1?概述

近十年來(lái),，我國(guó)客運(yùn)專線和高速鐵路飛速發(fā)展,，形成了成熟的CTCS-2/3高速信號(hào)體系，成為高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)的保障,。信號(hào)系統(tǒng)下一步如何發(fā)展,，已成為信號(hào)研發(fā)人員廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。

近年來(lái)信號(hào)領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)際性展會(huì)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)釋放了大量信息,，專家學(xué)者在以下新技術(shù)應(yīng)用方面形成了廣泛共識(shí)。

建立在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和增強(qiáng)的無(wú)線通信技術(shù)基礎(chǔ)上的移動(dòng)閉塞應(yīng)用,；

運(yùn)用ATO系統(tǒng),，降低能耗，提高準(zhǔn)點(diǎn)率,；

構(gòu)建分布式低成本的智能化軌旁設(shè)備,。

由此可以看出，以保證運(yùn)行安全為核心的基礎(chǔ)信號(hào)系統(tǒng)的下一步發(fā)展,，除安全需求這個(gè)永恒主題外,，主要是通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步達(dá)到以下幾點(diǎn)：

提高線路能力,；

降低建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本,；

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)跨線互聯(lián)互通,，需兼顧與既有系統(tǒng)的兼容,。

本文將結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)和下一步發(fā)展目標(biāo)，對(duì)新的信號(hào)系統(tǒng)的架構(gòu)和對(duì)運(yùn)輸及成本的影響進(jìn)行分析,。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)此處不作討論,。

2?當(dāng)前系統(tǒng)的主要特征

CTCS-2/3是以地面控制為主的固定閉塞系統(tǒng)，列車占用檢查由軌道電路實(shí)現(xiàn),，地面控制系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖進(jìn)路和列車位置生成列車移動(dòng)授權(quán),，并通過(guò)軌道電路/無(wú)線通信發(fā)送給列車，由車載進(jìn)行列車運(yùn)行安全防護(hù)控制,。主要設(shè)備組成,、功能，及信息流如圖1所示,。

基于與既有線路互聯(lián)互通的考慮,，信號(hào)系統(tǒng)的下一步發(fā)展首先應(yīng)是基于地面控制為主的原則，應(yīng)用新技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能,。

3?新的信號(hào)系統(tǒng)基本架構(gòu)

移動(dòng)閉塞是下一步信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的核心要素,，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞首先是解決列車實(shí)時(shí)定位和完整性檢查,，以取代當(dāng)前的軌旁列車占用檢查設(shè)備。應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)的車載定位解決方案已經(jīng)為行業(yè)普遍認(rèn)同,。

新的信號(hào)系統(tǒng)的最主要特征是在既有系統(tǒng)基礎(chǔ)上,，采用車載定位、應(yīng)用ATO系統(tǒng)等,。其功能和信息流如圖2所示,。

由于車載定位方式的改變，列車位置和完整性報(bào)告由車載到RBC,，并由RBC處理以確定邏輯區(qū)段狀態(tài)變化,，聯(lián)鎖進(jìn)路解鎖依據(jù)RBC提供的邏輯區(qū)段狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)。

從該變化可以看到,，在新系統(tǒng)中,，車地配合更加緊密，下列技術(shù)將是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵：

車地信息傳輸安全性,；

列車定位精度,；

列車定位信息更新的實(shí)時(shí)性。

4?線路能力影響分析

增加列車密度,，縮短列車追蹤間隔是線路能力提高的直接反映,。列車追蹤間隔受多種因素影響，其中包括與信號(hào)系統(tǒng)直接相關(guān)的閉塞方式,、以及控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間等,。

4.1?移動(dòng)閉塞對(duì)線路能力的影響

移動(dòng)閉塞是列車追蹤的理想方式。下面從區(qū)間追蹤和車站到達(dá)分別查看移動(dòng)閉塞對(duì)線路能力的影響,。

1）對(duì)區(qū)間追蹤間隔的影響 

固定閉塞與移動(dòng)閉塞的區(qū)間追蹤間隔對(duì)比如圖3所示,，其中L是固定閉塞和移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的列車追蹤間隔距離的差值。極端情況下,，這個(gè)差值最大可接近一個(gè)閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度,。如果閉塞分區(qū)長(zhǎng)度為2?000?m，當(dāng)列車運(yùn)行速度為300?km/h時(shí),，不考慮其他因素,，理想狀態(tài)列車區(qū)間追蹤可縮短約24?s，當(dāng)列車運(yùn)行速度為200?km/h時(shí),，可縮短約36?s,。

