ccs-2、ccs-3级列控系统在客运专线的应用

ccs-2、ccs-3级列控系统在客运专线的应用

列车控制系统是保证列车安全运行的一项重要技术。根据中国国铁路有关技术标准的规定，设计速度大于200km的高速铁路采用ctss-2级以上的列车控制系统。目前，ctss-2级列车管理制度主要用于速度为200.250km的高速铁路，ctss-3级列车管理制度主要用于速度超过300km的高速铁路。CTCS系列列控系统由地面设备和车载设备两大部分组成。车载设备通过接收地面设备提供的列车运行前方线路空闲状况、相关线路参数、临时限速等信息,并进行实时计算,实现对列车运行速度的监督并控制列车安全运行。限于篇幅的原因,本文只针对仅开行动车组列车的高速铁路客运专线分析CTCS-2、CTCS-3级列控系统各种控车模式的安全性,对存在的技术缺陷或不足提出改进建议。1ctec-2级台阶管理系统的安全分析1.1分布式结构布置CTCS-2级列控系统是基于轨道电路和点式应答器来传输列控信息的列控系统,其中轨道电路传输行车许可等连续式列控信息,点式应答器传输线路参数、临时限速等点式列控信息。列控车载设备根据接收到的连续式信息和点式信息生成目标-距离模式曲线,控制列车安全运行。动车组列车的两端各设一套列控车载设备ATP,列车运行时,前端的车载设备处于工作状态,后端的车载设备处于休眠状态。列控地面设备由临时限速服务器(TSRS)、列控中心(TCC)、轨道电路、应答器、LEU等设备组成,采用分布式结构布置。例如:TSRS通常集中设置于铁路沿线上的个别大站内;TCC每个车站设置一套;应答器(分有源、无源应答器两种)、轨道电路分布在铁路线上,并受列控中心控制。TSRS、TCC及联锁设备均通过信号安全数据网互联,传输相关信号信息。在上述各设备中,行车调度员的临时限速操作命令通过调度集中系统(CTC)传给TSRS,TSRS集中管理整个管辖区内的临时限速指令,并根据各站TCC的管辖范围,将临时限速指令及时分发给相应车站的TCC;TCC负责车站、区间轨道电路连续式信息的编码控制、有源应答器的报文控制等;LEU将来自TCC的报文连续向有源应答器发送,从而实现向车载ATP设备发送临时限速等可变信息;无源应答器负责提供线路参数信息等固定信息;轨道电路负责检查线路空闲或列车占用状态,并连续向列车传送行车许可信息。根据相关技术规范规定,CTCS-2级客运专线应答器按如下原则布置:区间可每间隔一个闭塞分区设置一组无源应答器组,主要提供列车定位及线路固定信息,该应答器组位于闭塞分区入口处外方200m;进站信号机(含反向)外方30m处设置一组有源应答器组,主要提供列车定位信息、临时限速信息和接车进路的线路信息(接车时)或区间的线路信息(发车时);车站到发线两端分别设置一组有源应答器组,一般设置在出站信号机外方65m处,特殊情况下距出站信号机不宜小于30m。当发车信号关闭时,有源应答器发送“绝对停车”报文和“调车危险”报文,阻止列车冒进信号;当发车信号开放后,该应答器组主要发送相应的线路固定信息和临时限速信息。出站信号机设置在距警冲标不小于55m(含过走防护距离50m)的地点。1.2控车模式之间相互转换CTCS-2级列控系统的车载子系统在工作时有完全监控、部分监控、目视行车、调车、隔离、待机6种控车模式。它们之间相互转换原则是:根据是否接收到地面轨道电路信息和应答器信息,可以自动实现完全监控模式与部分监控模式之间的相互转换,或由目视行车模式自动转换为完全监控模式或部分监控模式;其余模式之间的相互转换必须在列车停稳后由人工转换。