重載鐵路移動(dòng)閉塞計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)研究

張利峰，王春華

(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

與公路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸相比，鐵路運(yùn)輸有著運(yùn)量大，成本低，能耗低的特點(diǎn)。高速、重載是鐵路發(fā)展的兩個(gè)方向，其中重載鐵路運(yùn)輸因具有運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢(shì)而受到世界各國(guó)的廣泛重視，是世界上大宗貨物最經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)輸方式，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)、國(guó)際上對(duì)于重載貨運(yùn)鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸能力提出了更高要求。

朔黃鐵路全長(zhǎng)600多km，上游連接神朔鐵路、準(zhǔn)池鐵路，下游連接黃驊港，是國(guó)內(nèi)西煤東運(yùn)的重要通道。目前朔黃鐵路信號(hào)系統(tǒng)采用三顯示自動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)，車地通過(guò)軌道電路來(lái)實(shí)現(xiàn)車地單方向通信，司機(jī)在機(jī)車信號(hào)、 LKJ 設(shè)備的輔助下人工駕駛列車運(yùn)行。現(xiàn)有三顯示自動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)只能滿足10 min左右的追蹤間隔，無(wú)法滿足年運(yùn)量快速增長(zhǎng)的要求，急需縮短追蹤間隔以進(jìn)一步提升運(yùn)輸能力。基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞是解決目前重載列車安全運(yùn)輸問(wèn)題和提高效率的有效手段，相比于三顯示固定閉塞的行車方式，移動(dòng)閉塞可有效保證列車運(yùn)行安全，能顯著縮短行車間隔和發(fā)車間隔，在保證重載運(yùn)行安全性與可靠性的基礎(chǔ)上，大幅提升線路運(yùn)能。

2 朔黃重載鐵路移動(dòng)閉塞技術(shù)方案

朔黃重載鐵路采用基于通信的移動(dòng)閉塞技術(shù)方案。重載列車車載設(shè)備通過(guò)速度傳感器和雷達(dá)主動(dòng)計(jì)算位置，通過(guò)應(yīng)答器信息對(duì)列車位置進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算得到列車的位置信息并通過(guò)TD-LTE 無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送到地面RBC設(shè)備，同時(shí)接收RBC下達(dá)的行車許可數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算制動(dòng)曲線，將控車命令通過(guò)列車接口單元傳遞給機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)施常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)。地面RBC設(shè)備根據(jù)接收到的列車位置信息和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)送的進(jìn)路信息，為列車計(jì)算行車許可，并通過(guò)地面LTE無(wú)線通信單元將行車許可發(fā)送到車載設(shè)備。CTC子系統(tǒng)根據(jù)時(shí)刻表，向聯(lián)鎖子系統(tǒng)下達(dá)進(jìn)路辦理命令。

根據(jù)朔黃鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)總體技術(shù)方案，既有朔黃鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖需要進(jìn)行升級(jí)改造滿足移動(dòng)閉塞的功能需求。

3 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

朔黃鐵路肅寧北站、太師莊站、黃驊南站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備（CBI）采用DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，系統(tǒng)核心部件采用“二乘二取二”架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：聯(lián)鎖邏輯部子系統(tǒng)，該部分是承擔(dān)聯(lián)鎖運(yùn)算的核心部件；I/O子系統(tǒng)，該部分負(fù)責(zé)信號(hào)繼電器的采集和驅(qū)動(dòng)；MMI子系統(tǒng)，該部分負(fù)責(zé)人機(jī)會(huì)話；電務(wù)維修機(jī)子系統(tǒng)，該部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)、故障查找和記錄等功能。DS6-K5B型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)通過(guò)繼電器控制軌旁的信號(hào)機(jī)、道岔等信號(hào)設(shè)備動(dòng)作；聯(lián)鎖邏輯部子系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通信接口與無(wú)線閉塞中心（RBC）接口；MMI子系統(tǒng)通過(guò)串行通信接口與調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）接口；電務(wù)維修機(jī)子系統(tǒng)通過(guò)串行接口與集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CSM）接口。DS6-K5B計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 DS6-K5B computer based interlocking system structure

