高速铁路引入枢纽列控等级选择与应用的研究

2020-07-06张敏慧谢静高

铁路通信信号工程技术 2020年6期

关键词：控系统枢纽动车组

张敏慧，谢静高

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

国内铁路建设不断发展，高速铁路与普速铁路交织成网，铁路枢纽内多条不同等级线路交汇互通的局面正在形成。枢纽列控等级的选择与设计难以采用常用原则，本文针对近几年来枢纽工程设计常见场景，对枢纽列控等级选择与应用进行分析和研究。

2 列控等级选择的一般原则

2.1 基本规定

根据铁路技术政策及相关规范[1-3]的要求，列车运行控制系统装备等级一般根据线路允许速度选用如下。

设计速度160 km/h 及以下铁路，仅运行动车组列车时，根据设计速度、行车追踪间隔、站间距等要求，宜采用CTCS-2（简称C2）级，也可采用CTCS-0（简称C0）级；其他线路宜采用CTCS-0级列控系统。

设计速度160 km/h 以上、250 km/h 以下的线路，采用CTCS-2 级列控系统。

设计速度250 km/h 铁路结合路网构成及线路功能定位，采用CTCS-2 或CTCS-3（简称C3）级列控系统。

设计速度250 km/h 以上线路采用CTCS-3 级列控系统。

2.2 列控系统与运输能力匹配原则

铁路线路多用列车运行速度和追踪间隔来衡量运输能力，列控等级选择时需满足运输能力的要求。一般情况下C2 级列控系统不满足列车运行速度大于300 km/h、列车追踪间隔3 min 的运输要求，在高速度、高密度的线路上需要采用C3 级及以上等级的列控系统。

2.3 车、地适配原则

根据目前铁路车载设备配置原则，配置C2 级列控系统车载设备的动车组列车通常配备有运行监控记录装置（简称LKJ）；配置C3 级列控系统车载设备（兼容C2）的动车组列车不装设LKJ。通常情况下，仅装备LKJ 的列车不能在常态灭灯的C2 及C3 级列控地面设备线路上正常运行，装备C3 级车载ATP 的动车组（未装备LKJ）无法在C0 级列控地面线路上按主要的控制方式控车。当存在不同等级线路间跨线运行情况时，列控等级选择需考虑车、地能力匹配问题。

3 铁路枢纽站、线及信号系统设置特点

3.1 枢纽内线路、站场设置特点

由于多线在枢纽内交汇，根据线路引入、联络线衔接等情况，枢纽内往往会有干线十字、米字型交叉引入（如郑州东枢纽），多条干线并行引入（例如宁杭甬、沪杭长、杭黄引入杭州枢纽），多条干线引入形成枢纽环路（例如合肥枢纽）等多种站线布置形式。

枢纽内一般存在有多条线路交汇处的大型客站，规模较大、股道多、并多根据其接发列车方向别分场设置，不同方向别上线路建设等级不同；枢纽内大型客站附近多设有一个或多个动车段所；为沟通不同方向别、不同线路等级间的列车运行通路，沟通动车通往动车段所的连接通路，枢纽内设置有较多联络线、与既有线相互衔接、连接方式与连接关系复杂。

3.2 枢纽内信号系统设置特点

枢纽内多条不同列控等级线路交汇，C0 至C3等级线路并存，列车跨线运行时需要在枢纽内适当地点进行列控等级切换，保证列车顺畅运行；枢纽内通过联络线进行等级切换[4]，受联络线各项工程条件、站点内联锁及RBC 和调度管辖范围等因素影响，切换点选择困难；枢纽内调度区划按线别、按区域划分原则不尽相同，枢纽内往往是若干条线路调度区划边界，呈现出局部区域内多调度台共存的情况， TSRS 不能按规范设置[5-6]，给TSRS 信息互传、RBC 切换[7]、RBC 接口设置、安全数据网合理配置等带来较大的挑战。

