張馨則，劉木齊，馮 翔

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

京滬高鐵是我國“八橫八縱”高速鐵路主通道之一，是世界上一次建成線路最長、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，其中，設(shè)計速度380 km/h，當(dāng)前運營速度350 km/h，列車最小追蹤間隔按照3.5 min 設(shè)計，全線采用CTCS-3 級列車控制系統(tǒng)，在京滬聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，在既有的CTCS-3 級列控系統(tǒng)下，已經(jīng)按照速度380 km/h 進(jìn)行運行。而列車最高時速的記錄上，和諧號”380A 新一代高速動車組最高時速達(dá)486.1 km。隨著民眾對高速鐵路出行的需求越來越大，以及高鐵車體與基建水平的不斷提高，在更高速度（如400 km/h）下的列控系統(tǒng)研究就尤為重要。

而無線閉塞中心RBC 作為CTCS-3 級列控系統(tǒng)的核心設(shè)備，在列車更高速度的運行模式下，研究其MA 的生成和傳輸技術(shù)就顯得尤為重要。

2 行車許可發(fā)送方式研究

根據(jù)車地?zé)o線報文定義，行車許可格式的具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 行車許可信息格式Tab.1 Movement authority message format

在列車更高運行速度條件下，R B C 給列車發(fā)送的行車許可覆蓋的范圍將更廣，行車許可所包含的內(nèi)容也將更多，即將包含更多的應(yīng)答器鏈接信息、更多的變坡點、更多的變速點、更多的線路條件等，其中，P21 坡度曲線和P27 速度曲線是需要覆蓋整個行車許可范圍的，P5 應(yīng)答器鏈接信息按照M A 范圍內(nèi)不超過最大數(shù)量（30組）發(fā)送，其他可選信息包雖然也需要覆蓋整個行車許可范圍，但屬于動態(tài)變化的數(shù)量，且數(shù)量較少，例如臨時限速只有在設(shè)置的情況下才會存在，等級轉(zhuǎn)換點只有在確定的等級轉(zhuǎn)換位置才會存在。

由此可知，P21 坡度曲線和P27 速度曲線對行車許可的影響較大，因為這二者數(shù)據(jù)量較大，且是靜態(tài)存在的。因此，本課題對P21 坡度曲線和P27速度曲線的發(fā)送規(guī)則進(jìn)行研究。

這里從兩個角度對P21 坡度曲線和P27 速度曲線與行車許可消息的關(guān)系進(jìn)行分析，一個是數(shù)量，另一個是字長。

1）P21 坡度曲線和P27 速度曲線數(shù)量的影響

根據(jù)協(xié)議定義，P21 坡度曲線和P27 速度曲線的最大個數(shù)均為32 個，也就是說，每個P21 坡度曲線和P27 速度曲線的最大描述參數(shù)數(shù)量為32 個。根據(jù)實際工程參數(shù)統(tǒng)計,可以得出每個P21/P27 對行車許可長度限制如表2 所示。

表2 坡度/速度曲線對行車許可長度限制Tab.2 Gradient/speed curve limits to movement authority length

可見，線路速度曲線和坡度曲線個數(shù)均滿足最大32 km 行車許可長度的要求。

2）P21 坡度曲線和P27 速度曲線字長的影響

采用無線通信方式，考慮到通信指標(biāo)和加密算法的影響，需要滿足無線消息最大長度500 Byte 的限制。

根據(jù)協(xié)議定義，行車許可固定的消息長度在20 Byte 左右，P5 鏈接信息包往往能夠達(dá)到最大數(shù)量，字長為180 Byte 左右。所以，剩余的消息長度為300 Byte 左右。其中，P21 坡度曲線和P27 速度曲線是靜態(tài)存在的，其字節(jié)長度為P21：（54+24×坡度個數(shù)）/8，P27：（58+28×坡度個數(shù)）/8，除此以外還有若干可能存在的臨時限速包、等級轉(zhuǎn)換包、文本消息包、模式曲線包等等。對P21 和P27計算如表3 所示。

