张海东

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

我国高速铁路车站的部分道岔采用1/18号以上大号码道岔，目的是提高列车侧向经过道岔时的速度[1]。尤其是起到衔接相邻线路作用的线路所，为保证列车能够快速转线，多采用大号码道岔来提高列车运行效率[2]。而列车得知运行前方经过的大号码道岔侧向位置是通过应答器来实现的，即列车经过大号码道岔应答器后接收到来自大号码道岔应答器传递的报文信息，进而产生行车凭证，控制列车以规定速度侧向通过前方道岔[3-7]。

高速铁路应答器系统的作用是在特定地点完成地面与车载设备间数据的传输[8-9]。应答器信息传输系统的原理框图如图1所示。

图1 应答器系统结构原理

其中，实线框内为应答器信息传输车载设备，包括应答器信息接收单元BTM及应答器接收天线。其中，应答器信息接收单元用来接收、解调地面应答器信号，并将解调后的信息传送给车载主机单元。应答器信息接收天线用于接收应答器信息，安装在头车车体底部的横向中心线上[10-11]。

虚框部分是应答器信息传输地面设备，无源应答器用来存储线路固定限速信息，线路坡度信息及列控系统级间转换等一些固定数据信息。有源应答器用于存储一些实时信息，如进路信息、临时限速信息等。

本文研究的大号码道岔临时限速信息是通过有源应答器传递给列车，临时限速信息报文发送的时机为：当车站值班员办理了一条经过大号码道岔侧向位置的进路后，列控中心会生成限速报文传输给地面电子单元LEU，地面电子单元将列控中心发送的应答器报文命令经过驱动放大后发送至室外应答器中[12]。当列车经过地面应答器上方后，应答器接收到高频能量后被唤醒，将其存储的报文信息以频移键控信号的形式传递给应答器接收天线，进而传递给BTM形成控车信息。当列车远离地面应答器以后，应答器又开始进入“休眠”状态。

既有大号码道岔应答器的布置原则是：“在距大号码道岔外方，宜在发送U2S闭塞分区入口200 m处设置大号码道岔应答器组[13]”。此时，在特定运营场景下列车经过大号码道岔应答器时，会存在超速过岔的风险[14-18]。因此，亟需采取相应措施解决超速过岔风险。

1 特殊运营场景下既有大号码道岔设置存在弊端分析

1.1 紧追踪运营模式

紧追踪运营模式如图2所示，图中9号道岔是1/42号大号码道岔，车站内其余道岔均为1/18号道岔，TB10099—2017《铁路车站及枢纽设计规范》及《铁路道岔参数手册》中规定：“1/42号道岔的列车侧向过岔限速为160 km/h，1/18号道岔的列车侧向过岔限速为80 km/h[19-20]”。

图2 紧追踪模式下列车进路示意

当车站值班员给列车1办理了往3G的接车进路后，如图2中红线进路所示，车站列控中心随即控制大号码道岔应答器组发送大号码道岔信息包[CTCS-4包]，随着列车1的运行，车载设备接收到应答器报文后，结合钢轨传递的移频信号码序产生行车凭证，控制列车运行。

而在紧追踪运营模式下，列车1未进站之前，后续列车2追踪运行进入到大号码道岔所在闭塞分区，这里需注意的是列车1未进站前，列控中心会一直控制大号码道岔应答器发送大号码道岔报文，即随着列车2的运行其接收到了大号码道岔信息包[CTCS-4包]。

根据列车1所处的位置，具体场景如下。

场景1：列车2在大号码道岔应答器区段，列车1处于1621G(即2JG区段)。此时列车2的行车许可终点未到大号码道岔所在地点，不会出现超速过岔的危险情况发生。

场景2：列车2在大号码道岔应答器区段，列车1在1637G(即3JG区段)。此时列车2的行车许可终点未到大号码道岔所在地点，不会出现超速过岔的危险情况发生。

场景3：列车2在大号码道岔应答器区段，列车1越过进站信号机位于道岔区段。此时列控中心会控制大号码道岔应答器停止发送大号码道岔报文，同时列车2的行车许可终点仍然在进站信号机外方，未到大号码道岔所在地点，因此也不会出现超速过岔的危险情况发生。

