上海機場聯絡線列車自動折返方案研究*

楊 俐

(上海申鐵投資有限公司， 200003， 上海∥高級工程師)

1 項目概況

上海機場聯絡線是上海第一條新建的市域鐵路，從虹橋站至上海東站全長68.63 km，共設車站9座、動車運用所1處,其線路走向如圖1所示。該線與上海市域鐵路嘉閔線、南匯支線(又稱為“兩港快線”)互聯互通，并在三林南站預留了與國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)互聯互通的線路條件，擬通過南站支線(三林南路至鐵路上海南站)實現與金山鐵路線、國鐵網的互聯互通。三林南站以東至上海東站區域為國鐵城際列車和上海市域列車共線運營范圍。上海機場聯絡線采用25 kV交流架空接觸網供電，列車采用市域動車組(4節編組、8節編組列車混跑)，設計最高運行速度為160 km/h。

圖1 上海機場聯絡線走向示意圖

上海機場聯絡線信號采用CTCS-2(中國列車運行控制系統2級)+ATO(列車自動運行)系統，主要包括CTC(調度集中)、CTCS-2、ATO、車站聯鎖、集中監測等系統。線路區間采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路。這些系統均接入新建的上海市域鐵路調度中心。

CTCS-2+ATO系統于2016年起在珠江三角洲的城際莞惠線、佛肇線等線路上投入使用，其升級版本CTCS-3(中國列車運行控制系統3級)+ATO于2019年在京張(北京—張家口)高速鐵路線上得以首次應用。CTCS(中國列車運行控制系統)與ATO相結合，實現了列車的自動駕駛、精確停車、車門與站臺門聯動等功能，但其折返仍采用人工換端方式，站后折返作業用時大于10 min。

面對CTCS-2+ATO下線路折返能力不足問題，上海機場聯絡線建設方牽頭組織開展了市域鐵路CTCS-2+ATO下列車自動折返能力的研究。本研究以現有信號系統設備和中國高速鐵路ATO技術體系為基礎，結合上海機場聯絡線的需求，進行了系統的研究和探索，首次提出了CTCS-2+ATO系統3 min內完成列車自動折返的技術方案，并仿真驗證了該方案的可行性。

2 CTCS-2+ATO下的列車折返問題

2.1 線路折返能力不足問題分析

上海機場聯絡線建設方牽頭組織設計院、設備廠家等單位，對市域鐵路CTCS-2+ATO下的列車自動折返功能進行研究。研究發現，珠江三角洲的城際鐵路中，信號系統采用CTCS-2+ATO的線路的站后折返作業時間均大于10 min，其中，司機換端走行時間、換端后車地通信建立時間及開機注冊時間均較長。即使采用雙司機配置方式，車載人工換端用時也需120 s。因此，線路折返能力不足已成為制約上海機場聯絡線全線開行最小行車間隔3 min運行方案的瓶頸。

2.2 確定研究對象

在列車的折返過程中，若列車可自動折返，則可減少司機操作時間，進而減少列車折返耗時。考慮到目前CTCS-2+ATO仍處于GoA2(半自動化列車運行)，列車自動折返需由司機發起操作。因列車采用的原地自動折返方式(即列車進入股道后，關閉本務端駕駛臺并激活另一端駕駛臺，列車準備向另一個方向發車的折返方式)相對較簡單，本文不予以討論，僅以機場聯絡線的上海東站為例，對列車站后折返方式進行闡述。

如圖2所示，本務端(以下稱為“A端”)的車載設備在站臺股道接收到司機下發的自動折返發車指令后，ATO車載設備自動駕駛列車從站臺股道駛入折1線內并停穩。待兩端車載設備完成控制權交接后，原休眠端(以下稱為“B端”)ATO車載設備自動駕駛列車駛出折1線，列車運行到站臺股道停穩、停準。

注：X為下行進站信號機；XF為下行反向進站信號機；SL為上行接車進路信號機；X/XF/SL字母后數字均為信號機編號。

3 列車自動折返研究的主要成果

上海機場聯絡線CTCS-2+ATO依據TJ/DW 202—2019《高速鐵路ATO系統總體暫行技術規范》系列技術標準進行設計。《高速鐵路ATO系統總體暫行技術規范》在珠江三角洲城際鐵路線ATO實際運行效果基礎上進行了優化，取消了CCS(通信控制服務器)，相關功能由TSRS(臨時限速服務器)實現，其他信號子系統的地面設備不變[1]。上海機場聯絡線CTCS-2+ATO下列車自動折返的研究在此基礎上開展。

