高速铁路列控车载设备的发展

王 馨

（北京全路通信信号研究设计院，北京 100073）

1 车载设备的发展

早期列车的速度低于120 km/h时，列车主要是根据地面信号机的显示行车。最初车载设备主要是机车信号设备。机车信号设备安装在机车司机室内，能复示地面信号，司机根据机车信号显示驾驶列车。

随着列车速度提升到160 km/h，通过采用主体化机车信号结合运行监督记录器（LKJ）的方式控制列车运行。司机根据LKJ装置中储存的线路数据、临时限速等信息生成的速度监控曲线来驾驶列车。但由于线路、速度等信息需提前储存在机车上，一旦地面信息发生变化，则需司机通过手工方式对储存的信息进行更新，如忘记更新或流程控制出现疏漏，则可能导致行车事故。

为满足中国铁路第六次提速中列车最高运营速度达到200～250 km/h的要求，在引进符合欧洲ETCS标准的应答器及国外车载设备相关技术的基础上，研制了符合CTCS-2（以下简称C2）级技术标准的列车运行控制系统，系统采用基于“点式应答器+连续式轨道电路”向列车传输行车许可信息的控制方式，采用一次目标-距离模式曲线监控列车安全运行。

2008年8月，北京奥运会前投入运营的京津城际铁路，列车运行控制系统采用自主集成的CTCS-3D系统，运营速度最高达到350 km/h。

2009年12月，基于无线通信实现车地信息传输的CTCS-3（以下简称C3）级列车运行控制系统的武广高速铁路正式开通运营。

2 列控车载的概述

随着列车速度的提高，从每小时80多km到目前的每小时350 km，列车运行必须采用列车运行自动控制系统，ATP车载设备正是此系统中保证行车安全的关键设备，其担负着保证列车运行安全的重要作用，是列车运行自动控制系统的基础。近几年列控车载ATP随着铁路大发展，在国内高速发展中获得广泛应用。

列车运行控制系统对列车实现间隔和速度控制。系统由地面和车载两部分设备组成。地面设备提供列车控制所需要的全部基础数据和线路空闲情况，例如线路允许速度、轨道电路长度、线路坡度、前方空闲情况等；车载设备对地面传来的信息进行处理，计算出列车速度控制曲线，用来监督或控制列车安全运行。

列控车载设备系统结构，如图1所示。

3 ATP车载设备的组成

ATP设备主要包括车载安全计算机单元（VCU）、应答器信息接收模块（BTM+CAU）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU，SDP）、人机界面（DMI）、列车接口（TIU）、司法记录单元（JRU）、GSM-R无线通信单元（RTU）、动态监测接口等。列控车载设备采用分布式结构，各功能单元通过MVB总线及ProfiBus总线联接。

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3.1 列控车载设备主机

安全计算机（VC）：是列控车载设备的控制核心,负责C3级车载控制功能，兼容C2级控制功能。

列车信号网关（TSG）：信号网关连接安全计算机、人机界面单元、输入和输出接口，适用于适配专用功能。

应答器信息接收单元（BTM）：用于接收应答器信息，应采用冗余结构。通过BTM天线接收、解调地面应答器的信号，将解调后的用户信息传输给VC。

测速测距单元：SDU速度距离单元检测来自速度传感器和雷达速度传感器的脉冲信号，SDP速度距离处理单元对测速脉冲进行处理，计算列车实际运行方向、速度和走行距离。

无线控制单元（STU-V：COMC+GCD）是车载设备和GSM-R无线单元的接口与通信控制单元，包含加密单元（GCD）。

数字输入/输出单元（DI/DX）：CRH2型车的车载设备通过数字输入/输出单元采集列车输出的开关量信息（电平信息），经过隔离、滤波后送到数字输入单元处理，输出单元通过控制继电器的输出（电平信息和节点信息）实现与列车之间接口。

安全输入/输出单元（VDX）：用于车载设备紧急制动命令的发送，并接收制动反馈信息。

继电器单元：车载设备与车辆的接口可采用继电器方式。CRH2型车的车载设备与车辆的接口通过继电器单元实现。继电器单元由多个继电器组成，能够将来自车辆的输入通过输入/输出单元分配给列控车载设备的各个部分，并将来自车载设备内部各部分的输出通过输出单元集中对外输出。与安全相关的紧急制动命令在CRH2和CRH3型车上均采用继电器接口方式实现。紧急制动采用失电制动来实现。