1.2.1目标点为国际私标时完全监控模式是列车的正常运行模式,车载ATP根据获得的各项列控信息,能够判断列车位置和停车位置(或目标点位置),在保证列车速度满足线路固定限速、临时限速、车辆构造速度、目标点限速等条件下,生成目标-距离模式曲线(当前方目标点为停车点时,生成目标速度为0的闭口模式曲线;当前方目标点为限速点时,生成目标速度为限速值的模式曲线),并连续监控列车速度,当列车速度超过允许速度时,自动输出常用制动或紧急制动命令,同时,通过人机界面显示列车实际速度、允许速度、目标速度和目标距离等信息。根据文献的规定,当列车速度超过允许速度时,列控系统按高于允许速度2km/h开始报警、5km/h触发常用制动、10km/h(250km/h以下线路)或15km/h(250km/h以上线路)触发紧急制动对列车进行超速防护。由于采用了闭口控车模式,因此完全监控模式在正常情况下能够保证列车不超速、不冒进,可以安全运行。但在非正常情况下,可能无法保证列车的运行安全,例如:(1)当列车制动系统发生故障,致使列车制动力下降并超出规定值时;(2)列车运行前方制动距离范围内突然发生钢轨断裂、落物侵限、地震等事件时。以上非正常情况均非信号系统原因导致,而且也难以防范,按照国际惯例,列控系统不予考虑。所以,以下分析也不再予以考虑。1.2.2文保制度的限制部分监控模式是车载ATP设备接收到轨道电路允许行车信息,而缺少应答器提供的线路数据或限速数据时使用的模式,ATP给出最高限速值控制列车运行。(1)tp输出最高减速控制列车停车列车在区间或站内正线上以部分监控模式运行时,如果收到U、LU、L、L2、L3、L4、L5等允许行车信息,则ATP给出45km/h(对应的常用制动NBP为50km/h)的最高限速值控制列车运行;如果转入无码,或收到HU码或H码,则ATP立即输出最大常用制动,迫使列车停车。由于我国高速铁路CTCS-2、CTCS-3级列控系统不考虑小于45km/h的线路限速,因此,在上述情况下,部分监控模式也能保证列车不超速、不冒进,可以安全运行。(2)列车进路监控验证该模式在侧向接车时又分如下几类情况。(1)正常接车,进站后转部分监控模式:列车在区间运行,ATP处于完全监控模式。当列车运行到进站信号机外方,ATP收到地面轨道电路UU码或UUS码信息后,立即生成一组模式曲线控制列车安全驶向进站信号机,以常用制动监控曲线为例,其目标速度值为VC+5km/h(UU码时VC为45km/h,对应NBP为50km/h;UUS码时VC为80km/h,对应NBP为85km/h)。如果ATP在列车进入进站信号机后仍未能收到进站应答器信息或只收到默认信息,则立即转入部分监控模式。之后,ATP如果收到HU码,则立即生成闭口的模式曲线,使列车停车;如果在UU码之后没有收到任何码,则继续按顶棚速度VC+5km/h(即50km/h)控车;如果在UUS码之后没有收到任何码,则先按顶棚速度VC+5km/h(即85km/h)控车;列车运行1500m后,ATP改按顶棚速度50km/h控车。当列车实际速度大于顶棚速度时,ATP输出紧急制动,迫使列车停车。列车停车后,如果尚未达到规定停车点,则司机人工操作,将ATP转入目视行车模式后控制列车前行。高速铁路车站一般都采用一体化轨道电路,整个接车进路全程都有连续式列控信息。当站内停车时,整个接车进路各轨道区段均发送HU码,因此,列车以部分监控模式进站后,立即生成最大常用制动曲线,使列车停车。其监控曲线如图1中的实线部分。高速铁路也存在个别车站(如某些大站)仅正线和股道采用一体化轨道电路或股道电码化的情况,咽喉区没有连续式列控信息,或者接车进路采用了一体化轨道电路,但其所有区段均因故停止发码(高速铁路不少中间站的侧向进路只有一个轨道区段)。