列控系统应答器应用分析及优化建议

霍黎明

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081）

0 引言

在我国列车运行控制系统技术规范中，从CTCS-1级至CTCS-4级均配置应答器设备，应答器是既有线改造提速和高铁建设中不可缺少的设备，所采用的磁感应技术能够向高速行驶的车载系统提供大量固定信息和可变信息[1-2]。其传输链路分为上下2路，上行链路由地面应答器向车载系统传输，信息包括固定信息和可变信息；下行链路由车载系统向地面应答器传输列车运行信息。当前车地信息传输中以上行链路数据为主，主要向列控车载系统传送以下信息：链接信息、轨道区段信息、坡度和自动过分相信息、速度信息、临时限速信息、车站相关进路信息、等级转换信息、定位信息、站台侧信息、站名信息等。

近年来，随着我国高速铁路的快速发展，不断出现大型枢纽车站，通常具有以下特点：建有多种发挥不同作用的线路，包括不同场间的场联线、与动车所相关的动走线、避免线路相互交叉的立交交叉疏解线、机务专用的折返线等；有2个以上进出站口；车站股道区段距离咽喉区较远并配有进路信号机。上述特点不仅增加了枢纽车站的线路复杂度，而且增加了联锁进路数据的复杂度，进而增加了仿真和动态检测的复杂度。通过分析近年来信号系统联调联试大量的试验数据后发现，在枢纽车站和线路条件复杂、信息多变的区段，有源应答器和无源应答器在发送信息的分配上有时不够合理，实际应用中许多信息没有结合站场线路实际情况进行充分调整，依靠经验简单地生搬硬套，使用不够灵活。

1 数据应用分析

根据列控系统应答器应用原则，有源应答器组的数据应合理分配，固定信息宜设置在无源应答器中，无源应答器用于发送对直向方向有效的线路坡度、线路速度、应答器链接和轨道区段信息。正反向进站信号机、中继站、有始发列车作业的车站出站信号机无源应答器中应发送里程信息。当发车信号开放后，有源应答器发送对发车方向有效的应答器链接、线路允许速度、里程系、轨道区段、临时限速及特殊区段等信息[3]。在实际应用中，应答器数据分配和使用出现的问题较多，尤其在坡度、里程系、速度和限速信息等方面。

1.1 坡度方面

某疏解线反向走行部分简图见图1。列车反向运行（正线XTF—201#岔尖—SZ7），当列车从正线运行至侧线后，一直使用正线坡度信息，直到收到SZ7应答器数据才能更新坡度信息，从201#岔尖至SZ7应答器这段，坡度与实际不符[4]。

图1 某疏解线反向走行部分简图

原因分析：由于该枢纽车站的部分正线和侧线坡度相差较大，而无源应答器只能写单一方向坡度信息，正线应答器只能写正线坡度信息，侧线应答器只能写侧线坡度信息，当列车从正线经过走侧线时，会一直使用正线坡度数据，直到收到侧线第1组应答器数据才能更新为侧线坡度数据，因此从过岔尖开始到侧线第1组应答器这段，坡度值和实际现场坡度值不符。

以上问题不仅出现在疏解线，在场联线和动走线正反向也常出现类似问题。坡度信息在行车中起着重要作用，是车载系统逻辑运算的重点数据参数，也能为司机提供明确的提示信息。如果侧线和正线坡度差别不大，对行车影响不大，但在复杂的车站，尤其是疏解线等立体交叉类线路条件中，往往坡度值较大，甚至达到±30‰。对于这样的线路，坡度信息就显得尤其重要，必须准确地提供给车载系统，否则将影响行车安全。

1.2 里程系方面

里程系方面类同于坡度方面，同样是由于枢纽车站进路条件复杂，每条线路均有单独里程系，而无源应答器只能写单一方向里程数据，正线应答器只能写正线里程信息，侧线应答器只能写侧线里程信息，当列车从正线经过走侧线时，会一直延用正线里程，直到收到侧线第1组应答器数据后才能更新为侧线里程，造成某区段内里程数据和实际里程数据不符。里程信息对司机起着重要的提示作用，一定条件下其重要性不容忽视。

1.3 速度方面

列车在某枢纽车站27G发车，经上行线正向XTF机外停车。自S27信号机至SL3信号机，列车允许速度一直保持80 km/h，与进路数据不符[4]（进路数据表为80/444，160/1014）。S27—SL3—XTF进路简图见图2。

图2 S27—SL3—XTF进路简图

原因分析：在S27—SL3—XTF进路中，BS27有源应答器要发送 ETCS-5、CTCS-1、ETCS-27、ETCS-68、CTCS-2包信息。由于该枢纽车站的站场较大，CTCS-1包容量较大，无法写入全部线路描述信息，为保证BS27有源应答器描述的线路数据的有效性和充分性，克服应答器报文容量有限问题，只能采用合并线路速度的方式来满足上述要求，即减少ETCS-27包容量。根据运行路径，合并后的速度取2分段速度中较低值。根据上述方式，对于S27—SL3—XTF进路，原始速度信息为80/444，160/1396，250/1421，处理后为80/1840，250/1421。

