優化高速鐵路設計及運營標準的幾點建議

沈志凌

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

自2008 年8 月1 日京津城際開通以來，國內高速鐵路營業里程已經達到2.9 萬km。十年來，中國高鐵建設取得了令世界矚目的成就。但是也要清醒的看到，國內高鐵建設還存在這樣或那樣的問題，還有不少需要改進和完善的地方，包括建設標準和運營理念還有值得優化之處。以下結合工作實踐談談筆者的一些觀點和建議，希望對今后高鐵建設和運營管理能有所幫助。

1 積極研究推廣全電子聯鎖，提高聯鎖設備配置靈活性

全電子聯鎖是指聯鎖執行部分采用電子元件取代繼電器，其優點有以下幾點。

1）可以大大減少繼電器數量，減少信號房屋面積，減少現場安裝工程量。

2）可以提供靈活的設備布置及控制方案。例如在離車站較遠的區間道岔處設置目標控制器，通過光纜連接車站聯鎖機實現區間道岔的遠程控制，配合遠程LEU，減少聯鎖主機、列控中心、CTC 等設備的配置數量。甚至進一步，在目標控制器成熟使用后，可以大量設于軌旁，減少電纜使用，符合環保鐵路的發展方向。

3）有利于國內聯鎖、列控設備走出去。國內繼電器技術標準與UIC 及其他一些組織的標準并不一致，尤其是繼電器接點應用有較大差異，導致繼電電路設計存在較大差異，影響國內鐵路信號系統設備在國際工程中推廣。采用全電子聯鎖后，可消除或大大減少該差異導致的各種技術問題。

為實現上述目標，需要研制適應軌旁安裝使用的各種設備類型的目標控制器。

20 世紀90 年代中期，京九鐵路利用亞行貸款采購計算機聯鎖設備時，ABB 公司就介紹過全電子聯鎖的方案。由于當時國內信號基礎設備尚不具備配套電子接口的條件，例如電碼化等還需要各種繼電器進行編碼，所以當時沒有對此進一步探討。目前，國內高速鐵路已經具備研發應用全電子聯鎖的條件。由于有了列控中心，部分繼電接口可以由列控中心取代，例如機車信號的電子編碼、站間和場間聯系信息、區間方向控制、區間信號點燈控制等。聯鎖設備與列控中心通過外部通信接口或采用一體化設計，可以取消大部分繼電器接口，只要在其他電子接口方面進行開發，就有可能實現全電子化目標。這些電子接口包括站內信號機驅動采集、非一體化軌道電路采集、各種轉轍設備驅動采集等。

目前全電子聯鎖在國內的應用還不廣泛，僅局限于低等級國有鐵路、地方鐵路或專用鐵路有一些零星應用，在高等級鐵路尚無應用，而全電子聯鎖恰恰更適合于高速鐵路的應用條件。目前國內主流信號設備廠家已進行相關設備的研發，預計該項新技術將得到積極應用。

2 優化到發線信號設備布置，提高運輸效率和運營質量

2.1 優化出站信號機位置

國內高鐵車站到發線有效長度標準為650 m，基于16 輛編組，列車長度最大430 m，站臺450 m長居中布置。按照現行高速鐵路設計規范及應答器設置原則標準，車站到發線信號設備布置如下。

1）出站信號機：距警沖標不宜小于55 m。

2）出站應答器組：CTCS-2 系統，距出站信號機不小于30 m。CTCS-3 系統，距出站信號機不小于20 m。

存在問題如下。

1）不利于17 輛編組列車的接發作業。

2）不便于司機停車操控。

解決方案或優化建議如下。

1）出站信號機向警沖標或對向道岔岔尖方向移設，距離警沖標由55 m 改為5 m。

2）移設后，出站應答器組位置應維持距警沖標位置不小于75 m。

3）CTCS-3 級列控區段，為不降低動車組制動力下降等特殊工況下防冒進信號的能力，建議采取進一步的防范措施。

2.2 股道軌道電路分割位置

股道有折返作業時，如果其中部有軌道電路絕緣節且其位置設置不當，在接入8 輛短編組動車組時可能出現如圖1 所示的列車停車位置。這時列車換端，即使開放折返后的發車進路，但因TCR 天線所處的軌道電路未被分路，TCR 天線無法收到有效低頻碼，將導致折返的CTCS-2 級列控車載設備無法獲取移動授權。為避免出現上述問題，在股道中部設置軌道電路絕緣節時，絕緣節設置位置需結合列車停車位置統籌考慮，并保證動車組TCR 天線與其相鄰的第一輪對處于同一軌道電路區段上方。

