滬渝蓉高鐵大號碼道岔應答器組優化研究及應用

張海東

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

我國高速鐵路車站的部分道岔采用1/18號以上大號碼道岔，目的是提高列車側向經過道岔時的速度[1]。尤其是起到銜接相鄰線路作用的線路所，為保證列車能夠快速轉線，多采用大號碼道岔來提高列車運行效率[2]。而列車得知運行前方經過的大號碼道岔側向位置是通過應答器來實現的，即列車經過大號碼道岔應答器后接收到來自大號碼道岔應答器傳遞的報文信息，進而產生行車憑證，控制列車以規定速度側向通過前方道岔[3-7]。

高速鐵路應答器系統的作用是在特定地點完成地面與車載設備間數據的傳輸[8-9]。應答器信息傳輸系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 應答器系統結構原理

其中，實線框內為應答器信息傳輸車載設備，包括應答器信息接收單元BTM及應答器接收天線。其中，應答器信息接收單元用來接收、解調地面應答器信號，并將解調后的信息傳送給車載主機單元。應答器信息接收天線用于接收應答器信息，安裝在頭車車體底部的橫向中心線上[10-11]。

虛框部分是應答器信息傳輸地面設備，無源應答器用來存儲線路固定限速信息，線路坡度信息及列控系統級間轉換等一些固定數據信息。有源應答器用于存儲一些實時信息，如進路信息、臨時限速信息等。

本文研究的大號碼道岔臨時限速信息是通過有源應答器傳遞給列車，臨時限速信息報文發送的時機為：當車站值班員辦理了一條經過大號碼道岔側向位置的進路后，列控中心會生成限速報文傳輸給地面電子單元LEU，地面電子單元將列控中心發送的應答器報文命令經過驅動放大后發送至室外應答器中[12]。當列車經過地面應答器上方后，應答器接收到高頻能量后被喚醒，將其存儲的報文信息以頻移鍵控信號的形式傳遞給應答器接收天線，進而傳遞給BTM形成控車信息。當列車遠離地面應答器以后，應答器又開始進入“休眠”狀態。

既有大號碼道岔應答器的布置原則是：“在距大號碼道岔外方，宜在發送U2S閉塞分區入口200 m處設置大號碼道岔應答器組[13]”。此時，在特定運營場景下列車經過大號碼道岔應答器時，會存在超速過岔的風險[14-18]。因此，亟需采取相應措施解決超速過岔風險。

1 特殊運營場景下既有大號碼道岔設置存在弊端分析

1.1 緊追蹤運營模式

緊追蹤運營模式如圖2所示，圖中9號道岔是1/42號大號碼道岔，車站內其余道岔均為1/18號道岔，TB10099—2017《鐵路車站及樞紐設計規范》及《鐵路道岔參數手冊》中規定：“1/42號道岔的列車側向過岔限速為160 km/h，1/18號道岔的列車側向過岔限速為80 km/h[19-20]”。

圖2 緊追蹤模式下列車進路示意

當車站值班員給列車1辦理了往3G的接車進路后，如圖2中紅線進路所示，車站列控中心隨即控制大號碼道岔應答器組發送大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，隨著列車1的運行，車載設備接收到應答器報文后，結合鋼軌傳遞的移頻信號碼序產生行車憑證，控制列車運行。

而在緊追蹤運營模式下，列車1未進站之前，后續列車2追蹤運行進入到大號碼道岔所在閉塞分區，這里需注意的是列車1未進站前，列控中心會一直控制大號碼道岔應答器發送大號碼道岔報文，即隨著列車2的運行其接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。

