中国CTCS-3级列控系统互联互通的研究与分析

刘人鹏

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

中国CTCS-3级高速铁路已经相继建成并投入运营的有武广线、郑西线和沪宁线等客运专线，随即将开通的若干条高速铁路必将交叉运行，不同高速铁路间或不同CTCS-3级列控系统设备间的互联互通已迫在眉睫。中国高速铁路实现互联互通，设备层面上，可理解为不同厂家不同类型的列控系统车载设备与其他类型列控系统的地面设备之间能实现通信并互控；从技术层面上，要求各厂家不同类型的列控系统在传递消息和报文格式上具有统一的布局，同时要有约定俗成的报文定义，才能相互识别不同系统的机器语言。目前，我国有3种类型的CTCS-3级列控系统，包括从瑞典庞巴迪公司、意大利安萨尔多公司和日本日立公司引进技术消化吸收后，形成各具特色的符合我国国情的3种CTCS-3级列控系统。在最初开通的武广线和郑西线高速铁路上开始只能独立运行，无法实现互联互通，这种各自为营的运行方式严重制约我国高速铁路四通八达的运营需求；另一方面从铁路布局上看，未来几年中国高速铁路客运专线将有可能规划发展成“四纵”与“四横”交叉的高速铁路网。因此，互联互通的最终目的就是实现不同型式的列车可以跨越地域条件和设备条件的限制，运行在高速铁路网的任何一个位置。

采用CTCS-3级列控系统构建的错综复杂的高速铁路网实现互联互通，在我国是一个崭新的课题。目前，已经开始运营的武广线（武汉至广州）和郑西线（郑州至西安）通过多层次的PDCA循环反复试验，论证表明已经实现了互联互通的运营需求。在开展互联互通的整个过程中，从互联互通仿真实验室的布局建设到测试专家的培训以及测试方法的优化完善，采取了多角度多层次的测试验证手段。同时借鉴国外在互联互通方面的先进经验，在较短时间内首先实现了武广线与郑西线间的互联互通要求。为此，本文在介绍国外互联互通现状的同时，引出我国互联互通的实施方案和实际状况。

2 欧洲及其他国家高铁互联互通

2.1 各国高速铁路现状

目前拥有速度300 km/h高速铁路的国家主要有日本、法国和德国等少数发达国家。其中，日本新干线从1964年运营第一条210 km/h高速铁路以来，历经半个多世纪发展到现在，高速铁路平均运营速度达到300 km/h左右，但日本高速铁路列控系统的设备制式比较单一，基本上是日本国内制造商提供了所有设备，没有技术上的引进和差异，也就不存在互联互通的需求；法国TVM300列控系统和德国的LZB列控系统跟日本大致相似，只在个别控制方式上有所差别，但在本国内也不存在互联互通的需要。

2.2 欧洲铁路互联互通

欧洲发达国家高速铁路发展比较快，各国国内列控系统制式相对单一，不需要互联互通，但在各国间所采用的列控系统制式不尽相同。为此，欧洲首先提出了泛欧铁路网互联互通的发展战略，以满足欧洲各国铁路能够互联互通，实现列车在欧洲跨国界运行时能够不换司机、不换机车、不用停车等实际应用的需要，并建立了欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）互联互通的技术体系框架。其中，ERTMS包括3部分。

1）ETCS：欧洲列车控制系统；

2）ERTML：欧洲铁路运输管理层；

3）GSM-R：铁路综合数字移动通信系统。

2.2.1 TSI技术标准

TSI（Technical Specification for Interoperability）是在ERTMS基础上建立满足欧洲互联互通技术需求的标准，并要求欧洲各国所有涉及互联互通的线路和列车都要满足TSI标准。从结构上划分，TSI标准可分为基础设施、能源、命令和控制信号、运输管理、动车等5个部分，其中与ETCS有关的是“命令和控制信号”；从功能上划分，TSI标准可分为维护和其他应用两个部分。TSI标准对ETCS系统的要求主要体现在如下两条。