圖1 股道分割位置設置示意圖Fig.1 Diagram of position of insulation joints of track circuits

3 優化樞紐列控設計方案，化繁為簡，提高設備應用質量

中國高速鐵路列控系統分為CTCS-2 和CTCS-3 兩個等級，其中300 km/h 速度及以上的線路應采用CTCS-3 級，200 km/h 速度線路應采用CTCS-2 級，250 km/h 速度的線路宜采用CTCS-3 級，也可采用CTCS-2 級。兩個等級的列控系統具有互通性，即裝有CTCS-2 級的列車可以在CTCS-3 級線路按CTCS-2 級系統運行，裝有CTCS-3 級的列車可以在CTCS-2 級線路按CTCS-3級系統運行。

CTCS-3 級系統地面設備除安裝CTCS-2 級設備外，還要增設無線閉塞中心（RBC）設備。RBC設備有各種能力限制，包括同時連接的列車數量、與相鄰RBC 接口數量等。由于樞紐內存在多條線路接入，因此RBC 之間的接口數量較多，有時不能滿足能力的需要。由于樞紐站規模較大，同時需要連接的列車數量較多，單個RBC 設備能力有時也不能滿足連接需要，所以不得不在始發站采用CTCS-2級發車，進入區間后再轉為CTCS-3 級的方法。

樞紐內如果采用CTCS-3 級列控系統，將會使系統設計變得非常復雜，還增加建設成本，對運輸能力提升不但沒有幫助，還會在后期接入改造工程時增加聯調聯試難度。唯一的好處是CTCS-3 級車載設備故障后，可以按CTCS-2 級作為后備使用。

如果樞紐內線路采用CTCS-2 級設計，將會簡化列控設備配置，降低技術復雜程度，也不影響正常行車能力。裝有CTCS-3 級列車進入樞紐后自動切換并啟用CTCS-2 級系統，即使此時發生故障，也可以切換到其他模式行車，例如機車信號模式（限速80 km/h）、目視行車模式（限速40 km/h）或隔離模式（限速40 km/h）。樞紐內區間線路一般較短，設計速度通常遠低于正線，所以這種極低概率的故障事件應該可以被接受。中國鐵路總公司（簡稱鐵總）在相關規章中已經要求樞紐始發站允許采用CTCS-2 級發車。

根據與歐洲公司技術交流獲得信息，歐洲列控系統ETCS 建設也采用上述方案，即在樞紐范圍內采用ETCS 1 級。歐洲這種將復雜問題簡單化處理的思路值得學習借鑒。

綜上，建議國內高速鐵路樞紐地區宜采用CTCS-2 級列控系統，而不宜采用CTCS-3 級列控系統。

另外，國內鐵路運輸面臨地方政府經常提出新需求的特點，包括裝有CTCS-3 級系統的高速列車途經普速鐵路到達某個城市的運營要求，為滿足該要求，不得不對所經普速鐵路CTCS-0 級系統進行CTCS-2 級升級改造。改造工程不但投資大，而且對運營干擾也大。這種需求與原高速列車運輸組織方案不一致，原方案不考慮高速列車在CTCS-0級線路運營。目前這種需求沒有終止的跡象，為應對變化了的需求，建議研究在高速動車組安裝CTCS-0 級系統或適應現有地面信號設備的車載信號系統的方案。如果該方案得到支持，則樞紐列控系統方案也將變得更加靈活。

4 優化列控系統最高速度值的編制辦法，提高運營服務質量

國內高速鐵路運營有一個現象，就是一旦列車晚點，基本沒有趕點的可能。該現象的出現與列控系統限速取值有關。目前，國內高速鐵路列車實際運行速度與列控系統給出的最高允許速度非常接近。

