单线铁路CTCS-2级列控系统设计应用研究

袁俊喜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

列车运行控制系统是高速铁路保证行车安全、提高列车运行效率的重要技术装备，当列车速度超过160 km/h时，由于人的反应能力限制，以地面色灯信号显示为行车凭证的方式已不能确保列车安全运行，应采用以车载设备为行车凭证的列车运行控制系统对列车运行速度、运行间隔进行实时监控和超速防护。

新建包银铁路银川至巴彦浩特支线位于宁夏回族自治区银川市境内与内蒙古自治区阿拉善盟境内，线路自银川站南端在建银西高铁以线路所的方式分上下行引出，向北经巴润别立镇至终点巴彦浩特站。本线是一条以区际旅客交流为主，兼顾城际功能的客运铁路，作为地区性客运主干线，主要承担宁夏回族自治区以及蒙西主要城市进京的旅客交流。根据运量预测分析，本线采用单线能够满足客流需求，且时速200 km与相邻线匹配较好，可实现动车组列车跨线运行，运输质量高，因此，本线速度目标值采用200 km/h，按单线客运专线设计。

速度目标值为160 km/h单线铁路采取双接近的方式，车载设备采用LKJ(列车运行记录监控装置)+机车信号组成CTCS-0级列控系统。速度目标值200 km/h及以上复线铁路均装设了CTCS-2级或CTCS-3级列控系统[1]。对于包银铁路银巴支线速度目标值200 km/h的单线铁路列车运行安全控制目前没有具体方案。TB 10007—2017《铁路信号设计规范》规定设计速度160 km/h以上、250 km/h以下线路，采用CTCS-2列控系统[2]。CTCS-2级列控系统是基于轨道电路和应答器传输地-车间信息的点连式列车超速防护系统，能够满足200 km/h(或250 km/h)动车组上线安全运行。结合复线铁路CTCS-2级列控系统应用经验，对于包银铁路银巴支线这种200 km/h及以上300 km/h以下的单线铁路应采用CTCS-2列控系统监控列车运行。由于单线铁路较复线铁路从闭塞制式、运营模式等方面存在较多不同之处，应对CTCS-2级列控系统总体技术方案和特殊技术问题进行分析和研究。

2 单线CTCS-2级列控系统总体方案

为确保行车安全，必须向高速运行的列车发送控车信息，该信息根据先行列车的位置以及进路状态，给出列车允许的速度信号，以此速度信号对列车实施超速防护。CTCS-2级列控系统是基于轨道电路和点式应答器传输列车运行许可信息，并采用目标-距离连续速度控制模式监控列车安全运行的列车运行控制系统[3]。车载设备根据动车组参数和地面轨道电路、应答器等提供的行车许可命令、线路参数、临时限速信息，生成速度-距离模式曲线，产生行车凭证监控列车安全运行。

单线铁路区间根据运输能力要求一般采用自动站间闭塞，很少采用自动闭塞，原因是采用自动闭塞理论上虽可提高一定的通过能力，但需增加沿线部分车站股道数量，且成组追踪列车在沿线进行交会，列车等待时间长，运输质量低，列车追踪运行对运输组织的要求高、行车调度指挥较为复杂、灵活性较差，一旦晚点，恢复正常的运行图秩序困难。实现自动站间闭塞必须设置区间占用/空闲检查设备，目前主要采用轨道电路或计轴设备完成。CTCS-2级列控系统是基于轨道电路和点式应答器传输列车许可信息，按目标-距离连续速度控制曲线监控列车运行，即轨道电路区间贯通是CTCS-2级列控系统的必要条件。采用计轴自动站间闭塞由于区间不设轨道电路，不能满足CTCS-2级系统功能需求，如要实现CTCS-2级列控系统，必须解决由于区间无轨道电路无法得知其目标距离和目标速度的问题，可增加新的CTCS应答器数据包，定义空闲授权数据包和空闲授权结束数据包，相应修改CTCS-2级列控系统车载软件以及相关技术规范[6]，特别对跨线列车的运行带来很大的影响，且工程实施需要试验验证。因此，在不突破现行规范规定，不修改列控车载设备的前提下，单线铁路CTCS-2级列控系统总体技术方案应以区间轨道电路贯通为基础，以行车牵引计算的闭塞分区作为码序单元(以下闭塞分区均按此定义)进行构建，以实现250 km/h及以下的动车组按自动站间闭塞双方向安全运行。