1）安全性：即该系统应使列车按照总体系统分配给它的安全水平运行。

2）技术互操作性：包含两层含义。一是地面基础设施及列车须满足“命令和控制信号”系统的要求。二是在司机室安装的“命令和控制信号”系统在规定的条件下，须许可司机进行常规的操作。

2.2.2 欧洲ETCS中影响互联互通的具体指标要求

1）响应时间。包括应答器和无线网络两方面的响应。

*应答器：车载ATP从收到应答器消息到开始建立通信会话的时延小于1.5 s；从接受应答器消息和实施紧急制动之间的时延小于1 s；从收到应答器消息（如EOA更新、级间转换、模式转换）开始到报告由此所导致的车载状态变化为止的时延小于1.5 s。

*无线网络：车载ATP从开始通过无线（既包括从RBC又包括从无线注入单元）收到MA开始到更新车载EOA为止的时延小于1.5 s；从收到来自欧洲环线的MA开始到车载EOA更新为止的时延小于1.5 s；从收到紧急消息到车载对此开始实施反应措施为止的时延小于1 s(制动时)或小于1.5 s（仅显示给司机时）；从收到无线消息到开始建立通信会话为止的时延小于1 s以及位置报告周期大于5 s。

2）准确度。车载位置精度满足所有距离间隔误差将小于或等于5 m+V×0.05 s（V：车速，单位为m/s）；车载获得的速度精度满足速度低于30 km/h时为±2 km/h，依线性增长到500 km/h时为±12 km/h。

3）其他因素。欧洲的互联互通不只依赖于ERTMS，还与多种因素有关。如列车检测设备响应时间，GSM-R网络消息延迟时间，ERTMS设备采用信息的准确性，如参数精度等都做出了明确的规范描述和说明。

2.3 中国高速铁路

我国高速铁路具备幅员辽阔、里程较长以及线路起止点较多等特征；同时，CTCS-3级列控系统采用了多种类型的设备制式，为此，同一制式不同厂家设备间的CTCS-3级列控系统只有实现互联互通，才能确保列车在不同高速铁路上运营；否则，就会出现装配不同车载设备的列车只能运营在安装了与之呼应地面设备的线路上，这将极大影响列车运输效率和铁路线路利用率。为此，需要开展CTCS-3级列控系统互联互通工作，实现装载不同制式车载设备的列车可以在不同制式地面设备的控制下畅通无阻地运行。下面是根据CTCS-3级列控系统互联互通工作开展的实际需要，制定的一系列基本框架原则和工作流程。

2.3.1 改车不改地

在推进互联互通过程中发现差异性问题，尤其是软件方面，要求修改车载软件能解决问题，原则上不要求修改地面设备软件，除非遇到仅修改车载软件仍不能解决的问题，再来商讨修改地面设备软件；每次修改时要确定软件的修改范围，在尽可能小的范围内完成，以能实现互联互通不影响既有定型内容为目的，避免较大改动影响其他相关设备的控制。

2.3.2 细化标准

在互联互通中遇到而在既有标准中没有详加说明的问题，经多方讨论获得最佳解决方案的细则要尽快在CTCS-3级标准体系中确定下来；对于标准中既有内容涉及互联互通有多种选择方式时，需详加说明防止在互联互通过程中出现歧义理解；对于多种方式均可采用时要增加或项说明。

2.3.3 未定事项

我国的互联互通还处于试验验证阶段，个别问题一时难以敲定又不影响互联互通进展的，可以暂缓以寻求更好的解决办法，待多家设备列控系统互联互通明确下来之后在标准中详加说明。

