重載鐵路移動閉塞系統架構研究

楊霓霏，王 浩，劉曉斌，徐 強，趙 琳

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

重載鐵路運輸因具有運能大、效率高、運輸成本低等優勢而受到世界各國的廣泛重視，是大宗貨物經濟有效的運輸方式。大秦鐵路是我國西煤東運的主要通道之一，也是我國第一條雙線電氣化重載運煤專線，作為我國重載鐵路發展的標桿，大秦鐵路從建成通車到現在已有30年[1-2]。隨著經濟社會的快速發展，對于重載鐵路貨運系統的運輸能力提出了更高的要求。大秦鐵路線上運行的機車車輛類型、編組長度等組合較多，現有的固定閉塞制式不能充分發揮各種類型列車的性能。基于重載列車車長、制動力等方面安全因素的考慮，大秦鐵路重載列車目前普遍是地面信號顯示綠黃燈時降速，地面信號黃燈時控制列車停車，不能使線路允許通過能力最大化，在一定程度上限制了運輸效率的進一步提升。基于此，本文以大秦鐵路為依托，對重載鐵路移動閉塞系統進行研究[3]，在既有重載線路考慮引入移動閉塞系統，從而提升大秦鐵路乃至我國重載鐵路貨物運輸能力。

1 移動閉塞原理

1.1 固定閉塞制式

在采用固定閉塞制式的系統中，信號顯示是速差式信號。列車追蹤目標點為前行列車所在閉塞分區的始端，后行列車從最高速度開始制動的計算點為要求開始減速的閉塞分區的始端，這兩個點不因列車特性等因素而變化。在這種分級速度控制模式下，以一個閉塞分區為單位，根據列車運行的速度分級，對列車運行進行速度控制。分級速度控制系統的列車追蹤間隔主要與閉塞分區的劃分、列車性能和速度有關，而閉塞分區的長度是以最壞性能的列車為依據并結合線路參數來確定的，因此對于不同速度列車混合運行的線路，固定閉塞制式嚴重影響其運輸能力。

1.2 移動閉塞制式

移動閉塞制式下，列車可以直接追蹤到前行列車的安全后端，不再需要固定的閉塞分區劃分。沒有了固定閉塞分區劃分的限制，從而可實現更靈活和更高密度的追蹤。

移動閉塞系統采用連續速度曲線控制模式進行閉塞設計，通過車地通信系統獲取實時列車位置信息，實現列車安全定位，地面無線閉塞中心根據前方線路狀況及軌道占用情況，實時生成行車許可并發送給相應列車[4-5]。而列車車載設備則依據列車安全控制模型，根據列車動態特性參數、線路參數及速度和位置等實時動態信息，計算列車當前最大允許速度，實時監控列車運行，從而保證列車安全、高效運行。移動閉塞系統在顯著縮短行車間隔和提升線路運輸能力的基礎上，由于不再依靠地面軌道電路設備識別軌道占用，而是以前行列車的尾端作為移動授權的終點，可以極大地減少軌旁設備，從而也能減少后期的維護成本，降低工程造價，是目前軌道交通可持續發展的信號控制模式。

列車自主定位和列車自主完整性檢查是實現移動閉塞的關鍵技術，也使得取消如軌道電路等軌道占用檢查系統、簡化軌旁設備成為可能，但保留軌道占用檢查系統并不制約移動閉塞制式的實現，甚至更有其積極意義[6-7]。當移動閉塞系統的列車定位或列車完整性檢查功能故障時，在未安裝軌道電路或計軸設備的線路上恢復列車運行將變得非常困難。因此，軌道占用檢查系統對于充當移動閉塞系統的后備系統和支持多制式列車混運有著重要的意義。針對既有重載鐵路信號系統的情況和特點，在保留既有主要軌旁設備基礎上建設移動閉塞系統是一個值得研究的方向[8]。

