更高速度下無(wú)線(xiàn)閉塞中心功能的適應(yīng)性論證

張馨則，劉木齊，馮 翔

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

京滬高鐵是我國(guó)“八橫八縱”高速鐵路主通道之一，是世界上一次建成線(xiàn)路最長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，其中，設(shè)計(jì)速度380 km/h，當(dāng)前運(yùn)營(yíng)速度350 km/h，列車(chē)最小追蹤間隔按照3.5 min 設(shè)計(jì)，全線(xiàn)采用CTCS-3 級(jí)列車(chē)控制系統(tǒng)，在京滬聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，在既有的CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)下，已經(jīng)按照速度380 km/h 進(jìn)行運(yùn)行。而列車(chē)最高時(shí)速的記錄上，和諧號(hào)”380A 新一代高速動(dòng)車(chē)組最高時(shí)速達(dá)486.1 km。隨著民眾對(duì)高速鐵路出行的需求越來(lái)越大，以及高鐵車(chē)體與基建水平的不斷提高，在更高速度（如400 km/h）下的列控系統(tǒng)研究就尤為重要。

而無(wú)線(xiàn)閉塞中心RBC 作為CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的核心設(shè)備，在列車(chē)更高速度的運(yùn)行模式下，研究其MA 的生成和傳輸技術(shù)就顯得尤為重要。

2 行車(chē)許可發(fā)送方式研究

根據(jù)車(chē)地?zé)o線(xiàn)報(bào)文定義，行車(chē)許可格式的具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 行車(chē)許可信息格式Tab.1 Movement authority message format

在列車(chē)更高運(yùn)行速度條件下，R B C 給列車(chē)發(fā)送的行車(chē)許可覆蓋的范圍將更廣，行車(chē)許可所包含的內(nèi)容也將更多，即將包含更多的應(yīng)答器鏈接信息、更多的變坡點(diǎn)、更多的變速點(diǎn)、更多的線(xiàn)路條件等，其中，P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)是需要覆蓋整個(gè)行車(chē)許可范圍的，P5 應(yīng)答器鏈接信息按照M A 范圍內(nèi)不超過(guò)最大數(shù)量（30組）發(fā)送，其他可選信息包雖然也需要覆蓋整個(gè)行車(chē)許可范圍，但屬于動(dòng)態(tài)變化的數(shù)量，且數(shù)量較少，例如臨時(shí)限速只有在設(shè)置的情況下才會(huì)存在，等級(jí)轉(zhuǎn)換點(diǎn)只有在確定的等級(jí)轉(zhuǎn)換位置才會(huì)存在。

由此可知，P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)對(duì)行車(chē)許可的影響較大，因?yàn)檫@二者數(shù)據(jù)量較大，且是靜態(tài)存在的。因此，本課題對(duì)P21 坡度曲線(xiàn)和P27速度曲線(xiàn)的發(fā)送規(guī)則進(jìn)行研究。

這里從兩個(gè)角度對(duì)P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)與行車(chē)許可消息的關(guān)系進(jìn)行分析，一個(gè)是數(shù)量，另一個(gè)是字長(zhǎng)。

1）P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)數(shù)量的影響

根據(jù)協(xié)議定義，P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)的最大個(gè)數(shù)均為32 個(gè)，也就是說(shuō)，每個(gè)P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)的最大描述參數(shù)數(shù)量為32 個(gè)。根據(jù)實(shí)際工程參數(shù)統(tǒng)計(jì),可以得出每個(gè)P21/P27 對(duì)行車(chē)許可長(zhǎng)度限制如表2 所示。

表2 坡度/速度曲線(xiàn)對(duì)行車(chē)許可長(zhǎng)度限制Tab.2 Gradient/speed curve limits to movement authority length

可見(jiàn)，線(xiàn)路速度曲線(xiàn)和坡度曲線(xiàn)個(gè)數(shù)均滿(mǎn)足最大32 km 行車(chē)許可長(zhǎng)度的要求。