互联互通工作流程，如图1所示。其中，铁道部基础部和C3攻关组负责互联互通整体工作的组织协调、问题讨论、过程跟踪和标准制定与落实，逐阶段组织各厂家讨论分析问题的解决方法。图1中只画了厂家自测与第三方测试两条线的参与活动，而实际操作中，厂家互测、专家组测试和现场测试3个过程都要参与；各个厂家在每一个过程中分别完成不同层次的测试、分析、修改和复测的反复过程，通过厂家自测、厂家互测、专家组测试和现场测试，再加上第三方认证测试，形成各阶段测试报告。在分析解决各阶段报告问题后，最终提交综合测试报告。图1中可见，未互联互通时，300T、300S和300H车载设备分别对应着各自平台运行，经过一系列不同层次的试验验证实现互联互通后，3套车载设备可以在3个平台上不受任何限制地运行。图中表明，通过多方讨论形成最终综合报告，从而确认车载与平台之间是否满足互联互通的要求。

3 中国高速铁路互联互通

3.1 搭建仿真模拟实验室

仿真模拟实验室设备组成结构如图2所示。仿真测试系统(ATE-C3)是模拟列车运行时所需地面设备环境状态构建出的硬件模拟器，分别由列控中心（TCC）接口I/F、联锁（CBI）接口I/F、线路地理模型、仿真测试支撑系统、ATP实物接口平台I/F（BTM接口I/F、TCR接口I/F）以及联锁子系统CBI1～n、列控中心子系统TCC1～n和TCC中继站模型组成；另外，还配有调度集中子系统CTC1～n、临时限速服务器（TSRS）以及通过通用接口适配器VIA连到安全数据网的RBC子系统等组成。所有CTC共用一类LAN网，所有RBC共用一类信号安全数据网，两类网络通过VIA通用接口适配器连接在一起交互信息；其他子系统如TCC、CBI分别连接在这两类网络上，而TSRS只连接在RBC网络，通过单独总线与CTC连接。如图2所示，在ATP左侧接入车载设备ATP的仿真模拟信息，包括继电信息、应答器信息和轨道电路信息等；在ATP右侧经MT口接入GSM-R无线网络与地面设备无线闭塞中心双向传输的控制与状态信息，通过DMI司机可以观察列车的运行情况并执行相应操作。通过多家厂商的相互探讨，各家对这个系统结构配置进行了一系列的优化后形成。根据图2可以搭建出完整的互联互通仿真模拟试验平台，快速进入试验阶段。

3.2 互联互通仿真试验

3.2.1 硬件互联互通

在硬件搭建过程中，不同厂商的RBC与车载设备连接时会出现连接不通问题，其中，300S车载设备与ATE-C3之间连接时，就多次出现连接不成功现象：如车载ATP自检无法通过是因为300S ATP对两种制动反馈信息EB和B7是正反馈还是负反馈的要求不同，并且两种反馈独立配回线，不能共用相同回线；再如对应答器报文的处理要求也大不相同，300S ATP车载设备在模拟环境下要求对应答器报文的采集类似现场的情形是渐变的过程，如同实际列车运行时收到应答器报文由不全的乱码到所需代码再到乱码的渐变过程一样，而不是模拟环境下忽然就收到所需报文的突变过程。在硬件的互联互通中，还包括不同硬件设备间的响应时间以及硬件设备的各种技术参数和安装规格等内容。

3.2.2 软件互联互通

在不同厂家的硬件实现互联互通后，开始着手开展软件的互联互通。CTCS-3级列控系统是通过软件智能控制各子系统分工合作、闭环反馈的工作过程。当列车车载ATP跟模拟环境下的诸多硬件子系统实现互联互通后，就要进行软件互联互通试验，检验各厂家软件在编制过程中的差异性能否满足互联互通，为此编制了满足互联互通需求的全覆盖测试案例，再量化成详细的测试序列来验证预设测试案例的正确性。

首先，测试序列严谨周详。在测试过程中，如果测试的现象跟预期结果相符，说明达到了预想测试效果，如果不符或遇到意料之外的问题，就要进行详细的记录、比对、分析甚至反复多次试验，直到找出问题的原因所在，再来判断这些问题是否影响互联互通。如果影响互联互通，就要考虑先通过修改车载软件解决问题。如果只修改车载软件仍不能解决问题，还需修改地面RBC软件时，就要慎重考虑、周全策划再做修改，以免带来不必要的其他影响。同时，软件修改完之后，需要重新进行相关的试验，以确保软件修改之后没有带出其他相关问题。

