列车速度400 km/h的信号系统适应性分析

于晓泉

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070 2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 概述

我国现已成为世界上高速铁路建设和运营规模最大、技术最复杂、运营速度最快、管理最先进的国家，高铁已经成为一张闪亮的“国家名片”。高速铁路设计速度分为200～250 km/h和300～350 km/h，分别采用CTCS-2级列控系统系和CTCS-3级列控系统。2016年7月15日，两列中国标准动车组以超过420 km的时速在郑徐高铁上交会，创造了高铁列车交会、重联运行速度的世界最高纪录，但现有CTCS-3级列控系统是否满足400 km/h的运营控制需求，需进行详细分析。

2 问题分析

当列车运行速度由350 km/h提升至400 km/h时，将对各个专业提出新的要求，采用400 km/h高速铁路无砟轨道路基基床结构设计技术、新型高速动车组技术、车站最佳站间距选择、线路的曲线超高设置等问题均摆在铁路人员面前。同样随着运营速度的提高，对于信号系统也提出更高要求，其中信号系统仍采用CTCS-3级列控系统主用、CTCS-2级列控系统作为后备的方式，信号的各个子系统、基础设备是否满足运营要求，均需进行系统性分析。

现有CTCS-3级列控系统运营最高速度为350 km/h，运营速度提高至400 km/h后，动车组对应的制动距离也将增大，故原有接近锁闭长度无法满足此时接近锁闭需求；同时列车制动距离增大将可能影响闭塞分区的长度划分；接近锁闭长度也将随着

运行速度的提高而相应增长；列车运行速度提高其制动时间也将延长，故车站联锁进路的延时解锁时间也将随着制动时间的延长而增加；轨道电路最短长度受其本身产品特性及列车运行速度的共同制约，站内轨道电路尤为明显，随着列车运行速度的提高，轨道电路的最短长度也将相应增加；运行速度提高后所需能量也将变大，从而导致钢轨中产生的不平衡牵引回流情况也将变大，这将对机车信号的接收及解码造成不利的影响；CTCS-3级列控系统的后备模式为CTCS-2级系统，CTCS-2级列控系统的最高运行速度为300 km/h，当CTCS-3级列控系统运行速度提高至400 km/h后，由于各种原因导致其转为CTCS-2级列控系统后，将影响列车原有的运行计划；列车运行速度提高至400 km/h，可能也无法满足3 min追踪要求追踪间隔。

3 方案分析

3.1 动车组制动距离影响对比

动车组制动距离与列车的运行速度、线路坡度、动车组制动性能、ATP的制动模型等相关，制动距离的长短又影响追踪间隔、接近锁闭长度等。动车组的运行速度直接影响列车常用制动距离和紧急制动距离，如图1所示，在坡度相同的情况下，当运行速度提高后，常用制动距离和紧急制动距离也对应增大，且是非线性关系，速度由350 km/h提升至400 km/h时尤为明显。

图1 坡度为“0”时制动距离对比图Fig.1 Comparison between service braking distance and emergency braking distance under "0" grade

如图2所示，坡度为-20‰时，动车组常用制动距离和紧急制动距离与相同速度0坡度的对应制动距离相比，常用制动距离和紧急制动距离均增加明显，且速度越高对应差值越大，即速度越高坡度对制动距离影响越大，亦非线性关系。

图2 坡度为“0”及“-20‰”时制动距离对比图Fig.2 Comparision between service braking distance and emergency braking distance under "0" grade and "-20‰" grade

3.2 列车区间追踪间隔

如图3所示，列车在区间追踪时，两列车之间的最小追踪间隔由列车制动距离L制、列车安全防护距离L防、前车列车尾部距离所在闭塞分区信号标志牌的距离L1、后车车头距离防护其运行前方闭塞分区标志牌间的距离L3、列车制动启模点与防护启模点所在闭塞分区标志牌之间的距离L2等之和构成。通常情况下，满足最高运行速度为350 km/h的CTCS-3级列控系统闭塞分区长度设置为2 000 m，CTCS-2级列控系统用7个闭塞分区满足列车安全追踪要求，即列车追踪最小间隔为7个闭塞分区。

列车在区间追踪运行，当列车速度为400 km/h，坡道按-20‰时，常用制动距离为30 170 m，紧急制动距离为20 849 m。如图4所示，后续列车以400 km/h速度走行此常用制动距离约需要272 s，无法满足CTCS-3级列控系统3 min追踪间隔要求。

