中国铁路列控系统技术及发展趋势探讨

韩利锋

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

铁路是我国的重要基础设施，是属于大众化的交通工具，在我国综合交通运输体系中处于骨干地位。根据我国铁路中长期建设计划，到2020年我国的高速铁路将达到3万km，将覆盖80%常驻人口在100万以上的城市。我国铁路建设特别是高速铁路的发展离不开列控系统提供的安全保障。在高速铁路建设过程中，我国的列控系统已形成自己的技术体系，成为高速铁路三大核心技术之一。

1 中国铁路列控系统的概述

中国铁路列车控制系统是由众多子系统组成的车-地协同控制系统，由列控中心、无线闭塞中心、临时限速服务器、车站联锁、调度集中以及车载ATP设备等各个子系统相互配合，共同对列车施行运行控制任务。随着列车时速的不断提升，高速铁路的安全性、可靠性都成为各个国家重视的项目建设之一。在进行高速铁路相关的建设活动中，对于通信系统的研究和建设投入了巨大的人力物力。同时将自动控制技术、计算机技术、通讯技术和铁路信号技术共同构建一个高度集成的铁路列车控制系统。用列控系统来保障铁路列车的平稳安全运营，同时与地面列控中心的实时通讯，能够实现对列车的精准调度，有组织的使用铁路运力，高效整合铁路资源。

2 几种列控系统的简单介绍

2.1 ETCS系统

ETCS系统是欧洲铁路列车控制系统，解决欧洲各国铁路相互之间的兼容问题，能够在欧洲境内实现互通运营，兼顾既有设备和列车控制系统今后的发展趋势的规范标准。ETCS是铁路运营的一系列技术、标准规范和概念。也涉及到信号安全系统。ETCS系统规定了功能系统标准、运营模式、设备接口以及通讯协议等，涵盖了列车运营的各个方面。我国的列车控制系统（CTCS系统）是在ETCS系统基础上结合我国实际应用需求发展出来的。

2.2 CTCS系统

CTCS级列控系统主要由地面设备、车载设备构成，地面设备的主要由无线闭塞中心、列车控制中心、应答器以及相应的轨道电路等设备构成。车载设备主要由车载专用计算机、无线通讯模块、轨道电路接收单元、应答器接收模块、人机交互界面等各种相应的传感器共同组成。CTCS系统根据功能和需求以及应用线路的不同，目前投入运营的系统分为0至3级。

2.2.1 CTCS-0级列控系统

CTCS-0级列控系统适用于设计时速在160 km以下线路。在 CTCS运营条件不足的线路，或者说是对于复杂的CTCS系统尚不具备安装条件的线路，这时候时候可以采用列车运行监控装置和通用机车信号进行有效控制。列车运行监控装置作为最底层的装置之一，主要提供的是列车的行驶速度和列车最大的允许速度，采用的测速模式是目标距离式，利用地面信号设备，并且依靠存储的所有线路数据并靠逻辑推断和实际线路进行实时比对，结合列车制动性能计算目标距离式制动曲线。

2.2.2 CTCS-1级列控系统

CTCS-1级列控系统在0级系统之上，增强了安全性能保障列车的安全行驶。其中采用的设备是主体机车信号+加强型运行监控装置，系统设计时速在160 km以下，是在原有的0级设备基础上进行相应的强化改造，达到机车信号对安全性能的要求要求，同时增加点式设备，监控列车运行各项指标确保其能够安全行驶。利用轨道电路及时有效的完成列车完整性检查，能够持续不断的向列车发出控制信息。

2.2.3 CTCS-2级列控系统

CTCS-2级列控系统适用于设计时速在200～250 km的线路。与CTCS-1级列控系统相比，CTCS-2级列控系统是基于轨道传输信息，并采用列车和地面一体化系统设计列控系统。可实现区间-车站一体化、通信-信号一体化以及机电一体化。该系统采取的是目标-距离控制模式。目标-距离控制模式是根据目标的距离、目标的速度及列车本身的各项性能指标来确定列车制动曲线和制动时间，采用一次制动方式来完成制动。

2.2.4 CTCS-3级列控系统

CTCS-3级列控系统适用于设计时速在300～350 km的线路。主要有地面设备调度集中系统（CTC）、无线闭塞中心系统（RBC）、临时限速服务器（TSRS）、计算机联锁系统（CBI）、列控中心（TCC）等各个系统构成的。CTCS-3级列控系统地面设备的核心特征就是使用无线闭塞中心，使整个设备的使用范围和功能得到一定规模的扩充。无线闭塞中心系统是根据车载子系统、列控（联锁）地面子系统等提供列车的基本信息，并产生对列车的控制信息，同时使用GSM-R无线通信系统和给CTCS车载设备进行实时通讯。接收和发送列车的位置信息和列车运行参数等。实现列车的精准定位。同时通过其他各个系统的配合使用，对列车的行驶过程和行驶参数进行有效监督，确保列车的整体运行状况良好。CTCS-3控车原理,如图1所示。

3 列控系统未来发展趋势

随着我国铁路建设的高速发展，列控系统的运用逐步成熟，相关技术也逐步完备。同时，随着LTE无线通讯技术、北斗卫星导航技术等新技术的相继完善，为我国的铁路列控系统提供了新的技术支撑和发展方向。随着“一带一路”倡议的深化实施，中国高铁作为国家名片正在实现“走出去”的目标，对列控系统创造了新的机遇和挑战。