GSM-R无线单元：用于实现车载和RBC之间的无线通信，应采用冗余结构。

轨道电路信息接收单元：用于接收轨道电路信息，应采用冗余结构。TCR具有同时接收不同载频的功能，根据应答器信息、司机操作命令、地面移频信息锁定上下行载频或单载频。TCR将解调出的载频、低频和过绝缘节信息发送给VC。

司法记录单元：用于记录司法分析所需的列控车载设备工作状态及各种输入输出信息。

诊断记录单元（DRU）：用于记录维护诊断所需的车载设备工作状态及各种输入输出信息，可单独设置，也可集成在JRU中。

隔离开关/冗余开关：列控车载设备应设置隔离开关，用于在列控车载设备故障后要行车时隔离其制动及牵引切断命令。

列控车载设备应设置冗余开关，用于实现车载主机故障时的双机冗余切换。

3.2 其他外围设备

人机界面单元：是列控车载设备的显示和操作界面，应安装在便于司机操作和观察的位置。CRH2型动车组在驾驶台上安装2个DMI，采用冗余结构。CRH3型动车组在驾驶台上安装1个DMI，在DMI故障时采用列车的HMI作为冗余备用显示。

GSM-R天线：安装在列车顶部，按冗余方式设置。2个天线之间的间距不得小于2.5 m。

TCR天线：安装在列车运行头部第一轮对前钢轨的正上方，其周围一定范围内应保证无金属或磁性材料。接收线圈冗余设置，外部采取防护措施，可采取措施实现TCR对TCR天线的检测。

BTM天线（CAU）：安装在动车组头部距离车头一定范围内，按双套设置，车体底部的横向中心线上，其周围一定范围内保证无金属或磁性材料。可采取措施实现BTM对BTM天线的检测。

速度传感器：按双套设置，并安装在非动力轴的旋转轴上，CRH2型车安装在车辆的第2和3轴端，CRH3型车安装在车辆的第6和第7轴端。

雷达速度传感器：安装在车体底部，靠近转向架附近，按双套设置，在雷达的照射波束间不应有任何障碍物或可移动物体存在。

4 列控车载设备的主要功能

列控车载设备通过应答器信息接收天线接收应答器的各种地面信息，通过无线电台与地面设备RBC进行信息交互，获得移动授权（MA）、紧急信息和临时限速等信息，主要实现以下几种功能。

4.1 超速防护

列控车载设备监控列车在允许速度下运行，监控列车允许的速度包括动车组构造速度、线路允许速度、进路允许速度、临时限速等。车载设备根据限速信息，生成相应的速度限制曲线，实现列控车载设备的超速防护功能。

4.2 测速测距功能

列控车载设备实时监测列车的运行速度并计算列车行走距离，并通过一定方式将此速度距离信息发送至各个子模块，并进行空转或滑行的校正，以减小对测速测距的影响。

4.3 应答器信息接收与处理

列控车载设备通过应答器信息接收天线和应答器信息接收单元，从地面应答器获取地面信息，使列控车载设备能够得到无线注册、等级切换、通信管理和RBC切换等信息。并通过给RBC汇报所经过应答器编号，获得当前的坐标系位置。

4.4 级间切换

列控车载设备能够实现C3级和C2级之间的切换，实现跨线运行。列控车载设备将根据地面应答器[ETCS-41]包和来自RBC的无线消息进行C3级和C2级之间的等级切换管理。

4.5 防溜功能

列控车载设备在列车停车的状态下，会对列车的不恰当移动进行防护。如果列车在停车状态下发生了非预期的前后移动，车载设备将会启动制动。

4.6 控车及提示信息显示功能

列控车载设备通过人机界面设备，以图形、文本和声音的方式向司机提供列车实际速度、目标速度、限制速度、目标距离、地理信息、文本信息、确认信息和警示信息等。接收来自司机的按键操作，并以此进行相关的逻辑处理，得出正确的控车命令。

4.7 数据记录功能

列控车载设备拥有完善的司法记录单元，可以记录故障发生时的各种状态，保证故障后进行原因分析。

将来列控车载子系统的信息传输将完全基于GSM-R的ATP系统。列车完整性检查、定位校核分别靠车载设备和地面点式设备实现，区间占用靠GPS和GSM-R实时数据传输解决，该系统具有移动自动闭塞的特征。