朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)設計與關鍵技術研究

豐漢羽，王 濤，石建廷

(1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司 肅寧分公司，河北 滄州 062350；2.交控科技股份有限公司 鐵路事業(yè)部，北京 100070)

移動閉塞信號系統(tǒng)在國內外城市軌道交通中已得到廣泛的應用。在國內，自2004年建設并開通運營的城市軌道交通線路中，信號系統(tǒng)采用移動閉塞系統(tǒng)的線路占90%以上。目前對于朔黃鐵路，三顯示自動閉塞只能實現最少10 min的發(fā)車間隔，無法滿足年運量持續(xù)增長的需要[1]；設備面臨大修期，設備故障率逐年提高；神池南發(fā)車能力弱、困難區(qū)段追蹤能力差、司機操縱強度大等問題嚴重限制了朔黃鐵路運能提升。針對以上問題，朔黃鐵路采用先進的閉塞制式即移動閉塞，可通過縮短列車追蹤距離與發(fā)車時間間隔，在保證重載鐵路運行安全性與可靠性的基礎上，大幅提升線路運能。朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)通過多傳感器融合和北斗衛(wèi)星聯合定位，可以精確跟蹤每臺機車的位置，并自動規(guī)劃行車許可和速度防護，保障朔黃鐵路運營安全，提高運輸能力。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 研究背景

朔黃鐵路(神池南—黃驊港)屬于神黃鐵路(大柳塔東—黃驊港)的一部分，正線長度598 km。朔黃鐵路為Ⅰ級干線、雙線電氣化鐵路，年運輸能力達到4.5億t，是“西煤東運”的重要通道，在我國鐵路網中占有重要地位。

針對朔黃鐵路“重載專線、獨立運營”的特點，國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司加強技術創(chuàng)新，在既有三顯示線路條件下提出移動閉塞系統(tǒng)改造技術實施方案，在實現重載鐵路移動閉塞功能的同時可兼容既有固定閉塞運營模式，從而滿足朔黃鐵路實際運營需要，有利于系統(tǒng)逐漸升級。原中國神華能源股份有限公司2014年立項《重載鐵路移動閉塞系統(tǒng)關鍵技術和裝備研究》，并在朔黃鐵路小覺至西柏坡三站二區(qū)間線路上進行試驗。該項目全面驗證了重載鐵路移動閉塞系統(tǒng)的各項功能，證明了移動閉塞信號系統(tǒng)應用在朔黃鐵路的安全性和可行性。

1.2 信號需求

針對朔黃鐵路運營需求和技術特點，提出的信號系統(tǒng)需求如下。

（1）信號系統(tǒng)可靠性。信號系統(tǒng)需保證朔黃鐵路機車在最高運營速度下運行時信號系統(tǒng)相關設備可靠性的要求，需適配交流牽引供電制式的有關規(guī)定。

（2）信號系統(tǒng)需接口靈活、不受現有鐵路信號影響。信號各子系統(tǒng)設備可與既有信號各系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，良好銜接，車站聯鎖系統(tǒng)、調度集中系統(tǒng)等既有信號系統(tǒng)改造不影響運輸生產，信號系統(tǒng)設備的設計、生產均需滿足相應的國際、國內標準。

（3）信號系統(tǒng)穩(wěn)定。信號系統(tǒng)需具有高的安全性、可靠性、可用性及可維護性，涉及到行車安全的系統(tǒng)及設備需滿足“故障導向安全”的原則，信號系統(tǒng)中主要用于控制安全行車的設備及子系統(tǒng)的處理器需設計多重冗余技術，冷、熱備自動切換的時機不能影響設備工作的連續(xù)性，需實現無擾自動切換。

（4）信號系統(tǒng)功能的高效便捷性。信號系統(tǒng)相關設備需采用先進的工藝、技術、硬件等以便于更高效地實現信號系統(tǒng)的功能，信號系統(tǒng)在符合各項指標要求的前提下，更有利于系統(tǒng)自診斷、人員操控、維護以及更多功能的拓展。

2 朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)設計

2.1 制式概況

既有的自動閉塞通常會布置地面通過信號機，并在列車安裝車載信號，列車按照空間間隔法運行采用憑證或信號來實現安全運行。自動閉塞是依據列車運行和列車前方閉塞分區(qū)的實時狀態(tài)，通過自動變換區(qū)間信號機的顯示，讓司機憑借地面信號行車。每個閉塞分區(qū)內都敷設軌道電路，其具有軌道占用檢查和列車定位的功能，通過聯系列車和區(qū)間信號機的顯示，使得信號機的顯示能夠根據閉塞分區(qū)狀態(tài)來自動變換。

