优化高速铁路设计及运营标准的几点建议

沈志凌

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

自2008 年8 月1 日京津城际开通以来，国内高速铁路营业里程已经达到2.9 万km。十年来，中国高铁建设取得了令世界瞩目的成就。但是也要清醒的看到，国内高铁建设还存在这样或那样的问题，还有不少需要改进和完善的地方，包括建设标准和运营理念还有值得优化之处。以下结合工作实践谈谈笔者的一些观点和建议，希望对今后高铁建设和运营管理能有所帮助。

1 积极研究推广全电子联锁，提高联锁设备配置灵活性

全电子联锁是指联锁执行部分采用电子元件取代继电器，其优点有以下几点。

1）可以大大减少继电器数量，减少信号房屋面积，减少现场安装工程量。

2）可以提供灵活的设备布置及控制方案。例如在离车站较远的区间道岔处设置目标控制器，通过光缆连接车站联锁机实现区间道岔的远程控制，配合远程LEU，减少联锁主机、列控中心、CTC 等设备的配置数量。甚至进一步，在目标控制器成熟使用后，可以大量设于轨旁，减少电缆使用，符合环保铁路的发展方向。

3）有利于国内联锁、列控设备走出去。国内继电器技术标准与UIC 及其他一些组织的标准并不一致，尤其是继电器接点应用有较大差异，导致继电电路设计存在较大差异，影响国内铁路信号系统设备在国际工程中推广。采用全电子联锁后，可消除或大大减少该差异导致的各种技术问题。

为实现上述目标，需要研制适应轨旁安装使用的各种设备类型的目标控制器。

20 世纪90 年代中期，京九铁路利用亚行贷款采购计算机联锁设备时，ABB 公司就介绍过全电子联锁的方案。由于当时国内信号基础设备尚不具备配套电子接口的条件，例如电码化等还需要各种继电器进行编码，所以当时没有对此进一步探讨。目前，国内高速铁路已经具备研发应用全电子联锁的条件。由于有了列控中心，部分继电接口可以由列控中心取代，例如机车信号的电子编码、站间和场间联系信息、区间方向控制、区间信号点灯控制等。联锁设备与列控中心通过外部通信接口或采用一体化设计，可以取消大部分继电器接口，只要在其他电子接口方面进行开发，就有可能实现全电子化目标。这些电子接口包括站内信号机驱动采集、非一体化轨道电路采集、各种转辙设备驱动采集等。

目前全电子联锁在国内的应用还不广泛，仅局限于低等级国有铁路、地方铁路或专用铁路有一些零星应用，在高等级铁路尚无应用，而全电子联锁恰恰更适合于高速铁路的应用条件。目前国内主流信号设备厂家已进行相关设备的研发，预计该项新技术将得到积极应用。

2 优化到发线信号设备布置，提高运输效率和运营质量

2.1 优化出站信号机位置

国内高铁车站到发线有效长度标准为650 m，基于16 辆编组，列车长度最大430 m，站台450 m长居中布置。按照现行高速铁路设计规范及应答器设置原则标准，车站到发线信号设备布置如下。

1）出站信号机：距警冲标不宜小于55 m。

2）出站应答器组：CTCS-2 系统，距出站信号机不小于30 m。CTCS-3 系统，距出站信号机不小于20 m。

存在问题如下。

1）不利于17 辆编组列车的接发作业。

2）不便于司机停车操控。

解决方案或优化建议如下。

1）出站信号机向警冲标或对向道岔岔尖方向移设，距离警冲标由55 m 改为5 m。

2）移设后，出站应答器组位置应维持距警冲标位置不小于75 m。

3）CTCS-3 级列控区段，为不降低动车组制动力下降等特殊工况下防冒进信号的能力，建议采取进一步的防范措施。

2.2 股道轨道电路分割位置

股道有折返作业时，如果其中部有轨道电路绝缘节且其位置设置不当，在接入8 辆短编组动车组时可能出现如图1 所示的列车停车位置。这时列车换端，即使开放折返后的发车进路，但因TCR 天线所处的轨道电路未被分路，TCR 天线无法收到有效低频码，将导致折返的CTCS-2 级列控车载设备无法获取移动授权。为避免出现上述问题，在股道中部设置轨道电路绝缘节时，绝缘节设置位置需结合列车停车位置统筹考虑，并保证动车组TCR 天线与其相邻的第一轮对处于同一轨道电路区段上方。

