高速鐵路CTCS-3級列控系統等級轉換工程應用研究

丁 一

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

中國高速鐵路采用的列車運行控制系統簡稱CTCS，根據《鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)》要求：250 km/h鐵路宜采用CTCS-3級列控系統，250 km/h以下鐵路采用CTCS-2級列控系統，300 km/h及以上鐵路采用CTCS-3級列控系統[1-3]。CTCS-3級列控系統能夠兼容CTCS-2列控系統，C3車載設備將C2級控車作為車載系統的后備。

隨著高鐵的建設發展，高鐵運營線路不斷增加，不同的線路可能采用不同的CTCS等級，新建高鐵線路接入高鐵線路網時情況復雜多變。為保證C3列車在不同等級線路上實現不停車等級自動轉換，以及C3車載設備因故降級為C2模式時重新恢復C3模式控車，設計CTCS-2級與CTCS-3級等級轉換是十分必要的[4-7]。

1 CTCS-3級列控系統等級轉換的基本原理及主要流程

1.1 CTCS-3級系統等級轉換原理

CTCS-3級系統等級轉換由地面設備和車載設備相互配合，最終在車載設備上完成級間轉換。地面設備包括RBC子系統和應答器。車載設備包含C3主控單元及C2主控單元，級間轉換由C3主控單元控制。CTCS-3級列控系統等級轉換原理如圖1所示[8]。

圖1 CTCS等級轉換原理

列車經過配置了等級轉換數據的地面應答器后，車載ATP呼叫RBC并進行位置報告。RBC根據列車位置啟動等級轉換流程，向車載發送等級轉換命令。車載設備運行到轉換點后執行相關指令，實現列控等級轉換[9]。

1.2 CTCS-2向CTCS-3轉換過程

(1)當列車越過RBC連接應答器組RL，車載設備接收到通信管理信息包ETCS-42，開始與RBC進行連接，與RBC建立傳輸通道。

(2)當列車越過等級轉換預告應答器組YG2-3，車載設備根據應答器數據，校正列車位置并報告RBC，RBC根據位置報告向車載設備發送前方等級轉換點的位置及轉換命令。

(3)C3車載設備根據接收到RBC的信息，在后臺計算并生成CTCS-3等級下的控車曲線。

(4)當列車接近等級轉換執行應答器組ZX2-3時，車載計算機通過DMI提示司機，對等級轉換信息進行確認。

(5)列車越過等級轉換執行應答器，C3主控單元轉換至前臺接管列車控制，列車轉換為CTCS-3模式。

1.3 CTCS-3向CTCS-2轉換過程

(1)當列車越過等級轉換預告應答器YG3-2，或列車行車許可終點越過等級轉換執行應答器，RBC將向車載設備發送前方等級轉換點的位置及轉換命令。

(2)收到等級轉換命令信息后，車載C2控制單元在后臺激活，計算CTCS-2等級下的控車曲線，并將計算結果通過系統總線傳輸至C3控制單元，C3單元結合CTCS-2系統的允許速度等因素，重新計算控車曲線，以保證等級轉換時的車速符合CTCS-2線路要求。

(3)在接近轉換點時，車載系統通過DMI提示司機對等級轉換信息進行確認。

(4)列車前端越過等級轉換執行應答器組ZX3-2，C2控制單元轉換至前臺接管列車控制，C3控制單元將釋放控制權，轉換至后臺對車載系統運行狀況進行監控。

(5)等級轉換完成后，C3控制單元向RBC報送列車位置后，將關閉與RBC的通信通道，終止無線連接。

1.4 CTCS-3級系統等級轉換信息包的配置

(1)由CTCS-2向CTCS-3等級轉換，執行應答器不配置等級轉換信息包(ETCS-41)，而將ETCS-41信息包配置在RBC中，當不具備轉換條件時，車載將維持CTCS-2等級不變。如果將ETCS-41信息包配置在地面應答器中，列車經過轉換點時強行轉為C3模式，此時如C3車載不具備轉換條件將導致列車產生緊急制動。

(2)從CTCS-3級向CTCS-2級等級轉換，在地面應答器組內配置等級轉換信息包(ETCS-41)，當列車經過執行應答器時車載無條件轉換至CTCS-2等級。

(3)從CTCS-3級向CTCS-2級等級轉換，設置等級轉換預告應答器時，RBC可不配置等級轉換信息包。等級轉換的預告和執行由地面應答器組配置ETCS-41信息包來實現。