3.1 首次提出了CTCS-2+ATO下3 min內完成列車自動折返的技術方案

無論原地自動折返還是站后自動折返，列車折返的關鍵均是自動換端，因此，本文研究的重點為兩端車載自動切換和換端期間保持車地通信。

3.1.1 兩端車載自動切換

兩端車載自動切換的實現方式有2種：方式1為A端—B端通過硬線交互信息；方式2為A端—B端通過無線通信交互信息[2]。考慮到無線通信延時對換端效率的影響，本文采用方式1。與方式2相比，方式1的實時性、可靠性更高，在動車組頭部和尾部駕駛室內敷設2根不同物理路徑的貫通線，貫通線優先采用車輛MVB(多功能車輛總線)。A端—B端的交互信息主要包括車載內部狀態、換端后的車次號、列車車長、司機號、軌道區段載頻信息等。采用兩端車載自動切換方式，可節省司機開機人工注冊時間。

3.1.2 換端期間車地通信的保持

在高速鐵路ATO技術體系中，TSRS負責ATO車載與CTC之間的聯系。本研究采用B端提前與TSRS建立連接的方式來保持換端期間的車地通信，進而節省TSRS與A端斷開后再與B端建立通信會話的時間。該方式需TSRS支持與休眠端車載保持連接的功能。

列車自動折返作業是一個典型的獨立運營場景。為此，本研究新增了TSRS至車載折返計劃的信息包【CTCS-47】，以及CTC至TSRS的折返計劃信息。列車進入折返車站前，CTC以6 s間隔周期性地向TSRS發送折返計劃信息，TSRS立即將信息轉發給車載設備。列車自動折返完成后，CTC停止發送折返計劃信息。此外，本研究還新增了車載至TSRS折返狀態反饋的信息包【CTCS-48】，以及TSRS至CTC折返狀態反饋信息。列車進入自動折返狀態時，車載以6 s間隔周期性地向TSRS發送折返狀態反饋信息，TSRS立即將信息轉發給CTC，以表明列車處于自動折返狀態。信息包【CTCS-47】的格式如表1所示。

表1 TSRS至車載折返計劃信息包【CTCS-47】的格式

3.1.3 其他

如上文所述，列車自動折返需同步修改信號車載設備、TSRS、CTC及TCC(列車控制中心)的技術條件。列車站后自動折返換端完成且車載處于自動折返狀態時，信號系統應支持車載設備從PS(部分監控)模式進入AM(自動駕駛模式)。另外，上海機場聯絡線移動通信系統采用LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統)為市域列車提供服務，信號系統還應支持LTE-M實現車地無線通信。

針對上海機場聯絡線4節編組和8節編組列車混跑情況下4節編組列車的快速折返問題，本研究對信號機、軌道電路、應答器等地面設備進行多方案比選后，得出設置中間分隔信號機以區分長、短折返進路的優化布置方案。

3.2 建立了CTCS-2+ATO下的列車自動折返流程

列車原地自動折返的核心流程是自動換端，與列車站后自動折返相比較為簡單，故本文僅描述列車站后自動折返流程。列車的站后自動折返流程主要包括列車從站臺股道運行至折返線(以下簡稱“進折返線”)、列車自動換端及列車從折返線運行至站臺股道(以下簡稱“出折返線”)3個環節。

3.2.1 進折返線

CTC提前1個車站或在到達折返站的前1個區間通過TSRS向車載設備發送列車運行計劃(含折返計劃)。列車位于折返車站的站臺股道時，CTC通過TSRS收到列車停穩且停準的信息后，根據折返計劃通過聯鎖辦理列車自動折返的發車進路，并通過TSRS周期性地向車載設備發送列車運行計劃。車載設備收到折返計劃后，通過DMI(車載人機界面)向司機發出自動折返提示。車載設備判斷列車自動折返條件滿足后，令A端駕駛臺的自動折返按鈕指示燈綠燈閃爍。

司機按壓A端駕駛臺上的“自動折返按鈕”后，車載設備進入列車自動折返狀態。車載設備控制A端駕駛臺的自動折返按鈕指示燈綠燈亮起，并在DMI上提示司機可關閉A端駕駛臺。

司機關閉A端駕駛臺并拔出鑰匙，車載設備根據列車運行計劃判斷得知折返方式為站后自動折返。車載設備檢查確認滿足自動折返條件后，ATO自動起動列車運行至折返線，此時按鈕保持綠燈亮起。

3.2.2 自動換端

列車到達折返線停穩后，A端ATO車載設備通過TSRS向CTC發送列車已停穩信息。CTC按折返計劃通過CBI(計算機聯鎖)辦理列車自動折返的接車進路。A端車載確認具備折返條件后，向B端發送換端請求及相關數據。在接收到B端車載設備發來的準備就緒信息后，A端向B端發送換端結束信息，并進入休眠模式。

B端ATO車載設備接收到A端發來的列車自動折返換端數據后，點亮B端駕駛臺的自動折返指示燈，進入待機模式。在接收到A端發來的換端結束確認信息后，B端車載設備通過TSRS向CTC發送換端狀態信息，并進入PS模式。