图1 股道分割位置设置示意图Fig.1 Diagram of position of insulation joints of track circuits

3 优化枢纽列控设计方案，化繁为简，提高设备应用质量

中国高速铁路列控系统分为CTCS-2 和CTCS-3 两个等级，其中300 km/h 速度及以上的线路应采用CTCS-3 级，200 km/h 速度线路应采用CTCS-2 级，250 km/h 速度的线路宜采用CTCS-3 级，也可采用CTCS-2 级。两个等级的列控系统具有互通性，即装有CTCS-2 级的列车可以在CTCS-3 级线路按CTCS-2 级系统运行，装有CTCS-3 级的列车可以在CTCS-2 级线路按CTCS-3级系统运行。

CTCS-3 级系统地面设备除安装CTCS-2 级设备外，还要增设无线闭塞中心（RBC）设备。RBC设备有各种能力限制，包括同时连接的列车数量、与相邻RBC 接口数量等。由于枢纽内存在多条线路接入，因此RBC 之间的接口数量较多，有时不能满足能力的需要。由于枢纽站规模较大，同时需要连接的列车数量较多，单个RBC 设备能力有时也不能满足连接需要，所以不得不在始发站采用CTCS-2级发车，进入区间后再转为CTCS-3 级的方法。

枢纽内如果采用CTCS-3 级列控系统，将会使系统设计变得非常复杂，还增加建设成本，对运输能力提升不但没有帮助，还会在后期接入改造工程时增加联调联试难度。唯一的好处是CTCS-3 级车载设备故障后，可以按CTCS-2 级作为后备使用。

如果枢纽内线路采用CTCS-2 级设计，将会简化列控设备配置，降低技术复杂程度，也不影响正常行车能力。装有CTCS-3 级列车进入枢纽后自动切换并启用CTCS-2 级系统，即使此时发生故障，也可以切换到其他模式行车，例如机车信号模式（限速80 km/h）、目视行车模式（限速40 km/h）或隔离模式（限速40 km/h）。枢纽内区间线路一般较短，设计速度通常远低于正线，所以这种极低概率的故障事件应该可以被接受。中国铁路总公司（简称铁总）在相关规章中已经要求枢纽始发站允许采用CTCS-2 级发车。

根据与欧洲公司技术交流获得信息，欧洲列控系统ETCS 建设也采用上述方案，即在枢纽范围内采用ETCS 1 级。欧洲这种将复杂问题简单化处理的思路值得学习借鉴。

综上，建议国内高速铁路枢纽地区宜采用CTCS-2 级列控系统，而不宜采用CTCS-3 级列控系统。

另外，国内铁路运输面临地方政府经常提出新需求的特点，包括装有CTCS-3 级系统的高速列车途经普速铁路到达某个城市的运营要求，为满足该要求，不得不对所经普速铁路CTCS-0 级系统进行CTCS-2 级升级改造。改造工程不但投资大，而且对运营干扰也大。这种需求与原高速列车运输组织方案不一致，原方案不考虑高速列车在CTCS-0级线路运营。目前这种需求没有终止的迹象，为应对变化了的需求，建议研究在高速动车组安装CTCS-0 级系统或适应现有地面信号设备的车载信号系统的方案。如果该方案得到支持，则枢纽列控系统方案也将变得更加灵活。

4 优化列控系统最高速度值的编制办法，提高运营服务质量

国内高速铁路运营有一个现象，就是一旦列车晚点，基本没有赶点的可能。该现象的出现与列控系统限速取值有关。目前，国内高速铁路列车实际运行速度与列控系统给出的最高允许速度非常接近。

