高铁联络线不利条件下CTCS3-CTCS2等级转换方案研究
时间：2023-06-15 22:50:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
卢佩玲,郝 韬,徐 强
(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)
随着我国高铁网络的完善，CTCS3级[1](以下简称“C3”)线路与CTCS2级[2](以下简称“C2”)线路的结合处逐年增多，等级转换[3]场景也越来越复杂[4-6]，尤其是经车站或线路所侧线进行C3向C2等级转换时[7]，由于不同车载设备的处理逻辑存在差异，在相同的场景下可能会导致不同的控车结果，因此，有必要对在不利线路条件下C3-C2等级转换点的设置方式进行深入的研究，以保证列车在经过等级转换点时的平稳运行。本文将结合现场的实际案例，对存在联络线长度过短、经大号码道岔侧向运行等不利条件时C3-C2等级转换设置的设计方案及注意事项进行探讨。
1.1 C3-C2等级转换原理
为实现列车从C3区域驶入C2区域时的不停车自动转换，需要在线路上设置C3/C2等级转换应答器组，其中包括等级转换预告应答器组(YG3-2)、等级转换执行应答器组(ZX3-2)，等级转换应答器设置情况如图1所示。
图1 C3-C2等级转换应答器设置
列车以C3等级运行经过等级转换预告应答器组，接收到应答器或RBC发送的C3-C2等级转换信息后，开始结合C2信息重新计算控车曲线，以保证列车运行通过C3-C2等级转换执行点时，列车运行速度不高于C2最高允许速度。
车载接收到C3-C2等级转换信息后，C3控制单元开始从后台C2控制单元获取等级转换点位置、允许速度等控车信息。车载C3控制单元结合当前从RBC收到的C3控车信息及从C2控制单元获取的C2控车信息，基于等级转换点的C2目标速度等信息重新计算控车曲线，以保证列车在等级转换执行点的列车速度满足进行等级转换的要求[8]。列车通过等级转换点且运行速度满足C2等级要求后，列车自动转为C2等级运行[9]，RBC判断C3-C2等级转换完成后，断开与列车的通信会话，释放无线通道[10]。
1.2 等级转换过程中车载计算控车曲线的差异
不同型号的ATP车载系统在等级转换过程中计算控车曲线时采用不同的控车处理逻辑，主要包括“目标速度控制”方式和“实时速度控制”方式。
(1)“目标速度控制”方式
收到C3-C2等级转换信息后，车载C3控制单元从C2控制单元获取C3-C2等级转换点的C2目标速度，并以该速度作为C3-C2等级转换点的目标速度计算控车曲线[11]。
(2)“实时速度控制”方式
收到C3-C2等级转换信息后，车载C3控制单元从C2控制单元实时获取当前的C2控车信息，当两者顶棚速度不同时，以其中速度较低的一方作为控车曲线计算依据。
1.3 C3-C2等级转换点设置
为保证列车平稳运行，在设计C3-C2等级转换点时应尽量保证列车在等级转换过程中C3及C2控车曲线的一致性，防止列车在越过YG3-2点后，因C2控车信息的计算，导致列车实际的控车曲线产生突降，进而引起列车制动[12-13]。
为实现上述目标，在等级转换点设置时应充分考虑C2、C3系统的差异性，尤其是C2系统与C3系统在临时限速处理逻辑、大号码道岔处理逻辑、线路及限速数据覆盖范围等关键点上的差异对C2、C3控车曲线的影响[14]。
2.1 线路数据及行车许可描述差异
C2级列控系统通过轨道电路及应答器向车载设备发送行车许可、线路数据及限速信息[15]。在列车正线运行的情况下，行车许可信息可覆盖前方7个闭塞分区(L5码)，按每个闭塞分区2 km计算，最远可以向车载发送前方14 km范围内的行车许可信息。
C3级列控系统基于GSM-R无线通信，由RBC向车载设备发送行车许可、线路信息及限速信息[16]，最远可以向车载发送前方32 km范围内的行车许可信息。
动车组列车在正线运行的情况下，C2、C3系统给出的控车信息均可以保证列车以该等级的最大允许速度正常运行，因此在设置C3-C2等级转换点时，主要考虑对列车在C2、C3级下运行的最高允许速度差进行防护[17]。
在动车组列车经有直股发车条件的侧线进路运行的情况下，C3系统可以向车载设备提供行车许可范围内完整的线路数据及限速信息，C2系统受有源应答器报文容量限制，临时限速信息的有效范围只描述到前方延续临时限速的应答器(一般为前方反向进站应答器)并延伸80 m，此时C2系统向车载设备提供的临时限速信息有效范围远小于C3系统(图2)，只有列车通过前方延续临时限速的应答器后，C2车载设备才能对前方区间的临时限速信息进行更新。