场景4：列车2在大号码道岔应答器区段，且停靠在大号码道岔应答器组与1621信号机之间，只有当列车1进站停靠至3G以后，车站值班员随即给列车2办理了一条往4G的接车进路，如图2中绿线所示，此条进路上无大号码道岔，因此，道岔的侧向过岔限速是80 km/h，但列车2的车载设备会启用已接收到的大号码道岔信息包[CTCS-4包]，同时结合1637G发送的UUS码移频信号共同产生控车信息，意味着列车运行前方是经过1/18号道岔的侧向接车进路，但车载设备仍然以侧向过岔160 km/h的速度控车，这样就存在超速过岔的风险，严重时会造成脱轨情况发生，危及行车安全。

1.2 接车进路变更运营模式

接车进路变更运营场景如图3所示，车站值班员给列车1办理了一条接至3G的接车进路，列车1运行到1621区间通过信号机前停车，停车前已经接收到了大号码道岔应答器组发送大号码道岔信息包[CTCS-4包]。但车站值班员临时变更了接车进路，即办理了一条接至IIG的进路，如图3中蓝线进路所示。办理完接车进路信号开放后，列车1继续前行越过1621信号机后接收到U2S码序(意味着列车运行前方下一架信号机开放的是经过1/18号及以上道岔的侧向接车进路)，同时启用大号码道岔信息包[CTCS-4包]，轨道电路传递的控车信息及应答器传递的控车信息均指示车载设备以侧向过岔160 km/h的速度控车，这样就存在超速过岔的风险，严重时会造成脱轨情况发生，危及行车安全。

图3 接车进路变更模式下列车进路示意

经过研究发现，上述两种运营场景下均存在列车超速过岔的风险，尤其在高速铁路车站，为提高运行效率，较多采用大号码道岔，因此，针对上述情况，亟待提出解决方案对列车超速过岔进行防护，从列控中心优化控制应答器报文及大号码道岔应答器组优化设置方面入手，解决上述问题。

2 大号码道岔超速过岔防护研究

2.1 大号码道岔应答器组报文控制研究

针对上节所述运营场景存在问题，对大号码道岔应答器组报文展开研究，大号码道岔报文信息包[CTCS-4包]如表1所示。道岔过岔速度是通过V_TURNOUT变量控制，7位数报文信息通过调制后形成相位连续式2FSK上行链路信号供机车接收。

表1 应答器报文信息

为了解决紧追踪模式下后续列车可能存在的超速过岔风险，提出报文及时停发防护控制，即大号码道岔应答器所在闭塞分区(不含)至防护大号码道岔信号机之间的闭塞分区有车占用时，修改列控中心报文控制策略，使得大号码道岔应答器组不能发送大号码道岔应答器报文。这样在紧追踪运营模式下，列车1虽还未进站，列车2即使追踪运行进入到大号码道岔所在闭塞分区，经过大号码道岔应答器后也不会接收到大号码道岔应答器报文，列车2运行前方是经过1/18号道岔的侧向接车进路时，车载设备仍然以侧向过岔80 km/h的速度控车，这样就解决了紧追踪模式下超速过岔的风险。

2.2 大号码道岔应答器组设置位置优化研究

上述通过列控中心控制应答器报文及时停发防护虽然解决了紧追踪模式下可能存在的列车超速过岔风险，但对于接车进路变更场景下存在的列车超速过岔风险仍未能解决。这是由于此场景下大号码道岔应答器所在闭塞分区(不含)至防护大号码道岔信号机之间的闭塞分区里无列车，没有列车列控中心就不能触发应答器报文及时停发控制策略，即列车经过大号码道岔应答器后，当进路变更，进站信号机重新开放后，列车仍然以侧向160 km/h的速度经过道岔，存在超速过岔风险。