实际运行速度为按照运行图（即时刻表）计划安排的允许速度。列控系统的允许速度应该为保证列车运行安全设定的最高允许速度，通常按照线路设计速度和车辆允许速度的低值取值，例如350 km/h 的动车组运行在设计速度350 km/h 的线路上，列控给出的允许速度应该为350 km/h；250 km/h 的动车组运行在设计速度250 km/h 的线路上，列控给出的允许速度应该为250 km/h。但国内高铁由于运营速度较设计速度要低很多，例如设计速度350 km/h 的线路通常运营速度定为不超过310 km/h。铁路运营部门出于方便管理的需要，规定列控系统允许速度与最高运营速度一致，结果导致列车晚点不能通过提高列车运行速度来缩短晚点时分，造成服务质量下降。由于不能按照设计速度编制列控数据，在工程建设阶段需要等待铁总或主管部门的线路运营速度批复文件，一定程度上也影响列控数据编制的及时性。另外，每当线路运营速度调整（例如降速或提速）时，列控数据也得随着调整，不但工作量巨大而且可能造成安全隐患。综上分析说明运营部门要求列控系统允许速度与最高运营速度保持一致的合理性值得商榷。

建议铁路管理部门进一步优化列控系统最高速度值的规定，提升运营服务整体质量，更好地满足社会需求。建议按照线路设计速度编制列控数据，或拉大列控速度与运营速度空间，例如30 km/h，以便于列车晚点后可以通过提高列车运行速度压缩晚点时分。这种方式在国外高速铁路中也常被运用，例如法国地中海线高速铁路，正常运行速度为270～280 km/h，列控速度为330 km/h。这种做法拉大了运营速度与列控速度的间隔范围，改变了司机对列控系统依赖的习惯，因此需要加强司机操控培训，避免出现过分早点现象的发生。

5 优化高速铁路GSM-R网络冗余配置方案

《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）规定，高速铁路300 km/h 及以上线路CTCS-3 级列控区段，GSM-R 系统应采取场强冗余覆盖等系统可靠性措施。采取场强冗余覆盖措施的线路通常3 km 左右设置一座GSM-R 基站，否则6 km 左右设置一座GSM-R 基站。采用冗余覆盖意味着基站数量需要成倍增加。基站内除通信设备外，还要配套房屋、暖通、供电、通站道路等，目前一座基站包括设备、房屋、暖通、供电等在内的工程费用大约200 万人民币，征地及通站道路费用另计。有没有必要采用冗余覆盖措施，值得思考。

GSM-R 系统采取场强冗余覆盖措施的初衷是由信号列控系统提出来的，借鉴欧洲ETCS 2 级列控系统的需求。但是欧洲ETCS 建设标准与国内CTCS 存在差别，ETCS 建设可以选择ETCS 1或ETCS 2 或ETCS 1+ETCS 2 几种方案，当选择ETCS 2 时，由于没有ETCS 1 级作为后备，为提高ETCS 2 级系统的可用性，要求GSM-R 系统采取场强冗余覆盖措施。当选择ETCS 1+ETCS 2时，由于有ETCS 1 级作为后备，为节省投资可不要求GSM-R 系统采取场强冗余覆盖措施。国内CTCS-3 级系统地面及车载设备均按照兼容CTCS-2 级设计，即当CTCS-3 级系统故障后自动转为CTCS-2 级系统。国内高铁目前最高运营速度为310 km/h，原铁道部《铁路客运专线技术管理办法（300～350 km/h 部分）》第80 条规定“动车组在CTCS-3 级区段按列控系统后备模式（CTCS-2级）行车时，最高运行速度300 km/h”，CTCS-3和CTCS-2 级速度相差较小，这就意味着，即使GSM-R 系统故障，对动车组运行速度的影响也较小。例如基站间距由3 km 改为6 km，单个基站设备故障将导致运行时分增加不到3 s，几乎可以忽略不计。按照系统设计规范，目前各基站的设备均按照冗余配置，其可靠性已经非常高。现在的问题是一旦因为GSM-R 设备故障导致列控系统切换是否需要追究通信维护单位的责任，如果追究，则从通信设备维护部门角度出发，应该考虑冗余覆盖。

基于以上分析，在GSM-R 设备故障条件下，CTCS-3 切换到CTCS-2 后对运营的影响较小，GSM-R 系统场强采取非冗余覆盖措施可满足CTCS-3 区段运营需要。建议优化高速铁路GSM-R系统工程设计标准，节省工程建设投资。同时建议铁路运营管理部门改进考核办法，减轻或免除类似对行车影响不大的设备故障的考核要求，或者能配套实施上述“优化列控系统最高速度值的编制办法”的建议，可缓解设备维护单位的考核压力，有利于该优化方案的推行。