而如果闭塞分区仍为2 000 m，则7个闭塞分区距离约为14 000 m，无法满足动车组常用制动需求。此时如果要求处于后备模式的CTCS-2级列控系统也满足400 km/h的运输需求，可以通过增加闭塞分区长度（如闭塞分区长度改为3 000 m，轨道区段长度不变，每个闭塞分区由3个轨道区段组成）实现，也可通过增加对应的闭塞分区个数（如将闭塞分区个数改为8个或9个闭塞分区，但采用增加闭塞分区个数方式时，则需扩容现有轨道电路的低频信息，增加对应的低频码L6、L7等）实现；如果维持现有7个闭塞分区个数不变，且闭塞分区长度也维持2 000 m，则以400 km/h运行在CTCS-3级模式下的动车组，如果转为CTCS-2级模式控车，需先制动到速度低于300 km/h后再进行模式转换。

由此可知，动车组运行速度越高，列车制动距离越长；下坡道坡度越大，列车制动距离越长；制动距离越长，列车按最高速度匀速运行的时间也越长；列车追踪间隔时间大于列车按最高速度匀速运行的时间，故列车速度提高至400 km/h后，按现有系统设置无法满足3 min追踪要求，可将追踪间隔按实际情况进行延长。CTCS-2级列控系统作为后备模式可维持既有系统设置要求，以加大列车运行间隔方式解决400 km/h运行的CTCS-3级列车与300 km/h运行的CTCS-2级列车追踪运行问题，CTCS-3级列车可先制动降速至300 km/h再转换成CTCS-2级模式，也可采用前述方案将CTCS-2级列控系统适用范围提升至400 km/h。

3.3 接近锁闭

接近锁闭是所排进路的接近区段被占用以后，进路锁闭必须在列车、车列通过一定手续和限时方能解锁的锁闭。《铁路信号设计规范》关于接近锁闭设计规定如下：

“6.2.13接近锁闭设计应符合下列规定：

……

2 列车进路

1) CTCS-3级区段，接近锁闭区段长度不小于列控车载设备与RBC最大允许通信中断时间内列车按设计速度运行的距离与列车最大常用制动距离之和；

2) CTCS-2级区段，接近锁闭区段长度不小于列车按设计速度运行时的最大常用制动距离；

……”

现有CTCS-2级区段，其列控系统运行速度最高为300 km/h，按铁路信号设计规范要求，对应接近锁闭的区段长度如图5所示。

现有CTCS-3级区段，采用CTCS-3级ATP控车时，其列控系统运行速度最高为350 km/h，按铁路信号设计规范要求，对应接近锁闭的区段长度要求如图6所示。

图5 CTCS-2级区段接近锁闭区段示意图Fig.5 Approach locking section under CTCS-2 system

图6 CTCS-3级区段接近锁闭区段示意图Fig.6 Approach locking section under CTCS-3 system

在CTCS-3级区段，列车运行最高速度350 km/h，坡道为“0”条件下，处于CTCS-2级ATP控车时其最高运行速度为300 km/h，故其接近锁闭区段可由5个闭塞分区构成（闭塞分区长度按2 km估算）；处于CTCS-3级ATP控车时其接近锁闭区段可由8个闭塞分区构成（闭塞分区长度按2 km估算），远远大于CTCS-2级ATP控车所需长度，故只要满足最高速度350 km/h、按CTCS-3级ATP控车时的需求即可。

如表1所示，CTCS-3级区段坡道为“0”时，速度按最高运行速度上浮5 km/h考点，CTCS-3级列控系统与CTCS-2级列控系统接近锁闭最短长度：

表1 车载ATP控制制动距离估算表Tab.1 Estimation of braking distance controlled by onboard ATP

现有CTCS-3级列控系统“列控车载设备与RBC最大允许通信中断时间”为20 s，则列车运行速度为355 km/h，其接近锁闭长度最小值为355×20+12 799≈14 771 m；列车运行速度为405 km/h，其接近锁闭长度最小值为 405×20+16 045≈18 295 m。

现有CTCS-2级列控系统最高运行速度为305 km/h，其接近锁闭长度最小值为9 376 m；如果将CTCS-2级列控系统适用范围提升至400 km/h，其接近锁闭长度最小值为18 295 m。

图7 码序与车载ATP监控模式曲线之间关系示意图Fig.7 Relationship between codes sequence with onboard ATP supervising mode curve

接近锁闭长度最终取值应以18 295 m为基础，结合闭塞分区划分情况，按闭塞分区个数及对应长度确定联锁最终的接近锁闭长度。

3.4 后备模式影响

如图7所示，CTCS-2级列控系统作为CTCS-3级列控系统后备模式，其在现有条件下适应最高运行速度为300 km/h，闭塞分区长度通常按2 km左右设置，码序按L5、L4、L3、L2、L、LU、U、HU设置，即采用7个闭塞分区约14 km长度，满足300 km/h速度下，大于或等于列控监控模式曲线制动距离及列车安全防护距离之和的要求。