2）P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)字長(zhǎng)的影響

采用無(wú)線(xiàn)通信方式，考慮到通信指標(biāo)和加密算法的影響，需要滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)消息最大長(zhǎng)度500 Byte 的限制。

根據(jù)協(xié)議定義，行車(chē)許可固定的消息長(zhǎng)度在20 Byte 左右，P5 鏈接信息包往往能夠達(dá)到最大數(shù)量，字長(zhǎng)為180 Byte 左右。所以，剩余的消息長(zhǎng)度為300 Byte 左右。其中，P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)是靜態(tài)存在的，其字節(jié)長(zhǎng)度為P21：（54+24×坡度個(gè)數(shù)）/8，P27：（58+28×坡度個(gè)數(shù)）/8，除此以外還有若干可能存在的臨時(shí)限速包、等級(jí)轉(zhuǎn)換包、文本消息包、模式曲線(xiàn)包等等。對(duì)P21 和P27計(jì)算如表3 所示。

可見(jiàn)，P21 和P27 如果達(dá)到最大數(shù)量，則行車(chē)許可的消息長(zhǎng)度將達(dá)到350 Byte，相對(duì)于500 Byte 的最大容量，行車(chē)許可字長(zhǎng)還有150 個(gè)字節(jié)可以填充臨時(shí)限速、等級(jí)轉(zhuǎn)換、模式曲線(xiàn)等信息包，該字節(jié)容量足夠。

表3 坡度/速度曲線(xiàn)對(duì)行車(chē)許可字長(zhǎng)影響Tab.3 Gradient/speed curve affect on movement authority word length

綜上，P21 坡度曲線(xiàn)和P27 速度曲線(xiàn)的字長(zhǎng)基本不影響系統(tǒng)行車(chē)許可的長(zhǎng)度，也不會(huì)對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度造成限制。

3 行車(chē)許可安全與可用性研究

考慮兩個(gè)時(shí)間參數(shù)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響，一個(gè)參數(shù)為列車(chē)位置報(bào)告周期時(shí)間，另一個(gè)為無(wú)線(xiàn)超時(shí)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析時(shí)間參數(shù)和縮短列車(chē)行車(chē)許可策略的關(guān)系。

1） 通信參數(shù)影響

根據(jù)通信參數(shù)分析，在列車(chē)更高速度條件下，車(chē)地通信指標(biāo)仍然能夠滿(mǎn)足要求。因此，從通信的角度看，在更高速度條件下，無(wú)需調(diào)整列車(chē)位置報(bào)告周期時(shí)間和無(wú)線(xiàn)超時(shí)時(shí)間參數(shù)。

2） 列車(chē)位置跳變距離影響

假設(shè)列車(chē)運(yùn)行速度為v，列車(chē)運(yùn)行時(shí)間為t，則列車(chē)運(yùn)行距離和列車(chē)運(yùn)行速度的關(guān)系為L(zhǎng)=vt。

目前，列車(chē)位置報(bào)告周期為6 s，無(wú)線(xiàn)超時(shí)時(shí)間設(shè)置為20 s，采用不同速度時(shí)關(guān)系如表4 所示。

表4 不同速度下不同場(chǎng)景列車(chē)走行距離Tab.4 Train travel distances in different scenes at different speeds

可見(jiàn)，列車(chē)位置跳變的距離和列車(chē)運(yùn)行速度成正比，也就是說(shuō)，列車(chē)運(yùn)行速度越高，列車(chē)位置跳變的距離也就越大，而列車(chē)走行距離和軌道區(qū)段長(zhǎng)度的關(guān)系會(huì)影響安全策略（CEM/SMA）的選擇。