2 重載鐵路移動閉塞系統架構

2.1 重載鐵路既有信號系統

以具有代表性的大秦鐵路為例，重載鐵路線軌旁安裝有軌道電路和信號機，軌道電路以絕緣節分割，將軌道劃分成區段，完成軌道占用檢查和發碼功能，為車載提供機車信號授權，信號機為行車提供目視信號授權。區間自動閉塞系統根據區間運行方向、閉塞分區占用/空閑狀態、按照固定閉塞制式控制區間通過信號機顯示和軌道電路的發碼。如圖1所示，機車裝備CTCS-0級系統、測速測距設備、軌道電路信息讀取設備（TCR，Track Circuit Reader）、CTCS-0級的列車接口和司機接口。

2.2 基于CTCS-0級系統的移動閉塞功能改造

為實現移動閉塞功能，需引入以下技術和設備：軌旁新增定位應答器，車載新增應答器傳輸模塊（BTM，Baliser Transmission Module），實現列車自主定位功能；列尾新增列車完整性檢查列尾單元，車載新增列車完整性檢查單元，實現列車完整性檢查功能；車載安裝列控用通信電臺，實現基于無線通信的車地雙向通信；車載新增列車超速防護（ATP，Automatic Train Protection）主控單元及其他設備和功能單元；軌旁新增無線閉塞中心（RBC，Radio Block Center）系統。改造后的重載鐵路車載和軌旁信號系統如圖2所示。

RBC系統是移動閉塞地面系統的核心設備，RBC與既有的聯鎖系統通過列控專用網絡連接，從聯鎖系統獲取車站進路狀態信息及所有站內和區間軌旁設備狀態信息；RBC接入無線通信系統核心網，實現與車載的雙向通信，從車載獲取列車數據信息和實時的列車位置信息，并向車載發出以移動授權（MA，Movement Autority）信息為主的控制信息。

圖2 改造后的重載鐵路車載和軌旁信號系統

2.3 系統架構設計

CTCS是我國鐵路信號系統的基本體系，隨著鐵路信號系統的發展，CTCS體系也在穩步地發展和完善，移動閉塞屬于CTCS-4級功能要求，本文以CTCS體系為依托進行系統架構的設計。系統架構如圖3所示，設計要點如下：

（1）線路上布置應答器，實現列車自主定位并向列車提供RBC呼叫信息；

（2）車載新增ATP子系統，ATP與所屬位置的RBC建立通信，向RBC報告列車位置等信息，接受RBC分配的MA并嚴格按MA控制列車運行；

（3）列車上配置具備列車完整性檢查功能的設備，實現安全的列車完整性檢查功能；

（4）采用IP化的車地通信接口，更好地適應通信領域的技術發展；

（5）地面新增RBC子系統，RBC與其管轄范圍內的車載建立雙向通信，管理與其通信的列車狀態，接收列車位置報告并給車載分配MA及線路數據，控制列車以移動閉塞制式在區間運行；

（6）既有聯鎖改造，增加與RBC接口，將車站進路狀態及區間軌道電路狀態（代傳）發送給RBC；

（7）既有CTC改造，增加與RBC接口，獲取通信列車狀態并可向RBC下達部分控車命令，包括臨時限速命令；

（8）保持既有重載鐵路固定閉塞信號系統功能并作為移動閉塞系統的后備系統，預留由ATP子系統實現列車運行監控裝置（LKJ）的功能。

如圖3所示，圖中的棕色框是新增設備和系統，棕色線表示新增接口，而新增接口均是CTCS體系標準接口。藍色框表示既有需改造設備，藍色線為既有需改造接口。

圖3 重載鐵路移動閉塞系統架構

3 基于列車位置追蹤的移動閉塞安全功能

作為列控系統的較高等級，移動閉塞系統基于各子系統的多項安全功能來實現，其中，有些是移動閉塞系統新增的關鍵技術，比如對于車載子系統的列車定位、列車完整性檢查，對于地面核心設備RBC而言，就是列車位置的追蹤功能。列車位置追蹤功能是基于車載提供的列車安全位置、列車完整性狀態、軌旁閉塞分區占用和空閑狀態，實現對RBC管轄范圍內所有列車位置進行實時標記和處理，為移動閉塞制式的MA分配提供安全依據。

