北美轨道交通市场PTC系统

王开强

（交控科技股份有限公司，北京 100070）

随着经济的发展和新技术元素的推动，世界轨道交通领域飞速发展，并通过应用新技术元素，来满足人们日益增长的出行和运输需求。作为世界主要轨道交通市场，美国的技术发展路线和欧洲、亚洲等地区有明显的差异性。笔者就其主流的PTC系统的市场概况和技术特性作简要陈述。

1 研究背景

主动列车控制(positive train control，PTC)系统在近年内的出现和发展，主要源于北美轨道交通市场对安全运营的深入诉求。2008年，针对美国国内出现的轨道交通事故，其主要机构，比如联邦铁路局(federal railroad administration，FRA)和交通安全协会(national transportation safety board，TSB)认为相比传统的信号系统，PTC系统能更好地降低人为操作导致的故障，并显著提高运营安全性能。据此美国国会推出了轨道安全改善法案(rail safety improvement act，RSIA)，强制要求在全国所有的载人以及部分货运铁路上(包括一级货运铁路、城际线路、通勤线路以及其他特殊要求的线路等)推行PTC系统，以改善运营的安全性，并设置截止日期为2015年12月31日。实行过程中，由于在市场投资和技术开发领域遇到众多难题，此期限被推延直至2018年，另外针对部分区域铁路的地方性需求和成本压力，以及二级三级铁路的类似困难，顺延至2020年[1]。

2 系统架构、功能和产品类型

2.1 PTC系统功能

和IEEE1474之于CBTC系统不同，PTC信号系统并没有一个架构清晰、层级定义、功能接口定义详细的公认的技术标准。RSIA法案仅定义了主要的运营需求和功能要求，包括2个方面[2]：

1) 互联互通的要求。所有基于 PTC信号系统运营的线路应是可互联互通的，支持机车跨线运营；

2) 关键功能的要求。PTC信号系统的核心功能至少要保证以下4点：

防止车辆之间的碰撞。线路可以通过配置PTC系统，在联锁进路管理的基础上，通过PTC系统的速度监督功能，预防车辆碰撞。应用前提是列车须按照正确的信号或者运营规则行车。

超速防护。PTC系统应基于土建限速、临时限速以及其他速度限制对列车进行速度监督和防护。

对于工作区和工作人员的防护。PTC系统须能防止在未得到正确的移动授权，或未从调度员、线路管理人员获得确认前，列车禁止进入系统预设的工作区。

道岔区的防护。系统须对道岔进行正确的检测；当位置未知或错误时，系统应提供报警信息，并可根据情况采取安全措施，如：PTC系统可施加适当的速度限制；PTC系统可强迫列车停在道岔前。PTC系统须具有道岔位置检测功能，当列车移动授权包括道岔时，确保道岔处于正确的位置。

2.2 PTC系统架构

PTC信号系统可以作为一个独立、排他的信号系统，而在具体实施中，更多的是按照可以在既有的信号系统上叠加的系统进行开发，其基本的系统架构主要包括4方面：

1) 调度及控制中心(back office)，主要包括 PTC系统服务器和通信服务器，支持调度和列车控制相关的功能；

2) 轨旁信号设备(wayside equipment)，主要包括接口单元(wayside interface units，WIU)、信号机和转辙机等基础线路设备；

3) 车载部分(locomotive)，主要包括车载主机、显示器，事件记录器以及车辆的接口设备等；

4) 维护中心(maintenance of way)，员工手持无线终端设备以及相关支持设备等。

基本工作原理和数据流如图1所示。

图1 系统原理Fig.1 System architecture

2.3 PTC系统产品类型

基于 FRA定义的需求，目前北美市场关于 PTC主要的产品类型有多种，如Amtrak主导的基于应答器的ACSES(advanced civil speed enforcement system)系统和ITCS (incremental train control system)系统，BNSF公司主导的基于GPS和无线通信的ETMS (electronic train management system)系统，以及 CSX，NS，UP等铁路公司主导的可互联互通的I-ETMS系统等。这些系统都在 FRA通过了相应的形式测验并获得市场应用业绩。目前看来市场占用率较高且影响较大的是Amtrak主导的 ACSES系统和 BNSF等公司主导的I-ETMS 系统[3]。

ACSES系统由Amtrak主导，并由Alstom等信号设备公司实施的系统，主要应用在美国东北部区域铁路(NEC Corridor)，支持城际高速铁路和通勤列车的运营，最高支持时速达240 km。其技术上最大的特点是采用轨道上安装的应答器进行精确定位。ACSES系统的雏形出现于20世纪的瑞典，作为一种基于应答器的点式系统开始应用。Amtrak在21世纪初被引入，并基于既有的ATC信号系统，陆续优化系统和提升性能(比如加入临时限速管理功能，提升运营线路长度和车辆数量等)，已成为第一个FRA批准的PTC系统在美国东北部应用。最新版本为ACSES II系统，由阿尔斯通公司研发，可在既有的ATC系统上叠加。