根據列車1所處的位置，具體場景如下。

場景1：列車2在大號碼道岔應答器區段，列車1處于1621G(即2JG區段)。此時列車2的行車許可終點未到大號碼道岔所在地點，不會出現超速過岔的危險情況發生。

場景2：列車2在大號碼道岔應答器區段，列車1在1637G(即3JG區段)。此時列車2的行車許可終點未到大號碼道岔所在地點，不會出現超速過岔的危險情況發生。

場景3：列車2在大號碼道岔應答器區段，列車1越過進站信號機位于道岔區段。此時列控中心會控制大號碼道岔應答器停止發送大號碼道岔報文，同時列車2的行車許可終點仍然在進站信號機外方，未到大號碼道岔所在地點，因此也不會出現超速過岔的危險情況發生。

場景4：列車2在大號碼道岔應答器區段，且?？吭诖筇柎a道岔應答器組與1621信號機之間，只有當列車1進站?？恐?G以后，車站值班員隨即給列車2辦理了一條往4G的接車進路，如圖2中綠線所示，此條進路上無大號碼道岔，因此，道岔的側向過岔限速是80 km/h，但列車2的車載設備會啟用已接收到的大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，同時結合1637G發送的UUS碼移頻信號共同產生控車信息，意味著列車運行前方是經過1/18號道岔的側向接車進路，但車載設備仍然以側向過岔160 km/h的速度控車，這樣就存在超速過岔的風險，嚴重時會造成脫軌情況發生，危及行車安全。

1.2 接車進路變更運營模式

接車進路變更運營場景如圖3所示，車站值班員給列車1辦理了一條接至3G的接車進路，列車1運行到1621區間通過信號機前停車，停車前已經接收到了大號碼道岔應答器組發送大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。但車站值班員臨時變更了接車進路，即辦理了一條接至IIG的進路，如圖3中藍線進路所示。辦理完接車進路信號開放后，列車1繼續前行越過1621信號機后接收到U2S碼序(意味著列車運行前方下一架信號機開放的是經過1/18號及以上道岔的側向接車進路)，同時啟用大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，軌道電路傳遞的控車信息及應答器傳遞的控車信息均指示車載設備以側向過岔160 km/h的速度控車，這樣就存在超速過岔的風險，嚴重時會造成脫軌情況發生，危及行車安全。

圖3 接車進路變更模式下列車進路示意

經過研究發現，上述兩種運營場景下均存在列車超速過岔的風險，尤其在高速鐵路車站，為提高運行效率，較多采用大號碼道岔，因此，針對上述情況，亟待提出解決方案對列車超速過岔進行防護，從列控中心優化控制應答器報文及大號碼道岔應答器組優化設置方面入手，解決上述問題。

2 大號碼道岔超速過岔防護研究

2.1 大號碼道岔應答器組報文控制研究

針對上節所述運營場景存在問題，對大號碼道岔應答器組報文展開研究，大號碼道岔報文信息包[CTCS-4包]如表1所示。道岔過岔速度是通過V_TURNOUT變量控制，7位數報文信息通過調制后形成相位連續式2FSK上行鏈路信號供機車接收。

表1 應答器報文信息

為了解決緊追蹤模式下后續列車可能存在的超速過岔風險，提出報文及時停發防護控制，即大號碼道岔應答器所在閉塞分區(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區有車占用時，修改列控中心報文控制策略，使得大號碼道岔應答器組不能發送大號碼道岔應答器報文。這樣在緊追蹤運營模式下，列車1雖還未進站，列車2即使追蹤運行進入到大號碼道岔所在閉塞分區，經過大號碼道岔應答器后也不會接收到大號碼道岔應答器報文，列車2運行前方是經過1/18號道岔的側向接車進路時，車載設備仍然以側向過岔80 km/h的速度控車，這樣就解決了緊追蹤模式下超速過岔的風險。

2.2 大號碼道岔應答器組設置位置優化研究

上述通過列控中心控制應答器報文及時停發防護雖然解決了緊追蹤模式下可能存在的列車超速過岔風險，但對于接車進路變更場景下存在的列車超速過岔風險仍未能解決。這是由于此場景下大號碼道岔應答器所在閉塞分區(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區里無列車，沒有列車列控中心就不能觸發應答器報文及時停發控制策略，即列車經過大號碼道岔應答器后，當進路變更，進站信號機重新開放后，列車仍然以側向160 km/h的速度經過道岔，存在超速過岔風險。

