普速铁路信号系统控车优化方案研究

臧一佩 ，梁志国 ，冯浩楠 ，郭 伟 ，许 镇

（1.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；2.中国铁道科学研究院集团 有限公司 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

我国主要的干线高速铁路客流量大、行车密度高[1]，当线路、设备突发故障时，可能导致列车长时间晚点，甚至中断行车，对运输秩序造成严重影响和经济损失，同时也可能导致旅客大量滞留，对车站管理造成压力。经调研发现我国主要高速铁路线路与周边普速铁路多数存在迂回运行的条件，在非常时期可考虑高速铁路动车组借道普速铁路运行，以减小高速铁路基础设施故障或突发事件对高速铁路运输秩序的影响。随着普速铁路对运输效率和安全要求的不断提升，目前采用的CTCS-0级列控系统已经很难满足普速铁路日益发展的运营要求。基于以上需求，研究适合我国普速铁路现状的信号系统控车优化方案十分必要。

1 铁路信号系统现状分析

我国现有高速铁路动车组及车载设备主要分为2类：① 250 km/h动车组安装的车载设备为CTCS-2级[2]（以下简称“C2级”）列车自动防护系统（ATP），由于安装了列车运行监控设备（LKJ）作为后备，其在普速铁路运行时可按照CTCS-0级（以下简称“C0级”）标准使用LKJ设备监控运行。② 300 km/h及以上动车组安装的车载设备为CTCS-3级[3]（以下简称“C3级”）ATP，按照当前的配置在普速铁路运行时，由于没有后备的LKJ可用，C3级ATP又因为缺少线路基础数据和临时限速命令信息，无法生成目标-距离模式曲线监控列车安全运行，其在普速铁路运行时最高速度不超过80 km/h，无法满足普速铁路的运营要求。

对于高速铁路，其运行动车组绝大多数为 300 km/h及以上速度等级类型，若通过加装LKJ设备实现高速铁路动车组跨普速铁路迂回运行[4]，必须对动车组车载设备进行改造，并且需要结合动车组高级修在主机厂进行，改造周期不可控，且成本较高。

我国普速铁路采用的C0级列控系统，由LKJ设备和通用机车信号组成，在使用过程中面临以下问题：①现有LKJ设备没有采用安全冗余结构；②LKJ控车数据存储在LKJ设备芯片上，每次地面设备变化都需要对每列车上的LKJ数据换装，数据核对维护工作量多、难度高，数据影响面积大，存在运用安全风险；③在设置临时限速时，需将临时限速数据提前写入LKJ设备IC卡，由机车乘务员出乘前核对，出乘后发生的临时限速只能发布调度命令，由调度通知，采取人机联控人工控制速度；④对于不同的分支线路需司机人工选择交路号，存在一定安全风险；⑤在运行过程中LKJ位置误差大，需要司机手动调整列车位置。

因此，选择一种适合普速铁路实际情况的列控系统改造方案，来实现高速铁路动车组在普速铁路的迂回运行，同时克服LKJ设备目前存在的问题，以提高普速铁路的运输效率和安全等级，降低司机劳动强度至关重要。

2 普速铁路车地信号系统改造方案

为减少施工周期及投资成本，基于列车运行安全和工程实际需求，借鉴C2级列控技术体系[5]， 在维持普速铁路既有联锁和自动闭塞设备不变的情况下，提出一种新的普速铁路信号系统控车优化方案。该方案增设车站数据服务器（SDS），采用 400 MHz无线广播通信向车载设备发送基于应答器的线路数据、进路信息和临时限速等信息，并利用既有的轨道电路向车载设备提供移动授权。

2.1 系统应用场景

（1）高速铁路动车组利用普速铁路迂回运行。京广高速铁路（北京西—广州南）与京广铁路（北京西—广州）存在多处交汇互通，如北京西站、石家庄站、郑州东站至疏解线路所至郑州站间，横店东站至汉口站间，武汉站至楠姆庙线路所至滠口站间，株洲北线路所至白马垅站间，株洲南线路所至十里冲至株洲北站间，广州北站至郭塘站间等。在京广高速铁路线路或设备突发故障时，高速铁路动车组可通过高速铁路与普速铁路的互通点迂回到普速铁路运行，在绕过故障区段后，再通过高速铁路与普速铁路的互通点绕回高速铁路运行。