在同一条线路上，开行不同速度列车会导致区间运行时分之差。两列列车速差越大，区间运行时分差值越大，影响列车通过能力就越大。以京沪高铁为例，目前京沪高速铁路开行300 km/h和350 km/h两种速度等级的动车组，2017年9月21日开始每天开行了7对350 km/h速度等级的复兴号动车组，不可避免在中间站要越行速度等级300 km/h的动车组，导致被越行列车的停站时间过长，降低了区间通过能力。

越行可以分为单列车越行单列车、单列车越行多列车、多列车越行单列车、多列车越行多列车等，最简单的单列车越行单列车时，被越行列车的停站时间一般在6～7 min，远大于一般的停车时间(2 min)。越行越复杂，被越行列车的停站时间越长，产生的运行图空档越大，越难以被充分利用，造成能力损失的可能性也就越大。开行400 km/h动车组的线路，如果列车均为运行速度400 km/h的列车，当某列车CTCS-3级车载设备因无线超时或故障等原因降级为CTCS-2级运行时，列车将降速运行，增大列车运行间隔、降低线路的通过能力，给本线的正常运输组织造成严重影响。

3.5 其他影响

现有ZPW-2000A轨道电路应用条件为钢轨牵引回流不大于1 000 A，不平衡牵引电流不应大于100 A。轨道电路信息接收及机车信号译码功能主要受FSK信息的信号质量及持续时间影响，FSK信号质量易受列车牵引谐波干扰影响，列车按400 km/h速度运行时，相对于350 km/h牵引功率将增大，牵引电流和谐波干扰也将随之增大，故将对FSK信息的信号质量产生一定的影响。

为满足联锁正常解锁及机车信号可靠接收，《铁路信号设计规范》中关于轨道区段设置有如下规定：

“4.1.6站内轨道区段的长度应符合下列规定：

1）需为联锁设备提供锁闭与解锁条件时，不得小于联锁系统正常解锁所需的最小长度（Lmin1），Lmin1按公式（1）计算

式中：vmax——轨道区段的线路设计速度（m/s）；t1——轨道占用检查装置及联锁设备响应时间之和（s）；

L车——机车首末轮对中心间距离的最小值（m）。

2）需为车载信号设备提供机车信号信息时，不得小于列车按设计速度运行时车载信号设备可靠工作所需的最小长度（Lmin2），Lmin2按公式（2）计算。

式中：vmax——轨道区段的线路设计速度（m/s）；

t2——以单独的发码设备叠加于轨道电路实现电码化时为轨道电路及车载信号设备响应时间之和（s），采用ZPW-2000系列轨道电路时为车载信号设备响应时间的最大值（s）；

L余——余量（m），典型值为20 m。

注：当采用列车占用叠加发码时，Lmin2是对单个发码区段最小长度的要求；采用预叠加发码时，Lmin2是对占用区段和相邻预发码区段长度之和的要求。

由于接收轨到电路信息后机车信号译码时间不变，上述公式中的vmax由350 km/h提高至400 km/h，现有满足机车信号接收机译码时间的最短轨道电路长度也需相应增长。

4 结论

列车运行速度提升至400 km/h后，信号专业的CTCS-3级列控系统总体上能够适应相关运营需求，但个别子系统配置、参数等需针对400 km/h速度进行适应性调整，部分设备应用环境等也需配套验证，如验证大功率牵引电流对BTM、TCR工作电磁环境的影响，振动冲击、车体横纵向偏移对BTM、TCR工作的影响等。以上分析均以-20‰坡道为基础，后续还需根据规400 km/h线路所对应的实际坡度进行更详细分析。

CTCS-3级列控系统车—地之间信息传输采用了GSM-R的无线模式，现有GSM-R基站的现场布置是按满足最高运行速度350 km/h设置，当列车运行速度提高至400 km/h后，为满足CTCS-3级列控系统对车—地通信的相关指标要求，现场基站布置方案可能也需要相应调整。

5 结束语

随着科技飞速发展，社会的现代化进程也在加快，人民群众对出行及货物运输的时间要求也越来越高，势必将驱动铁路系统在保证安全的前提下，进一步提高运营速度、压缩列车运行间隔，这在给信号系统带来空前压力的同时，也给信号系统的迅速发展提供了强大的动力。信号系统是保证铁路运输安全的核心系统，其针对400 km/h及以上的适应性研究也需尽快开展。本文仅针对CTCS-3级列控系统的主要功能进行了分析，未对其相关的全部功能如联锁延时解锁等进行细致的考量，也未对追踪间隔给出明确的追踪时间，后续仍需进行进一步的详细分析。

信号系统是一个较为复杂的系统，承担着平衡列车安全运行与列车运输效率的责任，在满足400 km/h的运营速度前提下，运输效率也需同步进行系统性的分析。