTCS-13】的有源應答器報文的編制重新進行定義；②根據列車編組數的不同排列不同的進路，需要對CTC軟件及接口進行修改和調整。

1.6 方案F：【CTCS-13】停車位置信息包按列車編組數的不同分別描述

方案F與方案D的差別在于，在地面設備布置中，方案F將精確定位應答器由方案D的有源應答器改為無源應答器，如圖5所示。

圖5 方案F下軌旁設備布置示意圖

方案F將【CTCS-13】寫入無源應答器中，但1G1、2G1的JD應答器組一次性寫2個位置，其中：4節編組列車對應折返線中間位置，8節編組列車對應折返線盡頭位置。車載設備收到應答器報文后，根據列車編組數選擇使用對應報文。

方案F將【CTCS-13】寫入無源應答器中，符合應答器報文編制規范，但寫2個停車位置的做法與國家鐵路中應答器報文編制的相關規范不符，需重新定義。此外，車載設備需根據列車編組數判斷使用報文，需修改車載設備軟件。

2 實驗室仿真結果分析

本文搭建了仿真平臺，對上述6個方案進行仿真模擬。為了得到更好的對比結論，本文將不采取任何調整措施的原方案也納入對比范疇。

2.1 仿真參數設置

仿真時采用了統一的車輛參數和線路參數。其中，車輛采用CRH6型4節編組動車組的參數：① 列車長度為100.5 m；② 動拖比采用3動1拖；③ 列車在0～40 km/h時的起動加速度為1.0 m/s2，列車160～0 km/h時的常用制動平均減速度為1.0 m/s2。

線路參數采用如圖1所示的線路參數：① 列車在3G停車時，車頭距離X3信號機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號道岔，列車側向過岔時限速45 km/h。

此外，設定仿真試驗中列車運行路徑為：短編組列車從3G出發，進入1G1，然后經6#/8#道岔反位進入4G。

2.2 仿真結果

各方案的仿真結果對比如表1所示。

表1 各方案的仿真結果對比

原方案的仿真結果如圖6所示。因方案A、方案B、方案D、方案E及方案F的4節編組列車的停車點均在折返線中部，車尾均越過折返信號機約35 m，僅在實現方式上有所不同，因此其仿真結果差別并不大，這5個方案的仿真結果如圖7所示。方案C的仿真結果如圖8所示。

圖6 原方案的仿真結果

從上述仿真結果可看出，采用方案A、方案B、方案D、方案E及方案F時，短編組列車均可停于預期位置，且與原方案相比，列車駛入、駛出折返線的走行距離減少了200 m，折返用時減少了17.4 s。采用方案C時，由于列車觸發了緊急制動，列車走行了445 m后被迫停車，車尾位于SL1信號機處，尚未越過折返信號機的應答器組，導致后續折返作業尚需人工處理，列車自動折返失敗。

圖7 方案A、B、D、E及F的仿真結果

圖8 方案C的仿真結果

3 各方案優缺點分析

綜合上述研究及仿真結果，各方案的優缺點對比如表2所示。

表2 各方案優缺點對比

4 結語

根據仿真結果，方案C未能實現預期的停車目標，首先予以排除。其余方案均能實現預期目標，但考慮到CTCS的車載設備、聯鎖子系統及列控子系統是保障行車安全的核心，其功能確認有著嚴格的測試及上道認證流程，且為了實現與周邊線路的互聯互通，這些子系統宜采用統一的標準，不宜做出較大的改動。方案B、方案F對車載的修改較大，方案D對TCC的修改較大，方案D、E及F均需重新定義應答器報文的編制規范。因此，本文推薦采用對信號系統修改最少、實現效果最好的方案——方案A。

雖然上述方案主要是為了縮短列車折返間隔、配合列車進行自動折返而采取的方案，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將在采用列車自動折返技術的上海市域鐵路機場聯絡線及后續其他的市域/都市圈城際鐵路上得以應用。