ACSES系统初期通过900 MHz无线通道进行信息交换，在随后的升级版本中，出于互联互通的需求，逐步切换到220 MHz频段作为主要无线通信频段。例如新泽西路网，其在二期建设中采用的是基于900 MHz的阿尔斯通产品，在三期建设规划中，则重点考虑不同频段无线通信的兼容问题[4，5]。

I-ETMS系统由若干铁路公司联合应用，基本上全面满足了RSIA的需求，并得到包括BNSF、UP、NS和CSX等众多主流运营商的支持。与Alstom方案不同，其系统主要采用增强 GPS系统实现车辆定位功能。

I-ETMS系统主要包括 4个子系统，分为控制管理中心、轨旁设备、通信子系统、车载信号。控制管理中心作为信息接收和分发的渠道，负责与通信子系统、车载信号以及其他控制管理中心的接口，并不执行任何安全功能。数据传输中潜在风险由车载信号等安全子系统防范。通信子系统包括有线和无线网络，用来承担各系统间的通信，出于互联互通的目的，定义 220 MHz无线网络为各方铁路公司共同选择的频段标准[6]。

3 市场趋势

在起初RSIA法案覆盖范围内，估算的市场份额极其庞大，其改造内容覆盖全美一级铁路运营范围内至少71%的机车编组和78%的轨旁设备网络，线路总长度达约52 000 km，市场份额多达130亿美元。截至2017年9月30日，部分铁路公司已经初步完成大部分的设备安装和系统改造，比如Amtrak、UP等铁路公司，但是仍有部分铁路公司的计划工作没有完成，甚至完全没有启动。图2为截至2017年9月底的PTC系统实施状态统计，分别从车载、无线、轨旁设备和培训等几个维度统计了实施状况[7-8]。

图2 PTC实施状况总览Fig.2 PTC market overview

目前北美市场内的主流PTC系统供货商众多，且大多都有开发完毕的信号系统或者通信系统，主要包括以下6家：

Wabtec公司：提供基于ETMS的轨旁、车载等设备，其产品线覆盖面广，技术成熟，且应用业绩众多；

MeteorComm公司：目前北美市场内的主流无线系统供应商，拥有众多技术专利和核心技术；

GE公司：其主导的信号系统和无线通信系统在北美市场应用广泛，并在海外市场也有应用；

Alstom公司：其提供的ACSES系统进入市场较早，并能很好地叠加到既有的信号系统上，目前主要是和Amtrack合作项目较多；

Ansaldo公司：主要提供信号产品，在北美局部地区市场有应用；

ARINC公司：主要提供网络设备，并为 Wabtec等公司提供基于货运铁路的技术服务。另外，还有其他一系列公司也在提供部分产品，在此不再罗列。

4 PTC系统与其他系统的对比和产品实现思路

作为轨道交通世界市场中的一个重要技术分类，PTC系统和其他主流技术标准有众多区别，表1就一些重要技术特点，针对ETCS和CBTC系统进行简单的对比[9-10]。

PTC系统和ETCS，CBTC等产品相似性远远大于差异性，从产品开发投资策略和商业应用的角度，可以考虑基于一个通用的平台分别开发针对 PTC、ETCS和 CBTC的产品。西门子的车载产品 OBU(Onboard Unit)是一个很好的例证，基于通用的 SIL4的安全硬件平台，西门子分别开发出针对铁路市场的Trainguard ETCS产品系列和针对城市轨道交通的Trainguard MT产品系列，以及针对美国市场的Trainguard PTC产品。这对于国内信号厂商的产品投资策略有一定的参考性。

表1 PTC、CBTC和ETCS系统的对比Tab.1 Comparison among PTC， CBTC and ETCS

北美市场对于PTC系统的产品认证是由FRA根据一些强制性要求进行检测后给出认证结果，具体可参见FRA标准“49 CFR Part 236，Subpart I”。

5 结语

尽管PTC系统已经在部分市场部署完毕，但是剩余的空白市场仍然十分巨大，值得关注。从技术实现的角度看，相比CBTC等系统，其技术开发复杂度没有太大的瓶颈和限制，但是由于美国市场的特殊性，各地方市场包括私营铁路公司都具有本地域内的特殊技术需求，增加了产品开发难度。另外由于PTC系统是政府通过法律形式强制推行，系统性能竞争力不强，进一步限制了业主的投资意愿，而这也是对产品开发和系统应用最大的挑战。