CTCS-3车载ATP行车许可结合轨道电路信息防护优化

徐 昱，刘长波

（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

CTCS-3（简称C3）级列车运行控制系统是国内时速300～350 km高速铁路的重要技术装备，是国内铁路技术体系和装备现代化的重要组成部分，是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一[1]。C3级列控系统的基本工作原理如下：车站列控中心（TCC）将区间轨道区段状态信息转发给车站联锁（CBI），车站CBI将轨道区段状态信息和车站进路信息发送给RBC；RBC通过GSM-R无线通信网络接受车载设备发送的位置和列车数据等信息，从临时限速服务器（TSRS）获取临时限速信息，并根据轨道区段状态、联锁进路等信息生成行车许可（MA），通过GSM-R无线通信网络将MA、线路参数、临时限速传输给C3级车载设备。C3级车载ATP设备根据接收到的行车许可，结合列车运行速度、动车组车辆制动特性以及列车运行前方线路情况（含临时限速信息）等，按照安全制动模型，计算出目标-距离速度控制模式曲线，监控列车安全运行。

为进一步优化完善C3级列控系统，原铁路总公司修订发布了《CTCS-3级ATP行车许可结合轨道电路信息暂行技术条件》（铁总工电〔2018〕18号，以下简称18号文），C3级列控系统行车许可结合轨道电路信息是C3级车载ATP设备将其接收到的由RBC提供的MA信息与轨道电路设备提供的低频码信息进行安全比较，有效实现了C3系统与C2系统的信息融合，进一步完善了C3系统的功能，更好地提高了C3系统的安全性[2]。

2 防护场景

根据18号文规定，C3级车载ATP设备在完全监控模式（FS）下，结合轨道电路低频码L3、L2、L、LU、U、HU、HU码变无码（包括25.7 Hz及27.9 Hz），并根据列车当前位置确定轨道电路信息许可终点或输出制动。

轨道电路低频码为L3、L2、L、LU时，若C3级的行车许可终点位置（EoA）大于轨道电路信息许可终点（即LC3＞LC2）并持续5s，则C3级车载ATP设备将行车许可终点位置（EoA）缩短至轨道电路信息许可终点处。

轨道电路信息许可长度LC2=N（轨道电路信息所定义的空闲闭塞分区数量+列车所在区段+控制余量）×闭塞分区平均长度L均。其中，列车所在区段为1，控制余量为2，根据以上公式计算轨道电路信息许可长度。

闭塞分区平均长度L均根据当前C3级行车许可范围内的平均坡度取值如公式（1）所示。

C3级行车许可范围内的平均坡度G′计算方式如公式（2）[3]所示。

其中：G′为计算得出的平均坡度；Gn为C3级行车许可范围内每段坡度的坡度值，若坡度大于0‰则取值为0；Ln为C3级行车许可范围内每段坡度的长度值。

3 应用场景

在进行某线实验室测试时，设置5784G 区段占用，如图1 所示。列车由6016G运行至5998G时，会触发列车最大常用制动。

经分析，设置5748G区段占用，列车由L4码(6016G)运行至L3码(5998G)时，C3级行车许可长度LC3为25 025 m。该范围内各坡度段为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，如图 1所示。

根据公式（2）平均坡度计算公式，计算得出平均坡度G′为19‰下坡道。

根据闭塞分区平均长度计算公式（1），计算得出闭塞分区平均长度L均为2 400 m。

根据轨道电路信息许可长度计算，此时L3码轨道电路信息许可长度LC2为19 200 m，C3级行车许可长度LC3大于轨道电路信息许可长度LC2并持续5 s，C3级列控车载设备将行车许可终点位置（EoA）由 25 025 m 处缩短至 19 200 m 处，缩短了5 825 m，因此导致车载设备输出最大常用制动。

4 优化措施

C3级列控系统车载设备和无线闭塞中心设备间通过无线消息进行相互通信，RBC向车载设备发送MA信息，使列车在线路上安全运行，在现有无线通信消息数据构成基础上，可对无线通信行车许可信息包进行调整，同时对轨道电路低频码为L3至LU、UU、UUS、U2、U2S处理逻辑进行优化。