本次研究将大号码道岔应答器组设置于大号码道岔外方发送U2S码的闭塞分区入口内方≥200 m处，该应答器设置如图4所示。

图4 大号码道岔应答器移设示意

当给列车排列了一条经1/42号道岔的侧向进路，假如列车接收到大号码道岔应答器发送的报文信息后停在1637信号机前方，此时进路变更，又排列了一条经1/18号道岔的侧向进路，这时列车接收到移频信号码序的变化情况为：U2S-U-U2S，即存在码序变化的情况，车载设备接收到变化的码序后会自动降速，控制列车以80 km/h的速度过岔。如大号码道岔应答器位置不移设，仍然在一接近区段(1621信号机外方200 m处)，则进路变更后，列车接收到移频信号码序情况为：LU-LU-LU，即不能通过移频信号的码序变化实现车载设备的降速防护。

在工程实施过程中，对于已开通运营的线路，移设应答器组方案涉及列控中心和无线闭塞中心软件修改、应答器报文修改以及应答器安装和线缆敷设等室外工程，实施难度大，对既有线运营影响也大，工程投资高。因此，采取码序降级防护措施，即大号码道岔应答器所在进路始端信号机外方LU区段为占用状态，若大号码道岔进路取消或信号关闭，再次开放其他经1/18号道岔的侧向进路，接近区段发U2码或UU码，如表2所示，并向联锁发送降级信息，直至列车越过大号码道岔防护信号机或大号码道岔应答器所在闭塞分区，至防护大号码道岔信号机之间的闭塞分区均为空闲状态后恢复常态。此方法中虽然列车接收到了大号码道岔信息包[CTCS-4包]，但接近区段轨道电路码序已降级为U2码或UU码(UU码意味列车以不超过45 km/h速度侧向经过前方道岔)，即应答器传递的控车信息与轨道电路传递的控车信息不一致，车载设备控制列车减速，以导向安全侧的控车信息行车，解决了超速过岔的风险。

表2 码序降级变化

3 优化研究的工程应用与验证

针对工程进展情况，提出具体方案解决大号码道岔处列车可能存在的超速过岔风险。在工程设计阶段就将大号码道岔应答器组设置于发送U2S码的闭塞分区入口内方≥200 m处。并将“大号码道岔应答器所在闭塞分区(不含)至防护大号码道岔信号机之间的闭塞分区有车占用时，控制大号码道岔应答器组不能发送大号码道岔应答器报文”的控制策略写入车站列控中心软件中，来保证列车不会超速过岔。

以沪渝蓉高铁龙城线路所为例，龙城线路所示意如图5中虚线框内所示。为提高列车过岔时的速度，保证列车运行效率，龙城线路所1号及3号道岔采用1/42号大号码道岔，在大号码道岔外方适当位置处设置有大号码道岔应答器组。下面分别从报文控制策略及应答器组位置调整方面进行研究，对列车车载控车曲线进行优化，来解决列车超速过岔问题。

3.1 报文控制策略优化后紧追踪模式下车载控车曲线研究

由南京方面(合宁客专)发往合肥南方面的列车需在肥东站IG停靠，则龙城线路所需办理经过1/42号道岔侧向通过进路。

图5 龙城线路所大号码道岔布置示意

紧追踪场景下前后两列车的车载控车曲线如图6所示。图6(a)中龙城线路所给列车1办理了经过1号道岔(1/42号)侧向往肥东站IG的接车进路，列车1在XL线路所通过信号机前降速至160 km/h，接着以160 km/h的速度经过道岔侧向，同时肥东站办理了下行往IG的接车进路后，列车在XI出站信号机前降速至0后停车。若未采取大号码道岔应答器报文及时停发防护策略，列车2在列车1还未经过龙城线路所大号码道岔侧向进路之前仍然会收到大号码道岔信息包[CTCS-4包]，此时列车2在龙城线路所的二接近区段3327G防护信号机外方开始加速，经过龙城线路所XL线路所通过信号机外方速度已提高至160 km/h，车站值班员在龙城线路所再给列车2办理了一条经1号道岔直向，5号道岔(1/18号)侧向往肥东站Ⅱ-3股道的接车进路后，就存在超速过岔的风险。