图2 侧线进路C2、C3系统临时限速预告范围示意
2.2 临时限速处理差异
C3系统在处理临时限速时，具备对正线上任意位置限速进行精确预告的能力，在处理侧线限速时，会对进路上存在的限速合并描述为全进路限速。
C2系统在处理临时限速时，在办理正线进路的情况下，可以对于区间的临时限速实现精确预告，在办理侧线进路时，出站应答器(含办理有直股发车条件的接车进路的进站应答器)受报文容量限制，对临时限速的描述进行了合并处理，在进路的临时限速检查范围内(最远至线路最高速度制动到45 km/h的距离，以下简称“L2范围”)存在限速时，C2系统会在出站应答器报文中将临时限速有效范围缩短至出站口+80 m，并描述为全进路限速[18]，直至列车通过出站口应答器后，才能获取前方精确的临时限速信息。与C3系统相比，造成了临时限速起点的提前及临时限速信息描述范围的缩短，如图3所示。
图3 L2范围内临时限速C2、C3控车曲线差异
2.3 大号码道岔处理差异
在办理经18号以上道岔侧向的进路时，C2系统需要通过大号码道岔应答器向车载设备发送大号码道岔报文[19]，实现对大号码道岔侧向过岔速度的预告。在大号码道岔检查范围内存在列车占用或存在低于过岔速度的临时限速，或在区间反向运行等情况下，均会停止发送大号码道岔报文，此时C2车载设备将控制列车按80 km/h的速度通过大号码道岔。
C3系统下，RBC根据大号码道岔的线路速度，结合当前实际限速情况控制列车运行，提高了运行效率，也导致了在C2系统因列车占用或临时限速等情况停止发送大号码道岔包时，C3系统与C2系统控制列车通过大号码道岔的速度可能存在较大差异，如图4所示，道岔1号为大号码道岔，在该情况下C3系统和C2系统计算的速度曲线不同。
图4 大号码道岔检查范围内临时限速C2、C3控车曲线差异
以某高速铁路联络线为例，对C3-C2等级转换点的设置方案进行举例分析。
3.1 线路情况
线路情况如图5所示，线路A为C3线路上行正线，线路B为联络线，RBC管辖范围终点为车站A股道出站信号机，列车由正线向联络线运行时，需要进行C3-C2等级转换，YG3-2设置在线路所BTS应答器处，ZX3-2设置在联络线B4296应答器处。
线路所2号道岔为42号道岔，侧向允许过岔速度120 km/h，联络线全长1 191 m，最高线路速度120 km/h，且存在20‰的下坡道，设置1个闭塞分区。
图5 线路情况示意(单位：m)
在区间无限速时，部分车载设备会在经过YG3-2应答器后输出制动。根据本文2.1节的分析，由于线路所在办理侧线进路时，BTS有源应答器中描述的临时限速有效范围为前方有源应答器(BTXLF)+80 m，未覆盖到ZX3-2应答器(B4296)，导致车载设备在越过YG3-2点后，无法获取ZX3-2点的C2限速信息，此时，采用了“目标速度控制”控车曲线计算逻辑的车载设备会按ZX3-2点处C2允许速度为45 km/h打靶，由于YG3-2到ZX3-2间的距离为945 m，不满足由线路最高速度120 km/h降速到45 km/h的制动距离，造成了列车在通过YG3-2后，顶棚速度突降，如图6方框处所示。
图6 顶棚速度突降导致列车制动示意(单位：m)
3.2 限制条件分析
为解决以上问题，对该线路条件下各种可能的等级转换设置方案进行了分析及仿真测试。针对不设置YG3-2点且使用BTXLF/B4296/B4290/BS作为ZY3-2点、使用BTS/BTXLF/B4296作为YG3-2点且使用B4290/BS作为ZX3-2点等设置方案，分别测试了车站A各进路条件下、线路各限速条件下不同车型通过等级转换点时的运行情况。
经测试发现，上述设置方案均无法满足所有车型的运行需要，存在问题的典型场景有以下2种。
(1)因限速导致线路所列控中心大号码道岔报文发送条件不满足
在车站A范围内设置80 km/h限速时，线路所列控中心因不满足大号码道岔检查条件，控制大号码道岔应答器发送允许通过报文(见2.3节)，BTS应答器发送全进路限速80 km/h报文，此时C2级车载将按线路所进路范围+尾部保持范围内运行速度80 km/h控车。因限速位置距离线路所较远，RBC不受此限速影响，按大号码道岔侧向最高允许速度120 km/h控制C3级车载运行，此时C2/C3控车曲线情况如图7所示。
图7 大号码道岔报文发送条件不满足情况下C2/C3控车曲线示意(单位：m)
