我国铁路CTCS-3级列控系统的分析与研究

黄卫中 贾 琨 刘人鹏

我国铁路CTCS-3级列控系统的分析与研究

黄卫中*贾 琨**刘人鹏**

序:CTCS-3级列控系统是中国列车运行控制系统(Chinese Train Control System,简称CTCS)的重要组成部分,基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输,无线闭塞中心(RBC)生成行车许可,轨道电路实现列车占用检查,应答器实现列车定位,满足动车组运营速度350 km/h和最小追踪间隔3min的要求,并具备CTCS-2级列控系统功能,满足200～250 km/h动车组跨线运行要求。

依托武广、郑西和广深港高速铁路的建设,铁道部成立了C3技术攻关组,组织开展CTCS-3级列控系统的攻关研究工作。通过自主创新,经过两年多的努力,武广、郑西高速铁路已分别于2009年12月26日和2010年2月6日投入商业运营。CTCS-3级列控系统的攻关工作在标准规范、车载和RBC等关键设备、CTCS-3级列控系统的测试验证、系统评估、GSM-R系统承载列控信息传输等方面取得了一大批创新成果,初步建成具有完全自主知识产权的CTCS-3级列控系统技术标准体系和技术平台。

为对CTCS-3级列控系统攻关工作做一总结,以便今后更好地推广应用,特在《铁道通信信号》杂志开辟专栏,对CTCS-3级列控系统的攻关研究成果进行展示。

CTCS-3级列控系统是我国通过自主创新建成的具有自主知识产权的列车运行控制系统,凝结了我国铁道部、高校、科研院所和骨干企业群策群力的智慧结晶。通过对国外列车控制系统发展现状及我国列控系统发展历程的介绍,阐述了我国CTCS-3级列控系统研究的必要性及技术方向的选择;说明了我国CTCS-3级列控系统的技术特点;同时还对CTCS-3级列控系统结构及主要设备的功能作了简要介绍,并总结了系统研发的主要创新成果。

高速铁路;CTCS-3级列控系统;控制模式

1 国外列控系统发展概况

自1964年日本铁路新干线开始运营时速210 km高速列车以来,高速铁路的高安全、高可靠、高效率、高舒适等特点已引起世界铁路运输界的高度重视,德国、法国、意大利等发达国家也相继结合本国国情发展自己的高速铁路。不论哪一个国家建设高速铁路,都特别注意通信信号系统的研究和建设,将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与铁路信号技术融为一体,组成一个现代化的综合自动化管理系统,已成为一个总的、不可抗拒的趋势。现代化的列车运行综合控制、指挥、管理系统是保障高速铁路行车安全、提高运输效率的核心,也是标志着一个国家铁路现代化技术水准的重要组成部分。

目前国外已投入使用的高速列车(时速超过250 km)运行控制系统主要有法国U/T系统、日本新干线ATC系统、德国LZB系统和欧洲ETCS系统等,这些系统最根本的差别在于对高速列车超速后的控制方式以及车-地间信息传输方式有所不同。

1.1 法国U/T系统

法国高速铁路TGV区间信号均采用带速度监督的TVM 300型或TVM430型机车信号,地面信息传输采用UM71或UM2000无绝缘轨道电路,简称U/T系统。

U/T系统对速度的控制是采用分段制动的列控模式。司机按照每一个轨道电路地面信息给出的速度值运行时,速度监督设备将不干预司机正常操作;当列车速度超过规定的允许速度时,速度监督设备将自动实施制动。

U/T系统按速度等级分段制动,其列车追踪间隔主要与闭塞分区的划分和车速有关,而一般闭塞分区长度的确定是以线路上最坏性能的列车为依据。U/T这种设计方式对于法国高铁线路是适合的,而对于列车性能差别较大的高中速混合运行的线路,其能力要受到较大影响。

1.2 日本ATC系统

日本新干线列控模式与法国TVM 300系统相似,也为阶梯方式分段制动。所不同的是TVM300是速度监督滞后控制,列车速度的控制一般由司机完成,只有在司机没有按规定降速时设备才起作用。而日本新干线采用的是以设备优先制动的模式,即列控设备根据轨道区段的速度指示,对列车速度进行减速制动或缓解控制,使列车出口速度达到本区段目标速度的要求,因此它没有滞后控制所需的保护区段,在线路通过能力上较TVM300系统有所提高。

随着电子数字技术的发展,日本铁路公司近年又新开发了多种数字式ATC系统。地面数字轨道电路以时间分隔数据方式反复传输40～60 bit的数据。车载设备根据地面信息和各开通闭塞分区间的编号,求取与前方列车的距离,再根据该计算距离和车载设备存储的线路数据,以及制动性能、最高允许速度等车辆性能,计算列车可以运行的距离和容许的速度。