可見，P21 和P27 如果達(dá)到最大數(shù)量，則行車許可的消息長度將達(dá)到350 Byte，相對于500 Byte 的最大容量，行車許可字長還有150 個字節(jié)可以填充臨時限速、等級轉(zhuǎn)換、模式曲線等信息包，該字節(jié)容量足夠。

表3 坡度/速度曲線對行車許可字長影響Tab.3 Gradient/speed curve affect on movement authority word length

綜上，P21 坡度曲線和P27 速度曲線的字長基本不影響系統(tǒng)行車許可的長度，也不會對列車運行速度造成限制。

3 行車許可安全與可用性研究

考慮兩個時間參數(shù)對列車運行的影響，一個參數(shù)為列車位置報告周期時間，另一個為無線超時時間。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析時間參數(shù)和縮短列車行車許可策略的關(guān)系。

1） 通信參數(shù)影響

根據(jù)通信參數(shù)分析，在列車更高速度條件下，車地通信指標(biāo)仍然能夠滿足要求。因此，從通信的角度看，在更高速度條件下，無需調(diào)整列車位置報告周期時間和無線超時時間參數(shù)。

2） 列車位置跳變距離影響

假設(shè)列車運行速度為v，列車運行時間為t，則列車運行距離和列車運行速度的關(guān)系為L=vt。

目前，列車位置報告周期為6 s，無線超時時間設(shè)置為20 s，采用不同速度時關(guān)系如表4 所示。

表4 不同速度下不同場景列車走行距離Tab.4 Train travel distances in different scenes at different speeds

可見，列車位置跳變的距離和列車運行速度成正比，也就是說，列車運行速度越高，列車位置跳變的距離也就越大，而列車走行距離和軌道區(qū)段長度的關(guān)系會影響安全策略（CEM/SMA）的選擇。

如圖1 所示，列車在“位置1”向RBC 發(fā)送位置報告，并收到RBC 發(fā)送的行車許可。此后，列車正常向前運行，依次占用N3 →N5 和N5 →N7區(qū)段，并在“位置2”再次向RBC 發(fā)送位置報告。圖1 中綠色箭頭表示列車行車許可，紅色線段表示軌道區(qū)段占用。假設(shè)軌道區(qū)段長度為Ltrack，列車位置跳變時間內(nèi)列車走行距離為Lmove，即列車位置跳變時間內(nèi)列車走行的距離大于軌道區(qū)段長度，那么采用CEM 和SMA 策略的結(jié)果會截然不同。

圖1 列車走行距離和軌道區(qū)段長度對行車許可策略影響示意圖Fig.1 Schematic diagram of Influence of train travel distance and track distinct length on movement authority strategy

a.采用CEM 策略

RBC 依次收到兩個區(qū)段的占用信息，根據(jù)列車的位置1，依次向列車發(fā)送CEM，CEM 的停車點分別為N3 和N5。列車根據(jù)估算位置判斷是否已經(jīng)通過了CEM 停車點，如果已經(jīng)通過，則忽略此CEM，否則接受此CEM。

b.用SMA 策略

RBC 依次收到兩個區(qū)段的占用信息，根據(jù)列車的位置1，依次向列車發(fā)送SMA，SMA 的停車點為N3 和N5，而此時，列車則需要無條件接受SMA 的停車點。

綜上策略反應(yīng)分析，在Ltrack小于Lmove時，采用CEM 仍然可以完成列車占用檢查的判斷，但采用SMA 策略則會造成列車緊急制動。

總結(jié)上述分析，可以得到如下結(jié)論：在更高速度條件下，無需調(diào)整列車位置報告周期時間和無線超時時間參數(shù)，且CEM 策略不受影響，SMA 策略需要分析和計算錯誤觸發(fā)緊急制動的可能性，并在必要的情況下修改為CEM 策略。

4 跨區(qū)切換技術(shù)研究

在列車更高運行速度條件下，同樣要求列車以更高的速度進(jìn)行跨區(qū)切換。在跨區(qū)切換過程中，兩個地面無線閉塞中心間相互傳送消息，移交RBC向接收RBC 申請行車許可，接收RBC 分配行車許可并發(fā)送給移交RBC 后，移交RBC 再發(fā)送給車載，從而完成行車許可跨越切換邊界的功能。

