于曉泉1,2
（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京?100070
2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京?100070）
摘要：國內高速鐵路普遍采用CTCS-3級列控系統(tǒng)，最高運營速度為350?km/h，針對列車運營速度提高至400?km/h的需求，對現(xiàn)有信號系統(tǒng)中主要的問題進行適應性分析，速度提高后制動距離、制動時間等相關參數(shù)均有較大變化，針對無法滿足要求的系統(tǒng)功能提出適配性修改方案，可為后續(xù)研究400?km/h運營速度的信號系統(tǒng)配置提供參考。
關鍵詞：CTCS-3級；400?km/h；信號系統(tǒng)；適應性
中圖分類號：U285.21
文獻標識碼：A
文章編號：1673-4440(2018)06-0005-07
DOI：10.3969/j.issn.1673-4440.2018.06.002
Yu Xiaoquan1,2
（1. Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Group Co., Ltd., Beijing?100070，China）
（2. Beijing Engineering Technology Research Center of Operation Control Systems for High Speed Railways, Beijing?100070，China）
Abstract:At present, CTCS-3 train control systems are widely used in high-speed railways in China, and the maximum operation speed is 350 km/h. According to the demand of train running speed to 400 km/h, the paper analyzes the adaptability of existing signaling systems due to the variation of parameters such as the braking distance and braking time after the speed is raised, and puts forward the adaptation proposals for the system functions that cannot meet the relevant requirements, which can provide reference for further research on the configuration of signaling systems for trains with 400km/h operation speed.
基金項目：中國鐵路總公司重大課題項目（2300-K1160020.02.05）；北京全路通信信號研究設計院集團有限公司系統(tǒng)項目（2300-K1170038.03）
1?概述
我國現(xiàn)已成為世界上高速鐵路建設和運營規(guī)模最大、技術最復雜、運營速度最快、管理最先進的國家，高鐵已經成為一張閃亮的“國家名片”。高速鐵路設計速度分為200～250?km/h和300～350?km/h，分別采用CTCS-2級列控系統(tǒng)系和CTCS-3級列控系統(tǒng)。2016年7月15日，兩列中國標準動車組以超過420?km的時速在鄭徐高鐵上交會，創(chuàng)造了高鐵列車交會、重聯(lián)運行速度的世界最高紀錄，但現(xiàn)有CTCS-3級列控系統(tǒng)是否滿足400?km/h的運營控制需求，需進行詳細分析。
2?問題分析
當列車運行速度由350?km/h提升至400?km/h時，將對各個專業(yè)提出新的要求，采用400?km/h高速鐵路無砟軌道路基基床結構設計技術、新型高速動車組技術、車站最佳站間距選擇、線路的曲線超高設置等問題均擺在鐵路人員面前。同樣隨著運營速度的提高，對于信號系統(tǒng)也提出更高要求，其中信號系統(tǒng)仍采用CTCS-3級列控系統(tǒng)主用、CTCS-2級列控系統(tǒng)作為后備的方式，信號的各個子系統(tǒng)、基礎設備是否滿足運營要求，均需進行系統(tǒng)性分析。