1.3 德国LZB系统

LZB系统采用轨道电缆作为车-地间信息连续双向传输的媒介。轨旁接收/发送设备是将轨道电缆与控制中心联系起来的中继设备,它将来自地面列控中心的信号放大,并通过轨道电缆传送给机车,同时也将来自机车的信号放大,通过通信网络传送给LZB地面列控中心。

LZB系统将列车连续速度控制的列控模式用于对高速列车的实际控制,这种列控模式打破了传统闭塞区段分段控制的概念,列车的制动由传统的分段多次制动变为一次制动,其制动过程由列车自身参数、列车至变速点线路参数以及变速点的速度决定,而与传统轨道闭塞分区速度参数无关。其列车追踪间隔主要根据每一列车的制动性能、实际速度确定的安全制动距离自动调节,因此在各种性能不一样的列车混合运行的情况下,可以最大限度地利用线路的通过能力,同时一次制动方式的性能也与列车实际制动方式相吻合。

1.4 ETCS系统

ETCS系统是欧盟为实现高速列车在欧洲境内穿越国境时互通运营,结合欧洲各国铁路现状,兼顾既有设备及今后列车运行控制系统发展趋势制订并立法强制执行的规范标准。欧洲ETCS列控系统采用开放的技术平台,解决了原有列控系统采用大量专有技术、相互间不兼容、技术平台不开放、无法实现互联互通的技术藩篱。

ETCS分为0级、1级、2级和3级,其中ETCS-0级是既有模式,ETCS-1级和ETCS-2级系统均已投入商业运用。ETCS列控系统代表着欧洲铁路列控系统的发展方向。

2 我国列控系统的发展

我国研究和发展铁路列车运行控制系统已有约20年时间,尤其是近10年来,取得迅猛发展。

2002年铁道部在研究国外典型铁路列车运行控制系统技术体系和关键技术应用的基础上,本着设备兼容、互联互通和技术发展的原则,确定了发展高速、先进、适用和可持续发展的中国铁路列车运行控制系统(Chinese Train Control System以下简称CTCS)的战略目标。

2003年在UIC北京年会上,铁道部宣布CTCS的基本架构和分级。

2004年铁道部颁布了《CTCS技术规范总则》,确定了CTCS的总体技术框架,发布了CTCS-0级到CTCS-4级共5个等级的系统框架。

2007年CTCS-2级列控系统在全路第六次大面积提速中成功实施应用。

2007年底,铁道部成立C3技术攻关组,依托武广和郑西等高速铁路建设项目,开展CTCS-3级列控系统的创新研发工作。集中全路主要技术力量,对总体方案搭建、系统集成、系统评估展开了深入研究,相继颁发了CTCS-3级列控系统总体技术方案、应答器应用原则、测试案例、系统评估办法等系列标准规范,建成了仿真测试实验室,实现了RBC和车载等关键设备的国产化,创建了具有自主知识产权的CTCS-3级列控系统技术标准体系和技术平台。

2009年12月26日、2010年2月6日武广和郑西高速铁路相继开通运营。

3 CTCS-3级列控系统总体结构及工作原理

3.1 总体技术要求

CTCS-3级列控系统满足运营速度350 km/h、最小追踪间隔3 min,正向按自动闭塞追踪运行、反向按自动站间闭塞运行的运营要求。车载设备采用目标距离连续速度控制、设备制动优先的方式监控列车安全运行。CTCS-2级作为后备系统,当无线闭塞中心(RBC)或无线通信故障时控制列车运行,并满足动车组跨线运行要求。动车段及联络线均安装CTCS-2级列控系统地面设备。

RBC设备集中设置,GSM-R无线通信覆盖包括大站在内的全线所有车站。由RBC向装备CTCS-3级车载设备的列车、应答器向装备CTCS-2级车载设备的列车分别发送分相区信息,实现自动过分相功能。

CTCS-3级列控系统采用统一接口标准,安全信息传输采用标准安全通信协议,关键设备冗余配置。系统安全性、可靠性、可用性、可维护性满足相关标准的要求。

图1 CTCS-3级列控系统总体结构图

3.2 系统构成

CTCS-3级列控系统由地面设备和车载设备二大部分组成。地面设备由无线闭塞中心、临时限速服务器、列控中心、GSM-R接口设备、应答器、ZPW-2000(UM)系列轨道电路等组成;车载设备由车载安全计算机、GSM-R无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收模块、列车接口单元、记录器、人机界面、速度传感器、轨道电路信息接收天线、应答器信息接收天线、GSM-R天线等部件组成。如图1所示。

3.3 工作原理

CTCS-3级列控系统基于轨道电路实现列车占用检查,应答器实现列车定位,RBC根据区间轨道电路状态、联锁生成的进路状态等信息生成行车许可,再通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给列车,车载设备根据接收到的信息和动车组参数,按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线监控列车安全运行,并向下兼容CTCS-2级功能。系统原理如图2所示。

