朔黄铁路移动闭塞信号系统设计与关键技术研究

丰汉羽，王 涛，石建廷

(1.国能朔黄铁路发展有限责任公司 肃宁分公司，河北 沧州 062350；2.交控科技股份有限公司 铁路事业部，北京 100070)

移动闭塞信号系统在国内外城市轨道交通中已得到广泛的应用。在国内，自2004年建设并开通运营的城市轨道交通线路中，信号系统采用移动闭塞系统的线路占90%以上。目前对于朔黄铁路，三显示自动闭塞只能实现最少10 min的发车间隔，无法满足年运量持续增长的需要[1]；设备面临大修期，设备故障率逐年提高；神池南发车能力弱、困难区段追踪能力差、司机操纵强度大等问题严重限制了朔黄铁路运能提升。针对以上问题，朔黄铁路采用先进的闭塞制式即移动闭塞，可通过缩短列车追踪距离与发车时间间隔，在保证重载铁路运行安全性与可靠性的基础上，大幅提升线路运能。朔黄铁路移动闭塞信号系统通过多传感器融合和北斗卫星联合定位，可以精确跟踪每台机车的位置，并自动规划行车许可和速度防护，保障朔黄铁路运营安全，提高运输能力。

1 系统需求分析

1.1 研究背景

朔黄铁路(神池南—黄骅港)属于神黄铁路(大柳塔东—黄骅港)的一部分，正线长度598 km。朔黄铁路为Ⅰ级干线、双线电气化铁路，年运输能力达到4.5亿t，是“西煤东运”的重要通道，在我国铁路网中占有重要地位。

针对朔黄铁路“重载专线、独立运营”的特点，国能朔黄铁路发展有限责任公司加强技术创新，在既有三显示线路条件下提出移动闭塞系统改造技术实施方案，在实现重载铁路移动闭塞功能的同时可兼容既有固定闭塞运营模式，从而满足朔黄铁路实际运营需要，有利于系统逐渐升级。原中国神华能源股份有限公司2014年立项《重载铁路移动闭塞系统关键技术和装备研究》，并在朔黄铁路小觉至西柏坡三站二区间线路上进行试验。该项目全面验证了重载铁路移动闭塞系统的各项功能，证明了移动闭塞信号系统应用在朔黄铁路的安全性和可行性。

1.2 信号需求

针对朔黄铁路运营需求和技术特点，提出的信号系统需求如下。

（1）信号系统可靠性。信号系统需保证朔黄铁路机车在最高运营速度下运行时信号系统相关设备可靠性的要求，需适配交流牵引供电制式的有关规定。

（2）信号系统需接口灵活、不受现有铁路信号影响。信号各子系统设备可与既有信号各系统统筹考虑，良好衔接，车站联锁系统、调度集中系统等既有信号系统改造不影响运输生产，信号系统设备的设计、生产均需满足相应的国际、国内标准。

（3）信号系统稳定。信号系统需具有高的安全性、可靠性、可用性及可维护性，涉及到行车安全的系统及设备需满足“故障导向安全”的原则，信号系统中主要用于控制安全行车的设备及子系统的处理器需设计多重冗余技术，冷、热备自动切换的时机不能影响设备工作的连续性，需实现无扰自动切换。

（4）信号系统功能的高效便捷性。信号系统相关设备需采用先进的工艺、技术、硬件等以便于更高效地实现信号系统的功能，信号系统在符合各项指标要求的前提下，更有利于系统自诊断、人员操控、维护以及更多功能的拓展。

2 朔黄铁路移动闭塞信号系统设计

2.1 制式概况

既有的自动闭塞通常会布置地面通过信号机，并在列车安装车载信号，列车按照空间间隔法运行采用凭证或信号来实现安全运行。自动闭塞是依据列车运行和列车前方闭塞分区的实时状态，通过自动变换区间信号机的显示，让司机凭借地面信号行车。每个闭塞分区内都敷设轨道电路，其具有轨道占用检查和列车定位的功能，通过联系列车和区间信号机的显示，使得信号机的显示能够根据闭塞分区状态来自动变换。

