CTCS-3级列控系统标准规范体系的研究

李开成 贾 琨 袁焕靖 赵 阳

*北京交通大学 副教授 (铁道部 C 3技术攻关组成员),100044 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

***北京客运专线基础设施维修基地 高级工程师 (铁道部 C3技术攻关组成员),100086 北京

****中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员 (铁道部C3技术攻关组成员),100081 北京

1 引言

技术标准规范不仅可以指导行业技术的健康、快速发展,也是对行业技术加以保护的措施和自主知识产权的体现。我国已步入铁路高速发展时期,作为高速铁路核心系统之一的高速铁路列控系统,是提高铁路运输效率、保证运输安全的关键装备。高速铁路列控系统技术先进、系统复杂,涉及控制技术、网络技术、无线移动通信技术、信息安全技术等多个方面,构筑 CTCS-3级列控系统技术规范及标准体系,对系统设计、制造、施工验收、运营维护等有重要的指导作用。

为推进高速铁路 CTCS-3级列控系统自主集成创新,建立健全 CTCS-3级列控系统标准,结合武广、郑西和广深港高速铁路的建设,我国开展了具有自主知识产权的 CTCS-3级列控系统技术体系研究。

2 国外列控系统标准规范

国外比较注重标准规范的制定,通常是先制定相应的标准规范,然后依据标准规范开展设备的研制、生产和运用维护。在列控系统方面也不例外,最典型的国外列控系统标准规范是欧洲列车运行控制系统 (European Train Control System,ETCS)标准规范。

在欧洲铁路网上,各个国家的铁路部门使用各自不同的信号制式管理列车运营,列车运行控制系统 (ATP/ATC)多达 10余种,这些信号和控制系统互不兼容。因此,欧洲列车跨国境运行时,列车要么穿过边境抵达另一个国家后,停下来更换机车;要么根据运行线路的不同,装备多种不同的控制系统,当列车跨境后,切换为另一套运行控制系统。

表1 ETCS部分标准规范的简要说明

为了实现跨国境运营的列车不受限制地穿越边界,提高列车运行效率,上世纪 80年代末,欧盟联合 UIC(国际铁路联盟),委托 UNISIG组织(6家欧洲主要信号设备供应商)编制欧洲列车运行控制系统 (ETCS)标准规范。ETCS标准规范包括功能需求规范 (FRS)、系统需求规范 (SRS)、接口规范 (FIS/FFFIS)、关键设备规范和测试规范等,它们是实现 ETCS功能和技术互操作性的基础。因篇幅限制,表 1列出了一部分 ETCS规范的编号/缩写、规范名称和简要描述。

3 CTCS-3级列控系统标准规范

借鉴 ETCS标准规范的发展经验,根据 CTCS-3级列控系统的特点,结合武广和郑西高速铁路的建设,我国制定并编制了 CTCS-3级列控系统标准规范体系。

3.1 标准体系结构

CTCS-3级列控系统标准包括系统规范、工程设计规范、制造工艺标准、施工验收规范、运用维护规则、系统评估办法等 6个部分,体系框架如图1所示。

图1 CTCS-3级列控系统标准体系结构

3.2 系统规范简要描述

系统规范对 CTCS-3级列控系统进行了系统的、综合性的描述,包括运营需求规范、设备规范、接口规范和测试规范 4个方面。

1.运营需求规范。综合描述了 CTCS-3级列控系统的总体功能需求、系统构成、系统工作原理、主要工作原则、主要工作模式、主要运营场景、应答器布置及报文编制、无线通信报文应用原则、对GSM-R的需求等内容,是指导 CTCS-3级列控系统进行系统设计和系统集成的重要文件。运营需求规范的简要说明如表 2所示。

2.设备规范。CTCS-3级列控系统由地面设备和车载设备组成。地面设备由无线闭塞中心(RBC)、临时限速服务器、列控中心 (TCC)、应答器/轨旁电子单元 (LEU)、ZPW-2000(UM)系统轨道电路等构成;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、人机界面(DMI)、记录器、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天线等构成。