4.1 无线通信消息包调整

1）MA的结构

MA的结构如图2所示，到MA终点（EoA）的距离可由若干区段组成[4]。

对于构成MA的每个区段应包含下列信息：

a. 区段长度；

b. 区段有效时间和区段起点至区段有效时间停止计时位置的距离（可选）。

MA的末区段包括但不限于以下信息：

a. 末区段保持时间和末区段的保持时间计时开始位置至末区段终点的距离（可选）；

b. 危险点信息（末区段终点至危险点的距离、与危险点相关的RS）（RS开口速度可选）；

c. 保护区段信息（末区段终点至保护区段终点的距离、保持时间、保护区段的保持时间开始计时位置至保护区段终点的距离、与保护区段相关的RS）（RS 可选）。

2）MA区段含义

RBC通过无线发送的MA信息中，第一个区段的长度以同一消息中的LRBG的位置参照点作为参考。MA中的每个区段长度应能到达线路上的任何位置，区段可以包含若干个闭塞分区，如图2所示。

《Dimensioning and Engineering rules》（SUBSET-040）对MA区段的数量进行了规定，且在V2.0.0版中指出MA 信息包中“区段”为具有不同超时计时器的“轨道段”[5]。 因此，若连续的“信号闭塞分区”没有特定的超时计时器（如区间闭塞分区），它们就可以合并到一个“MA区段”中。同时规定一个信息包中MA区段的最大迭代为6，但V3.4.0版中规定一个信息包中MA区段的最大迭代为5[6]。以上迭代次数均不包含末区段。

3) C3列控系统中MA描述形式及优化调整

目前C3列控系统中信息包15的描述形式采用SUBSET-040的建议，如图3所示，办理X至3G接车，接车长度1 911 m，RBC基于应答器组1发送的信息包15实例如表1所示。MA长度为8 306 m（205 m+1 982 m+1 998 m+2 210 m+1 911 m）。

表1 侧线接车MA调整前行车许可信息包Tab.1 MA message package before adjustment for receiving the train on the siding

C3列控系统可在SUBSET-040建议的基础上进行优化调整，每个闭塞分区虽然没有超时计时器，但也可采用分段描述，即将目前信息包15描述形式采用表2的方式。仍以X-3G接车为例，如图3所示，RBC基于应答器组1发送的信息包15中MA区段分4段描述，第一段从应答器组1至信号标志牌3，第二段从信号标志牌3至标志牌5，第三段从信号标志牌5至X进站信号机，末区段从X进站信号机至X3出站信号机。

表2 侧线接车MA调整后行车许可信息包Tab.2 MA message package after adjustment for receiving the train on the siding

调整后的描述方式相对于现有方式，每增加一个闭塞分区，P15包的长度增加 2 Byte（16 bit）。工程实践中，线路最高速度为310 km/h，MA长度通常为20～22 km，折合闭塞分区个数约10～11个；线路最高速度为350 km/h，MA长度通常为28 km，折合闭塞分区个数约16～17个。按闭塞分区合并描述，在310 km/h线路P15包长度增加约 20 Byte，350 km/h 线路P15 包长度增加约32 Byte。

每个RBC消息的最大长度，作为普通优先级数据发送的应用数据（不包括Euroradio协议数据）不能大于500 Byte，按闭塞分区描述不会超过此要求。当C3车载设备收到上述形式的信息包后，将所有的L_SECTION长度和L_ENDSECTION长度相加之和作为MA长度，按此距离控制列车运行。

4.2 轨道电路低频码L3、L2、L、LU处理逻辑

当列车收到L3码至LU码后，车载设备根据轨道电路低频码确认前方闭塞分区数量（5～2个闭塞分区）[7]，然后从RBC发送的P15信息包中计算前方相应的L_SECTION数量和余量，计算轨道电路行车许可长度后再与C3级行车许可长度比较。

正线运行时，L3、L2、L、LU表示的闭塞分区空闲数量，其C2行车许可终点与C3行车许可终点完全一致。

侧线接车时，L3、L2、L、LU表示的闭塞分区空闲数量，其C2行车许可终点为进站信号机，而C3行车许可终点为出站信号机，C3行车许可比C2行车许可多一个闭塞分区，如图4所示。

因此，为保证侧线运行时列车运行速度不会提前降速，在L3、L2、L、LU码时仍按照18号文规定增加闭塞分区控制余量数量，闭塞分区的长度按照列控车载设备接收RBC发送的P15信息包中L_SECTION数量和余量进行计算。

4.3 轨道电路低频码UU、UUS、U2、U2S处理逻辑

UU、UUS、U2、U2S码均为侧线接车，以下按照侧线停车和侧线通过分别说明码序结合情况。

1）当侧线停车时，C2行车许可终点为出站信号机，与RBC发送的C3行车许可终点一致。

2）当侧线通过进路为80 km/h时，RBC发送的C3行车许可终点会越过出站信号机，但C2模式下UU和UUS闭塞分区的出口速度已被限制，C3列车运行速度会略受影响，该场景下需要增加一个闭塞分区控制余量。