現(xiàn)有CTCS-3級列控系統(tǒng)運營最高速度為350?km/h，運營速度提高至400?km/h后，動車組對應的制動距離也將增大，故原有接近鎖閉長度無法滿足此時接近鎖閉需求；同時列車制動距離增大將可能影響閉塞分區(qū)的長度劃分；接近鎖閉長度也將隨著運行速度的提高而相應增長；列車運行速度提高其制動時間也將延長，故車站聯(lián)鎖進路的延時解鎖時間也將隨著制動時間的延長而增加；軌道電路最短長度受其本身產品特性及列車運行速度的共同制約，站內軌道電路尤為明顯，隨著列車運行速度的提高，軌道電路的最短長度也將相應增加；運行速度提高后所需能量也將變大，從而導致鋼軌中產生的不平衡牽引回流情況也將變大，這將對機車信號的接收及解碼造成不利的影響；CTCS-3級列控系統(tǒng)的后備模式為CTCS-2級系統(tǒng)，CTCS-2級列控系統(tǒng)的最高運行速度為300?km/h，當CTCS-3級列控系統(tǒng)運行速度提高至400?km/h后，由于各種原因導致其轉為CTCS-2級列控系統(tǒng)后，將影響列車原有的運行計劃；列車運行速度提高至400?km/h，可能也無法滿足3?min追蹤要求追蹤間隔。
3?方案分析
3.1?動車組制動距離影響對比
動車組制動距離與列車的運行速度、線路坡度、動車組制動性能、ATP的制動模型等相關，制動距離的長短又影響追蹤間隔、接近鎖閉長度等。動車組的運行速度直接影響列車常用制動距離和緊急制動距離，如圖1所示，在坡度相同的情況下，當運行速度提高后，常用制動距離和緊急制動距離也對應增大，且是非線性關系，速度由350?km/h提升至400?km/h時尤為明顯。
如圖2所示，坡度為-20‰時，動車組常用制動距離和緊急制動距離與相同速度0坡度的對應制動距離相比，常用制動距離和緊急制動距離均增加明顯，且速度越高對應差值越大，即速度越高坡度對制動距離影響越大，亦非線性關系。
3.2?列車區(qū)間追蹤間隔
如圖3所示，列車在區(qū)間追蹤時，兩列車之間的最小追蹤間隔由列車制動距離L制、列車安全防護距離L防、前車列車尾部距離所在閉塞分區(qū)信號標志牌的距離L1、后車車頭距離防護其運行前方閉塞分區(qū)標志牌間的距離L3、列車制動啟模點與防護啟模點所在閉塞分區(qū)標志牌之間的距離L2等之和構成。通常情況下，滿足最高運行速度為350?km/h的CTCS-3級列控系統(tǒng)閉塞分區(qū)長度設置為2?000?m，CTCS-2級列控系統(tǒng)用7個閉塞分區(qū)滿足列車安全追蹤要求，即列車追蹤最小間隔為7個閉塞分區(qū)。
列車在區(qū)間追蹤運行，當列車速度為400?km/h，坡道按-20‰時，常用制動距離為30?170?m，緊急制動距離為20?849?m。如圖4所示，后續(xù)列車以400?km/h速度走行此常用制動距離約需要272?s，無法滿足CTCS-3級列控系統(tǒng)3?min追蹤間隔要求。
而如果閉塞分區(qū)仍為2?000?m，則7個閉塞分區(qū)距離約為14?000?m，無法滿足動車組常用制動需求。此時如果要求處于后備模式的CTCS-2級列控系統(tǒng)也滿足400?km/h的運輸需求，可以通過增加閉塞分區(qū)長度（如閉塞分區(qū)長度改為3?000?m，軌道區(qū)段長度不變，每個閉塞分區(qū)由3個軌道區(qū)段組成）實現(xiàn)，也可通過增加對應的閉塞分區(qū)個數(shù)（如將閉塞分區(qū)個數(shù)改為8個或9個閉塞分區(qū)，但采用增加閉塞分區(qū)個數(shù)方式時，則需擴容現(xiàn)有軌道電路的低頻信息，增加對應的低頻碼L6、L7等）實現(xiàn)；如果維持現(xiàn)有7個閉塞分區(qū)個數(shù)不變，且閉塞分區(qū)長度也維持2?000?m，則以400?km/h運行在CTCS-3級模式下的動車組，如果轉為CTCS-2級模式控車，需先制動到速度低于300?km/h后再進行模式轉換。
由此可知，動車組運行速度越高，列車制動距離越長；下坡道坡度越大，列車制動距離越長；制動距離越長，列車按最高速度勻速運行的時間也越長；列車追蹤間隔時間大于列車按最高速度勻速運行的時間，故列車速度提高至400?km/h后，按現(xiàn)有系統(tǒng)設置無法滿足3?min追蹤要求，可將追蹤間隔按實際情況進行延長。CTCS-2級列控系統(tǒng)作為后備模式可維持既有系統(tǒng)設置要求，以加大列車運行間隔方式解決400?km/h運行的CTCS-3級列車與300?km/h運