表2 CTCS-3级列控系统运营需求规范的简要描述

列控中心 (TCC)、应答器/轨旁电子单元(LEU)、ZPW-2000(UM)系统轨道电路的产品在CTCS-2级列控系统中已有运用业绩,并有相应的规范;RBC和车载设备是 CTCS-3级列控系统新开发的核心设备。设备规范描述了 CTCS-3级列控系统的核心设备 (车载设备和 RBC设备)及其他关键设备 (如人机界面 DMI)的主要功能、设备构成和工作原理等内容,是指导关键设备设计、制造、测试的重要性文件;设备规范也描述了列控系统及相关设备编号规则、中继站箱式机房内信号系统设备安装调试规范。设备规范的简要说明如表 3所示。

3.接口规范。CTCS-3级列控系统接口复杂,不仅有大量的系统内部接口,还有大量的系统外部接口。接口规范规定了系统内部接口、系统外部接口的传输协议,包括传输信息、信息编码、传输流程、安全协议等内容,用于指导子系统之间连接和调试。接口规范的简要说明如表 4所示。

4.测试规范。CTCS-3级列控系统是保证列车行车安全的基础设备,系统投入正式运用前,必须经过严格的测试,包括实验室仿真测试、现场测试及联调联试,验证系统是否满足 CTCS-3级列控系统总体技术方案和系统需求规范等标准规定的功能(包括正常功能和故障-安全防护功能)。

表3 CTCS-3级列控系统设备规范的简要描述

表4 CTCS-3级列控系统接口规范的简要描述

CTCS-3级列控系统测试规范描述了根据CTCS-3级列控系统总体技术方案和系统需求规范等标准提取功能特征的方法、测试案例的生成方法、测试序列的生成方法。CTCS-3级列控系统测试案例包含了 470个 CTCS-3级测试案例,是编制 CTCS-3级列控系统实验室仿真测试序列、现场测试序列及联调联试测试序列的基础性文件,改进了传统的铁路列控系统的试验方法,提高了试验方式的科学性、试验内容的完整性及试验数据和结论的严密性。

3.3 其他规范简要描述

1.系统评估办法。国外对安全相关设备通常进行安全评估,确定其安全等级。安全评估需要相关的评估标准、第三方的有资质的评估人员和评估机构。借鉴国外安全评估方法,结合我国铁路实际情况和特点,制定了 CTCS-3级列控系统系统评估办法。该办法规定了系统评估的目的、原则和评估实施过程、需要提交的评估材料等内容。CTCS-3级列控系统的系统评估过程如图 2所示。

图2 CTCS-3级列控系统的系统评估过程

2.运用维护规则。为了便于维护人员掌握、分析 CTCS-3级列控系统车载设备运用过程中设备状态,以及发生故障后分析故障原因,运用维护规则针对车载设备的司法记录器纪录数据,采用图形方式重现列车的运行过程,根据列车的速度和位置显示车-地之间交互的信息、制动输出及原因、司机响应及动作等。图形化显示界面之一如图 3所示。

3.制造工艺标准。优良的制造工艺是确保CTCS-3级列控系统在其生命周期内可靠、稳定工作的基础。根据 CTCS-3级列控系统设备制造和加工工艺的特点,参照相关国际标准制定了 18项制造工艺标准,包括元器件的存储周转工艺、贴装工艺、焊接工艺和装配工艺等,用于指导 CTCS-3级列控系统的设备制造和加工,提高 CTCS-3级列控系统设备的制造质量。

图3 列控系统运行过程图形化示例

4.工程设计和验收规范。工程设计规范包括列车运行控制系统 (CTCS)设计规定等内容;施工验收规范包括客运专线铁路信号工程施工技术指南等内容。这些规范是指导 CTCS-3级列控系统相关设备施工、验收的重要文件。

4 结束语

CTCS-3级列控系统标准规范在武广、郑西高速铁路列控系统建设中发挥了重要的指导性作用。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、GSMR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。随着我国高速铁路建设的不断推进,CTCS-3级列控系统标准规范也需要不断的完善和补充。

[1］ 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.

[2］ 李开成,卜长堃.国外铁路通信信号新技术纵览[M].北京:中国铁道出版社,2005.