如圖1 所示，列車(chē)在“位置1”向RBC 發(fā)送位置報(bào)告，并收到RBC 發(fā)送的行車(chē)許可。此后，列車(chē)正常向前運(yùn)行，依次占用N3 →N5 和N5 →N7區(qū)段，并在“位置2”再次向RBC 發(fā)送位置報(bào)告。圖1 中綠色箭頭表示列車(chē)行車(chē)許可，紅色線(xiàn)段表示軌道區(qū)段占用。假設(shè)軌道區(qū)段長(zhǎng)度為L(zhǎng)track，列車(chē)位置跳變時(shí)間內(nèi)列車(chē)走行距離為L(zhǎng)move，即列車(chē)位置跳變時(shí)間內(nèi)列車(chē)走行的距離大于軌道區(qū)段長(zhǎng)度，那么采用CEM 和SMA 策略的結(jié)果會(huì)截然不同。

圖1 列車(chē)走行距離和軌道區(qū)段長(zhǎng)度對(duì)行車(chē)許可策略影響示意圖Fig.1 Schematic diagram of Influence of train travel distance and track distinct length on movement authority strategy

a.采用CEM 策略

RBC 依次收到兩個(gè)區(qū)段的占用信息，根據(jù)列車(chē)的位置1，依次向列車(chē)發(fā)送CEM，CEM 的停車(chē)點(diǎn)分別為N3 和N5。列車(chē)根據(jù)估算位置判斷是否已經(jīng)通過(guò)了CEM 停車(chē)點(diǎn)，如果已經(jīng)通過(guò)，則忽略此CEM，否則接受此CEM。

b.用SMA 策略

RBC 依次收到兩個(gè)區(qū)段的占用信息，根據(jù)列車(chē)的位置1，依次向列車(chē)發(fā)送SMA，SMA 的停車(chē)點(diǎn)為N3 和N5，而此時(shí)，列車(chē)則需要無(wú)條件接受SMA 的停車(chē)點(diǎn)。

綜上策略反應(yīng)分析，在Ltrack小于Lmove時(shí)，采用CEM 仍然可以完成列車(chē)占用檢查的判斷，但采用SMA 策略則會(huì)造成列車(chē)緊急制動(dòng)。

總結(jié)上述分析，可以得到如下結(jié)論：在更高速度條件下，無(wú)需調(diào)整列車(chē)位置報(bào)告周期時(shí)間和無(wú)線(xiàn)超時(shí)時(shí)間參數(shù)，且CEM 策略不受影響，SMA 策略需要分析和計(jì)算錯(cuò)誤觸發(fā)緊急制動(dòng)的可能性，并在必要的情況下修改為CEM 策略。

4 跨區(qū)切換技術(shù)研究

在列車(chē)更高運(yùn)行速度條件下，同樣要求列車(chē)以更高的速度進(jìn)行跨區(qū)切換。在跨區(qū)切換過(guò)程中，兩個(gè)地面無(wú)線(xiàn)閉塞中心間相互傳送消息，移交RBC向接收RBC 申請(qǐng)行車(chē)許可，接收RBC 分配行車(chē)許可并發(fā)送給移交RBC 后，移交RBC 再發(fā)送給車(chē)載，從而完成行車(chē)許可跨越切換邊界的功能。

在這個(gè)過(guò)程中，接收RBC 給移交RBC 分配的行車(chē)許可是關(guān)鍵信息，其中行車(chē)許可的范圍以及行車(chē)許可內(nèi)包含的坡度曲線(xiàn)、靜態(tài)速度曲線(xiàn)等信息，是直接影響列車(chē)速度的限制因素。

根據(jù)無(wú)線(xiàn)閉塞中心間報(bào)文定義，行車(chē)許可的具體內(nèi)容如表5 所示。

表5 無(wú)線(xiàn)閉塞中心間行車(chē)許可定義Tab.5 Defi nition of movement authority between radio block centers

根據(jù)規(guī)范要求，每個(gè)RRI 消息應(yīng)以邊界應(yīng)答器組為L(zhǎng)RBG，并為起始于邊界應(yīng)答器組的進(jìn)路授權(quán)RRI 區(qū)域提供完整的信息，包括線(xiàn)路描述的全部信息。