3）当侧线通过进路为大号码道岔时，RBC发送的C3行车许可终点会越过出站信号机，C3行车许可截取到出站信号机时列车运行速度将受影响，不能以大号码道岔速度运行。为避免该情况发生，需要对大号码接车时的C2行车许可结合功能进行优化。

a. 《列控中心技术条件》（Q/CR 817-2021）6.11.8条规定：对于具备大号码道岔的侧向进路，当侧向接车信号开放USU，接近区段发送UUS码，进路行车许可长度超过制动距离检查范围时，才准许TCC发送大号码道岔数据包[8]。

b. 大号码道岔侧向允许速度制动到0 km/h的距离，按照大号码道岔侧向160 km/h及CRH380BK车型制动距离计算，平坡时常用制动距离约2 km，30‰下坡时常用制动距离约4.4 km，通常两个闭塞分区长度已经覆盖。

c. 考虑复杂场景及极端情况，侧线通过进路接车为大号码道岔，列控车载设备C2单元接收到应答器报文[CTCS-4]包时，在UUS、U2S码下对C2行车许可闭塞分区终点出站信号机再增加两个闭塞分区控制余量，如图5所示。

结合上述分析，轨道电路低频码为UU、UUS、U2、U2S时轨道电路信息许可长度如表3所示。

表3 侧线轨道电路信息许可计算明细Tab.3 MA calculation of siding track circuit codes

4.4 场景举例

1）区间正常追踪运行

如图6所示，当后车运行至L3区段时，以当前位置向前计算8个闭塞分区（含列车所在闭塞分区及控制余量），从RBC发送的P15包里计算相应的SECTION长度作为轨道电路许可长度，因实际EoA位置超过了P15包中SECTION+ENDSECTION数量，所以C3行车许可结合轨道电路信息比较后取P15包中MA长度，即C2和C3长度一致。

2）侧线接车（U2S、UUS、U2、UU）

如图7所示，当后车运行至U2S/UUS、U2/UU区段，以当前位置向前计算4～3个闭塞分区（含列车所在闭塞分区及控制余量），从RBC发送的P15包里计算相应的SECTION长度作为轨道电路许可长度，因实际EoA位置超过了P15包中SECTION+ENDSECTION数量，所以C3行车许可结合轨道电路信息比较后取P15包中MA长度，即C2和C3长度一致。

3）侧向通过（U2S、UUS）

如图8所示，当后车运行至U2S/UUS、U2/UU区段，以当前位置向前计算4～3个闭塞分区（含列车所在闭塞分区及控制余量），从RBC发送的P15包里计算相应的SECTION长度作为轨道电路许可长度，如P15包中SECTION+ ENDSECTION数量大于该长度，则选取P15包中4～3个L_SECTION长度之和，截取C3的MA长度。

当后车运行至U2S/UUS区段且收到大号码道岔信息包，则再延长1个闭塞长度，即以当前位置向前计算5～4个闭塞分区（含列车所在闭塞分区及控制余量），从RBC发送的P15包中计算相应的SECTION长度作为轨道电路许可长度，如P15包中SECTION+ENDSECTION数量大于该长度，则选取P15包里5～4个L_SECTION长度之和，截取C3的MA长度。若该场景下未收到大号码道岔信息包时，将还按照80 km/h侧向过岔。

4）错误防护

若RBC发送的MA存在错误，按照上述优化对行车许可进行比较，以场景1区间正常追踪运行为例。当后车运行至L3区段时，从RBC发送的P15包里选取8个SECTION，因P15包中SECTION加ENDSECTION数量大于8个，所以经行车许可比较后选取P15包中8个L_SECTION长度之和作为C3行车许可的长度，随着列车运行低频码变化，经轨道电路信息比较后C3行车许可逐渐截短直至HU码末端，如图9所示。

5 结论

C3级ATP行车许可结合轨道电路信息是利用国内铁路既有技术优势、持续提升高铁安全性的重要技术措施。自2016年全面实施以来，运用效果良好，有效地实现了C3系统与C2系统的资源整合，进一步完善和提高了列控系统的安全性。本文针对在实际工程测试过程中发现的问题，结合运营场景进行分析，分别从地车-通信无线消息包结构、轨道电路低频码L3、L2、L、LU以及 UU、U2、UUS、U2S处理逻辑的优化方面提出建议，细化适应场景并进行举例说明，进一步提高C3级ATP行车许可结合轨道电路信息的适应性。