實際運行速度為按照運行圖（即時刻表）計劃安排的允許速度。列控系統的允許速度應該為保證列車運行安全設定的最高允許速度，通常按照線路設計速度和車輛允許速度的低值取值，例如350 km/h 的動車組運行在設計速度350 km/h 的線路上，列控給出的允許速度應該為350 km/h；250 km/h 的動車組運行在設計速度250 km/h 的線路上，列控給出的允許速度應該為250 km/h。但國內高鐵由于運營速度較設計速度要低很多，例如設計速度350 km/h 的線路通常運營速度定為不超過310 km/h。鐵路運營部門出于方便管理的需要，規定列控系統允許速度與最高運營速度一致，結果導致列車晚點不能通過提高列車運行速度來縮短晚點時分，造成服務質量下降。由于不能按照設計速度編制列控數據，在工程建設階段需要等待鐵總或主管部門的線路運營速度批復文件，一定程度上也影響列控數據編制的及時性。另外，每當線路運營速度調整（例如降速或提速）時，列控數據也得隨著調整，不但工作量巨大而且可能造成安全隱患。綜上分析說明運營部門要求列控系統允許速度與最高運營速度保持一致的合理性值得商榷。

建議鐵路管理部門進一步優化列控系統最高速度值的規定，提升運營服務整體質量，更好地滿足社會需求。建議按照線路設計速度編制列控數據，或拉大列控速度與運營速度空間，例如30 km/h，以便于列車晚點后可以通過提高列車運行速度壓縮晚點時分。這種方式在國外高速鐵路中也常被運用，例如法國地中海線高速鐵路，正常運行速度為270～280 km/h，列控速度為330 km/h。這種做法拉大了運營速度與列控速度的間隔范圍，改變了司機對列控系統依賴的習慣，因此需要加強司機操控培訓，避免出現過分早點現象的發生。

5 優化高速鐵路GSM-R網絡冗余配置方案

《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014）規定，高速鐵路300 km/h 及以上線路CTCS-3 級列控區段，GSM-R 系統應采取場強冗余覆蓋等系統可靠性措施。采取場強冗余覆蓋措施的線路通常3 km 左右設置一座GSM-R 基站，否則6 km 左右設置一座GSM-R 基站。采用冗余覆蓋意味著基站數量需要成倍增加。基站內除通信設備外，還要配套房屋、暖通、供電、通站道路等，目前一座基站包括設備、房屋、暖通、供電等在內的工程費用大約200 萬人民幣，征地及通站道路費用另計。有沒有必要采用冗余覆蓋措施，值得思考。

GSM-R 系統采取場強冗余覆蓋措施的初衷是由信號列控系統提出來的，借鑒歐洲ETCS 2 級列控系統的需求。但是歐洲ETCS 建設標準與國內CTCS 存在差別，ETCS 建設可以選擇ETCS 1或ETCS 2 或ETCS 1+ETCS 2 幾種方案，當選擇ETCS 2 時，由于沒有ETCS 1 級作為后備，為提高ETCS 2 級系統的可用性，要求GSM-R 系統采取場強冗余覆蓋措施。當選擇ETCS 1+ETCS 2時，由于有ETCS 1 級作為后備，為節省投資可不要求GSM-R 系統采取場強冗余覆蓋措施。國內CTCS-3 級系統地面及車載設備均按照兼容CTCS-2 級設計，即當CTCS-3 級系統故障后自動轉為CTCS-2 級系統。國內高鐵目前最高運營速度為310 km/h，原鐵道部《鐵路客運專線技術管理辦法（300～350 km/h 部分）》第80 條規定“動車組在CTCS-3 級區段按列控系統后備模式（CTCS-2級）行車時，最高運行速度300 km/h”，CTCS-3和CTCS-2 級速度相差較小，這就意味著，即使GSM-R 系統故障，對動車組運行速度的影響也較小。例如基站間距由3 km 改為6 km，單個基站設備故障將導致運行時分增加不到3 s，幾乎可以忽略不計。按照系統設計規范，目前各基站的設備均按照冗余配置，其可靠性已經非常高。現在的問題是一旦因為GSM-R 設備故障導致列控系統切換是否需要追究通信維護單位的責任，如果追究，則從通信設備維護部門角度出發，應該考慮冗余覆蓋。

基于以上分析，在GSM-R 設備故障條件下，CTCS-3 切換到CTCS-2 后對運營的影響較小，GSM-R 系統場強采取非冗余覆蓋措施可滿足CTCS-3 區段運營需要。建議優化高速鐵路GSM-R系統工程設計標準，節省工程建設投資。同時建議鐵路運營管理部門改進考核辦法，減輕或免除類似對行車影響不大的設備故障的考核要求，或者能配套實施上述“優化列控系統最高速度值的編制辦法”的建議，可緩解設備維護單位的考核壓力，有利于該優化方案的推行。