三顯示自動閉塞的信號機為三燈三顯，即紅燈、黃燈、綠燈，可以預告列車運行前方有2個閉塞分區(qū)空閑，制動距離滿足一個閉塞分區(qū)的長度，通過分級速度控制模式來保障行車安全。

移動閉塞列車可以對運行間隔自動進行調整。與傳統(tǒng)的自動閉塞對比，移動閉塞系統(tǒng)不需要再將區(qū)間劃分為若干個固定的閉塞分區(qū)，能夠實現兩列車之間自動調整運行間隔，大大提高了列車通過能力。移動閉塞信號系統(tǒng)采用目標-距離控制模式，根據目標距離、目標速度及列車本身的性能確定列車的制動曲線，采用一次制動方式[2]。移動閉塞系統(tǒng)下列車追蹤的是前方列車的尾部并回撤一個安全余量距離，一般通過無線通信和無線定位技術來實現。

移動閉塞系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)組成，通過車地安全通信網絡實現車地信息的交互，實時計算列車位置信息，實現列車實時安全定位。地面控制中心根據前方線路情況及軌道占用情況，實時計算并生成行車許可，發(fā)送給目標列車，車載子系統(tǒng)根據行車許可狀態(tài)，采用連續(xù)速度曲線控制模式對列車進行控制，對列車的高效運行進行安全防護。由于減少了軌旁設備，移動閉塞信號系統(tǒng)在縮短行車間隔和提升線路運能的基礎上，降低了后期的運營維護成本，更大大降低了工程造價，成為當下軌道交通可持續(xù)發(fā)展的信號控制模式。

2.2 與傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的對比優(yōu)勢

從系統(tǒng)組成、功能等方面對朔黃鐵路既有信號系統(tǒng)和移動閉塞信號系統(tǒng)進行比較分析。

2.2.1 既有信號系統(tǒng)

朔黃鐵路既有信號系統(tǒng)為CTCS-0，由通用機車信號+運行監(jiān)控記錄裝置構成。朔黃鐵路既有信號系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。其控制中心設備包括調度集中控制系統(tǒng)(CTC)中心設備、CTC系統(tǒng)車站設備、無線通信LTE地面設備；設備集中站設備包含微機監(jiān)測、微機聯鎖系統(tǒng)CI；軌旁設備包括區(qū)間/站內軌道電路、信號機、道岔、地面電子單元(LEU)軌旁設備等；車載設備包含列尾裝置、牽引/制動系統(tǒng)、機車操作臺、列車運行控制記錄裝置(LKJ)、LTE設備等。

圖1 朔黃鐵路既有信號系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of existing signal system for Shuohuang Railway

2.2.2 移動閉塞信號系統(tǒng)

朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)在既有設備上新增許多設備，在車載設備上新增無線通信LTE、北斗設備、列車接口、模塊化安全計算機、測速設備、人機交互界面(DMI)、應答器信息接收單元(BTM)、切換裝置及開關旋鈕等；地面設備增加定位應答器和北斗差分站等；控制中心增加CTC列控接口服務器、RBCCTC接口服務器、TSRS-CTC接口服務器、無線閉塞中心(RBC)、臨時限速服務器(TSRS)、網閘等設備。朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)功能結構圖如圖2所示。

圖2 朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)功能結構圖Fig.2 Structure of moving block signal system for Shuohuang Railway

朔黃鐵路既有信號系統(tǒng)和移動閉塞信號系統(tǒng)適用性比較分析如表1所示。

表1 朔黃鐵路既有信號系統(tǒng)和移動閉塞信號系統(tǒng)適用性比較分析Tab.1 Adaptability comparison and analysis of existing signal system and moving block signal system for Shuohuang Railway

綜上，三顯示自動閉塞信號系統(tǒng)發(fā)車能力不足、軌旁設備繁多、故障率較高，結合朔黃鐵路“專線運營、獨立管理”的運營特點，進行重載鐵路移動閉塞系統(tǒng)方案研究是必要的。