当列车以部分监控模式进站后,车载ATP先按顶棚速度VC控车,当列车进入股道收到HU码后,立即生成闭口模式曲线,使列车停车。列车进站后的监控曲线如图1中虚线所示。以CRH2-200型动车组为例,其50km/h、85km/h制动到0的最大常用制动距离如表1所示。高速铁路进站信号机与同方向出站信号机之间的距离一般在1000m以上,到发线有效长650m,出站信号机距警冲标距离取55m,两出站信号机的距离最小为540m(650-2×55=540),再扣除车头与轨道电路接收天线之间的距离约5m,由表1可得如下结论。a.当站内咽喉区有连续式列控信息时,ATP部分监控模式能保证列车不冒进出站信号机。b.当站内侧向接车的道岔不大于12号道岔时,由于列车进站入口速度较低,不管站内坡度多大(文献规定,站内线路坡度在±6‰以内),不管接车咽喉区有没有连续式列控信息,只要股道上有连续式列控信息,ATP部分监控模式也能保证CRH2型动车组不冒进出站信号机。c.当站内侧向接车的道岔为18号道岔,且股道为下坡度时,站内咽喉区如果没有连续式列控信息,因股道长度(不是股道有效长)小于CRH2型动车组的常用制动距离,所以,列车有可能冒进出站信号机,但没有冒进警冲标,行车安全仍有一定保障(其他类型的动车组是否会冒进警冲标有待检算)。d.当车站采用股道电码化方式时,如果在列车进入股道前,股道发码器故障导致ATP接收不到连续式列控信息,ATP则一直按顶棚速度VC控车,如果司机减速停车控制不当,列车将有可能冒进出站信号机,在此种情况下,列控系统还有最后一道安全防护措施,即列车经过出站应答器组时,ATP收到“绝对停车”报文,会立即实施紧急制动。如图1中点划线所示。CRH2型动车组85km/h或50km/h紧急制动距离如表2所示。由于出站应答器组与出站信号机的距离为30~65m,与警冲标的距离只有85~120m,均小于列车85km/h或50km/h的紧急制动距离,因此,既使有最后一道安全防护措施,仍存在列车冒进警冲标、形成列车侧面冲突的可能,危及行车安全。所以股道不应采用开环电码化方式,至少要采用真正意义的闭环电码化,闭环监测结果要纳入联锁;尽量采用一体化轨道电路。一旦股道发码故障,通过联锁系统立即关闭进站信号,进一步提升安全防护能力。(2)正常接车,站外已经处于部分监控模式:列车在进站外方闭塞分区收到UUS码后,ATP生成顶棚速度为85km/h的限速线控制列车限速运行,在进站过程中,若仍未接收到进站应答器信息,列车仍维持部分监控模式,其安全性分析同(1)。(3)引导接车:进站信号机因故开放引导信号,列车运行到站外,ATP接收到HB码后按目标速度20km/h(NBP为25km/h)控车,当列车越过进站信号机后,自动转入部分监控模式中的引导小模式,ATP生成固定限速20km/h(NBP为25km/h)的限速线控制列车运行,同时要求司机在列车运行200m或者60s内按压警惕按键,否则,ATP立即生成闭口模式曲线,输出紧急制动。在该情况下,司机如果控车不当,列车将有可能冒进出站应答器组,当ATP收到“绝对停车”报文后,立即实施紧急制动。动车组列车25km/h紧急制动距离如表2所示。从表中数据可见,其制动距离较短,列车没有冒进警冲标。但当列车越过出站应答器组时,ATP若因故仍未收到应答器“绝对停车”报文,则不能防止列车冒进警冲标。不过,现实中发生冒进警冲标的可能性不大,因为,列车每运行200m或者60s,ATP都会提醒司机,出站应答器组故障的几率也很低。(3)列车进出含反向应答器组—侧向发车(1)正常发车:列车驶入出站信号机前,ATP因没有收到出站应答器组的信息而自动转入(或保持)部分监控模式。