从19世纪中后期, 在英美等西方发达国家相继出现以描述用钢轨作为导体来传递列车和车站信息的专利为标志, 轨道电路发展至今已经经历了100多年的历程。
1924年, 我国首先在大连—金州、沈阳—苏家屯间建成自动闭塞, 采用的是交流50Hz二元三位式相敏轨道电路, 这是我国最早采用的轨道电路。从那时起, 轨道电路作为一种检测列车及车辆的存在是最简单、直接、有效的方法, 成为我国区间自动闭塞最主流的形式, 得到了长足的发展。先后发展了音频轨道电路、交流25Hz长轨道电路、极性频率脉冲轨道电路、不对称脉冲轨道电路、50Hz或25Hz交流计数电码轨道电路、4信息移频轨道电路、18信息移频轨道电路等多种制式的轨道电路。至此, 我国铁路有绝缘轨道电路结合地面信号机的列车控制系统得以确立。
20世纪80年代末期开始, 为了提高列车运行速度、压缩行车间隔、提高线路的利用率。我国相继在京广线、京哈线引进了法国UM71和UM2000型无绝缘轨道电路以及与之配套的TVM列控系统。随后, 在消化吸收引进技术的基础上, 又研发出了用于自主知识产权的ZPW—2000A型轨道电路。结合作为辅助设备使用的通用机车信号系统, 就形成了目前160km/h以下既有线运行的列车控制系统模式, 即CTCS0级 (CTCS:Chinese Train Control System——中国列车运行控制系统) 。
随着列车运行速度、机车牵引重量、列车运行密度的增加, 轨道电路自身存在的问题不断显现出来。
(1) 作为轨道电路标志性的组成部分——钢轨能传输信息的频率极为有限。作为列车运行控制系统, 它要求有大量信息, 包括轨道电路编号、长度、坡度、弯道、列车所在位置、车次号、运行速度等, 显然, 要通过轨道电路来提供上述信息是难以完成的, 除非缩短轨道电路到几百米距离, 才能传输较高的频率, 或者用叠加在轨道电路上传输专用信息。
(2) 在轨道电路中还有道渣阻抗变化影响、天气变化影响 (雨天、晴天等) , 致使轨道电路要具有良好的调整状态、分路状态、机车信号能正确接受信息状态等, 就必须要有精密的设计和相应的及时调整。
(3) 轨道电路构成闭塞分区时的分割, 对长钢轨的应用造成障碍, 因此不得不有无绝缘轨道电路制式的出现, 在有的制式中存在短距离无信息的死区段、或者在沿线还需要设置补偿电容用以均衡电感信息达到延长轨道电路长度目的等。
(4) 轨道电路需要日常维护工作, 不管天气怎么变化, 维护工人要经常沿线徒步目视钢轨本身和轨道绝缘节良好情况, 维护量大, 且费用也较高, 使信号工的劳动强度增加。
(5) 用轨道电路构成自动闭塞系统时, 闭塞分区的通过信号机固然能保护列车的安全, 但是列车在此闭塞分区的哪一个确切地方, 是在其始端还是末端则无法知道, 而且也无法知道列车是在停止状态还是在运行状态, 或慢速前进, 或快速前进, 速度又是多少等等, 这些情况, 地面控制系统均无法知道, 即无法对列车精确定位, 这就严重影响列车运行效率。
(6) 在轨道电路构成自动闭塞系统时很难用轨道电路实现列车对地面控制中心进行通信, 即利用轨道电路难以实现双向通信。
(7) 在电气化牵引区段, 两根钢轨同时又是牵引电流的回路, 由于回流在两轨上的不平衡性, 因此, 对任何TBTC制式系统都会造成干扰, 所以建立这类T B T C系统时, 对它的载频和调制信号等都要仔细推敲。
(8) 由于列车通过轨道电路无法送出大量的信息, 所以在建立各种运输管理信息系统所需的基础信息时:何时、何地、有何种车、自何方向, 以何种速度运行、它们的目的地、起始地等等, 在任何TBTC系统里, 它们都是由地面按单据人工键入, 因此对运输信息管理系统而言, 只能是利用人工追踪, 而无实时信息自动输入。利用人工键入方法, 显然有可能产生键错、迟键、漏键等多种差错的可能。
轨道电路作为列控信息传输的主要途径其自身有两项最根本的缺陷:一是信息量有限, 二是信息传输的单向性, 即列车只能被动接收地面信息, 而无法与地面进行实时、自动的信息交互。因此, 当列车运行速度超过160km/h时, 列车很难按照地面信号机显示驾驶列车。进而, 当高速列车速度达到200km/h时, 其紧急制动距离接近4000m, 通常的地面信号为主体的自动闭塞更是不能确保列车安全。必须装备新型的高速列车运行控制系统——由高可靠、高安全的智能设备组成, 以车载信号为主体, 遵循车地一体化的思想设计, 来保证列车安全运行。
在2004年第五次既有线提速取得成功的基础上, 我国铁路在实施既有线第六次大提速的同时, 于2005年初, 铁道部运输局组织制定了CTCS2级列车控制系统的具体实施方案。