從分析可以得出：移動(dòng)閉塞對(duì)列車區(qū)間追蹤間隔有積極的影響，既有閉塞分區(qū)越長(zhǎng),，列車速度越低,，采用移動(dòng)閉塞后，其區(qū)間追蹤間隔時(shí)分縮短越多。

2）對(duì)到達(dá)追蹤間隔的影響

根據(jù)牽引計(jì)算定義,，列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間與列車到達(dá)作業(yè)時(shí)間直接相關(guān),，即：前行列車出清道岔區(qū)段后，系統(tǒng)為追蹤列車辦理接車進(jìn)路,，到追蹤列車收到延伸的移動(dòng)授權(quán)的時(shí)間,，如圖4所示。

當(dāng)采用移動(dòng)閉塞時(shí),，對(duì)追蹤列車將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)變化,。

目標(biāo)點(diǎn)的變化，即：列車出清道岔邏輯區(qū)段前,，追蹤列車移動(dòng)授權(quán)可能向前延伸距離L,，距離L為進(jìn)站信號(hào)機(jī)與其內(nèi)方道岔間的距離，如果該距離按50?m計(jì)算,，對(duì)于200?km/h以上速度的列車,，該距離走行時(shí)間不足1?s。

前行列車出清道岔邏輯區(qū)段時(shí)機(jī)的變化,，固定閉塞下道岔區(qū)越長(zhǎng)，采用移動(dòng)閉塞后該時(shí)間變化相對(duì)縮短越多,。在實(shí)際線路中,，客專小站咽喉區(qū)總長(zhǎng)度一般在200多米，且進(jìn)出站普遍為18號(hào)道岔,，因此移動(dòng)閉塞理想狀態(tài)下,，該道岔邏輯區(qū)段出清時(shí)間可提前約5?s。

上述數(shù)據(jù)僅是理想狀態(tài),，實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮列車定位誤差,、列車位置更新周期、車站線路布置,，移動(dòng)閉塞邏輯區(qū)段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度等因素,。實(shí)際對(duì)列車到達(dá)間隔的影響很小。

因此：移動(dòng)閉塞對(duì)列車到達(dá)間隔影響非常有限,。

4.2?系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的影響

系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)安全分析的重要內(nèi)容,，也是影響追蹤間隔的一個(gè)重要因素。系統(tǒng)環(huán)節(jié)越多,，通信環(huán)節(jié)就越多,，信息傳輸時(shí)間的不確定因素越多，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),。

如圖5所示,，以列車區(qū)間追蹤運(yùn)行為例，分別給出既有系統(tǒng)和新的車載定位系統(tǒng)下，計(jì)算列車追蹤間隔所需考慮的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間環(huán)節(jié),。

采用車載衛(wèi)星定位方式后,，對(duì)于區(qū)間追蹤的情況影響如下。

列車占用/出清檢查延時(shí)：由衛(wèi)星定位系統(tǒng)替代軌道電路后,，系統(tǒng)可以獲得列車在線路上的確定位置,，位置數(shù)據(jù)的更新主要由車載和RBC的同步周期決定，該周期延時(shí)將對(duì)列車追蹤時(shí)間產(chǎn)生影響,。

系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)備處理及各環(huán)節(jié)設(shè)備間通信延時(shí)：系統(tǒng)信息處理環(huán)節(jié)減少,，軌旁通信延時(shí)大大縮短，但同時(shí)對(duì)無(wú)線通信的可靠性要求大大提高,。

人工駕駛司機(jī)確認(rèn)時(shí)間：采用ATO自動(dòng)駕駛,，消除了人工確認(rèn)時(shí)間，對(duì)列車間隔起到積極的影響,。

如圖6所示,，以列車到達(dá)間隔為例，分別給出既有系統(tǒng)和新的車載定位系統(tǒng)下,，計(jì)算列車追蹤間隔所需考慮的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間環(huán)節(jié),。

如圖6所示，既有系統(tǒng)和車載定位系統(tǒng)之間的差異主要在藍(lán)色框架內(nèi)的定位環(huán)節(jié),，軌旁系統(tǒng)處理環(huán)節(jié)則不能減少,。

對(duì)于定位環(huán)節(jié)，考慮到站內(nèi)非編碼軌道電路占用/出清延時(shí)大大縮短,，而衛(wèi)星定位受車載與軌旁定位發(fā)送周期影響,，因此從反應(yīng)時(shí)間，并結(jié)合站內(nèi)軌道區(qū)段短的特點(diǎn),，移動(dòng)閉塞在站內(nèi)缺乏優(yōu)勢(shì),。