当列车在发车咽喉区收到允许行车信息或没有收到任何连续式信息时,ATP按45km/h(NBP为50km/h)的限速值控制列车运行(如果股道发UUS码,列车越过出站信号机后没有收到任何连续式信息,则ATP先按顶棚速度85km/h控车;运行1500m后,改按顶棚速度50km/h控车)。如果收到HU或H码,则立即生成最大常用制动曲线,使列车停车。如果列车在出站口处收到了应答器信息和轨道电路信息,ATP则自动转入完全监控模式。这种运营场景可能存在如下安全性问题。假设发车进路没有采用一体化轨道电路,或者发车进路各轨道电路因故停止发码,且一离去区段小于列车从VC→0的制动距离。当列车以部分监控模式发车时,列车有可能冒进二离去闭塞分区,酿成追尾事故。(2)引导发车:高速铁路出站信号机有引导信号,当发车进路或一离去区段轨道电路故障时,列车可以凭引导信号出站。当列车起动时,ATP接收到HB码后,ATP按目标速度20km/h控车,当列车越过出站信号机后,ATP转入部分监控模式中的引导小模式,生成固定限速20km/h(NBP为25km/h)的限速线控制列车运行,同时要求司机在列车运行200m或者60s内按压警惕按键,否则,ATP生成闭口模式曲线,输出紧急制动。其安全性与侧向接车的(3)相同。总结以上分析可知,进站(含反向)应答器组、出站应答器组的可靠性对CTCS-2级列控系统非常重要,其中进站应答器组更为重要。这些应答器组一旦发生故障,将导致ATP转入部分监控模式,而部分监控模式在防超速、防冒进方面有上述不足之处。归纳总结起来,有如下几点。a.当站内股道有效长不大于650m、侧向接车进路道岔不小于18号时(这正是最常规的普遍情况),ATP难以确保列车不冒进出站信号机。b.如果站内侧向接车进路全部没有发码,列车就有可能冒进出站信号机,甚至冒进警冲标。c.如果一离去区段长度小于列车从VC→0的全制动距离,列车就有可能冒进二离去闭塞分区。d.引导接车或发车时,列车何处停车完全由司机控制,ATP没有防冒进功能,或防冒进能力较弱。1.2.3列车每运行200m/60s制模式目视行车是司机控车的固定限速模式,限速值为20km/h(NBP为25km/h)。在转入目视行车模式前,必须使列车停车,之后由司机操作转入该模式。该模式要求司机在列车每运行200m或者60s内按压警惕按键,否则,ATP生成闭口模式曲线,输出制动。该模式下地面连续式信息不起作用,但应答器中“绝对停车”报文有效。目视行车模式和引导接车的部分监控模式基本一样,只有防超速功能,由于对司机有周期性的语音提醒和确认操作措施,列车运行速度又较低,而且列车在冒进出站应答器组时,“绝对停车”报文还可以触发列车紧急停车,因此,发生冒进的可能性应该很低。1.2.4列控车载设备隔离模式是ATP控制功能停用的模式。列车停车后根据调度命令,司机操作隔离手柄使列控车载设备转入隔离模式。若列控车载设备能提供机车信号,200~250km/h的动车组可采用LKJ控制列车运行(限于篇幅等原因,本文不讨论LKJ的安全性)。在没有LKJ的情况下,隔离模式意味着司机只能在没有任何技术设备保障的情况下驾驶列车,行车安全完全由司机负责。1.2.5调车作业的安全性调车模式是动车组进行调车作业的固定限速模式,限速值为40km/h(NBP为45km/h)。司机停车时,司机按压按钮才会转入(或退出)调车模式。在调车模式下,ATP如果收到“绝对停车”报文或“调车危险”报文,都会立即输出紧急制动,使动车组停车。由于进站信号机(含反向)、出站信号机处,以及有调车作业并有可能危及列车运行安全的调车信号机处外方都设有有源应答器组,都能发送“绝对停车”报文和“调车危险”报文,因此调车作业的安全性有一定保证,但仍有缺陷,例如:a.