行的CTCS-2級列車追蹤運行問題，CTCS-3級列車可先制動降速至300?km/h再轉換成CTCS-2級模式，也可采用前述方案將CTCS-2級列控系統(tǒng)適用范圍提升至400?km/h。
3.3?接近鎖閉
接近鎖閉是所排進路的接近區(qū)段被占用以后，進路鎖閉必須在列車、車列通過一定手續(xù)和限時方能解鎖的鎖閉?！惰F路信號設計規(guī)范》關于接近鎖閉設計規(guī)定如下：
“6.2.13接近鎖閉設計應符合下列規(guī)定：
……
2?列車進路
1) CTCS-3級區(qū)段，接近鎖閉區(qū)段長度不小于列控車載設備與RBC最大允許通信中斷時間內列車按設計速度運行的距離與列車最大常用制動距離之和；
2) CTCS-2級區(qū)段，接近鎖閉區(qū)段長度不小于列車按設計速度運行時的最大常用制動距離；
……”
現(xiàn)有CTCS-2級區(qū)段，其列控系統(tǒng)運行速度最高為300?km/h，按鐵路信號設計規(guī)范要求，對應接近鎖閉的區(qū)段長度如圖5所示。
現(xiàn)有CTCS-3級區(qū)段，采用CTCS-3級ATP控車時，其列控系統(tǒng)運行速度最高為350?km/h，按鐵路信號設計規(guī)范要求，對應接近鎖閉的區(qū)段長度要求如圖6所示。
在CTCS-3級區(qū)段，列車運行最高速度350?km/h，坡道為“0”條件下，處于CTCS-2級ATP控車時其最高運行速度為300?km/h，故其接近鎖閉區(qū)段可由5個閉塞分區(qū)構成（閉塞分區(qū)長度按2?km估算）；處于CTCS-3級ATP控車時其接近鎖閉區(qū)段可由8個閉塞分區(qū)構成（閉塞分區(qū)長度按2?km估算），遠遠大于CTCS-2級ATP控車所需長度，故只要滿足最高速度350?km/h、按CTCS-3級ATP控車時的需求即可。
如表1所示，CTCS-3級區(qū)段坡道為“0”時，速度按最高運行速度上浮5?km/h考點，CTCS-3級列控系統(tǒng)與CTCS-2級列控系統(tǒng)接近鎖閉最短長度：
現(xiàn)有CTCS-3級列控系統(tǒng)“列控車載設備與RBC最大允許通信中斷時間”為20?s，則列車運行速度為355?km/h，其接近鎖閉長度最小值為355×20+12?799≈14?771?m；列車運行速度為405?km/h，其接近鎖閉長度最小值為405×20+16?045≈18?295?m。
現(xiàn)有CTCS-2級列控系統(tǒng)最高運行速度為305?km/h，其接近鎖閉長度最小值為9?376?m；如果將CTCS-2級列控系統(tǒng)適用范圍提升至400?km/h，其接近鎖閉長度最小值為18?295?m。
接近鎖閉長度最終取值應以18?295?m為基礎，結合閉塞分區(qū)劃分情況，按閉塞分區(qū)個數(shù)及對應長度確定聯(lián)鎖最終的接近鎖閉長度。
3.4?后備模式影響
如圖7所示，CTCS-2級列控系統(tǒng)作為CTCS-3級列控系統(tǒng)后備模式，其在現(xiàn)有條件下適應最高運行速度為300?km/h，閉塞分區(qū)長度通常按2?km左右設置，碼序按L5、L4、L3、L2、L、LU、U、HU設置，即采用7個閉塞分區(qū)約14?km長度，滿足300?km/h速度下，大于或等于列控監(jiān)控模式曲線制動距離及列車安全防護距離之和的要求。
在同一條線路上，開行不同速度列車會導致區(qū)間運行時分之差。兩列列車速差越大，區(qū)間運行時分差值越大，影響列車通過能力就越大。以京滬高鐵為例，目前京滬高速鐵路開行300?km/h和350?km/h兩種速度等級的動車組，2017年9月21日開始每天開行了7對350?km/h速度等級的復興號動車組，不可避免在中間站要越行速度等級300?km/h的動車組，導致被越行列車的停站時間過長，降低了區(qū)間通過能力。
越行可以分為單列車越行單列車、單列車越行多列車、多列車越行單列車、多列車越行多列車等，最簡單的單列車越行單列車時，被越行列車的停站時間一般在6～7?min，遠大于一般的停車時間(2?min)。越行越復雜，被越行列車的停站時間越長，產生的運行圖空檔越大，越難以被充分利用，造成能力損失的可能性也就越大。開行400?km/h動車組的線路，如果列車均為運行速度400?km/h的列車，當某列車CTCS-3級車載設備因無線超時或故障等原因降級為CTCS-2級運行時，列車將降速運行，增大列車運行間隔、降低線路的通過能力，給本線的正常運輸組織造成嚴重影響。