本次研究將大號碼道岔應答器組設置于大號碼道岔外方發送U2S碼的閉塞分區入口內方≥200 m處，該應答器設置如圖4所示。

圖4 大號碼道岔應答器移設示意

當給列車排列了一條經1/42號道岔的側向進路，假如列車接收到大號碼道岔應答器發送的報文信息后停在1637信號機前方，此時進路變更，又排列了一條經1/18號道岔的側向進路，這時列車接收到移頻信號碼序的變化情況為：U2S-U-U2S，即存在碼序變化的情況，車載設備接收到變化的碼序后會自動降速，控制列車以80 km/h的速度過岔。如大號碼道岔應答器位置不移設，仍然在一接近區段(1621信號機外方200 m處)，則進路變更后，列車接收到移頻信號碼序情況為：LU-LU-LU，即不能通過移頻信號的碼序變化實現車載設備的降速防護。

在工程實施過程中，對于已開通運營的線路，移設應答器組方案涉及列控中心和無線閉塞中心軟件修改、應答器報文修改以及應答器安裝和線纜敷設等室外工程，實施難度大，對既有線運營影響也大，工程投資高。因此，采取碼序降級防護措施，即大號碼道岔應答器所在進路始端信號機外方LU區段為占用狀態，若大號碼道岔進路取消或信號關閉，再次開放其他經1/18號道岔的側向進路，接近區段發U2碼或UU碼，如表2所示，并向聯鎖發送降級信息，直至列車越過大號碼道岔防護信號機或大號碼道岔應答器所在閉塞分區，至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區均為空閑狀態后恢復常態。此方法中雖然列車接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，但接近區段軌道電路碼序已降級為U2碼或UU碼(UU碼意味列車以不超過45 km/h速度側向經過前方道岔)，即應答器傳遞的控車信息與軌道電路傳遞的控車信息不一致，車載設備控制列車減速，以導向安全側的控車信息行車，解決了超速過岔的風險。

表2 碼序降級變化

3 優化研究的工程應用與驗證

針對工程進展情況，提出具體方案解決大號碼道岔處列車可能存在的超速過岔風險。在工程設計階段就將大號碼道岔應答器組設置于發送U2S碼的閉塞分區入口內方≥200 m處。并將“大號碼道岔應答器所在閉塞分區(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區有車占用時，控制大號碼道岔應答器組不能發送大號碼道岔應答器報文”的控制策略寫入車站列控中心軟件中，來保證列車不會超速過岔。

以滬渝蓉高鐵龍城線路所為例，龍城線路所示意如圖5中虛線框內所示。為提高列車過岔時的速度，保證列車運行效率，龍城線路所1號及3號道岔采用1/42號大號碼道岔，在大號碼道岔外方適當位置處設置有大號碼道岔應答器組。下面分別從報文控制策略及應答器組位置調整方面進行研究，對列車車載控車曲線進行優化，來解決列車超速過岔問題。

3.1 報文控制策略優化后緊追蹤模式下車載控車曲線研究

由南京方面(合寧客專)發往合肥南方面的列車需在肥東站IG?？浚瑒t龍城線路所需辦理經過1/42號道岔側向通過進路。

圖5 龍城線路所大號碼道岔布置示意

緊追蹤場景下前后兩列車的車載控車曲線如圖6所示。圖6(a)中龍城線路所給列車1辦理了經過1號道岔(1/42號)側向往肥東站IG的接車進路，列車1在XL線路所通過信號機前降速至160 km/h，接著以160 km/h的速度經過道岔側向，同時肥東站辦理了下行往IG的接車進路后，列車在XI出站信號機前降速至0后停車。若未采取大號碼道岔應答器報文及時停發防護策略，列車2在列車1還未經過龍城線路所大號碼道岔側向進路之前仍然會收到大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，此時列車2在龍城線路所的二接近區段3327G防護信號機外方開始加速，經過龍城線路所XL線路所通過信號機外方速度已提高至160 km/h，車站值班員在龍城線路所再給列車2辦理了一條經1號道岔直向，5號道岔(1/18號)側向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進路后，就存在超速過岔的風險。