三显示自动闭塞的信号机为三灯三显，即红灯、黄灯、绿灯，可以预告列车运行前方有2个闭塞分区空闲，制动距离满足一个闭塞分区的长度，通过分级速度控制模式来保障行车安全。

移动闭塞列车可以对运行间隔自动进行调整。与传统的自动闭塞对比，移动闭塞系统不需要再将区间划分为若干个固定的闭塞分区，能够实现两列车之间自动调整运行间隔，大大提高了列车通过能力。移动闭塞信号系统采用目标-距离控制模式，根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车的制动曲线，采用一次制动方式[2]。移动闭塞系统下列车追踪的是前方列车的尾部并回撤一个安全余量距离，一般通过无线通信和无线定位技术来实现。

移动闭塞系统由车载子系统和地面子系统组成，通过车地安全通信网络实现车地信息的交互，实时计算列车位置信息，实现列车实时安全定位。地面控制中心根据前方线路情况及轨道占用情况，实时计算并生成行车许可，发送给目标列车，车载子系统根据行车许可状态，采用连续速度曲线控制模式对列车进行控制，对列车的高效运行进行安全防护。由于减少了轨旁设备，移动闭塞信号系统在缩短行车间隔和提升线路运能的基础上，降低了后期的运营维护成本，更大大降低了工程造价，成为当下轨道交通可持续发展的信号控制模式。

2.2 与传统信号系统的对比优势

从系统组成、功能等方面对朔黄铁路既有信号系统和移动闭塞信号系统进行比较分析。

2.2.1 既有信号系统

朔黄铁路既有信号系统为CTCS-0，由通用机车信号+运行监控记录装置构成。朔黄铁路既有信号系统结构示意图如图1所示。其控制中心设备包括调度集中控制系统(CTC)中心设备、CTC系统车站设备、无线通信LTE地面设备；设备集中站设备包含微机监测、微机联锁系统CI；轨旁设备包括区间/站内轨道电路、信号机、道岔、地面电子单元(LEU)轨旁设备等；车载设备包含列尾装置、牵引/制动系统、机车操作台、列车运行控制记录装置(LKJ)、LTE设备等。

图1 朔黄铁路既有信号系统结构示意图Fig.1 Structure of existing signal system for Shuohuang Railway

2.2.2 移动闭塞信号系统

朔黄铁路移动闭塞信号系统在既有设备上新增许多设备，在车载设备上新增无线通信LTE、北斗设备、列车接口、模块化安全计算机、测速设备、人机交互界面(DMI)、应答器信息接收单元(BTM)、切换装置及开关旋钮等；地面设备增加定位应答器和北斗差分站等；控制中心增加CTC列控接口服务器、RBCCTC接口服务器、TSRS-CTC接口服务器、无线闭塞中心(RBC)、临时限速服务器(TSRS)、网闸等设备。朔黄铁路移动闭塞信号系统功能结构图如图2所示。

图2 朔黄铁路移动闭塞信号系统功能结构图Fig.2 Structure of moving block signal system for Shuohuang Railway

朔黄铁路既有信号系统和移动闭塞信号系统适用性比较分析如表1所示。

表1 朔黄铁路既有信号系统和移动闭塞信号系统适用性比较分析Tab.1 Adaptability comparison and analysis of existing signal system and moving block signal system for Shuohuang Railway