3.5?其他影響
現(xiàn)有ZPW-2000A軌道電路應用條件為鋼軌牽引回流不大于1?000?A，不平衡牽引電流不應大于100?A。軌道電路信息接收及機車信號譯碼功能主要受FSK信息的信號質量及持續(xù)時間影響，F(xiàn)SK信號質量易受列車牽引諧波干擾影響，列車按400?km/h速度運行時，相對于350?km/h牽引功率將增大，牽引電流和諧波干擾也將隨之增大，故將對FSK信息的信號質量產生一定的影響。
為滿足聯(lián)鎖正常解鎖及機車信號可靠接收，《鐵路信號設計規(guī)范》中關于軌道區(qū)段設置有如下規(guī)定：
“4.1.6站內軌道區(qū)段的長度應符合下列規(guī)定：
1）需為聯(lián)鎖設備提供鎖閉與解鎖條件時，不得小于聯(lián)鎖系統(tǒng)正常解鎖所需的最小長度（Lmin1），Lmin1按公式（1）計算
Lmin1＝vmax×t1－L車 （1）
式中：vmax——軌道區(qū)段的線路設計速度（m/s）；
t1——軌道占用檢查裝置及聯(lián)鎖設備響應時間之和（s）；
L車 ——機車首末輪對中心間距離的最小值（m）。
2）需為車載信號設備提供機車信號信息時，不得小于列車按設計速度運行時車載信號設備可靠工作所需的最小長度（Lmin2），Lmin2按公式（2）計算。
Lmin2＝vmax×t2＋L余 （2）
式中：vmax——軌道區(qū)段的線路設計速度（m/s）；
t2——以單獨的發(fā)碼設備疊加于軌道電路實現(xiàn)電碼化時為軌道電路及車載信號設備響應時間之和（s），采用ZPW-2000系列軌道電路時為車載信號設備響應時間的最大值（s）；
L余——余量（m），典型值為20?m。
注：當采用列車占用疊加發(fā)碼時，Lmin2是對單個發(fā)碼區(qū)段最小長度的要求；采用預疊加發(fā)碼時，Lmin2是對占用區(qū)段和相鄰預發(fā)碼區(qū)段長度之和的要求。
由于接收軌到電路信息后機車信號譯碼時間不變，上述公式中的vmax由350?km/h提高至400?km/h，現(xiàn)有滿足機車信號接收機譯碼時間的最短軌道電路長度也需相應增長。
4?結論
列車運行速度提升至400?km/h后，信號專業(yè)的CTCS-3級列控系統(tǒng)總體上能夠適應相關運營需求，但個別子系統(tǒng)配置、參數(shù)等需針對400?km/h速度進行適應性調整，部分設備應用環(huán)境等也需配套驗證，如驗證大功率牽引電流對BTM、TCR工作電磁環(huán)境的影響，振動沖擊、車體橫縱向偏移對BTM、TCR工作的影響等。以上分析均以-20‰坡道為基礎，后續(xù)還需根據(jù)規(guī)400?km/h線路所對應的實際坡度進行更詳細分析。
CTCS-3級列控系統(tǒng)車—地之間信息傳輸采用了GSM-R的無線模式，現(xiàn)有GSM-R基站的現(xiàn)場布置是按滿足最高運行速度350?km/h設置，當列車運行速度提高至400?km/h后，為滿足CTCS-3級列控系統(tǒng)對車—地通信的相關指標要求，現(xiàn)場基站布置方案可能也需要相應調整。
5?結束語
隨著科技飛速發(fā)展，社會的現(xiàn)代化進程也在加快，人民群眾對出行及貨物運輸?shù)臅r間要求也越來越高，勢必將驅動鐵路系統(tǒng)在保證安全的前提下，進一步提高運營速度、壓縮列車運行間隔，這在給信號系統(tǒng)帶來空前壓力的同時，也給信號系統(tǒng)的迅速發(fā)展提供了強大的動力。信號系統(tǒng)是保證鐵路運輸安全的核心系統(tǒng)，其針對400?km/h及以上的適應性研究也需盡快開展。本文僅針對CTCS-3級列控系統(tǒng)的主要功能進行了分析，未對其相關的全部功能如聯(lián)鎖延時解鎖等進行細致的考量，也未對追蹤間隔給出明確的追蹤時間，后續(xù)仍需進行進一步的詳細分析。
信號系統(tǒng)是一個較為復雜的系統(tǒng)，承擔著平衡列車安全運行與列車運輸效率的責任，在滿足400?km/h的運營速度前提下，運輸效率也需同步進行系統(tǒng)性的分析。
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（收稿日期：2018-05-11）
（修回日期：2018-05-29）