高速铁路动车组利用普速铁路运行示意图如图1所示。图1中，当保定东—定州东区间发生故障，列车无法正常运行时，高速铁路动车组可以在北京西站沿京广铁路运行至石家庄站，在石家庄站返回高速铁路运行，同时可以在沿途有上下客需求的车站，进行上下客作业。解决了高速铁路线路故障，高速铁路动车组无法正常运行或长时间晚点的问题，同时能避免旅客大量滞留情况的发生[6]。

图1 高速铁路动车组利用普速铁路运行示意图Fig.1 Schematic diagram of high speed railway EMU running on conventional railway

（2）优化LKJ控车。利用该系统对LKJ控车模式进行升级，在现有普速铁路机车上加装ATP设备，司机在列车出发前通过人机界面（DMI）输入列车类型、长度、载重等关键信息，ATP设备根据输入的各种关键信息，再结合车辆牵引制动性能和收到的地面数据，生成目标－距离模式曲线监控列车安全运行，以提高普速铁路装备水平，克服LKJ控车模式中存在的问题，进一步提高机车列控设备的安全等级，减轻机车司机的劳动强度。

2.2 系统结构设计

ATP车载设备增加400 MHz无线数据处理模块，以既有C2模块为核心，地 面增加车站数据服务器和400 MHz无线广播发射设备，实现列车在普速铁路安全运行。

普速铁路信号系统控车优化方案系统结构示意图如图2所示。

图2 普速铁路信号系统控车优化方案系统结构示意图Fig. 2 System structure of the optimization scheme of train control for the signal system in conventional railway

2.2.1 车载设备改造

（1）动车组车载设备改造。①加装400 MHz无线传输单元；②修改主控单元模块，增加与400 MHz无线传输单元的接口；③修改DMI，增加相应的信息显示；④修改应答器信息接收单元（BTM），增加与400 MHz无线传输单元的接口。

（2）机车车载设备改造。①加装具备400 MHz无线消息处理功能的C2级ATP车载设备；②加装400 MHz无线传输单元；③加装具有与400 MHz无线传输单元接口的BTM。

2.2.2 地面设备改造

地面设备的改造主要涉及以下方面：①在有停靠或者转线作业需求的车站，增加车站数据服务器和400 MHz电台与天线，车站数据服务器用于站内和区间线路基础数据的存储，并能够根据联锁（CBI）、临时限速服务器（TSRS）等设备提供的信息，实现无线报文的实时组帧和校验后，发送给400 MHz电台，400 MHz电台负责将无线报文向外广播发送。②联锁系统改造，在实现既有车站基本控制功能的基础上，增加与车站数据服务器接口，以进路号的形式向车站数据服务器传送车站列车进路信息。对于继电联锁采用继电电路向车站数据服务器提供进路信息。③临时限速服务器改造，增加与车站数据服务器的接口，并在现有限速档位的基础之上，增加25 km/h的限速档位[7]。④在区间和站内布置无源应答器，向车载设备提供应答器编号，应答器编号为车载设备选取无线报文信息的唯一依据。

2.2.3 系统工作机制

车站数据服务器负责存储本站及管辖区间的线路数据，并根据联锁传输的进路信息以及临时限速服务器下达的限速命令生成包含包头、秘钥序号、序列号、时间戳、信源标志、激活应答器编号、进路数据、循环冗余校验码（CRC）、包尾等信息的无线报文，通过以太网按照固定周期发送给 400 MHz通信基站，400 MHz基站以单向广播方式不停的向网络覆盖范围内发送。

列车在运行到网络覆盖范围后，车载400 MHz电台接收到地面基站发送的信息，然后进行解码，并根据接收到无线报文中的序列号和时间戳信息判断无线报文的可用性，获取满足要求的信息，发送给400 MHz无线传输单元，400 MHz无线传输单元根据BTM经过的应答器编号选取对应的线路数据，并传送给车载主控单元，车载主控单元根据收到的线路数据，结合收到的轨道电路信息生成目标－距离模式曲线，监控列车安全运行。

2.3 工程设计方案

基于400 MHz无线广播通信的普速铁路信号系统控车优化方案，核心设备为车站数据服务器，能够根据自身存储的车站、线路数据信息，以及CBI，TSRS等设备提供的信息，实现无线报文的实时组帧，通过400 MHz通信基站发送给车载设备。车载设备根据经过的应答器，选择对应的无线报文信息，并结合轨道电路信息，生成目标－距离模式曲线。