综上，三显示自动闭塞信号系统发车能力不足、轨旁设备繁多、故障率较高，结合朔黄铁路“专线运营、独立管理”的运营特点，进行重载铁路移动闭塞系统方案研究是必要的。

2.3 系统功能实现

根据系统运营场景、系统架构、原理、功能及接口需要，以保障列车运行安全、提高运输组织效率、降低系统维护成本为目标，重点实现以下系统功能。

2.3.1 多传感器信息融合定位

多传感器信息融合定位示意图如图3所示，由于速度传感器、卫星定位、加速度计、应答器等设备在单独使用时均存在累计误差、瞬时漂移等不稳定因素，为了克服这些难点，利用不同传感器在测速定位原理上的异构优势，通过多传感器信息融合算法，弥补特定场景下单一传感器的测量短板，使重载列车可在不同线路条件、不同驾驶工况下实现精确测速定位。

图3 多传感器信息融合定位示意图Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor information fusion and positioning

2.3.2 列车卫星定位

由于北斗卫星定位信息存在一定的位置偏移，对于卫星返回信息的可用性必须进行验证，故建立卫星信息可信度先验概率模型，与列车速度、位移进行实时校对[3]。列车卫星定位示意图如图4所示，通过合理布置地面差分站设备，连续采集北斗定位数据，从而得到地面差分站设备所在的准确地理位置[4]。通过将该位置数据设置到地面差分站北斗芯片中，使地面差分站设备生成带差分的北斗信息。

图4 列车卫星定位示意图Fig.4 Schematic diagram of train satellite positioning

朔黄铁路移动闭塞信号系统下，车载ATP设备和地面差分站设备可通过LTE网络进行通信，实现数据交互，车载ATP设备根据机车所在位置来选择对应的地面差分站，并主动向差分站发起通信建链请求。地面差分站设备在收到车载ATP的建链请求后将进行响应，双方完成通信建链过程。车载ATP和地面差分站完成通信建链后，地面差分站定期向车载ATP发送差分信息。车载ATP在收到地面差分站发送来的差分信息后，将该差分信息转发至车载北斗定位设备(车载移动站)。车载移动站通过接收差分信息和计算北斗定位信息，实现列车位置安全校准[5]，大幅减少地面应答器布置，降低成本。

2.3.3 列车完整性检查

列车完整性检查示意图如图5所示，重载列车头端和尾端之间不具备电气连接条件，难以通过电路判断列车完整性[6]。通过对列车头尾风压异常模式识别和尾部卫星定位，解决重载列车无电信号检测列车完整性的难题[7]。当列车接收到的列尾北斗数据有效和测速定位的列车尾部位置有效时，ATP车载设备根据列尾北斗数据定位包络与测速计算的列车尾端定位包络是否重合来判断列车完整性状态。当包络有重合的时候判断为列车完整性完整，包络无重合的时候判断列车完整性丢失；当列尾北斗数据不可用或无法通过列尾信息中的北斗判断列车完整性时认为列车完整性未知。车载ATP具备实时检测列车完整性的功能，保证移动闭塞列车的追踪安全。

图5 列车完整性检查示意图Fig.5 Schematic diagram of train integrity inspection

2.3.4 行车许可计算

在移动闭塞下，不再依赖轨道电路及地面信号行车，只要列车满足灭灯距离要求，RBC向联锁发送灭灯指令，联锁收到命令后给信号机控制继电器发送吸起指令，控制信号机灭灯，避免司机误判信号，增加安全性。

车载ATP根据应答器或北斗获得初始定位，并利用多传感器融合持续定位，获得列车位置并向RBC汇报位置，列车定位后车载ATP向RBC设备发送行车许可申请，RBC根据列车发送的位置和联锁设备发送进路、区段、道岔、信号机等相关状态信息以及临时限速信息，为列车计算安全包络，并将行车许可发送到列车。

移动闭塞与自动闭塞相比，追踪间隔和发车效率有了明显的提升。行车许可计算示意图如图6所示，当前、后列车都为移动闭塞列车时，后车的行车许可为前车车尾防护点回撤一段安全防护距离处，摆脱了固有闭塞制式的追踪。