根據(jù)規(guī)范該條款要求，結(jié)合本文“行車(chē)許可發(fā)送方式研究”的內(nèi)容，進(jìn)路授權(quán)RRI 消息不會(huì)限制行車(chē)許可的長(zhǎng)度。

5 行車(chē)許可聯(lián)合縮短研究

根據(jù)Subset-026 的定義，車(chē)地通信具有行車(chē)許可聯(lián)合縮短的功能，即CSMA 功能（目前的CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)中未使用該功能），該功能的流程如下：

1) 當(dāng)聯(lián)鎖辦理取消進(jìn)路時(shí)，聯(lián)鎖向無(wú)線(xiàn)閉塞中心申請(qǐng)；

2) 無(wú)線(xiàn)閉塞中心判斷車(chē)載行車(chē)許可是否包含該進(jìn)路，如果沒(méi)有包含該進(jìn)路，則可以授權(quán)聯(lián)鎖解鎖，否則無(wú)線(xiàn)閉塞中心向車(chē)載發(fā)送CSMA 無(wú)線(xiàn)消息；

3) 車(chē)載根據(jù)列車(chē)制動(dòng)曲線(xiàn)判斷能否在CSMA停車(chē)點(diǎn)前停車(chē)，如果可以停車(chē)則接受CSMA，否則拒絕CSMA；

4) 無(wú)線(xiàn)閉塞中心在收到接受CSMA 反饋后通知聯(lián)鎖可以解鎖；

聯(lián)鎖可以立即解鎖。

上述功能中描述的CSMA 無(wú)線(xiàn)消息的具體報(bào)文定義如表6 ～8 所示。

表6 聯(lián)合縮短行車(chē)許可消息格式Tab.6 Message format for joint shortening of movement authority

目前CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)采用接近鎖閉的解鎖方案，一方面該方案的接近鎖閉距離與列車(chē)運(yùn)行速度有關(guān)，列車(chē)運(yùn)行速度越高需要的接近鎖閉距離也就越長(zhǎng)；另一方面接近鎖閉采用一個(gè)固定的延遲解鎖時(shí)間，會(huì)在一定程度上影響運(yùn)營(yíng)效率。

綜合考慮上述兩個(gè)方面，接近鎖閉方案在更高運(yùn)行速度條件下很難滿(mǎn)足要求，而采用聯(lián)合縮短行車(chē)許可方案，可使得聯(lián)鎖快速解鎖，解決上述問(wèn)題。

表7 聯(lián)合縮短行車(chē)許可接受消息格式Tab.7 Acceptable message format for joint shortening of movement authority

表8 聯(lián)合縮短行車(chē)許可拒絕消息格式Tab.8 Deniable message format for joint shortening of movement authority

6 總結(jié)

本文對(duì)更高速度條件下的行車(chē)許可問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，總結(jié)如下。

1）行車(chē)許可長(zhǎng)度是制約列車(chē)運(yùn)行速度的一個(gè)條件，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行速度的不同，列車(chē)制動(dòng)距離也就不同，所需要的行車(chē)許可長(zhǎng)度也就不同。就目前列控系統(tǒng)能夠支持的行車(chē)許可最大長(zhǎng)度（最大32 km）來(lái)講，可以支持更高速度條件（400 km/h）的需求。

2）在更高速度條件（400 km/h）下，無(wú)需調(diào)整列車(chē)位置報(bào)告周期時(shí)間和無(wú)線(xiàn)超時(shí)時(shí)間參數(shù)。

3）針對(duì)接近鎖閉方案存在距離對(duì)速度的敏感性和延遲解鎖時(shí)間效率的問(wèn)題，當(dāng)前系統(tǒng)在不做調(diào)整的情況下可以支持更高速度條件（400 km/h）的需求，但建議考慮增加列控系統(tǒng)聯(lián)合縮短行車(chē)許可方案，提高解鎖效率。