更高速度下无线闭塞中心功能的适应性论证

张馨则，刘木齐，冯 翔

(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

京沪高铁是我国“八横八纵”高速铁路主通道之一，是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，其中，设计速度380 km/h，当前运营速度350 km/h，列车最小追踪间隔按照3.5 min 设计，全线采用CTCS-3 级列车控制系统，在京沪联调联试期间，在既有的CTCS-3 级列控系统下，已经按照速度380 km/h 进行运行。而列车最高时速的记录上，和谐号”380A 新一代高速动车组最高时速达486.1 km。随着民众对高速铁路出行的需求越来越大，以及高铁车体与基建水平的不断提高，在更高速度（如400 km/h）下的列控系统研究就尤为重要。

而无线闭塞中心RBC 作为CTCS-3 级列控系统的核心设备，在列车更高速度的运行模式下，研究其MA 的生成和传输技术就显得尤为重要。

2 行车许可发送方式研究

根据车地无线报文定义，行车许可格式的具体内容如表1 所示。

表1 行车许可信息格式Tab.1 Movement authority message format

在列车更高运行速度条件下，R B C 给列车发送的行车许可覆盖的范围将更广，行车许可所包含的内容也将更多，即将包含更多的应答器链接信息、更多的变坡点、更多的变速点、更多的线路条件等，其中，P21 坡度曲线和P27 速度曲线是需要覆盖整个行车许可范围的，P5 应答器链接信息按照M A 范围内不超过最大数量（30组）发送，其他可选信息包虽然也需要覆盖整个行车许可范围，但属于动态变化的数量，且数量较少，例如临时限速只有在设置的情况下才会存在，等级转换点只有在确定的等级转换位置才会存在。

由此可知，P21 坡度曲线和P27 速度曲线对行车许可的影响较大，因为这二者数据量较大，且是静态存在的。因此，本课题对P21 坡度曲线和P27速度曲线的发送规则进行研究。

这里从两个角度对P21 坡度曲线和P27 速度曲线与行车许可消息的关系进行分析，一个是数量，另一个是字长。

1）P21 坡度曲线和P27 速度曲线数量的影响

根据协议定义，P21 坡度曲线和P27 速度曲线的最大个数均为32 个，也就是说，每个P21 坡度曲线和P27 速度曲线的最大描述参数数量为32 个。根据实际工程参数统计,可以得出每个P21/P27 对行车许可长度限制如表2 所示。

表2 坡度/速度曲线对行车许可长度限制Tab.2 Gradient/speed curve limits to movement authority length

可见，线路速度曲线和坡度曲线个数均满足最大32 km 行车许可长度的要求。

2）P21 坡度曲线和P27 速度曲线字长的影响

采用无线通信方式，考虑到通信指标和加密算法的影响，需要满足无线消息最大长度500 Byte 的限制。

根据协议定义，行车许可固定的消息长度在20 Byte 左右，P5 链接信息包往往能够达到最大数量，字长为180 Byte 左右。所以，剩余的消息长度为300 Byte 左右。其中，P21 坡度曲线和P27 速度曲线是静态存在的，其字节长度为P21：（54+24×坡度个数）/8，P27：（58+28×坡度个数）/8，除此以外还有若干可能存在的临时限速包、等级转换包、文本消息包、模式曲线包等等。对P21 和P27计算如表3 所示。

可见，P21 和P27 如果达到最大数量，则行车许可的消息长度将达到350 Byte，相对于500 Byte 的最大容量，行车许可字长还有150 个字节可以填充临时限速、等级转换、模式曲线等信息包，该字节容量足够。

表3 坡度/速度曲线对行车许可字长影响Tab.3 Gradient/speed curve affect on movement authority word length

综上，P21 坡度曲线和P27 速度曲线的字长基本不影响系统行车许可的长度，也不会对列车运行速度造成限制。

3 行车许可安全与可用性研究

考虑两个时间参数对列车运行的影响，一个参数为列车位置报告周期时间，另一个为无线超时时间。在此基础上进一步分析时间参数和缩短列车行车许可策略的关系。

1） 通信参数影响

根据通信参数分析，在列车更高速度条件下，车地通信指标仍然能够满足要求。因此，从通信的角度看，在更高速度条件下，无需调整列车位置报告周期时间和无线超时时间参数。

2） 列车位置跳变距离影响

假设列车运行速度为v，列车运行时间为t，则列车运行距离和列车运行速度的关系为L=vt。

目前，列车位置报告周期为6 s，无线超时时间设置为20 s，采用不同速度时关系如表4 所示。

表4 不同速度下不同场景列车走行距离Tab.4 Train travel distances in different scenes at different speeds

可见，列车位置跳变的距离和列车运行速度成正比，也就是说，列车运行速度越高，列车位置跳变的距离也就越大，而列车走行距离和轨道区段长度的关系会影响安全策略（CEM/SMA）的选择。