其次，采取安全可靠的信息传递机制。车与地的每一个交互动作，都有地面子系统RBC发出控制指令MA，通过GSM-R无线网络传递给车载ATP指挥列车运行，同时车载ATP也会连续向地面RBC反馈其列车状态信息，构成一个严谨安全的闭环控制过程。

3.3 互联互通专家组测试

互联互通的测试过程是逐级递升、交互测试。在经过厂家自测和厂家互测之后，通过提交问题报告、分析问题、解决问题的反复过程，影响互联互通的问题已基本解决，下面重点介绍专家组测试过程。

首先，专家组是由全国运输系统高校相关教授和相关企业列控专业技术骨干组成。其次，专家组测试采用覆盖与互联互通有关的所有测试案例并适用不同厂商所提供列控系统的通用测试序列。测试序列由专家组在综合各厂商提供的互联互通测试序列基础上编写，同时，根据互联互通的特点把测试案例分类区别对待，按重要、一般和无关分成3类，其中与互联互通有关的测试案例共有237个。

3.4 互联互通现场测试

经过多层次多侧重面实验室仿真模拟测试之后，综合专家组提供的测试报告结论和厂家测试报告的问题分析、解决方案的影响程度，决定是否可以进行现场互联互通带车实测。现场测试也以相应的序列为基准，依据现场的特征编制有针对性的测试序列，同时在序列中还要详尽地说明测试内容以及配合单位的工作内容，尤其是需要设置故障点时需要提前通知配合单位工作人员做好准备。现场测试是验证列控系统设备装车之后互联互通的可行性。

3.5 互联互通报告

每个测试阶段的测试报告是确定互联互通测试效果的依据，要求参测人员做好每一个测试序列的测试记录，根据记录汇总撰写每阶段测试报告，图1中可以看出，整个互联互通的测试过程分5个阶段形成5份测试报告。每个层次的每个阶段测试完毕也要汇总报告，根据报告分析问题解决问题，形成每个层次的最终报告，每层最终报告中问题解决后传至下一个层次的测试中去。其中，主要问题在最终报告1和最终报告2中由厂家根据测试结果并依据修改软件原则完成修改，在最终报告的第三到五中问题已经很少。不同层次和不同阶段的测试报告由相关测试小组编写完成，首先提交给铁道部基础部和C3攻关组审阅，再由C3攻关组组织相关厂家技术人员分析讨论问题，寻找解决问题的方案，把达成一致的问题解决方案形成互联互通相关标准。其中，以最终综合报告为基准来确定各车载设备与不同地面设备间是否实现了互联互通，如果确认能够实现互联互通，则如图1中最右侧的变化状态，就是原本各自独立的车载设备与地面设备经过一系列的严谨测试与报告分析，逐级筛减问题，最终，把所有影响互联互通的问题在综合报告之前全部解决，形成详尽的有说服力的互联互通综合报告，以此来确定成套独立的车载设备与地面设备相互间实现了互联互通，可以满足在国内任何高速铁路上运营的需求。

4 结束语

我国CTCS-3级列控系统有武广、郑西和广深港3个不同形式的平台，通过一系列不同层次的互联互通试验验证，已在各高速铁路线上实现了互联互通需求，实现了跨平台行车的可能。同时，通过三个平台的引进也增加了不同平台之间车载设备的品质竞争和技术改进，有利于我国高速列车的进一步优化完善和快速平稳发展；而且，也形成了与互联互通相关的一系列严谨周详的标准规范，为今后引进新型车载设备时，有标准规范可依，全面满足互联互通的要求，也为我国高速列车搭载国产化车载设备走出国门创造了有利的条件；另外，需要进一步梳理与互联互通有关的试验标准，不断地完善优化相关的标准规范，形成更高层次的国际标准，为未来实现跨国界互联互通奠定坚实的基础。

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

[2] C3-BZ-009 CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范[S].