图6 行车许可计算示意图Fig.6 Schematic diagram of movement authority calculation

2.3.5 重载列车安全制动模型

基于重载列车质量大、编组长，空气制动建立时间长，缓解充风慢且缓解过程中制动力弱，列车紧急制动率(GEBR)不为恒定值[8]的限制。现有理论只研究了满风状态下制动力计算方法，不适用于列车充风不足等不利场景。为了打破壁垒，通过数学建模(数据采集、参数辨识、模型建立)，再到验证计算出实际与理论的制动曲线(计算因子包括尾部风压、充风时间、载重、编组、坡道、曲率、关门车、旋转质量等)[9]，最后车载ATP能够实时准确计算列车GEBR，得到列车制动曲线[10]，保证不同编组列车在不同线路条件和工况下，安全防护制动。

2.3.6 技术站发车能力提升

在移动闭塞下，通过在咽喉区增设虚拟信号机实现进路细分和分段锁闭[11]，将行车许可作为列车运行和安全防护依据，在不改变站场情况下，可实现编组站连续追踪发车，最大程度提升发车能力。技术站发车能力提升示意图如图7所示，列车A发车后运行到一定位置且速度大于规定值，即可为列车B办理至虚拟信号机的分段发车进路，列车A出清冲突道岔区段且道岔区段已解锁，列车B已经驶出了股道，以虚拟信号机为行车许可终点向前运行，此时可以为列车B继续向前办理进路(办理以虚拟信号机为始端信号机、SL12为终端信号机的进路)，当虚拟信号机到SL12的进路已经被办理，列车B的行车许可能够到达列车A的安全车尾，列车B追踪列车A驶向区间。该技术能有效提升神池南站和黄骅港站的发车能力。经计算，在虚拟信号机交叉发车优先原则下，结合既有列车运行时刻表顺序的情况下进行接续发车，列车输送能力可提升43.1%。

图7 技术站发车能力提升示意图Fig.7 Schematic diagram of improving departure capacity of technical station

2.3.7 ATP与LKJ不停车切换

基于朔黄铁路东段改造移动闭塞系统、西段实行固定闭塞系统、与国家铁路有交叉运营的背景现状，ATP设备需通过硬线接口和RS422串口与LKJ完成信息交互，通过自动切换装置和手动切换开关与LKJ完成控车电路切换。ATP与LKJ不停车切换示意图如图8所示，列车运行状态下，当列车运行至移动闭塞-固定闭塞切换区且切换开关处于自动位时，列车车头驶入共管区，ATP收到预告应答器组后，ATP通过DMI向司机提示“前方X米即将进入自动切换区”，ATP检测机车进入自动切换区后，向LKJ发不停车切换流程。当ATP收到切换应答器组时，车载ATP设备判断自身工作状态是否满足自动切换条件(具备自动切换功能、未超限速、未实施制动、系统工作状态正常)[12]。在ATP和LKJ均认为符合切换条件后，双方完成不停车切换，ATP进入LKJ控车模式，移动闭塞线路和固定闭塞线路无缝切换。

图8 ATP与LKJ不停车切换示意图Fig.8 Schematic diagram of switching between ATP and LKJ without stopping

3 结束语

通过对不同制式信号系统的比较和朔黄铁路移动闭塞信号系统关键技术的研究，凸显了移动闭塞信号系统在朔黄重载铁路工程应用的必要性。朔黄铁路移动闭塞信号系统的应用将优化运输组织方式，极大提升线路运输能力，提高重载铁路技术装备水平，降低设备故障率和设备综合维修成本，减轻行车人员、维护人员劳动强度。该系统可为重载铁路建设、扩能改造和高效安全运营提供理论支撑与技术支持，具有重要的社会意义和经济效益。朔黄铁路移动闭塞信号系统将逐渐向移动闭塞自主化、无人化的方向发展，实现重载移动闭塞行车防护及列车混运的功能，为将来朔黄智慧铁路建设奠定基础。