单线铁路CTCS-2级列控系统由列控中心、轨旁电子单元、应答器、ZPW-2000系列轨道电路及信号安全数据网等设备组成，采用TSRS对临时限速命令进行集中管理。其总体技术方案与双线自动闭塞铁路CTCS-2级列控系统大体相同，但在规范的执行上及闭塞设备仅控制列车(无追踪)运行等方面存在一定的差异性，对于这些差异性特殊问题必须研究解决。

3 单线CTCS-2级列控系统特殊问题解决方案

3.1 临时限速的管理

原则上与调度台对应设置TSRS负责列控系统临时限速命令的集中管理。对于复线铁路，上下行线的每条线分别定义了正方向和反方向，临时限速命令限速区起点与终点里程均按正方向设置。对于单线双方向运行的铁路，同样需定义正方向与反方向，由于单线铁路上、下行方向性质相同，所以，正反方向的定义可考虑按单线与之衔接的双线铁路直向贯通的线路方向一致。如银巴支线单线区段的下行方向与良田线路所衔接的双线区段直向贯通的下行线一致，则单线段银巴支线下行方向为正方向，上行方向则为反方向，如图1所示。相应的单线区段站内下行方向左侧股道为下行侧线，右侧股道为上行侧线。根据《客运专线列控系统临时限速技术规范(V1.0)》(科技运[2008]151号)相关规定，区间及站内正线临时限速按实际里程标设置，侧线临时限速可以上、下行侧线分别(不含正线)按区设置[9]，临时限速命令的线路号可按下行正线、下行侧线、上行侧线顺序编号。

图1 单线段运行方向示意

3.2 区间轨道电路

区间采用ZPW-2000系列电气绝缘轨道电路，用于列车占用检查和向车载提供码序信息，以闭塞分区为发码单元。由于没有列车追踪运行的行车组织要求，闭塞分区划分可在牵引计算的基础上充分考虑轨道电路极限长度，根据各闭塞分区的道床特性，将一个闭塞分区分隔成两段或多段轨道电路以满足TB/T 3206—2017《ZPW2000轨道电路技术条件》的规定[10]。闭塞分区的长度一般情况可按2 km设置。

关于区间轨道电路载频配置，由于单线铁路仅有一条正线，所以轨道电路的载频只能是上行载频或下行载频。载频的选择应与所衔接的双线直向贯通的线路轨道电路的载频一致，如银巴支线直向与双线段下行线贯通，则单线段按1 700，2 300 Hz配置。这样配置主要是考虑未装备列控车载设备列车，由双线段的上行线经良田线路所道岔的侧向无码区段运行时实现人工转频的因素。即：动车组由巴彦浩特运行至良田线路所，通过其进站口设置的有源应答器实现载频切换后向上行联络线运行，未装备列控车载设备列车由巴彦浩特运行至良田线路所，在道岔侧向区段(无码区)由司机手动进行载频切换后向上行联络线运行，反之亦然。载频配置如图2所示。

图2 载频配置示意

3.3 应答器设置

应答器的设置应符合TB/T 3484—2017《列控系统应答器应用原则》的规定。同一区域内不同功能的应答器组宜合并设置，但不同方向作为发送线路数据的应答器组不宜合并设置，用于定位的应答器组可以共用，对于区间应答器组正向数据范围应冗余覆盖，丢失一个应答器组列车运行不受影响[11-12]。

3.3.1 区间应答器组

由于单线铁路采用自动站间闭塞，参照复线铁路反方向运行时区间应答器设置的规定，线路数据由进站口或中继站处设置的应答器提供，当进站口或中继站发送线路数据的无源应答器容量不能满足要求(约大于10 km)时，可在区间上下行分别单独设置反向区间应答器组。按此设置，从速度控制的角度区间可不再设置其他区间应答器组，但是，区间应答器[Q]还具有列车定位功能，特别是装载C3列控系统车载设备的动车在C2线路上运行通过应答器定位和位置校正，如果区间不设应答器组，至少装载C3列控系统车载设备的动车无法在C2线路上运行，部分C2列控系统车载设备的动车也无法运行。

装配CTCS-3(兼容CTCS-2)列控系统功能车载设备的动车组以CTCS-2功能运行，通过链接的应答器组时，车载设备根据应答器链接信息修正测距误差，并对列车的位置信息进行校正。因此，车载设备(如300S、300T、200C)逻辑上定义了相邻应答器组之间的距离限值，当动车组按CTCS-2运行超过5 000 m没有收到应答器信息时，则会触发ATP由完全监控模式转为部分监控模式运行，因此，CTCS-2级区段区间任意连续3组应答器组中，第一、第三组应答器组之间的距离大于5 000 m时，该两组应答器组之间未设置区间应答器组的闭塞分区入口处应增设定位应答器组[11]。