此时，C2/C3曲线在BTS～B4296范围内存在差异(B4296应答器距BTXLF应答器距离220 m，在列车尾部保持范围内)，由此导致以BTS/BTXLF/B4296应答器作为YG3-2点时，采用“实时速度控制”控车曲线计算逻辑的车载设备，会因为C2曲线限速较低导致输出制动。若采用不设置YG3-2，直接以BTXLF/B4296作为ZX3-2时，会存在同样问题。
(2)C2/C3防护距离不一致
车站A未办理进路或办理了引导进路时，由于部分车载设备在C2/C3等级下防护距离有区别，C2等级下防护距离较长(110 m)，导致在低速区C2/C3级曲线不一致，此时C2/C3控车曲线情况如图8所示。
图8 下一站未办理接车进路情况下C2/C3控车曲线示意(单位：m)
在车站A未办理接车进路时，C2/C3曲线在B4290～BS范围内存在差异，以B4290/BS应答器作为ZX3-2点时(由于BTS/BTXLF/B4296应答器均不能用于YG3-2点，因此以B4290/BS应答器作为ZX3-2点时不设置YG3-2点)，车载设备在越过ZX3-2时会因C2/C3曲线不一致，导致输出制动。经测试，在车站A办理引导进路或侧线接车进路时，也存在类似问题。
3.3 解决方案
通过以上分析及试验，排除了BTS/BTXLF/B4296应答器用于YG3-2点，B4290/BS应答器用于ZX3-2点的可能性。在不对应答器设置或RBC管辖范围进行调整的前提下，为满足在联络线实现C3-C2等级转换的运营需要，最终选用线路TS信号外方的B3072应答器作为YG3-2点，联络线B4296应答器作为ZX3-2点，同时将办理侧线进路时BTS应答器中C2包临时限速有效区段长度延长至B4296(ZX3-2)应答器组并延伸80 m，如图9所示。
图9 C3-C2等级转换点设置解决方案示意(单位：m)
该方案通过调整YG3-2位置，保证YG3-2到线路所TS信号机间的距离满足120 km/h到80 km/h的制动要求，防止车载设备在列控中心不满足大号码道岔报文发送条件时，由于TS信号机处C3目标速度与C2目标速度不一致产生制动。通过延长BTS应答器中临时限速有效区段长度，使车载设备能在经过TS信号机时获取ZX3-2点完整的C2控车信息，防止车载设备按45 km/h打靶时因制动距离不足产生制动。
该方案YG3-2距离线路所进站信号距离较远，且前方进路不唯一，存在列车收到C3-C2等级转换信息后，线路所变更进路，导致等级转换信息失效的风险，因此，YG3-2应答器中不应设置等级转换信息，需要RBC根据线路所进路的办理情况，判断行车许可是否延伸越过C3-C2执行点而主动向车载发送等级转换信息。
3.4 测试验证
为验证方案的可行性，基于线路仿真环境采用了300S、300H、300T型车载设备对上述解决方案进行了测试验证，确认各车型在各场景下均可正常通过等级转换点，测试情况见表1。
表1 方案测试情况
3.5 方案总结
通过对本案例中C3-C2等级转换的方案的研究以及多种类型车载设备的仿真试验，对存在大号码道岔、线路长度过短等不利条件下，设置C3-C2等级转换点时的注意事项进行了以下总结。
(1)线路条件允许时，尽量不在大号码道岔侧向进路的一离去区段上设置C3-C2等级转换点。必须设置时，不应将C3-C2预告点设置在大号码道岔进路防护信号机外方至大号码道岔进路末端外方列车尾部保持的范围内[20]，不设置C3-C2预告点时，不应将C3-C2执行点设置在大号码道岔进路末端外方列车尾部保持的范围内。
(2)不宜将距离进站信号较近的应答器组作为ZX3-2点。
(3)若判断列车经过YG3-2点无法获取到ZX3-2点完整的C2线路及限速信息时，应按照ZX3-2点的C2目标速度为45 km/h来计算与YG3-2点的距离。
(4)若设置等级转换点的线路过短时，在条件允许的情况下，可考虑适当延长RBC管辖范围，以方便等级转换点的布置。
作为高速铁路列车运行控制系统的重要功能，C3-C2等级转换点的合理设计在工程应用中至关重要。本文通过深入分析等级转换过程中车载计算控车曲线的差异、C2/C3系统差异，对线路过短、坡度过大、经大号码道岔侧向运行等不利线路条件下C3-C2等级转换的方案进行了研究、测试，总结了在不利线路条件下等级转换点设置时应特殊考虑的注意事项，并提出了解决方案，明确了高铁联络线不利线路条件下C3-C2等级转换点的设置条件，为高速铁路C3-C2等级转换的工程设计提供了借鉴与支撑。
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