4 高速铁路引入枢纽列控等级选择研究

对于区间新建线路和车站，按列控等级选择的一般原则就可确定列控等级设置方案。但高速铁路引入枢纽时，有新建线路直接引入枢纽内大型车站，有新建线路引入枢纽内中间站并利用既有线路连接至枢纽内大站车站，还有修建不同线路间及不同列车运行方向间的联络线、动车出入段（所）线路等，以便灵活组织跨线动车组运行、均衡枢纽客流。因此高速铁路引入时，枢纽列控等级的选择，除需考虑列控等级选择的一般原则外，还需结合枢纽站线和信号系统设置特点，分析动车组入库维护径路需求，并综合考虑动车组运行交路及运营维护需求等因素后合理确定。列控等级设置原则确定后，需进一步研究枢纽内列控中央设备设置、等级转换点和RBC 切换点设置的具体方案[8]，并反馈调整枢纽列控等级设置方案。

4.1 C2线路接入枢纽既有C0车站

1）C2 干线直向引入既有C0 站点

对于C2 干线直向引入既有C0 站的列控等级选择，可以考虑以下两个方案：一是C2 贯通，将既有C0 车站及接轨站至枢纽大型客站范围改造为C2等级；二是在C0 车站外方设置级间切换点，既有C0 车站维持不变。

方案一的优点是：动车组运行过程中一直在C2控车方式下，司机感官一致性好，且避免等级转换失败可能带来的运输影响，能满足C3 动车组跨线运行需求。缺点是：需要对既有车站进行C2 改造，配套进行TCC 和TSRS 配置、安全数据网拉通，必要时还需对调度台进行调整，工程量较大。

方案二的优点是：采用级间切换转为C0 进入既有站的方案，基本不对既有车站进行改造，对既有线行车干扰小，并可节省工程投资。缺点是：配置C3 车载设备的动车组列车无法按正常控制方式在C0区段跨线运行，还存在等级转换失败对行车的影响。如果该C0 车站还有其他C2 干线铁路直向接入、且开行跨线运行的动车组，则该动车组在跨越该既有C0 车站时存在先进行C2 →C0，越过该站后又进行C0 →C2 的来回级间切换，不利司机的驾驶。

如武汉枢纽汉口站，东、西侧有速度200 km/h的配置C2 系统的合武、汉宜铁路接入，且合武、汉宜铁路跨线运行频频，如图1 所示。为避免跨线列车运行来回实施级间切换，汉口站考虑改造为C2列控等级。

图1 合武、汉宜引入汉口站线路示意图Fig.1 Schematic diagram of introducing Hefei-Wuhan railway and Hankou-Yichang railway into Hankou station

随着高速铁路路网的形成，不同速度等级线路间的跨线运行需求频繁，配置C3 车载设备的动车组往往需要经行C2 线路，引入枢纽地段时既有车站C0 配置方式与车载目前技术装备不匹配。因此建议C2 干线直向接入枢纽既有C0 站点时，对既有C0 的线路和车站进行升级改造，优先考虑按C2 列控系统配置地面设备。

2）C2 线路出岔新建联络线或利用既有线路接入既有C0 站点

如图2 所示，沪汉蓉通道从长安集—合肥南—肥东（合肥枢纽南环线）贯通合肥枢纽。在该通道未修通之初，合武、合宁均通过绕行线由长安集—合肥西—桃花店—（合武绕行线）合肥—三十铺—肥东（合宁绕行线）贯通合肥枢纽。

图2 合肥枢纽线站示意图Fig.2 Schematic diagram of Hefei hub line station

绕行线和合肥站可以考虑维持既有C0 方式，动车组在枢纽外方切为C0 进入枢纽运行。但存在与“干线直向引入既有C0 站点”相同的车载兼容性和增加级间切换故障问题。

从高速路网构成看，目前C3/C2/C0 等级动车组跨线可能性很多。考虑列控等级进一步提升的空间，对于C2 线路出岔、新建联络线或利用既有线路接入既有C0 站点，一般可考虑对既有C0 的线路和车站进行升级改造，优先按C2 列控系统配置地面设备。

4.2 C3线路接入枢纽既有C0车站

C3 线路接入枢纽既有C0 站点一般会经行枢纽内既有线路和车站。如图3 所示，沪宁城际直向接入既有上海站时经上海西站、利用既有上海西至上海站的线路；沪昆高铁从东北线路所出岔，由横岗联络线引入既有南昌站时，经行既有京九线横岗—莲塘—南昌南—南昌站段线路。