2.3 系統(tǒng)功能實現

根據系統(tǒng)運營場景、系統(tǒng)架構、原理、功能及接口需要，以保障列車運行安全、提高運輸組織效率、降低系統(tǒng)維護成本為目標，重點實現以下系統(tǒng)功能。

2.3.1 多傳感器信息融合定位

多傳感器信息融合定位示意圖如圖3所示，由于速度傳感器、衛(wèi)星定位、加速度計、應答器等設備在單獨使用時均存在累計誤差、瞬時漂移等不穩(wěn)定因素，為了克服這些難點，利用不同傳感器在測速定位原理上的異構優(yōu)勢，通過多傳感器信息融合算法，彌補特定場景下單一傳感器的測量短板，使重載列車可在不同線路條件、不同駕駛工況下實現精確測速定位。

圖3 多傳感器信息融合定位示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor information fusion and positioning

2.3.2 列車衛(wèi)星定位

由于北斗衛(wèi)星定位信息存在一定的位置偏移，對于衛(wèi)星返回信息的可用性必須進行驗證，故建立衛(wèi)星信息可信度先驗概率模型，與列車速度、位移進行實時校對[3]。列車衛(wèi)星定位示意圖如圖4所示，通過合理布置地面差分站設備，連續(xù)采集北斗定位數據，從而得到地面差分站設備所在的準確地理位置[4]。通過將該位置數據設置到地面差分站北斗芯片中，使地面差分站設備生成帶差分的北斗信息。

圖4 列車衛(wèi)星定位示意圖Fig.4 Schematic diagram of train satellite positioning

朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)下，車載ATP設備和地面差分站設備可通過LTE網絡進行通信，實現數據交互，車載ATP設備根據機車所在位置來選擇對應的地面差分站，并主動向差分站發(fā)起通信建鏈請求。地面差分站設備在收到車載ATP的建鏈請求后將進行響應，雙方完成通信建鏈過程。車載ATP和地面差分站完成通信建鏈后，地面差分站定期向車載ATP發(fā)送差分信息。車載ATP在收到地面差分站發(fā)送來的差分信息后，將該差分信息轉發(fā)至車載北斗定位設備(車載移動站)。車載移動站通過接收差分信息和計算北斗定位信息，實現列車位置安全校準[5]，大幅減少地面應答器布置，降低成本。

2.3.3 列車完整性檢查

列車完整性檢查示意圖如圖5所示，重載列車頭端和尾端之間不具備電氣連接條件，難以通過電路判斷列車完整性[6]。通過對列車頭尾風壓異常模式識別和尾部衛(wèi)星定位，解決重載列車無電信號檢測列車完整性的難題[7]。當列車接收到的列尾北斗數據有效和測速定位的列車尾部位置有效時，ATP車載設備根據列尾北斗數據定位包絡與測速計算的列車尾端定位包絡是否重合來判斷列車完整性狀態(tài)。當包絡有重合的時候判斷為列車完整性完整，包絡無重合的時候判斷列車完整性丟失；當列尾北斗數據不可用或無法通過列尾信息中的北斗判斷列車完整性時認為列車完整性未知。車載ATP具備實時檢測列車完整性的功能，保證移動閉塞列車的追蹤安全。

圖5 列車完整性檢查示意圖Fig.5 Schematic diagram of train integrity inspection

2.3.4 行車許可計算

在移動閉塞下，不再依賴軌道電路及地面信號行車，只要列車滿足滅燈距離要求，RBC向聯鎖發(fā)送滅燈指令，聯鎖收到命令后給信號機控制繼電器發(fā)送吸起指令，控制信號機滅燈，避免司機誤判信號，增加安全性。

車載ATP根據應答器或北斗獲得初始定位，并利用多傳感器融合持續(xù)定位，獲得列車位置并向RBC匯報位置，列車定位后車載ATP向RBC設備發(fā)送行車許可申請，RBC根據列車發(fā)送的位置和聯鎖設備發(fā)送進路、區(qū)段、道岔、信號機等相關狀態(tài)信息以及臨時限速信息，為列車計算安全包絡，并將行車許可發(fā)送到列車。

移動閉塞與自動閉塞相比，追蹤間隔和發(fā)車效率有了明顯的提升。行車許可計算示意圖如圖6所示，當前、后列車都為移動閉塞列車時，后車的行車許可為前車車尾防護點回撤一段安全防護距離處，擺脫了固有閉塞制式的追蹤。