3.1 基于軌旁區段狀態標記追蹤區域

系統初始狀態下，“占用”的區段如圖4（a）所示，區段A被標記為“未知區域”，表示可能有隱藏車輛（位置未知的車輛）在該區域內的任何位置。“空閑”的區段B則可確認該區段范圍內無車。

3.2 給新報告位置的報告車標記追蹤區域

如圖4（b）所示，車1報告位置在區段A，不具備完整性，只能確定車頭位置，無法確定車尾位置（只能估計一個后端）；如圖4（c）所示，車1報告確認了列車完整性，可以確定其后端的位置（稱為確認后端）。以上兩種情況都仍然要在位置報告車的前端到區段A的邊界及后端到區段A的另一邊邊界標記“未知區域”，表示仍然可能有隱藏車輛在這兩個區域內。

3.3 確認報告車前端和后端無隱藏車

必須經過一個安全的處理過程確認才能“清除”報告車前端和后端的隱藏車，如圖4（d）所示，車1經歷了一個前方軌道空閑（TAF，Track Ahead Free）確認過程之后，前端被標記為“無車區域”；如圖4（e）所示，車1經歷了一個后端篩選過程之后，后端被標記為“無車區域”。只有確認前端無隱藏車之后才可以為該車分配MA，只有確認了后端無隱藏車之后才可以為該車后方的車分配移動閉塞的MA。

如果錯誤地標記了無車區域，比如錯誤地標記了前端無隱藏車，則為車1分配MA后，車1依據MA提速運行，會與實際存在于車頭前方的車發生碰撞；比如錯誤地標記了后端無隱藏車，則為車1后方的車分配以車1確認后端為終點的MA，可能會造成后車與車1后方實際存在的車發生碰撞。

3.4 為全部軌道實時標記列車追蹤區域

圖4 列車追蹤區域標記

列車位置追蹤功能就是實時地為全部軌道標記以下3種區域：“未知區域”“報告車區域”“無車區域”，如圖5（a）所示。其中，“未知區域”是安全側，“無車區域”是危險側，只有當確認無風險才可標記為“無車區域”。

3.5 列車位置丟失后標記相關區域為“未知區域”

如圖5（b）所示，車1位置丟失，區段B范圍被標記為“未知區域”，車2的MA縮回到區段B的入口處。車1離開區段B，區段B空閑后，車2的MA可繼續延伸。

3.6 在“無車范圍”內的區段從空閑變為占用

如圖5（c）所示，區段B在車1的MA范圍內，從空閑變為占用，這時不能立即將其按“未知區域”處理，因為區段B所在區域為“無車”，區段B占用可能為車1進入或區段B故障占用（實際無車進入），這種情況下先確認是否為車1進入，比如通過一定時間的等待，若在等待時間內收到車1的位置報告進入區段B，則確認為車1進入區段，否則確認為隱藏車。

上述列舉了部分基于區間軌道電路區段實現列車追蹤的典型場景，移動閉塞功能基于列車位置追蹤實現，保證安全性兼顧可用性是系統的設計原則，處理好這對矛盾是系統設計的關鍵。

圖5 基于區間軌道電路的列車追蹤區域標記

4 結束語

文章依托大秦鐵路，研究重載鐵路移動閉塞系統架構。詳細介紹了移動閉塞系統架構設計要點、關鍵技術，以及基于列車位置追蹤的移動閉塞安全功能。針對既有重載鐵路信號系統的情況和特點，下一步將研究如何在保留既有主要軌旁設備基礎上建設移動閉塞系統。在重載鐵路既有線引入移動閉塞系統，可以提升大秦鐵路乃至我國重載鐵路貨物運輸能力。