由于装备C3 车载设备的动车组列车无法按正常控车模式在C0 区段控车，因此对于此类既有C0线路和车站存在两种升级改造方式：一是将地面线路、车站设备改造为C3 等级，保证动车组无需级间切换通过枢纽站、线；另一种是将地面线路、站场设备改造为C2 等级，动车组经过枢纽站、线前切换为C2 等级通过。这两种方式的优缺点对比如表1 所示。

从表1 可以看出，C3 线路引入既有枢纽时，将枢纽地段（尤其利用既有线接入地段）改造为C2或C3 在技术方案、投资、列车运行能力及实施工作量方面各有千秋，需结合动车组开行情况和运输的便利性进一步加以分析。

图3 C3线路接入枢纽既有C0车站线路示意图Fig.3 Schematic diagram of introducing CTCS-3 line into the existing CTCS-0 hub station line

表1 既有车站改造为C3和改造为C2方案优缺点对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of existing station transformation scheme from CTCS-3 to CTCS-2

对于沪昆高铁，南昌枢纽内的主要客站是南昌西站，只有少量的C3 动车组经联络线及既有京九线至既有南昌站。若为满足少量动车组采用C3 列控方式进入南昌站，则需要对既有京九线横岗至南昌段按C3 列控系统要求配置地面设备并进行GSM-R 网络改造，既有线施工改造工作量及系统联调联试工作量相对较大，工程投资较高，投入回报相对较低；且该段既有线还有动车组以C2 列控方式往其他方向运行，需要设置C2/C3 等级转换。因此，沪昆高铁经联络线及既有京九线引入南昌站时，采用C2 列控等级，在联络线上设置C2/C3 等级转换方案。

对沪宁城际而言，上海站为其在上海枢纽内的主要客站，经上海西至上海站的C3 动车组数量多，且上海站为尽头型车站，除了沪宁城际及利用既有线动车组入库进路采用C3、C2 列控系统外，与上海及上海西衔接的再没有其他C2、C3 线路，结合尽量减少C2/C3 等级转换、提高C3 动车组车载设备备用能力的设计思路，对上海西至上海段利用既有线位的线路和车站进行了C3 改造。

由上可见，C3 线路接入枢纽既有C0 车站时，列控系统的选择一般以在枢纽内既有线上运行的C3 动车组的数量及该既有线往其他方向运行的动车组情况进行确定。若只有少量本线C3 动车组运行、还有往其他以C2 列控方式运行的动车组，建议采用C2 列控等级；若本线运行C3 动车组数量多，又没有（或很少）其他C2 列控方式线路衔接时，建议优先采用C3列控等级；若除本线引入外，还有较多以C2 列控方式衔接的线路接入时，可采用C2 列控等级。

4.3 C3线路接入枢纽既有C2车站

此类线路一般利用枢纽内既有线路引入既有C2车站，如图3（b）所示，昌赣铁路（C3）在南昌枢纽附近修建联络线接入横岗线路所，利用已改造为C2 的既有横岗线路所—莲塘—南昌站既有线路引入南昌站。

对于既有C2 车站的改造方案也存在维持C2 和改造C3 两种方式，这两种方式的优缺点对比如表1所示。由于昌赣铁路直向接入南昌东站，未来主要车流均在南昌东站始发终到，C3 动车组接入本站的数量很少，因此在昌赣工程中横岗线路所—莲塘—南昌站维持C2 方式。

C3 线路接入枢纽既有C2 车站列控方案的选择原则基本同C3 线路接入枢纽既有C0 车站的选择原则。

4.4 多条C3线路引入枢纽同一车站

当不只一条C3 线路引入枢纽同一车站时，往往会在该站形成不同线路通过式衔接的状态。如前文提到的郑州东站，存在京郑、郑武、郑西、郑徐、郑济、郑万等多方向别引入的C3 高速线路；如图4所示，杭州枢纽内杭州东站和杭州南站均衔接沪杭、宁杭、杭甬、杭长、黄杭C3 线路。