2 從CTCS-2級向CTCS-3級轉換在工程設計中的應用分析

2.1 工程設計中CTCS-2級向CTCS-3級轉換設置

如圖2所示，CTCS-3級線路分別與相鄰3條CTCS-2線路和1條CTCS-3級線路接軌。以下行方向為例。

圖2 由CTCS-2級向CTCS-3級的轉換點布置示意

在CTCS-3線路的車站正反向離去口的區間閉塞分區，設置CTCS-2轉CTCS-3等級轉換點。

CTCS-2線路進入CTCS-3線路時，綜合考慮聯絡線的線路允許速度.聯絡線閉塞分區個數等條件，設置CTCS-2級向CTCS-3級轉換點。

CTCS-2級車站與CTCS-3級車站的區間線路設計速度為300 km/h及以上時，應設計CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換點，滿足線路的運營速度要求。

當聯絡線不具備轉換條件時，結合運輸需求也可考慮取消等級轉換點，簡化設計方案。以車站2銜接的CTCS-2線路為例，列車在C2線路以C2模式運行至車站2(已經進入CTCS-3線路)，繼續按C2模式發車，列車進入區間后，經過等級轉換點，列車轉為C3模式。

根據TB3484-2017《列控系統應答器應用原則》的要求，CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換，RBC連接應答器RL發送呼叫RBC的ETCS-42信息包，RL應答器與執行應答器ZX的距離應滿足L>Vmax×40 s，預告應答器YG.執行應答器ZX的距離應滿足L>Vmax×20 s，其中，Vmax為線路最高允許速度[10]。

當條件限制，無法單獨設置應答器時，可將等級轉換相關信息寫入定位.進站或區間應答器組，對應答器進行合并。

圖2中，所有車站按能夠滿足條件在車站離去區段設置了等級轉換點。然而，一般情況下并非所有車站的離去區段都具備設置等級轉換點的條件，CTCS-2轉CTCS-3等級轉換包括以下限制條件。

2.2 從CTCS-2向CTCS-3級轉換設置的限制條件

(1)限制條件1

根據TB3484-2017《列控系統應答器應用原則》的要求，CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換需設置RL.YG2-3.ZX2-3應答器，應答器組間距離除滿足按線路允許速度運行20s的距離要求外，應答器組應在不同的閉塞分區內。因此，車站相鄰區間一般至少大于3個閉塞分區，才能滿足設置應答器的要求。

(2)限制條件2

如果從CTCS-2級向CTCS-3級等級轉換點的區間同時還包含RBC轉換應答器，等級轉換應答器組和RBC轉換點應答器組間距應大于等級轉換執行應答器組所在區段線路最高碼序至HU碼的距離。

如圖3所示，RBC交權轉換時，如CTCS-2至CTCS-3轉換點不能滿足要求時，可能出現CTCS-2級控車速度大于CTCS-3級的情況，出現等級轉換失敗，引起列車緊急制動[11]。

圖3 從CTCS-2向CTCS-3級的轉換點與RBC交權邊界在同一區間示意

因此，在RBC交權的區間，線路最高碼序為L5碼，滿足CTCS-2→CTCS-3轉換要求，區間閉塞一般不少與12個閉塞分區。

(3)限制條件3

在區間有分相區的情況下，C2模式下控車，分相區信息由應答器發送，C3模式下控車分相區信息由RBC發送，為防止錯誤過分相及列車電源斷路器不能閉合，在分相區車載輸出斷分相開關及閉合的范圍內禁止設置等級轉換點，這種情況下可將轉換點向后移動一個閉塞分區。

3 從CTCS-3級向CTCS-2級轉換在工程設計中的應用分析

3.1 工程設計中從CTCS-3向CTCS-2級轉換的設置

圖4所示為CTCS-3至CTCS-2的轉換點布置示意圖。全線在CTCS-3向CTCS-2運行方向設置了3處等級轉換點，CTCS-3級線路上C3模式的列車，進入CTCS-2區段，可不停車自動轉換為C2模式控車。

圖4 CTCS-3至CTCS-2的轉換點布置示意

從CTCS-3級向CTCS-2級等級轉換包括預告應答器組YG和等級轉換執行應答器組ZX。預告應答器與執行應答器，間距應滿足L=Lc+Vmax×5 s，其中，Lc為列車按照常用制動，由C3允許速度制動到C2允許速度走行的距離，Vmax×5 s為列車按照線路的最高允許速度運行5 s的距離。