2.3.1 车载设备

（1）动车组车载设备。车载设备增加400 MHz通信电台和400 MHz无线传输单元，用于接收、存储和处理线路数据信息，车载BTM单元增加与400 MHz无线传输单元的接口，以传送列车经过的地面应答器编号给400 MHz无线传输单元，用于对应数据信息的选取，主控单元增加与400 MHz无线传输单元的接口，用于获取400 MHz无线传输单元根据应答器编号选取的线路数据信息，再结合轨道电路信息，生成目标－距离模式曲线。

（2）机车车载设备。因为绝大部分机车没有ATP和BTM等设备，因而需要在机车上加装400 MHz无线传输单元、经过改造的C2级ATP设备和与之适应的BTM设备。

2.3.2 车站数据服务器

车站数据服务器能够根据自身存储的线路数据、接收的进路信息和临时限速信息，实现无线报文的实时组帧。在有接发动车组需求的普速铁路中间站、联络线处的普速铁路车站和高速铁路车站、高速铁路与普速铁路的共线车站，设置车站数据服务器，用于向列车发送进路数据以及线路数据信息。

2.3.3 应答器设置

根据京广铁路的实际情况，需要改造的车站主要包括有停车作业需求的普速铁路中间车站，普速铁路与高速铁路共线车站，联络线处高速铁路车站与普速铁路车站，以及普速铁路具备接发动车组能力的车站，根据不同的车站情况，其车站改造方案和应答器设置方式均存在差异。

（1）有停车作业的普速铁路中间站。在车站正向进站信号机外方，设置正向进站应答器组和预告进站应答器组，用于列车定位和激活列车收到的无线报文，预告进站应答器组用于列车提前激活进路数据信息，以提高列车的运行效率；在反向进站信号机外方，设置反向进站应答器组[8]；在具有动车组停车作业的侧线股道中间位置，设置侧线定位应答器组，用于激活车载收到的无线报文中对应的发车进路数据。

其他无停车需求的车站均按照区间进行处理，区间应答器组间距不大于3 km，以保证列车在丢失一组应答器的情况下，不影响列车正常运行。

普速铁路中间车站应答器设置如图3所示。

图3 普速铁路中间车站应答器设置Fig.3 Balise installation in intermediate station of conventional railway

（2）具备接发动车组能力车站。对于高速铁路与普速铁路的共线车站，以及郑州站、汉口站等已经具备接发动车组能力的普速铁路车站，为减少设备改造范围及成本，仅需对管辖的京广铁路进出站口进行C2级改造，在出站口增加有源应答器，区间设置等级转换预告应答器（YG）与等级转换执行应答器（ZX），两者之间距离大于列车按等级转换点处线路最高允许速度运行5 s的走行距离。

当列车在普速铁路接车进站后发往普速铁路时，列车在进站前经过等级转换应答器后转为C2模式，以C2模式进站，站内以C2模式发车，出站后在区间进行模式转换后，依据400 MHz无线广播提供的数据控车。

当列车在普速铁路接车进站后发往高速铁路时，列车在进站前经过等级转换应答器后转为C2模式，以C2模式进站，站内以C2模式发车，到出站口可以与RBC建立连接转为C3模式控车，沿高速铁路运行。

当列车在高速铁路接车进站后发往普速铁路时，列车在进站后股道停车，以C2模式发车，在区间经过等级转换应答器转为400 MHz无线广播控车模式。

具备接发动车组能力车站应答器增设示意图如图4所示。

图4 具备接发动车组能力车站应答器增设示意图Fig.4 Distribution of additional Balise with the ability to receive and dispatch EMU

（3）联络线车站。动车组列车在线路所等高速铁路与普速铁路交汇处，一般无停车作业需要，为实现动车组列车的跨线运行，需要实现列车运行模式在C3级和400 MHz无线广播控车模式之间的不停车切换，因而需要对联络线处的高速铁路车站与普速铁路车站进行适当改造。对于高速铁路车站，仅对管辖的京广铁路进出站口进行C3级改造，出站口增加有源应答器，区间设置等级转换预告应答器（YG）与等级转换执行应答器（ZX）。联络线高速铁路车站应答器布置示意图如图5所示。

图5 联络线高速铁路车站应答器布置示意图Fig. 5 Balise layout of high speed railway station on rail link

对于联络线处有停车作业需求的普速铁路车站，其应答器设置方式可以参考既有普速铁路中间站应答器设置方案，对于无停车需求的普速铁路车站，只需在正向进站信号机外方，设置正向进站应答器组和预告进站应答器组，在反向进站信号机外方，设置反向进站应答器组。