在该案例中，由于有源应答器BS27的容量问题，必须采用通过合并线路参数的方式对ETCS-27包中的速度信息进行合并，造成了实际数据与列控工程数据表不一致，没有准确反映出线路的实际情况。

1.4 限速方面

列车上行线正向运行，某站IIG到发进路简图见图3，上行线区间K191+861—K91+661设置200 km/h的临时限速，列车发车后经过此站SII应答器组后，允许速度由250 km/h突降到200 km/h，经过出站口XN应答器组及1个车长，允许速度恢复为250 km/h[5]。

原因分析：根据《列控系统相关规范补充规定》（铁总运〔2016〕222号），正线出站设置有源应答器时，报文发送原则应满足ATP车载设备在C2等级下以完全监控模式运行的需求[6]。此有源应答器需要描述报文编辑如下：报头：50位，ETCS-5：69位，ETCS-27：86位，CTCS-1：429位，ETCS-68：65位，CTCS-2（3条TSR信息）：221位，共920位。在ETCS-21包已经调整到无源应答器中后，报文长度还是超过应答器最高容量830位。由于报文超过应答器容量限制，无法满足规范中的“临时限速包与进路有源应答器报文发送原则一致”的要求，只能对临时限速包进行压缩或合并，即只能将临时限速范围描述到反进站信号机处，从而导致车载系统没有收到准确的限速信息而出现速度突降。

图3 某站IIG到发进路简图

2 应答器容量分析

在我国CTCS-2级列控系统中，应答器是车载系统获取地面信息的重要来源。无源应答器（也称固定应答器）设于区间闭塞分区入口以及车站进、出站信号机外方，同有源应答器成组排列，用于向列控车载系统传输闭塞分区长度和轨道区段、线路速度和坡度、列车定位等信息；有源应答器（也称可变应答器）设置于车站进、出站信号机外端，向列车提供接车进路参数、临时限速等可变信息[3]，应答器报文帧结构见表1[1]。其中应答器发送的用户信息包括：应答器链接（ETCS-5）、重定位信息（ETCS-16）、线路坡度信息（ETCS-21）、线路速度（ETCS-27）、等级转换（ETCS-41）、CTCS数据（ETCS-44）、特殊区段（ETCS-68）、文本信息（ETCS-72）、里程信息（ETCS-79）、调车危险（ETCS-132）、默认信息（ETCS-254）、轨道区段（CTCS-1）、临时限速（CTCS-2）、区间反向运行（CTCS-3）、大号码道岔（CTCS-4）、绝对停车（CTCS-5）。

表1 应答器报文帧结构

此外对于CTCS-3级列控系统应答器专用包有[3]：通信管理信息（ETCS-42）、无线网络注册（ETCS-45）、有条件转换（ETCS-46）、RBC切换命令（ETCS-131）和目视行车危险（ETCS-137）。

由以上信息综合可知，1个应答器只能存储1条报文，而1条报文的信息容量是固定的830位二进制位，排除固定的50位报文头信息和8位报文尾信息，可以使用的信息只有772位。830位用户报文经过数据变换扰乱后进行第10位和第11位转换后为913位，其他还有控制位3位、扰乱位12位、额外修整位10位、校验位85位共1 023位。

如果1个应答器中全部用来储存CTCS-1包，最多可以存储25个轨道区段。轨道区段是构成闭塞分区的基本单元，而闭塞分区长度原则上按照不少于2 000 m进行设计，满足350 km/h速度、3 min列车追踪运行的要求[7]。目前我国轨道电路区间闭塞分区中一般有2或3个轨道区段，根据CTCS-1包结构（见表2），按最大循环24次计算，1个CTCS-1包中可以描述8个闭塞分区，共可以描述14 km，根据轨道电路区间追踪码序L5推算，前方要求描述7个闭塞分区，目标距离达到14 km，才能满足车载一次性模式曲线的要求，在CTCS-3级中距离要求更远。而实际应用中，应答器报文容量中不可能全部用来存储CTCS-1包。

表2 CTCS-1包结构

由此可以看出应答器的容量非常紧张，对于线路条件复杂的线路，除了正常轨道区段信息外，还要求加入其他的用户信息包，轨道区段的循环次数会降低到至多10次，只能描述7～8 km的数据，特殊情况下甚至更低，描述的距离将更短。在一次性模式曲线运行的有效行车许可范围内，要求相关数据必须及时更新，否则会影响运输效率和行车安全，所以应答器容量问题显得更加突出。

