美国PTC系统和欧洲ERTMS的差异分析

赵磊 何春明

美国PTC系统和欧洲ERTMS的差异分析

赵磊*何春明＊＊

从系统背景、历史和当前概况等方面，介绍美国PTC(Positive Train Control)系统和欧洲铁路运输管理系统(ERTMS:European Railway Traffic Management System)，描述系统主要功能，分析列车定位和信息传输的实现方案，找出2种方案的技术难点和优缺点;最后，分析2种系统的市场发展前景，以及中国铁路自动化控制领域的目前概况。

列车控制系统;PTC;ERTMS;ETCS

伴随着全国铁路第六次大提速和多条高速铁路的运营通车，铁路行业迎来了新的机遇和挑战。在给人们带来快捷、便利出行条件的同时，高速铁路的运营环境和安全问题不容忽视。作为改善运营环境和防护安全问题的列车控制系统，其作用相当于列车的中枢神经和大脑。目前，各国都在大力发展列车控制技术，力争在国际铁路运输自动化控制领域占有一席之地。

1 列控系统简介

1.1 PTC系统

美国国家运输安全委员会(NTSB)，早在1971年就强烈要求采用更先进的技术措施去防护铁路运输中的人因故障。美国铁路信号公司自1985年起研发该项技术。1994年美国联邦铁路管理局(FRA)在铁路通信和列车控制方面向国会提交了一份报告，创造了术语“PTC(Positive Train Comtrol)”，并于2004年向国会拨款委员会提交了一份关于PTC系统优势和成本的报告，在2005年3月7日，为了促进PTC系统的推广，FRA发布了一份关于信号和列车控制系统设计性能标准的最终规定。

PTC系统是为控制列车安全、可靠、精确和有效地运行，集行车指挥、控制、通信和信息化等子系统于一体的集成系统。NTSB将PTC系统认定为最想要的创新之一。PTC系统的试用版10年前已经测试成功，但并没有在较大范围内使用，其他验证工程正在筹备和测试，其正式商用有望在最近10年展开。

目前，有些铁路设备供应商或集成商积极出资，以期从铁路安全改进委员会(RSIA)获得PTC系统实施计划，使各自的PTC系统实现最大的互通性。BNSF铁路公司、联合太平洋铁路(UP)、Norfolk南方铁路(NS)和CSX运输公司(CSXT)引导了基于电子列车管理系统(ETMS)技术的互通性开发，ETMS使得东北走廊(NEC)外部区域实现了铁路运输。为了在NEC地区的铁路运输采用城市速度增强系统(ACSES)，国家客运铁路公司(Amtrak)也实施了相似的活动。目前有11个不同PTC系统项目在开发和实施，包括16个州的9条铁路线路，线路里程超过6400 km。

1.2 ERTMS/ETCS

在欧盟有超过20种铁路控制系统，每套系统都是独立的、不兼容的，这为列车在欧洲各国之间安全行驶增加了铁路控制系统交叉区域总交接成本，需要高昂的集成成本和繁重的工作。例如: Thalys铁路在巴黎(法国)—布鲁塞尔(比利时)—阿姆斯特丹(荷兰)—科隆(德国)之间的线路上设置有7种铁路控制系统，带来了相当多的支出，限制了欧洲铁路的竞争力，阻碍了欧洲铁路运输发展。

ERTMS/ETCS作为一个统一的欧洲列车控制系统，设计为可以在欧洲大陆上逐渐取代现有不兼容系统的列车控制系统，对提高国际货运和客运的竞争力带来了相当多的益处。另外，ERTMS/ETCS可以说是世界上最高性能的列车控制系统，在节约维护成本、增强可靠性、提高正点率和交通运力方面具有显著优势。ERTMS/ETCS在欧洲以外的国家或地区同样获得了成功，例如中国、印度、中国台湾地区、韩国和沙特等。

2 系统主要功能

列车控制系统的主要功能是根据列车在铁路线上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式进行监督、控制和调整，起保证行车安全、提高运输效率、节省能源、改善员工劳动条件的作用。从技术发展的趋势看，系统向着数字化、网络化、自动化与智能化的方向发展。

2.1 PTC系统

PTC系统具有防护列车相撞、防止超速脱轨、保护铁路人员(线路养护、桥梁和信号维护)生命安全，以及在限制区防止列车进入，在列车停车点防止列车移动等功能。PTC系统的复杂性很大程度上取决于自动化水平、实现功能、系统结构、地面系统(如无信号、闭塞信号、机车信号等)和列车控制等级。

PTC系统适用于货运铁路、城际高速铁路，具有闭环控制、车载卫星定位系统、无线传输位置报告和行车许可等特征。FRA要求PTC系统除了具有防止列车相撞、强制速度限制、保护轨道上工作人员及设备安全等功能外，还要具有更精确的列车跟踪和运行管理能力，以期缩短列车间隔时间、增加运力、降低工作量、减少轨旁电子设备。