3.2.3 出折返線

當列車具備發車條件后，B端車載設備自動進入PS下的ATO模式，列車在折返線上限速45 km/h運行。ATO控制列車運行一定距離(暫定為20 m)后收到折返進路信號機處的應答器組報文，此時列車轉為FS(完全監控)模式下的AM。列車運行至站臺股道停穩、停準后，ATO根據折返計劃自動打開車門進行上下客作業。

3.3 提出了CTCS-2+ATO下列車自動折返的信號-車輛接口方案

列車自動折返功能的實現，離不開車輛與信號的緊密配合，因此，需新增ATP、ATO與車輛繼電器輸入/輸出接口，如表2所示。

表2 列車自動折返新增的信號-車輛繼電器接口

司機按壓自動折返按鈕后，車載設備輸出折返激活信號有效的信息，司機拔出A端鑰匙。列車收到折返激活信號且檢測到A端的車鑰匙被拔出后，將折返激活信號作為等效鑰匙輸出信息，激活B端駕駛室(站后自動折返時還需輸出“方向手柄前向”信號)，同時給出折返激活反饋信號和組合零位信號，以繼續保持A端駕駛室的占用狀態。上述的列車輸出信號均應在500 ms內給出。

列車任意一端檢測到駕駛臺插入鑰匙以激活駕駛臺時，列車給出相應駕駛臺激活/休眠和方向手柄位置信號，并撤銷折返激活反饋信號。

當車載設備確認具備自動折返條件時，車載將相關信息輸出至列車，列車控制A端的自動折返按鈕指示燈，使其保持穩定的亮綠色閃爍狀態。司機按下自動折返按鈕后，A端的自動折返按鈕常亮綠燈；換端結束后，A端的自動折返按鈕指示燈熄滅，B端的自動折返按鈕常亮綠燈；B端退出列車自動折返狀態時，B端的自動折返按鈕指示燈熄滅。

3.4 實驗室仿真驗證平臺的驗證結果

列車控制車載設備的廠家各自獨立搭建了3 min內完成列車自動折返的實驗室半實物仿真平臺，用以驗證列車自動折返的技術條件。其中：車載、TSRS、TCC均采用真實設備，軌道電路、應答器均采用仿真設備，CTC、CBI結合各自情況選用真實/仿真設備。

3.4.1 基礎數據

仿真采用上海機場聯絡線初步設計階段的相關數據。其中，車輛的主要參數如表3所示。

3.4.2 列車自動折返模型

表3 上海機場聯絡線車輛主要參數

根據列車站后自動折返的流程，單列車折返時間T單主要包括自動折返發車進路辦理時間T1、列車進折返線停穩時間T2、換端時間T3及自動折返接車進路辦理時間T31、列車出折返線至站臺股道停穩停準時間T4。其計算式[3]為：

T單=T1+T2+max(T3,T31)+T4

(1)

列車的站后折返若考慮交替折返，可根據不同區段的占用沖突狀態，列車折返間隔T折應從到達站臺列車到達間隔TD1、折返線列車到達間隔TD2及出發站臺列車到達間隔TD3中取最大值：

T折=max(TD1,TD2,TD3)

(2)

3.4.3 仿真驗證結果

設備廠家對CTCS-2+ATO在上海東站的列車站后自動折返進行了仿真，表4為該線8節編組列車自動折返仿真結果。

表4 CTCS-2+ATO下8節編組列車站后自動折返仿真結果

4節編組列車和8節編組列車在線上混跑時，由于8節編組列車折返時的走行距離較長，因此，線路折返能力受8節編組列車限制。從表4可知：本研究建立的列車自動折返技術方案是可行的，CTCS-2+ATO下列車自動換端時間在20 s以內，因此，列車自動折返全過程可以在3 min內完成。

3.5 制定了列車自動折返運營場景故障時的處置措施

本研究還梳理了列車自動折返過程中可能出現的設備故障及誤操作等情況，基于這些運營場景的故障現象描述，制定了操作流程建議及處置措施，以確保列車原地自動折返和站后自動折返不成功時能有效地減少對運營的影響。

4 結語

國鐵線路雖然沒有列車自動折返的功能需求，但CTCS+ATO用于市域或城際鐵路高密度運營時，列車自動折返功能不可缺少。本文提出的CTCS-2+ATO下列車自動折返的功能需求、技術條件已作為技術要求，納入上海市域鐵路機場聯絡線信號系統相關設備采購要求中，并制定了與之匹配的運營場景及故障處置措施，為上海機場聯絡線行車規則的制定奠定了基礎。此外，本文提出的CTCS-2+ATO下列車自動折返技術條件擬被中國鐵道學會標準《市域鐵路列車運行控制系統總體技術規范》采用，有望推廣至全國范圍內市域(郊)鐵路建設中。