3.4 主要工作模式和运营场景

CTCS-3级列控系统的控车模式有完全监控、引导、目视行车、调车、隔离、休眠、待机等;CTCS-2级为后备控车模式,有完全监控、部分监控、引导、目视行车、调车、隔离、休眠、待机和机车信号等主要工作模式。

运营场景是对运营中CTCS-3级列控系统工作方式的简要描述,主要有14个运营场景,包括注册与启动、注销、进出动车段、等级转换、行车许可、RBC切换、自动过分相、重联与摘解、临时限速、降级情况、灾害防护、调车作业、人工解锁进路、特殊进路等。

注册与启动:当列车车载设备上电时,列控车载设备将启动与RBC的呼叫连接与注册,司机根据提示输入列车长度、车次号等必要的列车数据后,选择直接启动或按照目视模式发车。

等级转换:主要描述车载设备在C3和C2不同等级间的转换过程。从C2到C3的等级转换需要经过列控车载设备与G网注册、RBC呼叫及注册和等级转换等过程;从C3到C2的等级转换则由RBC通知车载设备自动实现等级转换。当无线闭塞中心(RBC)或无线通信故障时,车载设备自动降为C2级运行至出站应答器,重新呼叫RBC成功后,转回C3等级控车运行。

图2 CTCS-3级列控系统原理图

RBC切换:列车运行至2个RBC边界,车载设备连接下一个RBC,并交换控车信息,满足控车条件后,再断开与前一个RBC的连接,实现RBC自动切换。

临时限速设置:当调度员在CTC终端上输入限速命令后,便储存在临时限速服务器中,施工调度员确认并激活后,由临时限速服务器同时下达给无线闭塞中心(RBC)和车站列控中心(TCC),分别向C3车载设备和C2车载设备发送和执行。

另外,CTCS-3级列控系统还与落物防灾等系统接口,确保列车安全运行。

4 CTCS-3级列控系统特点

CTCS-2级列控系统依靠的是点式应答器传输线路数据、联锁进路和临时限速等信息。而CTCS-3级列控系统通过GSM-R无线网络,实现了信息的连续传输,实时性更强。同时由于具有双向传输通道,地面系统可以实时接收列车发送的列车数据、列车状态等信息,用于地面系统的运算及对列车的监控,系统性能显著提高。主要有以下几个方面的技术特点:

1.控车信息连续性强。CTCS-3级列控系统采用GSM-R无线通信系统实现车载与地面设备安全数据传输,符合国际列控技术发展趋势。列车连续从RBC获得控制信息,列控数据不再受应答器容量和数量的限制,车-地通信形成闭环控制,使得列车运行更加平顺,对突发情况的应变更及时,适用于列车高速度、高密度和安全运行的要求。

2.充分集成成熟设备。CTCS-3级列控系统集成了我国成熟应用的ZPW-2000型轨道电路、计算机联锁和CTC系统等设备,既充分利用了既有的技术装备,又利于系统兼容性。

3.便于系统参数配置和优化。CTCS-3级列控系统中,应答器主要负责列车定位,降低了系统对轨旁设备的依赖性;同时,控制参数存储于无线闭塞中心,便于参数配置和优化。

4.驾乘舒适性高。与欧洲和日本列控系统制动方式不同,CTCS-3级采用了设备制动优先与司机制动优先相结合的模式,车载设备的常用制动有强、中、弱3级,列车减速过程由弱渐强和缓解过程由强渐弱,在确保列车运行安全的前提下,提高了驾乘的舒适性。

5.系统可用性高。CTCS-3级列控系统集成了CTCS-2级系统功能,在无线闭塞中心或无线通信故障时,可自动降级为CTCS-2级控制列车运行;同时GSM-R网络采用交织冗余覆盖方案,在单点故障情况下仍然能够满足系统规定的QoS指标,并提供2.4 kb/s、4.8 kb/s、9.6 kb/s 3种异步、透明、V.110速率适配的数据承载业务。

6.满足列车跨线运行的要求。装备CTCS-3级车载设备的动车组可以下线到CTCS-2级客专运行,同时装备CTCS-2级车载设备的动车组也可以上线在CTCS-3级线路上运行,可以灵活地调整列车密度和运营需求,提高了线路和动车组利用率,满足我国互联互通等跨线运行需求,并且使我国列控系统的发展具备了较强的连贯性。

表1 CTCS-3级列控系统与国外高速铁路列控系统技术特点比较

与国外的列控系统相比,CTCS-3级列控系统的技术特点见表1所示。

5 CTCS-3级列控系统创新

CTCS-3级列控系统是结合我国实际应用CTCS-2级列控技术的成功经验,通过自主创新,建立起来的符合我国国情路情、具有自主知识产权的列车运行控制系统,已达到世界先进水平。CTCS-3级列控系统的研发实现了六大创新:

1.技术方案和标准体系创新。

建立健全一套具有自主知识产权的CTCS-3级列控系统的相关标准,是发展CTCS-3级列控系统的核心内容,铁道部C3技术攻关组,历时2年多时间完成了标准体系和技术方案的建设。

总体技术方案详细规定了列控系统的运营需求、系统结构、系统评估和标准体系。其中在运营需求中具体规范了列控系统的主要技术原则、工作模式、运营场景、以及参数配置等。

标准体系涵盖了系统规范、工程设计规范、制造工艺标准、施工验收规范、运用维护规则和系统评估办法等6个方面的标准定义,如图3。其中系统规范是用于系统的集成测试和运营,又分成运营需求规范、设备规范、接口规范和测试规范。

2.关键技术创新。

①构建了CTCS-3级列控车载ATP技术平台,能够满足在不同信号安全计算机硬件平台上研发ATP车载设备的要求。包括故障-安全的硬件和软件平台、高速控车模式曲线算法、高速条件下测速测距技术、与动车组接口技术、CTCS-2级软件移植匹配技术等核心成果。②构建了RBC技术平台,掌握了行车许可的数学模型和生成算法、RBC接口和安全通信技术、无线闭塞中心边界时的无线切换及控制权限移交的技术、临时限速管理技术、密钥管理技术等一系列核心技术成果。

3.测试验证技术创新。

图3 CTCS-3级列控系统标准规范体系构成图

构建了完善的仿真模拟测试平台、制定了完整的测试案例库和与之相对应的测试序列,在工程实践中探索出一套完整的联调联试、第三方专家组测试和试运行的系统验证方法。

4.系统集成技术创新。

CTCS-3级列控系统是一个极其庞大的高技术含量多子系统集成的复杂系统,系统集成需要很高的技术含量,为此,针对各子系统的特点开发了一整套系统集成的规范,主要包括系统接口技术、信息安全传输技术、集成调试技术、地面系统内部的接口技术、地面系统与车载系统接口技术、人机车载和地面系统间接口技术等。

5.国产化创新。

通过努力,我们现在已经掌握了高速列控系统软件的核心算法及实现方法;优化了生产制造的采购及物流体系、工艺流程体系、质量控制体系及产品检验方法;掌握了工程应用设计及标准化方法;制定了CTCS-3级列控系统维修标准,引进和开发列控数据管理和分析工具,全面实现原定的国产化目标。

6.系统评估技术创新。

系统评估是确保系统集成之后能否安全运营的重要保障,因此,根据我国铁路实际并结合欧洲安全认证的做法,制定了CTCS-3级列控系统评估办法,从系统设计开发、产品制造、出厂检验、安装调试、测试和检验、联调联试和试运行等各个环节开展了独立第三方的系统评估工作,强化了CTCS-3级列控系统的方案设计、生产制造、安装调试等全过程的安全管理,降低运营风险。

6 结束语

CTCS-3级列控系统已在武广和郑西高速铁路成功开通运营,列车时速达到350 km。我国铁路用短短5年多的时间走完了国际上40年高速铁路发展历程。在总结武广和郑西高速铁路建设及运营经验的基础上,尽快实现不同高速铁路间互联互通的目标,进一步健全CTCS-3级列控系统的标准体系,为CTCS-3级列控系统扩大应用和实施“走出去”战略奠定坚实的基础。

[1] 铁道部科技运函[2004]14号文.中国列车运行控制系统CTCS技术规范总则(暂行),2004.

[2] 何华武.中国既有铁路大提速[M].北京:铁道出版社,2005.

[3] 张曙光.CTCS-3级列控系统总体技术方案[M].北京:中国铁道出版社,2008

CTCS-3 Train Control System has independent intellectual property rights,which was coagulated the wisdom of Chinese Ministry of Railways,universities,scientific research institutes and backbone corporations.Through outlining the development situation of several foreign advanced high speed train control system and the developmentprocessof Chinese Railway Train Control System,the authors explain the necessity of the research of CTCS-3 Train Control System and the choice of its technical direction. This paper also gave a brief introduction to the structure and functionsaswell as themajor equipment of CTCS-3 Train Control System,and finally summarized six major R＆D innovationsof the system.

High-speed railway,CTCS-3 Train Control System,Controlmode.

2009-12-26

*北京全路通信信号研究设计院 教授级高级工程师(铁道部C3技术攻关组成员),100073 北京**北京全路通信信号研究设计院 高级工程师(铁道部C3技术攻关组成员),100073 北京

(责任编辑:陈宝安)