图6(b)为采取了大号码道岔应答器报文及时停发防护策略后的列车车载控制曲线，可以看出，大号码道岔应答器所在闭塞分区(不含)至防护大号码道岔信号机之间的闭塞分区(即龙城线路所的三接近区段3315G)有车占用时，大号码道岔应答器组不会发送大号码道岔应答器报文，这样列车2就不会接收到大号码道岔信息包[CTCS-4包]。此时，如果给列车2办理了一条经1号道岔直向，5号道岔(1/18号)侧向往肥东站Ⅱ-3股道的接车进路后，列车车载设备结合接收到的移频信号码序，控制列车2在XL线路所通过信号机前方将速度提升至80 km/h，以不大于80 km/h的速度经过道岔侧向位置，就不会存在超速过岔的风险。

图6 紧追踪模式下车载控车曲线

3.2 应答器组位置调整后接车进路变更模式下车载控车曲线研究

由南京方面(合宁客专)发往合肥南方面的列车，经过龙城线路所时办理了一条经1号道岔(1/42号)侧向通过的进路。对列车1而言，当存在进路变更场景时列车的车载控车曲线如图7所示。可以看到，在大号码道岔应答器组位置未移设前(位于二接近3327G外方)，列车在二接近区段防护信号机前停车时车载已经接收到了大号码道岔信息包[CTCS-4包]。此时，接车进路由之前的经1号道岔(1/42号)侧向变更为经1号道岔直向，5号道岔(1/18号)侧向往肥东站Ⅱ-3股道的接车进路后，一接近区段3339G的轨道移频信号码序未发生改变，一直是LU码，则车载设备结合应答器报文信息及轨道电路码序控制列车以160 km/h的速度行车，经过5号道岔(1/18号)侧向时存在超速过岔的风险。

图7 应答器组位置调整后车载控车曲线

将大号码道岔应答器组位置移设至二接近区段3327G内方后，分两种场景，一种是列车在二接近区段3327G通过信号机前方停车，停车时列车没有接收到大号码道岔信息包[CTCS-4包]，虽然接车进路发生了变更，变更后车站列控中心根据进路实际情况控制大号码道岔应答器不会发送报文信息，这样列车会根据钢轨上传递的轨道电路移频信号码序控车，在XL进站信号机前降速至80 km/h，不会产生超速过岔的风险。另一种情况是列车在三接近区段3315G通过信号机前停车，停车后列车虽然已接收到了大号码道岔信息包[CTCS-4包]，同时接车进路发生了变更，但在进路发送变更的时候，二接近区段3327G的轨道电路码序发生了变化，即由U2S变为U，再变为U2S，车载设备接收到变化的码序后，会导向安全侧降速控车，以不大于80 km/h的速度侧向经过5号道岔(1/18号)，避免了超速过岔的风险。

4 结论

为保证铁路运输效率，大号码道岔被广泛应用至高速铁路，而大号码道岔应答器组的作用是给列车传递准确的过岔速度信息，因此，应答器组的合理设置就显得尤为重要，主要研究成果及创新点如下。

(1)分析了既有大号码道岔应答器组的设置位置及车站列控中心关于大号码道岔应答器报文发送时机在特定运营场景下存在危及行车安全的情况。

(2)提出列控中心报文及时停发防护策略及大号码道岔应答器组位置优化设置，解决了既有大号码道岔应答器组设置原则下存在的弊端。

(3)将此方法应用至沪渝蓉高速铁路龙城线路所外大号码道岔应答器处，结合工程实际，优化研究验证了上述方法的可行性及可实施性，为其他工程设计提供借鉴经验。