6 研究简配版CTCS-3系统，适应海外市场需要

国内高速铁路有跨线运输作业需求，所以在配置列控系统地面及车载设备时往往需要考虑动车组跨线运输互联互通，例如350 km/h 速度的线路地面同时配置了满足CTCS-3 和CTCS-2 两个等级的列控系统设备，一方面满足仅装配CTCS-2 级车载ATP 设备的动车组在本线运行，另一方面为装配CTCS-3 级车载ATP 设备的高速动车组降级至CTCS-2 级运行提供条件。同理，装配CTCS-3 级车载ATP 设备的高速动车组可以在配置了CTCS-2级设备的线路运行。可以看出，国内CTCS-3 级线路实际上为CTCS-3+CTCS-2 的冗余配置，系统可用性非常高。但是这种配置方案也存在成本高和必须采用ZPW-2000 系列轨道电路或机车信号作为CTCS-2 的控制信息来源两个问题。上述问题不利于海外工程项目，因为有些国家比较抵触使用轨道电路。所以需要研究适应海外工程需要的简配版CTCS-3 系统。

简配版的CTCS-3 系统结构初步构想：在现有标配版基础上，取消各车站、中继站列控中心设备；取消各车站、中继站处有源应答器及配套的电子编码单元（LEU）设备，只设置定位应答器；列车占用检查可在轨道电路、计轴器等多种设备中经技术经济比选后选择；区段占用/出清、异物侵限及地震监测等信息改由计算机联锁设备直接采集后提供给无线闭塞中心（RBC）设备；车载设备取消机车信号有关接收、处理及显示装置，取消有关CTCS-2 信息输入及处理逻辑；临时限速服务器、集中监测设备和联锁设备取消与TCC 设备的接口；进一步地，可将RBC 与临时限速服务器合设。

7 优化综合接地系统贯通地线设计方案

按照《高速铁路设计规范》要求，高速铁路沿线应设置综合接地系统。综合接地系统核心是沿铁路两侧敷设的贯通地线。根据线路设计速度或牵引供电负荷，贯通地线分别采用截面35 mm2或70 mm2两种规格的铜导线。铜是一种贵金属，成本较高，目前采用35 mm2的铜质贯通地线综合接地系统投资指标大约为每双线公里10 万元，采用70 mm2的投资大约每双线公里18 万元。建设和运营过程中，敷设于桥梁及隧道区段电缆槽内的铜质贯通地线被盗现象严重，既影响综合接地系统的接地性能，也影响到铁路运输系统设备及人身安全。所以工程上不得不采取多种复杂的防盗措施，既增加施工难度，也提高工程费用，甚至对后期维护也有影响。如能采取贯通钢筋取代铜质贯通地线，既可大幅降低工程造价，也可有效防盗，还可延长贯通地线寿命，一举多得。

针对上述需求，中铁第四勘察设计院集团有限公司与武汉大学合作开展有关优化研究，并进行了实验室试验，取得了相关研究成果。研究结果表明，客运专线桥梁及隧道区段采用贯通钢筋取代贯通铜质地线的措施可行，采用一定直径的贯通钢筋通流量和接地电阻值等指标均能满足客运专线工程设计要求。建议相关部门安排试验场所进行测试验证，通过有关技术评审后加以推广应用。

8 研究结论与建议

1）积极研究推广全电子联锁，提高联锁设备配置灵活性，更好适应海外工程。

2）建议优化车站信号机位置设置，提高车站接车效率。

3）建议复杂高铁枢纽宜采用CTCS-2 级列控系统，简化工程实施。

4）建议CTCS-3 级列控区段GSM-R 网络可不采用冗余配置，节省工程投资。

5）建议列控速度按照线路设计速度编制，有利于提高铁路服务质量。

6）建议简化CTCS-3 级列控系统配置，适应海外工程市场的需要。

7）建议综合接地系统贯通地线采用钢筋取代铜质导线，节省工程投资，方便维护管理。