4 關(guān)鍵技術(shù)方案

4.1 移動(dòng)閉塞多列車進(jìn)路辦理與解鎖

為減小運(yùn)行間隔，提高車流密度，在移動(dòng)閉塞控制系統(tǒng)中，聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù)列車屬性來(lái)決定為列車辦理單列車進(jìn)路或多列車進(jìn)路。移動(dòng)閉塞控制系統(tǒng)中，線路中運(yùn)行的列車屬性分為具備移動(dòng)閉塞通信功能的列車（CT）和不具備移動(dòng)閉塞通信功能的列車（UT）。單列車進(jìn)路的辦理方式和使用方式與既有固定閉塞系統(tǒng)一致，在辦理多列車進(jìn)路后，一條進(jìn)路中允許有多列車運(yùn)行，列車運(yùn)行及追蹤安全由RBC設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。多列車進(jìn)路的正常解鎖需按照進(jìn)路內(nèi)的最后一列CT列車的軌道區(qū)段占用/出清順序來(lái)執(zhí)行解鎖。移動(dòng)閉塞多列車進(jìn)路解鎖場(chǎng)景如圖2所示。

場(chǎng)景一：前車發(fā)車進(jìn)路辦理后，信號(hào)開(kāi)發(fā)，前車準(zhǔn)備駛?cè)氩韰^(qū)。場(chǎng)景二：前車駛離沖突道岔后，道岔自動(dòng)解鎖，聯(lián)鎖具備為后車辦理多列車進(jìn)路條件。場(chǎng)景三：聯(lián)鎖為后車的移動(dòng)閉塞列車辦理多列車進(jìn)路，一個(gè)進(jìn)路內(nèi)允許多列車運(yùn)行。場(chǎng)景四：前車出清進(jìn)路內(nèi)的軌道區(qū)段時(shí)，區(qū)段維持鎖閉狀態(tài)。場(chǎng)景五：多列車進(jìn)路內(nèi)的最后一列車出清進(jìn)路內(nèi)的軌道區(qū)段時(shí)，區(qū)段按出清順序執(zhí)行解鎖。

圖2 移動(dòng)閉塞多列車進(jìn)路解鎖場(chǎng)景圖Fig.2 Unlocking diagram of multi-train route in moving block system

4.2 信號(hào)機(jī)控制

4.2.1 信號(hào)機(jī)亮滅燈控制

1）列車信號(hào)機(jī)亮滅燈控制流程

為減少地面信號(hào)對(duì)移動(dòng)閉塞中CT列車司機(jī)的影響，聯(lián)鎖需對(duì)區(qū)間和站內(nèi)的列車信號(hào)機(jī)（含列車兼調(diào)車信號(hào)機(jī)）進(jìn)行亮滅燈控制，控制原則如下：

RBC會(huì)沿著CT車的行車許可方向來(lái)尋找下一架列車信號(hào)機(jī)，若列車車頭距該架信號(hào)機(jī)的距離小于滅燈距離(Lm)且RBC計(jì)算的行車許可終點(diǎn)已到達(dá)或越過(guò)該信號(hào)機(jī)，則RBC向聯(lián)鎖發(fā)送該架信號(hào)機(jī)的“CT接近”信息；

聯(lián)鎖收到RBC發(fā)送的“CT接近”信息后，對(duì)相關(guān)列車信號(hào)機(jī)（含列車兼調(diào)車信號(hào)機(jī)）執(zhí)行滅燈操作；

當(dāng)CT車車頭通過(guò)信號(hào)機(jī)時(shí)，RBC將發(fā)送的“CT接近”信息變更為“無(wú)CT接近”，聯(lián)鎖在收到“無(wú)CT接近”信息后將該架信號(hào)機(jī)恢復(fù)為亮燈狀態(tài)。