圖6(b)為采取了大號碼道岔應答器報文及時停發防護策略后的列車車載控制曲線，可以看出，大號碼道岔應答器所在閉塞分區(不含)至防護大號碼道岔信號機之間的閉塞分區(即龍城線路所的三接近區段3315G)有車占用時，大號碼道岔應答器組不會發送大號碼道岔應答器報文，這樣列車2就不會接收到大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。此時，如果給列車2辦理了一條經1號道岔直向，5號道岔(1/18號)側向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進路后，列車車載設備結合接收到的移頻信號碼序，控制列車2在XL線路所通過信號機前方將速度提升至80 km/h，以不大于80 km/h的速度經過道岔側向位置，就不會存在超速過岔的風險。

圖6 緊追蹤模式下車載控車曲線

3.2 應答器組位置調整后接車進路變更模式下車載控車曲線研究

由南京方面(合寧客專)發往合肥南方面的列車，經過龍城線路所時辦理了一條經1號道岔(1/42號)側向通過的進路。對列車1而言，當存在進路變更場景時列車的車載控車曲線如圖7所示。可以看到，在大號碼道岔應答器組位置未移設前(位于二接近3327G外方)，列車在二接近區段防護信號機前停車時車載已經接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]。此時，接車進路由之前的經1號道岔(1/42號)側向變更為經1號道岔直向，5號道岔(1/18號)側向往肥東站Ⅱ-3股道的接車進路后，一接近區段3339G的軌道移頻信號碼序未發生改變，一直是LU碼，則車載設備結合應答器報文信息及軌道電路碼序控制列車以160 km/h的速度行車，經過5號道岔(1/18號)側向時存在超速過岔的風險。

圖7 應答器組位置調整后車載控車曲線

將大號碼道岔應答器組位置移設至二接近區段3327G內方后，分兩種場景，一種是列車在二接近區段3327G通過信號機前方停車，停車時列車沒有接收到大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，雖然接車進路發生了變更，變更后車站列控中心根據進路實際情況控制大號碼道岔應答器不會發送報文信息，這樣列車會根據鋼軌上傳遞的軌道電路移頻信號碼序控車，在XL進站信號機前降速至80 km/h，不會產生超速過岔的風險。另一種情況是列車在三接近區段3315G通過信號機前停車，停車后列車雖然已接收到了大號碼道岔信息包[CTCS-4包]，同時接車進路發生了變更，但在進路發送變更的時候，二接近區段3327G的軌道電路碼序發生了變化，即由U2S變為U，再變為U2S，車載設備接收到變化的碼序后，會導向安全側降速控車，以不大于80 km/h的速度側向經過5號道岔(1/18號)，避免了超速過岔的風險。

4 結論

為保證鐵路運輸效率，大號碼道岔被廣泛應用至高速鐵路，而大號碼道岔應答器組的作用是給列車傳遞準確的過岔速度信息，因此，應答器組的合理設置就顯得尤為重要，主要研究成果及創新點如下。

(1)分析了既有大號碼道岔應答器組的設置位置及車站列控中心關于大號碼道岔應答器報文發送時機在特定運營場景下存在危及行車安全的情況。

(2)提出列控中心報文及時停發防護策略及大號碼道岔應答器組位置優化設置，解決了既有大號碼道岔應答器組設置原則下存在的弊端。

(3)將此方法應用至滬渝蓉高速鐵路龍城線路所外大號碼道岔應答器處，結合工程實際，優化研究驗證了上述方法的可行性及可實施性，為其他工程設計提供借鑒經驗。