6 研究簡配版CTCS-3系統，適應海外市場需要

國內高速鐵路有跨線運輸作業需求，所以在配置列控系統地面及車載設備時往往需要考慮動車組跨線運輸互聯互通，例如350 km/h 速度的線路地面同時配置了滿足CTCS-3 和CTCS-2 兩個等級的列控系統設備，一方面滿足僅裝配CTCS-2 級車載ATP 設備的動車組在本線運行，另一方面為裝配CTCS-3 級車載ATP 設備的高速動車組降級至CTCS-2 級運行提供條件。同理，裝配CTCS-3 級車載ATP 設備的高速動車組可以在配置了CTCS-2級設備的線路運行。可以看出，國內CTCS-3 級線路實際上為CTCS-3+CTCS-2 的冗余配置，系統可用性非常高。但是這種配置方案也存在成本高和必須采用ZPW-2000 系列軌道電路或機車信號作為CTCS-2 的控制信息來源兩個問題。上述問題不利于海外工程項目，因為有些國家比較抵觸使用軌道電路。所以需要研究適應海外工程需要的簡配版CTCS-3 系統。

簡配版的CTCS-3 系統結構初步構想：在現有標配版基礎上，取消各車站、中繼站列控中心設備；取消各車站、中繼站處有源應答器及配套的電子編碼單元（LEU）設備，只設置定位應答器；列車占用檢查可在軌道電路、計軸器等多種設備中經技術經濟比選后選擇；區段占用/出清、異物侵限及地震監測等信息改由計算機聯鎖設備直接采集后提供給無線閉塞中心（RBC）設備；車載設備取消機車信號有關接收、處理及顯示裝置，取消有關CTCS-2 信息輸入及處理邏輯；臨時限速服務器、集中監測設備和聯鎖設備取消與TCC 設備的接口；進一步地，可將RBC 與臨時限速服務器合設。

7 優化綜合接地系統貫通地線設計方案

按照《高速鐵路設計規范》要求，高速鐵路沿線應設置綜合接地系統。綜合接地系統核心是沿鐵路兩側敷設的貫通地線。根據線路設計速度或牽引供電負荷，貫通地線分別采用截面35 mm2或70 mm2兩種規格的銅導線。銅是一種貴金屬，成本較高，目前采用35 mm2的銅質貫通地線綜合接地系統投資指標大約為每雙線公里10 萬元，采用70 mm2的投資大約每雙線公里18 萬元。建設和運營過程中，敷設于橋梁及隧道區段電纜槽內的銅質貫通地線被盜現象嚴重，既影響綜合接地系統的接地性能，也影響到鐵路運輸系統設備及人身安全。所以工程上不得不采取多種復雜的防盜措施，既增加施工難度，也提高工程費用，甚至對后期維護也有影響。如能采取貫通鋼筋取代銅質貫通地線，既可大幅降低工程造價，也可有效防盜，還可延長貫通地線壽命，一舉多得。

針對上述需求，中鐵第四勘察設計院集團有限公司與武漢大學合作開展有關優化研究，并進行了實驗室試驗，取得了相關研究成果。研究結果表明，客運專線橋梁及隧道區段采用貫通鋼筋取代貫通銅質地線的措施可行，采用一定直徑的貫通鋼筋通流量和接地電阻值等指標均能滿足客運專線工程設計要求。建議相關部門安排試驗場所進行測試驗證，通過有關技術評審后加以推廣應用。

8 研究結論與建議

1）積極研究推廣全電子聯鎖，提高聯鎖設備配置靈活性，更好適應海外工程。

2）建議優化車站信號機位置設置，提高車站接車效率。

3）建議復雜高鐵樞紐宜采用CTCS-2 級列控系統，簡化工程實施。

4）建議CTCS-3 級列控區段GSM-R 網絡可不采用冗余配置，節省工程投資。

5）建議列控速度按照線路設計速度編制，有利于提高鐵路服務質量。

6）建議簡化CTCS-3 級列控系統配置，適應海外工程市場的需要。

7）建議綜合接地系統貫通地線采用鋼筋取代銅質導線，節省工程投資，方便維護管理。