圖6 行車許可計算示意圖Fig.6 Schematic diagram of movement authority calculation

2.3.5 重載列車安全制動模型

基于重載列車質量大、編組長，空氣制動建立時間長，緩解充風慢且緩解過程中制動力弱，列車緊急制動率(GEBR)不為恒定值[8]的限制。現有理論只研究了滿風狀態(tài)下制動力計算方法，不適用于列車充風不足等不利場景。為了打破壁壘，通過數學建模(數據采集、參數辨識、模型建立)，再到驗證計算出實際與理論的制動曲線(計算因子包括尾部風壓、充風時間、載重、編組、坡道、曲率、關門車、旋轉質量等)[9]，最后車載ATP能夠實時準確計算列車GEBR，得到列車制動曲線[10]，保證不同編組列車在不同線路條件和工況下，安全防護制動。

2.3.6 技術站發(fā)車能力提升

在移動閉塞下，通過在咽喉區(qū)增設虛擬信號機實現進路細分和分段鎖閉[11]，將行車許可作為列車運行和安全防護依據，在不改變站場情況下，可實現編組站連續(xù)追蹤發(fā)車，最大程度提升發(fā)車能力。技術站發(fā)車能力提升示意圖如圖7所示，列車A發(fā)車后運行到一定位置且速度大于規(guī)定值，即可為列車B辦理至虛擬信號機的分段發(fā)車進路，列車A出清沖突道岔區(qū)段且道岔區(qū)段已解鎖，列車B已經駛出了股道，以虛擬信號機為行車許可終點向前運行，此時可以為列車B繼續(xù)向前辦理進路(辦理以虛擬信號機為始端信號機、SL12為終端信號機的進路)，當虛擬信號機到SL12的進路已經被辦理，列車B的行車許可能夠到達列車A的安全車尾，列車B追蹤列車A駛向區(qū)間。該技術能有效提升神池南站和黃驊港站的發(fā)車能力。經計算，在虛擬信號機交叉發(fā)車優(yōu)先原則下，結合既有列車運行時刻表順序的情況下進行接續(xù)發(fā)車，列車輸送能力可提升43.1%。

圖7 技術站發(fā)車能力提升示意圖Fig.7 Schematic diagram of improving departure capacity of technical station

2.3.7 ATP與LKJ不停車切換

基于朔黃鐵路東段改造移動閉塞系統(tǒng)、西段實行固定閉塞系統(tǒng)、與國家鐵路有交叉運營的背景現狀，ATP設備需通過硬線接口和RS422串口與LKJ完成信息交互，通過自動切換裝置和手動切換開關與LKJ完成控車電路切換。ATP與LKJ不停車切換示意圖如圖8所示，列車運行狀態(tài)下，當列車運行至移動閉塞-固定閉塞切換區(qū)且切換開關處于自動位時，列車車頭駛入共管區(qū)，ATP收到預告應答器組后，ATP通過DMI向司機提示“前方X米即將進入自動切換區(qū)”，ATP檢測機車進入自動切換區(qū)后，向LKJ發(fā)不停車切換流程。當ATP收到切換應答器組時，車載ATP設備判斷自身工作狀態(tài)是否滿足自動切換條件(具備自動切換功能、未超限速、未實施制動、系統(tǒng)工作狀態(tài)正常)[12]。在ATP和LKJ均認為符合切換條件后，雙方完成不停車切換，ATP進入LKJ控車模式，移動閉塞線路和固定閉塞線路無縫切換。

圖8 ATP與LKJ不停車切換示意圖Fig.8 Schematic diagram of switching between ATP and LKJ without stopping

3 結束語

通過對不同制式信號系統(tǒng)的比較和朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)關鍵技術的研究，凸顯了移動閉塞信號系統(tǒng)在朔黃重載鐵路工程應用的必要性。朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)的應用將優(yōu)化運輸組織方式，極大提升線路運輸能力，提高重載鐵路技術裝備水平，降低設備故障率和設備綜合維修成本，減輕行車人員、維護人員勞動強度。該系統(tǒng)可為重載鐵路建設、擴能改造和高效安全運營提供理論支撐與技術支持，具有重要的社會意義和經濟效益。朔黃鐵路移動閉塞信號系統(tǒng)將逐漸向移動閉塞自主化、無人化的方向發(fā)展，實現重載移動閉塞行車防護及列車混運的功能，為將來朔黃智慧鐵路建設奠定基礎。