2）列車信號(hào)機(jī)的亮滅燈控制過(guò)程場(chǎng)景

場(chǎng)景一：UT列車追蹤C(jī)T列車，具體情形如圖3所示。

UT列車按照三顯示固定閉塞方式運(yùn)行，UT車前的信號(hào)機(jī)始終保持常亮狀態(tài)。CT車在尚未到達(dá)進(jìn)路前方信號(hào)機(jī)的滅燈區(qū)段時(shí)，信號(hào)機(jī)保持亮燈狀態(tài)。

CT車在到達(dá)進(jìn)路前方信號(hào)機(jī)的滅燈區(qū)段時(shí)，信號(hào)機(jī)由亮燈狀態(tài)轉(zhuǎn)為滅燈狀態(tài)。

CT車車頭越過(guò)信號(hào)機(jī)后，RBC將發(fā)送給CBI的“CT接近”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o(wú)CT車接近”，CBI將該架信號(hào)機(jī)恢復(fù)為亮燈狀態(tài)。UT車前方信號(hào)機(jī)始終保持常亮狀態(tài)，UT車需根據(jù)信號(hào)行車。

CT車?yán)^續(xù)接近向前行駛，CBI依據(jù)RBC發(fā)送的信號(hào)機(jī)的“CT接近”信息和“無(wú)CT車接近”信息對(duì)信號(hào)機(jī)執(zhí)行亮滅燈控制。

場(chǎng)景二：UT列車追蹤UT列車，具體情形如圖4所示。

圖3 列車信號(hào)機(jī)亮滅燈控制過(guò)程場(chǎng)景一Fig.3 Scenario 1 of the control process of signal lighting on and off

信號(hào)機(jī)常亮，司機(jī)按照既有地面信號(hào)行車。

場(chǎng)景三：CT列車追蹤UT列車，具體情形如圖4所示。

重載移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，CT車需間隔一定的安全距離來(lái)追蹤UT車。CT車的行車許可由RBC發(fā)送，追蹤UT車的方式由RBC來(lái)實(shí)現(xiàn)。UT車按照既有固定閉塞方式運(yùn)行，UT車前方信號(hào)機(jī)始終保持常亮模式。CBI對(duì)CT車前方的列車信號(hào)機(jī)亮滅燈控制過(guò)程與本節(jié)中的“場(chǎng)景一”相同。

場(chǎng)景四：CT列車追蹤C(jī)T列車，具體情形如圖4所示。

CT車追蹤C(jī)T車時(shí)，兩車可以運(yùn)行至同一區(qū)段內(nèi)。CBI對(duì)CT車前方的列車信號(hào)機(jī)亮滅燈控制過(guò)程與本節(jié)中的“場(chǎng)景一”相同。

場(chǎng)景五：CT列車異常降級(jí)，具體情形如圖5所示。

CT車追蹤UT車時(shí)，當(dāng)后車CT車發(fā)生降級(jí)變?yōu)閁T車時(shí)，RBC給CBI發(fā)送的“CT接近”信息轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o(wú)CT接近”，信號(hào)機(jī)將恢復(fù)亮燈狀態(tài)。

CT追蹤C(jī)T車運(yùn)行時(shí)，兩車均在信號(hào)機(jī)的點(diǎn)滅燈區(qū)段內(nèi)，當(dāng)前車CT車發(fā)生降級(jí)變?yōu)閁T車后，由RBC向聯(lián)鎖發(fā)送該信號(hào)機(jī)無(wú)CT車接近，聯(lián)鎖控制信號(hào)機(jī)為亮燈狀態(tài)；當(dāng)后車CT車發(fā)生降級(jí)變?yōu)閁T車后，由RBC向聯(lián)鎖發(fā)送該信號(hào)機(jī)為CT車接近，聯(lián)鎖控制信號(hào)機(jī)保持滅燈狀態(tài)。

4.2.2 信號(hào)關(guān)閉

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，單列車進(jìn)路的信號(hào)正常關(guān)閉原則沿用既有原則，單列車進(jìn)路和多列車進(jìn)路的信號(hào)異常關(guān)閉原則沿用既有原則，多列車進(jìn)路的信號(hào)正常關(guān)閉流程需按如下步驟進(jìn)行：