2.2 ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS主要完成监控列车运行速度、传输控车信息、列车定位和执行行车许可等功能。在不同的使用条件下，ERTMS/ETCS可以分为不同的等级，具有不同的子系统或设备。ERTMS/ ETCS-2级是一个基于数字无线通信的列车防护系统，机车上除了指示仪表盘，还显示行车许可和线路信息，可以免去轨旁的信号系统，但是轨道占用顺序逻辑检查和列车完整性检查仍然要保留轨旁设备。

图1 美国PTC系统基本结构图

如图2所示，所有列车需自动地向无线闭塞中心(RBC)定期报告精确位置和行进方向。RBC实时监控列车的移动信息。行车许可通过GSM-R不断地向列车发送，同时还传送速度信息和线路数据。在这个等级中，欧洲应答器被当做一个被动的定位信标，称之为“电子公里标”，列车在2个定位信标之间通过传感器(轴端速度传感器、加速度计和雷达)判别自身的位置，定位信标被用作校正距离测量误差的参考点。车载计算机可实时监控传送的数据和允许速度。

图2 ERTMS/ETCS-2级示意图

这2个系统在主要功能上差异不大，但其实现方法有较大不同，主要体现在列车定位和控车信息传输功能实现上，故需对这2种功能进行分析。

3 列车定位功能

列车定位功能可实时判定列车的精确位置信息，能为列车安全运行、运行自动化和调度提供重要的信息。

3.1 PTC系统

PTC系统通过GPS获取列车位置的地理坐标(经纬度)并与线路地理数据进行比对，从而得出该时刻的列车位置信息。然而，从GPS获取的列车经纬度信息会有一定的偏差，这对于列车精确控制系统而言，足以对列车安全行驶和制动曲线的精确性产生严重影响，需要对位置信息进行修正。故PTC系统在判定列车位置之前，使用加速度计、光纤陀螺和转速计探测出列车加速度数据、横向加速度数据及列车速度数据，经卡尔曼滤波去除噪声后得到真实加速度和速度信息，再结合线路信息数据库进行比对，最后得到列车实际位置信息(如图3所示)。

图3 列车定位系统数据处理示意图

该方案主要依赖于GPS的精度和实时性，加速度计、光纤陀螺和转速计作为辅助设备同样对列车精确位置判定起着重要作用。使用卫星对列车位置进行定位，不需要在轨道上安装轨旁设备，方案实现简单;但是卫星资源有限，需要确保列车运行过程中GPS可靠地向列车传送经纬度信息，因此GPS的定位精度和定位时间是主要考虑的问题。

3.2 ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS使用轨旁设备对列车进行定位，应答器满足ERTMS/ETCS各个级别列车定位的基本功能。应答器在轨道上每隔一段距离安装1个，其中存有线路数据信息和其他信息。列车经过时，该设备向列车发送信息，列车通过判断得出自身的位置信息。在2个应答器之间区段，车载设备还可借助其他设备进行判定。在ERTMS/ETCS-2级中，列车使用轴端速度传感器、加速度计和雷达等传感器判定自身的位置信息。欧洲应答器通常被用来作为校正距离测量误差的参考点。

该方案主要依靠欧洲应答器来实现列车定位功能。同时在ERTMS/ETCS-2级中，轴端速度传感器、加速度计和雷达等传感器作为主要设备，在列车定位中也发挥重要作用。其优点是使用轨旁设备可以可靠地实现列车定位;但随着大量轨旁设备的使用，也给工程设计和施工带来了负面影响，增加了系统成本。

2种方案均能实现高速铁路的列车定位功能。PTC系统的GPS解决方案可以将轨旁设备数量降到最低。但由于GPS为美国独有技术，对于其他国家或地区而言，卫星资源分配问题成为了该技术作为列车定位功能解决方案的主要瓶颈之一。使用应答器和其他设备作为列车定位功能解决方案，则成为了最佳通用解决方案，然而其高昂的系统成本，又成为铁路运营商不得不考虑的因素之一。

4 控车信息传输功能

控车信息包括列车位置、行车许可、速度限制、调车和其他等信息，是列车控制系统的主要数据信息，其准确性和实时性保证了列车在线路上安全运行。

4.1 PTC系统

PTC系统中，数据信息传输功能使用无线数据传输网络来完成，如图1所示。该网络的可靠性和安全性直接关系着PTC系统能否成功地对列车进行自动运行控制。为了应付目前复杂铁路运输的需求，要求数字无线网络具有足够的通信信道和大数据吞吐量。

使用该网络的优点在于技术成熟，可兼容目前常见的无线网络;缺点是缺乏保证开放式无线网络安全性的技术手段。同时，为了满足铁路运输中越来越庞大的数据交互信息，无线数据通信信道的合理分配和大数据吞吐量也是需要解决的问题。