3.1 加强技术转化，实现自主知识产权

图1 CTCS-3系统控车原理图Fig.1 Illustration of train operation under CTCS-3 system

纵观我国高铁建设以及列控技术的发展，经历了从完全引进到消化吸收再到自主创新的历程。随着我国高铁走出去战略的需求日益迫切以及国际市场竞争的日益激烈，作为高铁控制系统核心技术的列控系统实现自主知识产权才能成为中国高铁走出去的有力支撑。

目前，我国拥有自主知识产权的CTCS-3级列控系统地面设备和车载设备正在北京至沈阳客运专线进行高速综合试验。试验完成后标志着我国拥有自主知识产权的CTCS-3级列控系统可以完全满足时速350 km的高铁运营要求，也标志着我国的列控地面和车载设备摆脱了对引进厂商的依赖。

3.2 自动驾驶技术，实现高铁的智能化

我国高速铁路的“四纵四横”路网已初具规模，正在向“八纵八横”迈进。自动驾驶技术在高铁列车的运用，对于实现智能化管理列车运行、保障运输秩序的高效执行和快速调整、减轻列车司机劳动强度具有重要意义。2016年，装载CTCS-2级ATO列控车载设备的珠三角莞惠城际的开通，实现了全球首条在时速200 km的高铁线路的自动驾驶技术应用。2018年1月，中国铁路总公司颁布《高速铁路ATO系统暂行总体技术方案》，对高速铁路的ATO系统尤其是CTCS-3级ATO系统的总体要求、系统结构、关键技术参数等做出具体要求，在该方案的指导下，基于CTCS-3级列控系统的ATO系统已在北京至沈阳客运专线开展高速综合试验，并计划在2020年京张高铁实现运用。高速铁路ATO系统结构图，如图2所示。

3.3 引入卫星定位技术与LTE通信技术，实现更高速度与更短追踪间隔

中国列车运行控制系统（CTCS） 规 划 的CTCS-4级列车运行控制系统将采用卫星定位技术，因此，将我国自主研发的北斗导航技术应用到铁路列车列控系统中是中国铁路在未来的发展方向。北斗导航系统能够提供的定位、授时、短报文通信等功能，基于这点北斗导航系统能够提供稳定的运行环境。在列车定位和自动控制方面有着广阔的应用前景。在CTCS-3级列控系统基础上，引入卫星定位技术，利用地面差分站系统可实现去除部分实体应答器，车载设备兼备虚拟应答器和实体应答器接收功能，并通过无线通信传输获取地面差分信息，实现列车连续精确定位，升级为基于虚拟应答器的列控系统。

目前的CTCS-3级列控系统车地无线通信采用的是GSM-R网络，随着CTCS-3级列车开行密度的加大，GSM-R网络在带宽、通信速率、无线超时后的恢复时间等指标方面已逐渐无法满足运营需求，所以基于LTE-R的4G无线通信平台来承载列控系统车地间无线通信已成为必然趋势。与传统GSM-R相比，LTE-R具有设备少、带宽高、容量大、建立连接和恢复连接耗时短以及维护成本低等优点，能够更好地满足列控系统车地无线通信需求。采用LTE-R无线通信网络平台后，车载设备接口、地面RBC设备接口需做相应的升级。采用了卫星定位技术与LTE通信技术的列控系统，为满足高铁400 km/h的运营速度与3 min追踪间隔奠定基础。

3.4 建立标准化统一平台

图2 高速铁路ATO系统结构图Fig.2 ATO system structure for high-speed railways

在CTCS-3级列控系统的基础之上。通过我国铁路系统的自主研发和技术转化，发展拥有知识产权的列控系统。与各个信息产业进行深度融合，利用先进的智能化设备实现列控系统的智能化、实时化。并且制定出适用全国的统一标准平台，对全国的在轨运营的列车进行统一管理。并建立全国铁路交通智能化调度监控平台，对各个铁路实现全面的监督与监控，避免可能出现的安全隐患。同时与各大计算机中心进行深度合作，利用相应算法，实现铁路调度的优化。最终实现铁路列控系统的智能化、标准化。方便统一管理。

例如动车组“复兴号”大量采用中国国家标准、行业标准、中国铁路总公司企业标准等技术标准，同时采用了国际上先进各项标准，具有良好的兼容性能。在254项重要标准中，中国标准占总数的84%。最重要的是中国标准动车组整体设计以及车体、转向架、牵引、制动、网络等关键技术都是我国自主研发，具有完全自主知识产权。“复兴号”的安全性能更高、乘坐体验良好、车体空气阻力更低体现了我国列车制造的高超技术。

3.5 适配不同区域市场，布局“走出去”战略

我国的列控系统技术是在参考欧洲ETCS标准并结合我国实际后形成的CTCS系统，中国高铁作为一张国家名片在“一带一路”建设中发挥着重要作用，“走出去”已经成为中国高铁发展的重要战略部署，也就意味着中国列控系统同样需要布局“走出去”战略。世界主要地区铁路发展概况，如表1所示。

表1 世界主要地区铁路发展概况Tab.1 Overview of railway development in some regions of the world

在我国技术标准尚未得到世界广泛认可之前，在我国标准与国际标准进行等同对待前，为使我国列控系统能够“走出去”，必须首先解决信号技术标准在海外工程中的适应性问题。需要进行CTCS体系标准在海外工程的适应性研究，CTCS系统与目标国信号系统的兼容性研究以及CTCS列控系统产品适应性改进技术研究，因地制宜的选择合适技术以符合当地的发展要求。

4 总结

我国铁路的高速发展离不开列控技术的成熟运用，只有打破国外的技术壁垒实现完全自主知识产权，才能切实为铁路发展打下良好的基础。与此同时，要积极响应国家的“一带一路”建设步伐，将我国自主研发的铁路列控系统推广出去，抢占国际市场，亮出中国高铁的亮丽名片。