在這個過程中，接收RBC 給移交RBC 分配的行車許可是關(guān)鍵信息，其中行車許可的范圍以及行車許可內(nèi)包含的坡度曲線、靜態(tài)速度曲線等信息，是直接影響列車速度的限制因素。

根據(jù)無線閉塞中心間報文定義，行車許可的具體內(nèi)容如表5 所示。

表5 無線閉塞中心間行車許可定義Tab.5 Defi nition of movement authority between radio block centers

根據(jù)規(guī)范要求，每個RRI 消息應(yīng)以邊界應(yīng)答器組為LRBG，并為起始于邊界應(yīng)答器組的進(jìn)路授權(quán)RRI 區(qū)域提供完整的信息，包括線路描述的全部信息。

根據(jù)規(guī)范該條款要求，結(jié)合本文“行車許可發(fā)送方式研究”的內(nèi)容，進(jìn)路授權(quán)RRI 消息不會限制行車許可的長度。

5 行車許可聯(lián)合縮短研究

根據(jù)Subset-026 的定義，車地通信具有行車許可聯(lián)合縮短的功能，即CSMA 功能（目前的CTCS-3 級列控系統(tǒng)中未使用該功能），該功能的流程如下：

1) 當(dāng)聯(lián)鎖辦理取消進(jìn)路時，聯(lián)鎖向無線閉塞中心申請；

2) 無線閉塞中心判斷車載行車許可是否包含該進(jìn)路，如果沒有包含該進(jìn)路，則可以授權(quán)聯(lián)鎖解鎖，否則無線閉塞中心向車載發(fā)送CSMA 無線消息；

3) 車載根據(jù)列車制動曲線判斷能否在CSMA停車點前停車，如果可以停車則接受CSMA，否則拒絕CSMA；

4) 無線閉塞中心在收到接受CSMA 反饋后通知聯(lián)鎖可以解鎖；

聯(lián)鎖可以立即解鎖。

上述功能中描述的CSMA 無線消息的具體報文定義如表6 ～8 所示。

表6 聯(lián)合縮短行車許可消息格式Tab.6 Message format for joint shortening of movement authority

目前CTCS-3 級列控系統(tǒng)采用接近鎖閉的解鎖方案，一方面該方案的接近鎖閉距離與列車運行速度有關(guān)，列車運行速度越高需要的接近鎖閉距離也就越長；另一方面接近鎖閉采用一個固定的延遲解鎖時間，會在一定程度上影響運營效率。

綜合考慮上述兩個方面，接近鎖閉方案在更高運行速度條件下很難滿足要求，而采用聯(lián)合縮短行車許可方案，可使得聯(lián)鎖快速解鎖，解決上述問題。

表7 聯(lián)合縮短行車許可接受消息格式Tab.7 Acceptable message format for joint shortening of movement authority

表8 聯(lián)合縮短行車許可拒絕消息格式Tab.8 Deniable message format for joint shortening of movement authority

6 總結(jié)

本文對更高速度條件下的行車許可問題進(jìn)行了深入分析，總結(jié)如下。

1）行車許可長度是制約列車運行速度的一個條件，根據(jù)列車運行速度的不同，列車制動距離也就不同，所需要的行車許可長度也就不同。就目前列控系統(tǒng)能夠支持的行車許可最大長度（最大32 km）來講，可以支持更高速度條件（400 km/h）的需求。

2）在更高速度條件（400 km/h）下，無需調(diào)整列車位置報告周期時間和無線超時時間參數(shù)。

3）針對接近鎖閉方案存在距離對速度的敏感性和延遲解鎖時間效率的問題，當(dāng)前系統(tǒng)在不做調(diào)整的情況下可以支持更高速度條件（400 km/h）的需求，但建議考慮增加列控系統(tǒng)聯(lián)合縮短行車許可方案，提高解鎖效率。