如图1 所示，列车在“位置1”向RBC 发送位置报告，并收到RBC 发送的行车许可。此后，列车正常向前运行，依次占用N3 →N5 和N5 →N7区段，并在“位置2”再次向RBC 发送位置报告。图1 中绿色箭头表示列车行车许可，红色线段表示轨道区段占用。假设轨道区段长度为Ltrack，列车位置跳变时间内列车走行距离为Lmove，即列车位置跳变时间内列车走行的距离大于轨道区段长度，那么采用CEM 和SMA 策略的结果会截然不同。

图1 列车走行距离和轨道区段长度对行车许可策略影响示意图Fig.1 Schematic diagram of Influence of train travel distance and track distinct length on movement authority strategy

a.采用CEM 策略

RBC 依次收到两个区段的占用信息，根据列车的位置1，依次向列车发送CEM，CEM 的停车点分别为N3 和N5。列车根据估算位置判断是否已经通过了CEM 停车点，如果已经通过，则忽略此CEM，否则接受此CEM。

b.用SMA 策略

RBC 依次收到两个区段的占用信息，根据列车的位置1，依次向列车发送SMA，SMA 的停车点为N3 和N5，而此时，列车则需要无条件接受SMA 的停车点。

综上策略反应分析，在Ltrack小于Lmove时，采用CEM 仍然可以完成列车占用检查的判断，但采用SMA 策略则会造成列车紧急制动。

总结上述分析，可以得到如下结论：在更高速度条件下，无需调整列车位置报告周期时间和无线超时时间参数，且CEM 策略不受影响，SMA 策略需要分析和计算错误触发紧急制动的可能性，并在必要的情况下修改为CEM 策略。

4 跨区切换技术研究

在列车更高运行速度条件下，同样要求列车以更高的速度进行跨区切换。在跨区切换过程中，两个地面无线闭塞中心间相互传送消息，移交RBC向接收RBC 申请行车许可，接收RBC 分配行车许可并发送给移交RBC 后，移交RBC 再发送给车载，从而完成行车许可跨越切换边界的功能。

在这个过程中，接收RBC 给移交RBC 分配的行车许可是关键信息，其中行车许可的范围以及行车许可内包含的坡度曲线、静态速度曲线等信息，是直接影响列车速度的限制因素。

根据无线闭塞中心间报文定义，行车许可的具体内容如表5 所示。

表5 无线闭塞中心间行车许可定义Tab.5 Defi nition of movement authority between radio block centers

根据规范要求，每个RRI 消息应以边界应答器组为LRBG，并为起始于边界应答器组的进路授权RRI 区域提供完整的信息，包括线路描述的全部信息。

根据规范该条款要求，结合本文“行车许可发送方式研究”的内容，进路授权RRI 消息不会限制行车许可的长度。

5 行车许可联合缩短研究

根据Subset-026 的定义，车地通信具有行车许可联合缩短的功能，即CSMA 功能（目前的CTCS-3 级列控系统中未使用该功能），该功能的流程如下：

1) 当联锁办理取消进路时，联锁向无线闭塞中心申请；

2) 无线闭塞中心判断车载行车许可是否包含该进路，如果没有包含该进路，则可以授权联锁解锁，否则无线闭塞中心向车载发送CSMA 无线消息；

3) 车载根据列车制动曲线判断能否在CSMA停车点前停车，如果可以停车则接受CSMA，否则拒绝CSMA；

4) 无线闭塞中心在收到接受CSMA 反馈后通知联锁可以解锁；

联锁可以立即解锁。

上述功能中描述的CSMA 无线消息的具体报文定义如表6 ～8 所示。

表6 联合缩短行车许可消息格式Tab.6 Message format for joint shortening of movement authority

目前CTCS-3 级列控系统采用接近锁闭的解锁方案，一方面该方案的接近锁闭距离与列车运行速度有关，列车运行速度越高需要的接近锁闭距离也就越长；另一方面接近锁闭采用一个固定的延迟解锁时间，会在一定程度上影响运营效率。

综合考虑上述两个方面，接近锁闭方案在更高运行速度条件下很难满足要求，而采用联合缩短行车许可方案，可使得联锁快速解锁，解决上述问题。

表7 联合缩短行车许可接受消息格式Tab.7 Acceptable message format for joint shortening of movement authority

表8 联合缩短行车许可拒绝消息格式Tab.8 Deniable message format for joint shortening of movement authority

6 总结

本文对更高速度条件下的行车许可问题进行了深入分析，总结如下。

1）行车许可长度是制约列车运行速度的一个条件，根据列车运行速度的不同，列车制动距离也就不同，所需要的行车许可长度也就不同。就目前列控系统能够支持的行车许可最大长度（最大32 km）来讲，可以支持更高速度条件（400 km/h）的需求。

2）在更高速度条件（400 km/h）下，无需调整列车位置报告周期时间和无线超时时间参数。

3）针对接近锁闭方案存在距离对速度的敏感性和延迟解锁时间效率的问题，当前系统在不做调整的情况下可以支持更高速度条件（400 km/h）的需求，但建议考虑增加列控系统联合缩短行车许可方案，提高解锁效率。