3.2 大號碼道岔對CTCS-2/3等級轉換的影響

(1)經過道岔側向CTCS-3級與CTCS-2級控車曲線差異如圖5所示。C3模式控車時，前方有側向通過進路時，RBC根據前方的線路條件及臨時限速計算MA，一次計算出控車曲線。按道岔過岔速度通過道岔。

圖5 經過道岔側向CTCS-3與CTCS-2控車曲線示意

當C2模式前方有側向通過進路時，根據L5碼，生成在進站信號機前方停車的控車曲線，進入U2及U2S閃時，重新計算出控車曲線。當離去區段有臨時限速時，C2系統的列控中心在一定條件下發送全進路限速報文(在C2控車模式下)，C3模式控車的速度可能大于C2模式控車的速度。在經過道岔側線的線路上設置等級轉換，要考慮C3控車模式與C2控車模式的速度差[12-13]。

(2)經過道岔側向后CTCS-3→CTCS-2轉換點對CTCS-3車載控車的影響

如圖6所示，由于CTCS-3級與CTCS-2級控車曲線的差異，當在側向岔后設置等級轉換點時，如果將等級轉換信息配置在RBC中，車載接近轉換點時，較早啟動CTCS-2級控制單元，CTCS-3級控車曲線進行與CTCS-2級控車曲線進行比較計算，將CTCS-3級控車速度降低到CTCS-2級控車速度以下。生成新的控車曲線降低了過岔速度及行車效率。

圖6 CTCS-3級向CTCS-2級轉換點對CTCS-3控車影響

為避免以上情況發生，將等級轉換信息配置在地面應答器中，從而保證列車按CTCS-3控車通過道岔，通過道岔后，根據地面應答器的配置進行CTCS-3→CTCS-2轉換。

當CTCS-3線路經過大號碼道岔后接CTCS-2線路(圖4中線路所的情況)，CTCS-3至CTCS-2轉換點應答器布置應盡量遠離大號碼道岔，避免CTCS-2及CTCS-3控車速度在轉換點不同，引起列車制動。當大號碼岔后區間過短時，應根據工程情況進一步綜合分析，保證等級轉換點不會導致列車制動[14-15]。

3.3 CTCS-3/2級間在車站的并列車場間轉換

CTCS-3/2級間轉換需通過地面設置級間轉換預告應答器組和執行應答器組的方式實現，在RBC數據中宜不配置等級轉換信息[16]。預告應答器與執行應答器的設置原則按如下兩種情況考慮。

當CTCS-3級和CTCS-2級列車運行速度不一致時，預告應答器距執行應答器距離應大于列車由CTCS-3允許速度制動至執行點CTCS-2允許速度的制動距離，再加上該區段線路允許速度運行5S的距離。

如圖7所示，當有跨場間列車進路時，可在進站和出站應答器設置預告轉換信息。

圖7 車站并列車場間CTCS-3至CTCS-2的轉換點布置示意

當進路最小道岔為12號道岔時，CTCS-3級和CTCS-2級在預告點列車運行速度一致(為45 km/h)。預告應答器至執行應答器的距離大于列車45 km/h運行5 s的距離。

當進路最小道岔大于12號道岔時，在最不利有45 km/h臨時限速時，CTCS-3級和CTCS-2級在預告點列車運行速度不一致。CTCS-3級在預告點列車運行速度為過岔速度，CTCS-2級在預告點列車運行速度為45 km/h。因此，預告應答器距執行應答器的距離大于列車以CTCS-3級允許速度(過岔速度)降至CTCS-2級允許速度(45 km/h)的距離，再加列車以45 km/h運行5 s的距離[17-19]。

制動距離和車速.車型以及裝備的列控系統均有關系，根據列控設備廠家理論計算及實驗室仿真測試結果，裝備CTCS-3-300T的CRH380BK車型為最不利(制動距離最長)車型。CRH380BK車型由允許速度制動停車，走行距離如表1所示。

表1 CRH380BK制動距離

如樞紐內聯絡線長度不滿足制動距離要求，則需將等級轉換點設置在出站口區間，或采用手動轉換方案進行設計[20]。

4 結語

列控系統等級轉換點設置是工程設計及系統集成的重點和難點，通過結合列控地面系統及車載系統的轉換原理和過程，對CTCS-3等級轉換點的設置原則進行全面的分析總結，涵蓋了正線區間.大號碼道岔.并列車場車站等工程應用場景。明確了列控等級轉換點設置的限制條件，量化了等級轉換預告應答器和執行應答器的設置間距，總結了在工程設計及系統集成應注意的問題，為高速鐵路列控系統工程設計及系統集成中對標準的把握提供借鑒及參考。