针对既有线200km/h动车组的CTCS2级列车控制系统引进欧洲的ETCS系统的关键设备和技术, 结合主要设备的研发和既有设备的改造, 形成了基于轨道电路和点式应答器传输控车信息, 并采用彻底一体化设计的适合我国实际情况的, 掌握自主知识产权的分散自律的列车控制系统。CTCS2级 (简称C2级) 面向提速干线和客运专线, 适用各种线路速度区段, 地面可不设区间信号机。
在CTCS2级列车控制系统中, 地面设备主要由车站列控中心、地面应答设备、轨道电路和其他信号地面设备 (主要由车站联锁系统, 微机监测, CTC/TDCS设备等) 组成。
CTCS2级列车控制系统保留了轨道电路。采用ZPW2000 (UM) 系列无绝缘轨道电路作为检车列车占用和完整行检查, 以及故障状态下的备用模式 (CTCS0或1级) 。
既有线车站列控中心是列控区段与点式应答器配套使用的主要设备。它是设于各个车站的列控核心安全设备, 采用冗余的硬件结构。与车站联锁、CTCTDCS设备接口, 根据调度命令、进路状态、线路参数等列车进路及临时限速等相关控车信息, 通过有源应答器传送给列车。
现代铁路的发展方向可以用四个字来概括“多拉快跑”。这就要求信号安全设备在确保安全的同时, 提供更多的信息, 以提供机车更多数据用于进行运行速度、制动距离的计算。而这也正是即往以轨道电路为主的区间闭塞限制铁路发展的瓶颈。地面应答器设备刚好可以弥补这一缺陷。
地面应答器设备由无源应答器、有源应答器和轨旁电子单元 (LEU) 组成。
(1) LEU周期接收来自车站列控中心的报文, 并将其持续不断的向有源应答器发送。
(2) 有源应答器与LEU连接, 用于发送来自LEU的报文。在既有线提速区段, 有源应答器设置在车站进站端和出站端, 主要发送进路信息和临时限速信息。
(3) 无源应答器用于发送固定不变的信息。如设置在区间, 发送线路数据、最大允许运行速度、轨道电路参数、列控等级切换等。
地面应答器设备的引进和应用可以说是CTCS2级列车控制系统区别于以往列车控制系统的本质所在, 具有划时代的标志。它的出现改变了我国铁路多年来形成的以轨道电路作为区间闭塞制式, 使用地面信号机为主体信号, 机车信号为辅助的控车模式。转变为基于轨道电路和地面应答器设备传输控车信息, 并采用车地一体化设计的列车运行控制系统。面向提速干线和客运专线, 适用于各种线路速度区段, 地面可以不设通过信号机。自此, 标志着轨道电路在铁路主干线上的绝对主导地位开始动摇, 并逐步为以地面应答器设备为代表的新一代闭塞设备所取代。
同样, 地面应答器设备不是、也不可能是区间设备的终极形式。
它也存在着自身的问题与缺陷。就目前而言, 有源、无源应答器都是使用移频键控调制FSK方式:中心频率为4.234MHz, 频偏为282.24kHz, 平均传输速度为564.48kbit/s传输信息。一个标准的长数据报文有效长度仅为8 3 0 b i t, 而当列车运行速度超过300km/h时, 仅能使用有效长度为210bit的短报文。这样的数据量, 相对于不断提高的列车速度, 依然有些捉襟见肘。同时, 地面应答器依然没有彻底解决轨道电路数据流的单向性问题, 没有真正实现车地的互动。此外, 使用地面应答器依然需要铺设大量电缆, 对环境变化比较敏感, 需要大量人员日常维护及不适合严寒、潮湿等恶劣地段要求等问题同样存在。从长远来看地面应答器这种点式设备依然不能满足铁路不断追求更高速度的要求。
未来高速列车需要的是一种能够适应各种气候、环境、速度、持续、稳定的提供海量数据的、互动、安全的方式。为此, 铁道部提出了建立:基于无线传输信息, 并采用轨道电路等方式检查列车占用, 点式设备传送定位信息的列车控制系统, 即CTCS3级, 以及完全给以无线传输信息, 取消轨道电路的CTCS4级列车控制系统的设想。
在CTCS3系统中, 引进了无线闭塞中心 (RBC) , 结合架设的铁路综合数据业务网 (GSM-R) 用于传输列控信息。真正实现了车地之间的实时互动。然而, 轨道电路依然作为列车完整性检查被保留下来。只有到了C T C S 4系统才会全部应用无线通信技术, 而彻底抛弃轨道电路。不过有一点是可以肯定的:轨道电路以其成熟的技术, 简单、可靠的工作原理, 还将在相当长的一段时期内在我国铁路应用技术装备中占有一席之地。
轨道电路从出现至今的一百多年, 经历了一条从出生, 到发展, 在到衰退的过程。如今, 它已今非昔比, 并且渐行渐远, 也终将有一天退出人们的视线。但它的每一步变化, 都意味着铁路技术装备的一次飞跃。它的发展历史也正是铁路技术发展史的缩影。
摘要：为了满足越来越高的铁路运输速度要求, 实现对列车运行速度的精确有效控制, 轨道电路的变革成其必然, 一种能够适应各种气候、环境、速度、持续、稳定的提供海量数据的、互动、安全的轨道电路方式CTCS2、CTCS3是满足铁路不断追求高速、高可靠、高安全的结果。
关键词：高速,轨道电路,趋势,必然