图3 区间应答器组设置示意(一)(单位：m)

基于上述分析，如果参照复线铁路反方向运行时区间应答器设置原则，单线区段可采取在每个闭塞分区设置一个定位应答器的方案，即：线路数据由进站口(或中继站处)设置的应答器及反向区间应答器组提供，定位数据由定位应答器提供，如图3所示。本方案技术上是可行的，但也存在当反向区间应答器组[FQ]丢失或故障时列车由于缺失线路数据而制动停车的问题，另外，距离车站(或中继站)约大于10 km设置一组反向区间应答器组不符合TB/T 3484—2017《列控系统应答器应用原则》关于相邻反向区间应答器组[FQ]之间的距离“不宜大于3个闭塞分区”的规定[11]。因此，区间应答器组设计应按上下行两方向分别间隔1个闭塞分区设置，用于向车载设备发送列车定位和线路坡度、线路允许速度、轨道区段及特殊区段等线路固定信息，如图4所示。上下行两个方向区间应答器组[Q]各自向车载发送线路数据。用于定位时不区分上下行，由于闭塞分区划分在2 km左右，这样丢失一个应答器组后相邻应答器组之间的距离小于5 000 m，保证动车组的正常运行，同时，也为自动闭塞改造预留了条件。

图4 区间应答器组设置示意(二)(单位：m)

3.3.2 中继站应答器组

中继站应答器组由两组应答器组组成，每组分别由一个有源应答器和两个无源应答器构成，用于发送临时限速和线路数据。其中有源应答器根据区间方向发送应答器链接信息和临时限速信息，第一组无源应答器发送反向(上行方向)线路数据，第二组无源应答器发送正向(下行方向)线路数据，如图5所示。第二组无源应答器发送的里程信息(ETCS-79包)是双向有效，所以按规定设置上述两组应答器组满足单线铁路列车双向运行的技术要求。

图5 中继站应答器组设置示意(单位：m)

3.3.3 自动过分相应答器组

自动过分相应答器组的设置与发送线路数据的应答器有关，由于区间应答器组结合上文均按上下行两方向分别间隔一个闭塞分区设置，发送所管辖范围内的线路数据，因此，设计时上、下行方向均按TB/T 3484—2017《列控系统应答器应用原则》规定的正向运行时自动过分相应答器的设置方式，分别设置3组应答器组发送分相信息[11]，如图6所示。

图6 自动过分相应答器组设置示意

3.3.4 其他应答器组

车站应答器组、等级转换应答器组、大号码应答器组等按照《列控系统应答器应用原则》(TB/T 3484-2017)相关规定进行设置，不再赘述。

4 结语

CTCS-2级列控系统相关技术标准、规范虽然没有规定仅适用于双线铁路，但对于单线铁路执行时又具有特殊性。通过对这些特殊技术问题的研究解决，在自动站间闭塞区间以设置连续轨道电路为基础构建CTCS-2级列控系统，符合现行CTCS-2级列控系统技术规范规定，实现列车按最高运行速度200 km/h(或250 km/h)安全运行。

根据运输需求，如果区间采用自动闭塞行车，区间可采用一个方向按自动闭塞设计，另一个方向按自动站间闭塞设计的方案，或者区间按双方向自动闭塞设计的方案。无论哪种方案两方向均应按追踪码序设计。区间一个方向按自动闭塞设计，另一个方向按自动站间闭塞设计的方案两个方向区间闭塞标准不一致、行车能力不均，不利于运输调度指挥和行车组织，优点是与目前运营的客专标准一致，相当于复线铁路的一条线。区间按双方向自动闭塞设计的方案类似于动车走行线，区别是动车走行线列车运行速度较低，一般最高运行速度为160 km/h，且不设区间中继站。另外动车走行线一般在某些时段内密集到发，与干线铁路运输组织有所不同。无论哪种方案，轨道电路、应答器完成的功能与双线自动闭塞CTCS-2级列控系统基本相同。

随着列控技术的发展及列控标准体系的日趋完善，对于单线高速铁路也可研究采用CTCS-4级列控系统方案。以车载为核心，基于北斗卫星列车精确定位，车地双向无线通信构建列车运行控制系统，从而简化列控系统的地面设备和轨旁设备，实现列车安全运行。目前CTCS-4级列控系统尚处于理论研究阶段，如要工程应用需进行技术研究、标准制定、设备研发及系统试验验证等工作。CTCS-2级列控系统具有成熟的技术、完善的体系和丰富的运营经验，因此，通过单线铁路CTCS-2级列控系统应用研究，对单线铁路列控系统构建、工程设计应用具有一定的参考价值和借鉴意义。