适用于机车的列控系统研究

刘鸿飞

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

国内既有普速铁路均采用CTCS-0级制式。地面自动闭塞区间采用ZPW-2000系列轨道电路负责占用检查及地车信息传输；半自动区段多采用25 Hz轨道电路负责接近区段占用检查，采用ZPW-2000轨道电路设备作为电码化设备。站内一般采用计算机联锁或6502电气集中联锁负责站内进路的办理及信号显示的控制，采用25 Hz轨道电路负责站内轨道区段的占用检查，一般采用ZPW-2000轨道电路作为电码化设备，正线多为预叠加发码方式，侧线多为叠加发码方式。列车控制是以司机为主的控制模式，地面信号作为主体信号，采用LKJ及机车信号作为辅助行车设备。CTCS-0级列控系统适用于速度不高于160 km/h的普速铁路以及重载铁路，追踪间隔一般不低于6 min。

近年来国内铁路研究建设的重点在高速铁路，修建并开通了大量高速客运专线，同时在高速动车组列车控制方面也进行了非常深入的研究，有非常成熟的CTCS-2 级和 CTCS-3 级列控系统。在普速铁路方面虽然也进行了多方向研究，但至今仍未研究出适合普速的列控系统。普速铁路运营仍旧依赖“LKJ+通用式机车信号”的传统方式，人工因素影响较多，行车运营存在安全隐患， 因此研究适用于机车的列控系统有重要的安全意义。

2 方案比选

在普速铁路方向研究适用于机车的列控系统，有3个方案可选择。

1）升级既有LKJ车载设备。方案1存在的问题是车载LKJ设备缺乏地面系统支持，LKJ是非安全设备，当数据变更时需要逐列车进行换装，更新不及时。

2）简化CTCS-2点式地面设备的ATP机车控制系统。方案2以CTCS-2列控系统为基础，进出站设置有源应答器组和区间设置少量无源应答器提供线路数据。该方案工程实施难度大（信号、联锁、闭塞及轨道电路等室内外设备均需改造，施工要点多），对运输影响大。

3）采用数据基于无线传输、信号授权基于既有地面信号设备的ATP机车控制系统。方案3对普速铁路进行改造，车载采用ATP安全控车设备，地面设备增设数据服务器用于发送地面数据，地面和车载设备增设无线通信单元进行数据传输。此方案车载设备解决LKJ非安全设备和数据更新不及时的问题，同时数据传输采用无线通信的方式也解决了CTCS-2列控系统地面设备铺设电缆等对既有线路施工难度大的问题，因此该方案最适用于普速铁路。

3 系统结构及主要设备功能

适用于机车的列控系统由车载和地面两部分构成，其中车载设备主要由主控单元、无线通信单元、轨道电路信息接收单元、卫星单元、列尾设备、应答器信息接收单元、数据记录单元、列车接口单元、测速测距单元和人机界面等组成。

地面设备主要由站数据服务器、联锁、临时限速服务器、闭塞、轨道电路、应答器及无线通信设备等组成。

基于无线广播方式适用于机车的列控系统结构示意如图1所示。

图1 基于无线广播方式的机车列控系统机车结构示意Fig.1 Schematic diagram of train control system applicable to locomotives based on radio broadcast

3.1 车载设备

车载设备可根据列车参数和地面设备提供的轨道电路信息、线路数据、临时限速等，按照目标-距离模式生成控制曲线，监控列车安全运行。车载设备实现无线通信功能。车载设备可根据地面应答器提供的信息，控制车载电台制式的选用。

1）机车车载设备新增显示功能

a.机车信号信息；

b.列车运行速度与限速；

c.距前方信号机距离；

d.机车所在位置的里程坐标；

e.控制模式和列车制动状态；

f.列车最近走过的不小于1.5 km以内的运行速度值轨迹曲线；

g.机车当前位置至前方不少于4.5 km以内的制动模式曲线；

h.以曲线、符号和文字形式沿线路里程的延展显示机车运行前方不少于4.5 km的线路曲线、坡道坡度、道口、桥梁、隧道及车站、信号机、电气化铁路接触网分相标等设置情况；

i.其他需要显示的信息。

2）机车车载设备新增语音提示功能

a.无线通信单元报警；

b.机车信号变化；

c.解除牵引动力；

d.常用制动或紧急制动指令输出；

e.允许缓解；

f.车机联控；

g.警惕报警；

h.前方限速变化；

i.季节性防汛地点提示；

j.其他需要的语音提示。

3.2 车站数据服务器

车站数据服务器根据自身存储的车站线路信息及CBI、TSRS等设备提供的信息，实现无线报文的实时组帧、校验的功能。车站数据服务器应具备通过2 M网络从TSRS设备获得临时限速，并将执行结果反馈给TSRS功能。车站数据服务器应具有车站及区间线路基础数据的存储功能。车站数据服务器根据进路和区间方向发送相应方向的无线报文。车站数据服务器支持无线报文广播功能。

3.3 应答器

系统在车站列车信号机前方、区间适当地点设置应答器，为车载设备提供列车定位、级间转换信息。应答器编号作为车载选取无线报文信息的唯一依据。用于识别运行方向的应答器组应包括至少2个应答器。车站应答器设置原则如图2所示。

图2 车站应答器设置示意Fig.2 Schematic diagram of station balise setting

根据线路速度在区间适当位置设置接近区段应答器组。基于接近区段应答器组与进站应答器组冗余布置，丢失一个不影响正向正线及侧线接车或正线通过进路。区间应答器设置原则如图3所示。