当车载系统由部分模式转到完全模式时，CTCS-1、CTCS-2、ETCS-21、ETCS-27包信息是必要条件，以上信息可以在1组应答器的有源和无源应答器中根据容量限制合理分配。但在大型枢纽车站和线路条件复杂的进路环境下，由于坡度、速度、轨道区段和限速信息与进路环境联系非常紧密，甚至链接信息（ETCS-5）、分相信息（ETCS-68）、反向运行信息（CTCS-3包）、大号码道岔信息（CTCS-4包）、里程信息（ETCS-79）也要求通过有源应答器发送，该情况下有源应答器的容量就显得更加紧张。经过仿真测试，按以下信息分配后（CTCS-1：8个区段；CTCS-2：3条限速信息；ETCS-21：5段信息；ETCS-27：5区段信息），有源应答器容量就已经达到极限，如果想要增加其他信息，必须对已有信息进行合并或压缩处理，这样必然造成实际数据和列控工程数据不符，影响数据的准确性，进而影响行车安全。

3 优化建议

应答器是列控车载设备重要的地面信息来源，应该全面准确地反映地面实际情况，应尽最大可能保证其信息的准确性和充分性，为行车安全提供数据支撑。

3.1 合理安排1组应答器中有源和无源数据

合理安排1组应答器中有源和无源数据，为有源应答器留有足够的空间。在CTCS列控体系中，应答器组内应答器数量要求不宜超过3个[8]，1个应答器组中最多只能有1个有源应答器。在复杂的情况下，有源应答器应充分考虑线路的实际情况，合理分配固定信息和可变信息[9]，为有源应答器预留足够的可变空间，满足在特殊情况下的坡度、速度、轨道区段、限速信息、链接、分相区、反向运行、大号码道岔、里程等信息的发送需求。

3.2 增设无源应答器或使用大容量无源应答器

在同一组内增加无源应答器数量，可以整体上增加信息包的容纳空间，另外也可独立增设应答器，在必要的关键信号点增设应答器，从而缩小区间应答器描述的范围。目前许多新建线路由于受地理等多种因素条件的制约，线路坡度往往较大，甚至达到30‰，从而造成动车组运行时速度的限制要求，为确保运行效率和行车安全，必须增加速度变化点，使应答器中速度和坡度信息内容增大，造成无源应答器的容量也很紧张。

目前大容量无源应答器已经研发成功，并在大西综合试验段成功测试。其上行链路采用双通道结构，可并行传输数据信息，提高了数据传输容量[10]。应答器上行链路的2个通道为并行关系，通道1采用FSK调制方式，通道2采用PSK调制方式，2个通道可同时使用，也可单独使用[11]。大容量无源应答器预先存储2条应答器报文，当被BTM载波能量激活后，分别采用FSK和PSK调制方式并行发送这2条报文，应答器可传输短格式和长格式报文或交叉使用，数据传输量是当前应答器的2倍。使用大容量无源应答器后，在不增加组内无源应答器的情况下，可解决目前无源应答器遇到的容量问题。

3.3 合并线路参数

在合理分配有源和无源应答器数据以及增设无源应答器仍无法满足要求时，目前阶段可采用合并线路参数的方法。合并线路参数过程中应遵循相关原则和规范，最大限度地保证数据的准确性。

（1）坡度合并。坡度合并的基本原则是按照应答器技术规范中的规定算法计算可以合并的变坡点，并按照安全侧取合并后的坡度[11]。首先合并制动距离内的坡度，因为此段数据车载系统最后进行验证，主要作用为延长数据范围，坡度合并不能超出制动距离的范围，超出后会影响制动模式曲线的生成。

（2）速度合并。速度合并的原则是制动范围内的速度变化点，同样在不影响运输效率和行车安全的前提下进行合并，对于速度变化较大的情况不适合合并，合并时必须保证前后数据的一致性。

（3）合并轨道区段。轨道区段的合并是在丢失1组应答器不影响列车运行的条件下，在制动距离范围内由远及近对各闭塞分区内的轨道区段进行合并，合并后的各闭塞分区载频为“无载频”。

3.4 加大有源大容量应答器的研发

无论是增设应答器还是合并线路参数信息都是为了解决应答器容量问题，构建大容量应答器成为需求，尤其是大容量有源应答器。由于有源应答器与LEU及列控中心密切相关，比大容量无源应答器实现更复杂，目前还处于探索研究阶段，因此，应加大研发力度。只有解决了有源应答器的容量问题，在大型枢纽车站和线路条件复杂的线路环境中，才能使列控中心对车载系统发送的信息更加准确，大幅提高与列控工程数据表数据的一致性，从而保证铁路运输安全有序。

4 结论

应答器作为车地信息通信的主要单元，承载的数据对于车载系统至关重要，应最大可能地保证车载系统接收到的数据与列控工程数据的一致性和完整性。在相对复杂的进路中，有源应答器所发送的信息应全面结合进路的实际情况，要合理分配1组应答器中有源和无源的信息数据，为有源应答器留有足够的空间来描述其他信息。对于无源应答器容量问题，可通过增设无源应答器或使用大容量无源应答器的方式来解决。在合理优化有源和无源信息并增设应答器仍然无法解决问题时，再采用根据实际线路情况合并相关线路参数的方式解决容量问题。同时，针对目前有源应答器的容量问题，应加大研发力度，争取早日投入应用。