4.3?移動(dòng)閉塞的應(yīng)用建議

從移動(dòng)閉塞制式和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間兩方面對(duì)線路能力的影響分析可以看到，移動(dòng)閉塞對(duì)縮短列車區(qū)間追蹤間隔有積極影響,，但對(duì)站內(nèi)到達(dá)追蹤間隔沒(méi)有優(yōu)勢(shì),。因此建議：

優(yōu)先應(yīng)用于線路能力較低的邊遠(yuǎn)鐵路；

在繁忙線路應(yīng)用時(shí),，結(jié)合站內(nèi)作業(yè)復(fù)雜,，站內(nèi)宜保持既有列車占用檢查方式。

5?對(duì)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的影響

在大鐵項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)中,，建安工程投資比例基本在50%左右,，隨著人工成本的不斷上升，未來(lái)這個(gè)比例可能更高,。而建安工程中電纜及其敷設(shè),、繼電器及其安裝占據(jù)主要工程量,。

信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī),、軌道電路,，是既有信號(hào)系統(tǒng)中的主要軌旁設(shè)備，其控制需要使用大量的電纜,，尤其是區(qū)間應(yīng)用,。在僅有裝備ATP車載設(shè)備動(dòng)車組運(yùn)行的線路上，區(qū)間信號(hào)機(jī)已經(jīng)被標(biāo)志牌取代,，但軌道電路作為列車占用檢查設(shè)備,、以及地對(duì)車信息傳輸通道，在當(dāng)前的信號(hào)系統(tǒng)中仍是不可取代的基礎(chǔ)設(shè)備,。

系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)后,，運(yùn)行能耗和軌旁設(shè)備維護(hù)是運(yùn)營(yíng)維護(hù)的主要成本因素。

從成本分析可以得出,，減少軌旁設(shè)備是降低建設(shè)成本,，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的最有效措施。而移動(dòng)閉塞采用衛(wèi)星定位技術(shù)取代軌旁列車占用檢查設(shè)備,，在區(qū)間,，系統(tǒng)的處理環(huán)節(jié)大大減少，這些方案都吻合了降低成本的需求,。

6?軌旁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

軌旁系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化是信號(hào)系統(tǒng)降低成本,、控制能耗的措施之一。歐洲提出的分布式低成本的智能化軌旁設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的目標(biāo),，但具體實(shí)施還需要結(jié)合我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)的調(diào)度中心、車站兩級(jí)控制方式的需求逐步推進(jìn),。當(dāng)前,，對(duì)于既有軌旁系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化更重要的是打破子系統(tǒng)邊界，減少功能交叉,、使信息傳輸路徑最優(yōu),，提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能。

6.1?全系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控

借助物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,，未來(lái)信號(hào)軌旁系統(tǒng)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控,。

當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)采用獨(dú)立監(jiān)測(cè)，以站為單位提供監(jiān)測(cè)顯示的方式,。這種方式設(shè)備多,，功能交叉，不利于維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障,。

下一步系統(tǒng)的各子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)隨主設(shè)備配置數(shù)據(jù)記錄器,，各設(shè)備數(shù)據(jù)記錄器接入物聯(lián)網(wǎng),，在維修工區(qū)統(tǒng)一設(shè)置監(jiān)控裝置，對(duì)維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和解析,。

6.2?車站操作控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車站操作控制層宜采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，減少CTC和聯(lián)鎖的操作功能交叉環(huán)節(jié)，其主要作用是減少控制顯示信息傳輸通道的環(huán)節(jié),，增強(qiáng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,。

6.3?全電子接口

聯(lián)鎖全電子接口技術(shù)的成熟，為其在鐵路的應(yīng)用提供了條件,。全電子接口可以使控制模塊方便的實(shí)現(xiàn)軌旁安裝,，進(jìn)而進(jìn)一步減少站內(nèi)電纜的使用。

7?結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)信號(hào)系統(tǒng)的下一步發(fā)展,，主要是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,，采用新的定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的雙降,，提高邊遠(yuǎn)鐵路線路能力,、維持既有繁忙線路的線路能力，同時(shí)逐步推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軌旁系統(tǒng)中的應(yīng)用,，優(yōu)化軌旁設(shè)備結(jié)構(gòu),，提高系統(tǒng)性能。由于車載定位方式的變化,，新系統(tǒng)的研發(fā)要特別關(guān)注信息傳輸安全性的研究,，以及傳輸時(shí)延的系統(tǒng)分析。

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