多列車進(jìn)路的始端信號(hào)機(jī)開(kāi)放后，CT車接近該信號(hào)機(jī)，RBC向CBI發(fā)送“CT接近”信息，CBI將該信號(hào)機(jī)控制為開(kāi)放且滅燈狀態(tài)；

RBC判斷列車車頭已越過(guò)信號(hào)機(jī)后，向CBI同時(shí)發(fā)送“無(wú)車接近”和“信號(hào)機(jī)跨壓”信息，CBI在收到“無(wú)車接近”信息后將信號(hào)機(jī)恢復(fù)為亮燈狀態(tài)；

圖4 列車信號(hào)機(jī)亮滅燈控制過(guò)程場(chǎng)景二、三、四Fig.4 Scenario 2, 3 and 4 of the control process of signal lighting on and off

圖5 列車信號(hào)機(jī)亮滅燈控制過(guò)程場(chǎng)景五Fig.5 Scenario 5 of the control process of signal lighting on and off

CBI收到“信號(hào)機(jī)跨壓”信息后將信號(hào)機(jī)置于關(guān)閉狀態(tài)。多列車進(jìn)路的信號(hào)機(jī)關(guān)閉場(chǎng)景如圖6所示。

圖6 多列車進(jìn)路的信號(hào)機(jī)關(guān)閉場(chǎng)景Fig.6 Signal lighting off scenario of multi-train route

由于車載ATP設(shè)備存在定位誤差，RBC可能在列車車頭未越過(guò)信號(hào)機(jī)前就向CBI匯報(bào)多列車進(jìn)路內(nèi)方第一區(qū)段被CT車占用，同時(shí)，RBC設(shè)備需確保列車首輪對(duì)通過(guò)信號(hào)機(jī)后才會(huì)向CBI發(fā)送“無(wú)CT接近”和“信號(hào)機(jī)跨壓”。因此，當(dāng)CBI檢測(cè)到多列車進(jìn)路內(nèi)方第一區(qū)段被占用但沒(méi)有收到RBC發(fā)送的“信號(hào)機(jī)跨壓”時(shí)，聯(lián)鎖不關(guān)閉本架信號(hào)機(jī)，避免出現(xiàn)司機(jī)看到紅燈的情況。

4.3 區(qū)段融合處理

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，聯(lián)鎖可以通過(guò)繼電器獲取區(qū)段占用/空閑信息，還可以從RBC獲取邏輯區(qū)段占用/空閑信息，聯(lián)鎖設(shè)備將兩路信息融合后進(jìn)行邏輯運(yùn)算和站場(chǎng)狀態(tài)顯示。朔黃線全線鋪設(shè)軌道電路，而軌道電路存在“分路不良”特性，信號(hào)設(shè)備不能有效的檢測(cè)該故障。針對(duì)移動(dòng)閉塞模式的列車，聯(lián)鎖需要結(jié)合RBC發(fā)送的邏輯區(qū)段狀態(tài)信息（占用/空閑）聯(lián)鎖采集的軌道區(qū)段占用狀態(tài)（GJ吸起或者落下），采用“或占用”、“RBC占用優(yōu)先”的原則進(jìn)行融合處理，并將融合后的狀態(tài)應(yīng)用在聯(lián)鎖邏輯處理中。朔黃鐵路站內(nèi)的邏輯區(qū)段按照物理區(qū)段進(jìn)行劃分，對(duì)于站內(nèi)的邏輯區(qū)段，采用“或占用”邏輯進(jìn)行融合處理。區(qū)段的“或占用”融合處理邏輯如表1所示。