相应的应答器发生故障时,因未能反馈给联锁系统,故调车信号仍然开放;b.调车应答器组距离调车信号机只有15m,而车上的应答器天线距离动车组前端就有10多m,再加上动车组从45km/h制动到0的距离,很显然,调车应答器的设置并不能有效保证动车组冒进调车信号。1.2.6正常接收应答器待机模式是ATP上电后的默认模式。ATP自检完成后自动处于待机模式,此时,ATP无条件输出制动,防止列车移动(防溜逸),但可以正常接收连续式信息和应答器信息。该模式列车不能移动,所以没有安全性问题。2ctec-3级台阶管理系统的安全分析2.1ctcs-3级列控系统。uCTCS-3级列控系统是一种基于GSM-R无线通信系统传输列控信息的列控系统,它在CTCS-2级列控系统的基础上,地面增加了无线闭塞中心(RBC)设备,车载设备增加了GSM-R无线电台和无线信息接收模块,通过GSM-R无线网络实现车地间信息双向传输。CTCS-3级列控系统具有CTCS-2级功能,如果RBC或无线系统故障,或列车进入了CTCS-2级线路,可以降级到CTCS-2级控车。与CTCS-2级列控系统相比,CTCS-3级列控系统的主要区别就是地面增加了RBC设备(一般集中设置在TSRS的机房内),出站应答器组改设在出站信号机外方20m处。2.2模式转换的操作CTCS-3级列控系统的车载子系统有完全监控、引导、目视行车、调车、隔离、待机等控车模式,除引导模式、目视行车模式可以自动转为完全监控模式外,其余模式转换必须人工操作。当RBC或无线通信系统故障,或列车进入了CTCS-2级线路时,可转为CTCS-2后备控车模式,CTCS-2后备控车模式又包括完全监控、部分监控、目视行车、调车、隔离、机车信号、待机等模式。2.2.1运行目标-距离模式曲线完全监控模式是列车的正常运行模式。车载ATP根据获得的各项列控信息,能够判断列车位置和停车位置(或目标点位置),在保证列车速度满足线路固定限速、临时限速、车辆构造速度、目标速度等条件下,生成目标-距离模式曲线(当前方目标点为停车点时,生成目标速度为0的闭口模式曲线;当前方目标点为限速点时,生成目标速度为限速值的模式曲线),并连续监控列车速度,当列车速度超过允许速度时,自动输出常用制动或紧急制动命令,同时,通过人机界面显示列车实际速度、允许速度、目标速度和目标距离等信息。因此完全监控模式能够保证列车不超速、不冒进,可以安全运行。2.2.2取消引导总锁闭方式CTCS-3级的引导模式与CTCS-2级的引导模式完全不同。首先是使用条件不同,CTCS-3级的引导模式仅用于进路式引导的情况(取消引导总锁闭方式),此时引导进路的道岔定反位有表示,联锁系统能给出进路信息。此外,控车方式也不同,CTCS-3级的引导模式实际上就是完全监控模式中的一个特例,ATP按照入口速度为40km/h(NBP为45km/h)的闭口模式曲线控车,能显示动态速度曲线和目标距离,能保证列车不超速、不冒进。2.2.3nbp/hCTCS-3级的目视行车模式与CTCS-2级的目视行车模式基本相同,只是限速值增大到40km/h(NBP为45km/h)。经测算,CRH3型动车组45km/h的紧急制动距离可达120m以上,而CTCS-3级区段站内出站应答器组与警冲标的距离只有75m,因此,在司机操作不当的情况下,列车有可能冒进出站信号机,甚至冒进警冲标,其风险大大高于CTCS-2级列控系统的目视行车模式。2.2.4不同分级控制器的监控模式CTCS-3级列控系统的部分监控模式仅用于CTCS-2级控车,它与上节所述的CTCS-2级列控系统部分监控模式基本相同,只是引导接发车的限制速度也提高到40km/h(NBP为45km/h)。