4.2 ERTMS/ETCS

在ERTMS/ETCS中，列车的行车控制判断主要由车载设备完成。在ERTMS/ETCS-1级中，列车控制中心通过轨旁电子单元，将行车信息数据发送给欧洲应答器，当有车经过该应答器时，应答器向车载设备发送该应答器管辖线路范围内的行车数据信息。在该ERTMS/ETCS等级下，行车信息通过有线传输给欧洲应答器，而后在列车经过该应答器时，通过电磁信号将行车信息传送给列车。在ERTMS/ETCS-2和ERTMS/ETCS-3级中，行车许可和其他重要行车信息交由RBC统一管理和发送。通过在铁路沿线架设全球移动通信系统(GSM)天线，将车载设备和RBC通过GSM-R无线通信网络进行链接，行车信息通过GSM-R网络进行数据交互。在该级别下，欧洲应答器只提供固定点的线路信息和限速信息。

2种系统使用了2种不同的解决方案完成了控车信息传输功能。PTC系统使用数字无线网络，在信息通信方面十分成熟，保证了控车信息传输过程中的可靠性。但控车信息内容多、用户数据随时更改的特性，使得在制定控车信息通信协议时需要考虑合理性和扩展性。同时，通信协议需要考虑在开放式网站中传输信息的安全性。在ERTMS/ETCS中，使用多种通信方法和设备进行控车信息数据交互，各设备管辖控车信息范围清晰，通信协议简单。但使用过多设备进行控车信息传输，就使得通信管理变得复杂。

5 其他功能或设备

除了上述2种主要功能的实现方法有很大区别外，2种列车控制系统中制动曲线的计算和生成也在不同的设备中实现。PTC系统中，车载设备将自身状态和位置信息通过数字无线通信网络传给PTC系统服务器，由系统服务器根据行车信息数据和列车调度系统得到的控车信息，计算列车的制动曲线，通过数字无线通信网络传回车载设备，车载设备根据该制动曲线对列车运行进行监控。而在ERTMS/ETCS中，根据从RBC获得的行车许可、列车位置信息和限速信息等，车载设备计算制动曲线，可独立完成制动曲线生成功能。

除此之外，PTC系统规定为铁路线路施工和维护人员开发一种手持便携终端，如图4所示。通过该设备为施工和维护人员建立一个安全的工作区，防止其他列车和轨道车突然闯入发生事故。ERTMS/ETCS的系统需求中，暂无此项功能需求。

6 结论

通过对2种列车控制系统的描述和不同点的分析，可以更加深入地了解这2种列车控制系统的基本功能和原理。它们都是以行车安全为首要目标，通过各种技术手段防止危险事故的发生，均有自己的安全管理体系和风险控制方法。

图4 手持便携终端(图中虚线部分)

2种列车控制系统在列车运行控制方面都具有较高的技术水平，实现了列车运行无人干预化功能。除了少数临时线路维护或限速条件，系统可实现列车安全监控功能。

美国PTC系统目前处于研究或测试阶段，在美国本土只有极少数试用段使用该系统作为铁路运输管理系统。而ERTMS/ETCS在欧洲及其他国家均有应用，经过市场考验和实际工程应用，ERTMS/ETCS证明了其在铁路运输自动化控制领域的优势和地位。由于全球定位系统为美国独有技术，因此PTC系统在其他国家或地区使用存在一定的风险。而且在美国本土，由于空中交通运输行业较为发达，铁路运输行业整体低迷，因此PTC系统能否在美国得到广泛发展存在疑问。

目前铁路运输管理系统蓬勃发展，我国已有了自主研发的列车运行控制系统(CTCS)。而且，随着中国自主研发的北斗导航系统商用化进程的启动，我国铁路运输管理系统/列车控制系统的列车定位有了更多的选择。在我国经济利好、技术水平提高的前提下，必将会研究出具有国际先进水平的铁路运输管理系统/列车控制系统，并必将走出国门，在国际列车控制自动化领域占有一席之地。

［1］Lindsey．R，Positive train control in North America［J］．Vehicular Technology Magazine，IEEE，2009，Vol4(4): 22－26．

［2］William C．Vantuono，BNSF Starts Positive Train Control Trial［J］．Intl．Railway J．and Rapid Transit Rev．2004，Vol44(3):12．

［3］Federal Railroad Administration，North American Joint Positive Train Control System Four－Quadrant Gate Reliability Assessment［J］．Research Results RR08－10，October 2008．

This paper introduces Positive Train Control system and European Railway Traffic Management System in terms of system background，development history and present outlines．The system functions are described and the implementation methods of train location and data transmission functions are analyzed together with a comparison of the technical difficulties，advantages and disadvantages of those methods in the two system．Finally，the prospects of marketing development of the two systems are analyzed and a survey of automatic control technologies in Chinese railway is presented．

Train control system;Positive train control，European railway traffic management system; European train control system

北京和利时系统工程有限公司100176北京

*博士＊＊高级工程师

2011-07-27

(责任编辑:诸红)