图3 区间应答器设置示意Fig.3 Schematic diagram of section balise setting

3.4 无线通信设备功能

无线通信设备具备无线广播功能，可向车载实时发送无线报文。无线通信设备实现了在12.5 kHz频宽下不小于9.6 kbit/s的空口速率以及4.8 kbit/s的应用数据传输能力并满足运行速度200 km/h以下的运营要求。普通车站无线覆盖范围满足列车以线路最高运行速度通过车站时，在进站前地面给列车提供完整数据的要求。

基于无线通信的车站无线覆盖区域如图4所示。

图4 无线覆盖区域Fig.4 Radio coverage area

4 主要运营场景

适用于机车的列控系统包括启动、驾驶室激活、区间追踪运行、机外停车、车站正线通过、车站侧向通过、正侧向接车、正侧向发车、引导接车和特殊场景等运营场景。下面简要介绍几个主要运营场景。

4.1 区间追踪运行

通过轨道电路向列车提供运行前方轨道区段空闲信息，同时通过在甲站接收到的无线报文向列车提供列车运行前方线路数据，车载设备根据上述信息实时生成目标-距离模式曲线监控列车安全运行，如图5所示。

图5 追踪运行示例Fig.5 Tracking running sample

4.2 自动闭塞区间运行带容许信号

当货运列车运行前方的信号机为装设有容许信号的通过信号机时，车载设备收到地面发送HB或HU时，车载设备生成在该通过信号机前停车的目标-距离模式曲线。完全监控模式下,当列车满足特定条件（速度不大于20 km/h或列车距离该信号机小于一定距离）时，经司机确认后转入走停走模式。列车越过当前信号机后，若收到无码则生成在前方信号机前停车且顶棚为20 km/h的目标-距离模式曲线，司机驾驶随时停车；若收到HU码则生成在前方信号机前停车且顶棚为20 km/h的目标-距离模式曲线，司机驾驶在次一架信号机前停车；若收到允许码，按顶棚20 km/h运行直至次一架信号机后继续运行，如图6～8所示。

图6 有容许信号的通过信号机前方无码示意Fig.6 Schematic diagram of train stopping in advance of block signal with permissive signal when receiving no code

图7 有容许信号的通过信号机前方HU码示意Fig.7 Schematic diagram of train stopping in advance of block signal with permissive signal when receiving code HU

图8 有容许信号的通过信号机前方允许码示意Fig.8 Schematic diagram of train stopping in advance ofblock signal with permissive signal when receiving permission code

其他列车运行前方的信号机为装设有容许信号的通过信号机时，车载设备收到地面发送HB或HU时，在该信号机前停车。

4.3 正线接车

正线接车时，出站信号机未开放，接车进路发HU码。该场景下轨道电路编码序列与区间追踪运行相同，如图9所示。

图9 正线接车Fig.9 Receiving on mainline

4.4 侧线接车

车站开通经12号道岔的侧向接车进路，进站信号机外方的接近区段发UU码。在列车到达U2码区段前，车载设备应先默认进站信号机关闭生成机外停车的目标-距离模式曲线。当列车收到U2码及BYX应答器报文后，重新生成目标点在接车进路线路限速处、目标速度为接车进路限速的目标-距离模式曲线。当列车越过接车进路限速区域后，根据进站口处应答器提供的线路参数信息生成在出站信号机前停车的目标-距离模式曲线，监控列车安全运行，如图10所示。

图10 侧线接车Fig.10 Receiving on sideline

5 系统优势

1）数据集中管理

适用于机车的列控系统相对既有CTCS-0级系统数据管理由原有LKJ列车存储方式，改为利用车站设备集中管理和传输线路数据，数据修改无需再追踪列车修改数据，仅修改相应的车站数据服务器即可。适用于机车的列控系统相对既有CTCS-2级系统，数据无需在沿线修改应答器数据，便于应答器仅为报文选择钥匙，便于管理和维护。

2）安全车载设备

适用于机车列控系统的车载ATP设备可根据列车参数和地面设备通过无线方式提供的轨道电路信息、线路数据、临时限速等，按照目标-距离模式生成控制曲线，监控列车安全运行，符合SIL4级要求。

3）精确进路数据

适用于机车列控系统的地面设备与联锁设备相连接且有接口传输信息，因此可在车站办理进路时给出精确的进路数据满足列车运行要求。相对既有CTCS-0级系统LKJ列车由司机输入股道号，选取最低的安全侧线路数据，适用于机车列控系统更安全、更高效。

4）无线设备仅覆盖车站

适用于机车列控系统对于无线设备覆盖要求仅要求覆盖到车站进站信号机外方第二个接近区段和出站口外方第二个离去区段。相对既有CTCS-3级系统对无线设备覆盖要求低，造价低、易实施，有利于系统快速推广应用。

6 结束语

适用于机车列控系统实现进路数据自动上车、临时限速命令实时传达、线路数据统一维护等功能，可有效提高铁路运输能力、降低运行能耗、减轻司机劳动强度，为国内既有线路改造提供解决方案。在对既有线改造影响不大的情况下提升既有线的安全运行水平和运行效率。研究适用于机车的列控系统，既是国内普速铁路技术发展的需要，也是完善铁路列控系统等级的需要，对普速铁路列控技术的发展和创新，具有重要意义。