这样一来,引导接车时的安全性问题就与目视行车模式一样,即在司机操作不当的情况下,列车有可能冒进出站信号机,甚至冒进警冲标,危险性增大。2.2.5其他控制模式其他3种控车模式(如隔离模式、调车模式、待机模式)与CTCS-2级列控系统完全相同,这里不再重复。3模式4:完全监控模式+风险通过以上分析可知,从信号专业的角度分析,CTCS-2、CTCS-3级列控系统的完全监控模式、待机模式以及CTCS-3级的引导模式是有安全保证的;而隔离模式意味着ATP完全退出控制,其行车安全完全由司机负责;其余的部分监控模式、目视行车模式、调车模式都有一定的安全性缺陷或不足,有待进一步改进、完善。可以采取如下措施。(1)增设同源道,增设实施ctcs-2级监控(1)通过改进生产工艺、选用性能更优的元器件和材料、设备内部采用有效的冗余设计,进一步提升信号系统设备的可靠性。(2)针对进站信号机、出站信号机外方有源应答器组故障导致CTCS-2级ATP转为部分监控的问题,可否考虑冗余设置一套有源应答器,以减少转部分监控的可能性?建议优先考虑在进站(含反向)外方增设一套冗余的有源应答器组,因为其重要性更大。(3)从工程上改进CTCS-2级列控系统由部分监控模式转入完全监控模式的条件。例如,在侧向接车时,让股道上的反向出站应答器组提供接车进路信息,并与正向出站应答器组链接,列车因故按部分监控模式进站并进入股道后,使ATP立即恢复到完全监控模式。(2)补充发码方案(1)站内采用全进路发码方式可以提高系统的安全性。前面已经分析,当列车以部分监控模式进站或出站时,ATP因能在咽喉区及时收到HU码,可以提前生成闭口模式曲线,使列车制动减速停车,避免冒进信号。(2)如果站内没有采用全进路发码方式,而股道长度又不满足列车从VC→0的常用制动距离要求,为节省工程投资,也可以在侧向接车进路的最后一个轨道区段(即与股道衔接的道岔区段)采取措施补充发码。同样,如果一离去区段长度不满足列车从VC→0的常用制动距离要求,也可以在侧向发车进路的最后一个轨道区段(即与一离去衔接的轨道区段)采取措施补充发码。其安全防护效果与(1)近似等效。(3)正常情况下,应按照文献规定的“一离去区段长度应满足动车组由80km/h常用制动停车的要求”进行工程设计。但在不能满足这一要求的特殊情况下,建议采用降级发码的补充措施,即如果侧向发车出站信号机开放且二离去区段被占用,则股道发车端只能发UU码,将列车速度控制在45km/h以下。(4)车站不要采用常规的股道电码化方式,股道应采用一体化轨道电路,或采用闭环电码化方式,当采用闭环电码化方式时,闭环监测结果要纳入联锁。(5)为避免接车进路各轨道区段(含股道)的发码器因合用的电源回路断电引起部分监控的不安全,工程设计时可将股道的发码器与咽喉区的发码器分开引接供电电源。(6)ATP车载设备增加周期性的语音提醒和司机确认功能。目前,引导接车情况下的部分监控模式要求司机在列车运行200m或60s以内按压警惕按键,否则触发制动。建议将这种防护措施扩展到其他情况的部分监控模式(列车运行距离指标可以适当调整)。(7)取消部分监控模式中的引导小模式,调整为与CTCS-3级完全相同的引导模式。即要求车站引导接车和引导发车只能采用进路式引导方式,联锁系统给出进路信息,进站应答器组、出站应答器组根据进路信息提供相关列控信息等,ATP按闭口模式曲线监控列车运行,即使站内轨道区段没有连续式信息,也能保证行车安全。因此,这种独立出来的引导模式实际上已经升级为一种特殊的完全监控模式,可以将引导进路的入口速度提高到40km/h。(3)出站应答器