表1 區(qū)段“或占用”融合邏輯Tab.1 "Or occupation" fusion logic of track section

區(qū)間的一個(gè)物理區(qū)段可能被分為多個(gè)邏輯區(qū)段，對(duì)于區(qū)間的物理區(qū)段，聯(lián)鎖采用“RBC占用優(yōu)先”的原則進(jìn)行占用狀態(tài)處理。如圖7所示，1G 為區(qū)間的一個(gè)物理區(qū)段， 1A、1B、1C為1G包含的3個(gè)邏輯區(qū)段。當(dāng)1G處于空閑態(tài)，有CT車壓入邏輯區(qū)段1A 時(shí)，聯(lián)鎖會(huì)采集到1G占用，RBC 會(huì)匯報(bào)1A 是 CT占用，1B和1C處于空閑狀態(tài)。為避免聯(lián)鎖按照“或占用”融合出 1A 是CT占用、1B和1C是 UT 占用的情況，聯(lián)鎖需采用“RBC占用優(yōu)先”的原則，將 1A 置為CT占用，將1B和1C置為空閑態(tài)。

圖7 “RBC占用優(yōu)先”原則Fig.7 "RBC occupancy first" principle

4.4 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口

4.4.1 移動(dòng)閉塞接口交互數(shù)據(jù)

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備與CTC、RBC使用通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。交互流程如下：

CTC依據(jù)計(jì)劃和列車位置向聯(lián)鎖下發(fā)進(jìn)路辦理命令；

聯(lián)鎖將采集的區(qū)段占用/空閑狀態(tài)和RBC根據(jù)列車位置發(fā)送的邏輯區(qū)段狀態(tài)進(jìn)行融合處理；

聯(lián)鎖使用融合后的區(qū)段狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，判斷進(jìn)路是否可以辦理成功；

聯(lián)鎖設(shè)備周期將處理后的結(jié)果以碼位的形式發(fā)送給CTC；

調(diào)度人員依據(jù)站場(chǎng)狀態(tài)判斷是否需要人工干預(yù)(例如，執(zhí)行信號(hào)重開(kāi)等操作)。

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)接口交互數(shù)據(jù)流如圖8所示。

4.4.2 CBI與RBC接口

RBC與CBI同時(shí)接入信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)（新設(shè)），一個(gè)RBC可以管理多個(gè)CBI，CBI與RBC在安全通信協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行周期通信并交互數(shù)據(jù)；RBC向CBI發(fā)送通信列車接近信息、通信車跨壓信號(hào)機(jī)信息、邏輯區(qū)段狀態(tài)信息；CBI向RBC發(fā)送信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息、物理區(qū)段狀態(tài)信息、道岔狀態(tài)信息、進(jìn)路狀態(tài)信息。

圖8 移動(dòng)閉塞系統(tǒng)接口交互數(shù)據(jù)示意圖Fig.8 Schematic diagram of interface data interaction in moving block system

4.4.3 CBI與CTC接口

CBI從CTC接收進(jìn)路控制命令信息，并向CTC發(fā)送站場(chǎng)狀態(tài)信息。CBI與CTC維持既有的物理接口方式。CBI將邏輯區(qū)段狀態(tài)發(fā)送給CTC，用于細(xì)化顯示移動(dòng)閉塞列車位置。

4.4.4 CBI與CSM接口

CBI將站場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給CSM設(shè)備。CBI與CSM維持既有的物理接口方式。CBI將增加的邏輯區(qū)段、信號(hào)機(jī)亮滅燈等狀態(tài)信息發(fā)送給CSM設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所述重載鐵路移動(dòng)閉塞計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖升級(jí)方案是基于既有線信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)閉塞功能，對(duì)既有運(yùn)營(yíng)影響最小。同時(shí)兼容既有固定閉塞的功能，在全線移動(dòng)閉塞改造完成后，在保證系統(tǒng)安全的前提下，將顯著提高貨運(yùn)列車追蹤密度和朔黃鐵路的運(yùn)輸能力。目前中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司正在組織相關(guān)單位對(duì)高速鐵路移動(dòng)閉塞方案進(jìn)行研究和試驗(yàn)，朔黃重載鐵路移動(dòng)閉塞技術(shù)方案對(duì)高速鐵路移動(dòng)閉塞方案的研究具有一定借鑒意義。