图4 杭州枢纽线路示意图Fig.4 Schematic diagram of Hangzhou hub line

为保证C3 列车无需级间切换通过本站、同时也能使C3 车载设备故障后有备用模式，此类车站一般情况下应考虑设置C3 列控等级。

4.5 多条C3线引入枢纽既有通道

4.4 节分析C3 线路引入独立站点的情况，当枢纽内C3 引入的线路并不集中在枢纽内某个或某两个大站、而是接入既有枢纽内一些既有站点，并可能利用既有枢纽线路（既有C0 或C2 等级）进行跨线运行时，需要将既有枢纽整体作为研究对象进行枢纽列控方案的研究。

例如合肥枢纽，如图2 所示，C3 的合蚌客专接入合肥站，C3 的合福铁路接入合肥南站，C3 的合安铁路接入新合肥西站，未来有C3 的合青铁路引入桃花店站，C3 的沪汉蓉客专引入肥东站和长安集站。枢纽内修建合肥—合肥南的蚌福联络线、利用既有合武绕行线连接合肥西—新合肥西—桃花店—合肥站，利用既有合肥南环线接通沪汉蓉在合肥枢纽内的通道。

利用合肥枢纽的线路站场环型结构形式，普速铁路和不同列控等级的C2/C3 线路往往接入到枢纽环型网上的某一站点，并利用既有枢纽线路进行跨线运行。

将合肥枢纽作为一个对象进行研究时，该枢纽内既有线路、站点的改造方案有维持既有C2 和改造为C3 两种，这两种方式的优缺点对比与表1 基本相同。车站、线路所设置较为密集，线路间交叉互联口较多、枢纽内RBC 切换、RBC 接口数量等方面存在一定问题，跨线运行无法完全做到C3 贯通控车；此外由于RBC 数据配置、系统配置及调试、动态测试方面存在工作量、实验困难等问题。为避免枢纽为适应C3 进行太多改造、简化系统设置减少故障概率，此类型枢纽可考虑按C2 等级设置。

对于环型结构的枢纽，多条C3 线路引入环型网路上不同节点、且不同C3 线路利用既有线路跨线运行时，可以考虑列车切换为C2 进入枢纽，驶离枢纽时切回C3 的枢纽改造方案，简化系统设置、减少系统复杂度和故障可能。

4.6 动车组入库维护径路范围内线路与站场列控方案

干线引入枢纽，除了对引入的站点及相关线路进行改造外，还需要考虑动车组入库维护时走行进路上既有C0 线路、车站（包括动车段所）进行列控等级的升级改造。

对于只有C2 动车组入库维修进路上的线路、车站，可以考虑改造为C2 和维持既有C0 两种方式；对于有C3 动车组入库维修进路上的线路、车站，如果维持既有C0 方式，动车组列车将仅能以C3 机车信号模式入库维护，目前各路局的运输组织管理中一般不予使用，因此需要将相关线路、车站改造为C2 等级。

随着高速路网的不断建成，C3 和C2 动车组列车跨线运行情况非常普遍，因此一般情况下考虑将动车组入库维护径路范围内线路和站场改造为C2列控等级。

5 枢纽地区列控系统选择的特殊性说明

基于上述思路，初步选择出枢纽地区列控等级后，需结合枢纽地区调度区划和联锁区管辖范围、既有各线TSRS 和RBC 设置情况、联络线道岔设置位置和辙岔号、联络线长度、分相设置情况，以及列控系统设备的容量和接口能力，合理确定等级转换点的设置地点以及等级转换应答器的设置位置、确定RBC 管辖范围以及RBC 切换应答器的具体设置位置、确定TSRS 管辖范围以及与调度台的对应关系、确定列控中央设备的设置地点以及安全数据网的子网划分和子网互联方式。如因列控系统相关设备能力无法满足，或因联络线长度不够、或由于C2/C3 对大号码道岔或线路限速处理不同导致无合适的级间切换或RBC 切换点、RBC 接口数量不足，进而无法实现枢纽列控等级选择的预期目标时，可能需要进行枢纽调度区划配合调整、RBC 管辖范围调整、局部地区列控等级设置方案调整，或者重新进行枢纽列控等级选择的再循环设计。