京广铁路全长2 265 km，涉及C2级改造车站约5个，设置车站数据服务器的车站约40个，区间安装应答器约1 500组，设置的应答器基本为无源应答器，并且仅包含应答器编号信息，对既有列车运行没有影响。

2.4 系统优势及应用前景

普速铁路信号系统控车优化方案主要优势及应用前景如下。

（1）该信号系统采用车—地一体化设计，与既有高速铁路CTCS-2和CTCS-3系统属于同一思路，系统兼容性好。

（2）地面采用车站数据服务器发送线路数据，实现地面线路数据的车站集中管理，并且能够实现线路基础数据、进路信息、限速信息上车，车载设备仅需通过地面无源应答器编号选取收到的无线报文信息，在后续工程改造时，仅需在室内更换车站数据服务器数据，无需室外修改应答器报文。

（3）车载设备无需存储线路基础数据，简化运用管理，降低控车数据维护工作量和工作强度，并且以机控为主，降低司机劳动强度，提高列车控制的安全等级和运行效率，同时动车组改造无需回厂，在动车所即可完成。

（4）400 MHz无线广播通信技术成熟，对于部分无GSM-R网络覆盖的既有铁路车站来说，无需进行GSM-R网络覆盖，节约建设成本，缩短建设周期，并且400 MHz为铁路专用频率，可以避免通信干扰，地面基站设备可通过调整发射功率或者增加基站数量来满足各个车站覆盖需求，仅需单站覆盖，无需漫游切换，能够适应我国中东部地区建筑密集的环境，便于将来通信系统的升级改造。

（5）该技术方案充分利用既有信号设备，工程量少，投资成本相对较低，改造周期短，并且能够在区间或站内任意范围设置临时限速，满足多种运行场景需求。

（6）该系统可以在普速铁路机车上推广应用，能够克服目前LKJ控车模式的诸多问题，提高机车安全等级和普速铁路运力，减轻机车司机大量参与LKJ控车操作的劳动强度，改变既有LKJ控车数据需要大量人员进行定期维护的现状。

（7）优化既有高速铁路运输组织模式，提高高速铁路抗风险能力，避免线路故障停运给铁路带来的巨大经济损失和社会影响。

2.5 经济性分析

近些年，由于气候变化，极端天气增多，线路设备故障造成停运的事件时有发生，给铁路运输造成损失。动车组列车载客量大，发车频次高，动车组列车停运将造成客票收入的损失，对高速铁路准时、高效的优势造成影响，突发的列车停运会使乘客大量滞留车站易引发安全事故。该系统能够避免高速铁路列车停运造成的损失，同时能够克服LKJ控车模式存在的诸多问题，对LKJ控车模式优化升级是必然的发展趋势，其对于提高普速铁路列车的运行效率和安全等级具有重要意义，同时可以减少大量LKJ数据维护人员，节约人力资源，具有可观的经济价值。

3 结论

高速铁路动车组迂回运行时，将导致列车停靠车站的变更，对于高速铁路与普速铁路不同站的情况，需要及时通知购票旅客变更乘车车站，并做好已进站旅客的转运和引导工作，提供人性化的候车与城市交通衔接服务，做好改变行程旅客的车票退改签工作[9]。同时，高速铁路迂回运行对普速铁路列车运行会产生一定影响，因此可以提前编制应急预案，设置运行线优先排列规则，以减小对普速铁路旅客列车正常运输秩序的影响。

普速铁路信号系统控车优化方案，实现高速铁路动车组跨普速铁路的安全运营，以及高速铁路线路运输组织模式多样化。在高速铁路线路故障时可以采用普速铁路迂回运行，改变目前高速铁路线路故障时只能暂停线路运营从而造成高速铁路列车大面积晚点或停运的状况，减少经济损失，提升高速铁路运输的服务质量和竞争力，并且能够扩大高速铁路动车组的运营范围。

普速铁路信号系统控车优化方案，充分考虑了普速铁路信号系统的实际情况，在不改变既有信号联锁、闭塞、轨道电路基础上，仅对车载和地面信号设备适当改造，即可实现对LKJ控车模式的优化升级。该系统使用C2级中的信息包，描述线路数据，可以适应不同的列车类型，并且可以根据普速铁路线路情况需求，灵活增加信息包，对普速铁路机车适应性高，便于在机车上应用，为现有LKJ控车模式的优化升级提供了新的思路。