面向管控一体化的普速铁路CTC系统功能定位探讨

赵如月， 苗建瑞

（1.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044；2. 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044)

分散自律调度集中(CTC)系统自2004年在西宁—哈尔盖段应用以来，实现了高速铁路的全覆盖，但截至2019年，在普速铁路的应用占比仅为19.29%[1]。造成这种现状的主要原因一方面在于普速铁路相关设备不尽完善，另一方面在于铁路货运复杂的生产组织方式，使得以确定性的客车进路控制为核心功能的CTC系统难以适应。研究将在CTC3.0系统实现调车进路控制的基础上，以管控一体化的视角对货物列车运行组织过程进行分析，对CTC系统的功能应如何发展才能适应未来局站一体化、管控一体化的组织方式进行展望性的探讨。

1 普速铁路CTC应用现状分析

1.1 CTC 3.0既有功能概况

CTC系统在2.0版本中实现了列车运行计划管理、调度命令管理、列车进路控制、无线进路预告、临时限速命令管理、列车运行状态查询等功能，很好地满足了行车控制的需要[2]。为了适应普速铁路复杂的作业场景，CTC3.0版本根据实际作业需求主要提供了以下几个方面的功能改进。

（1）为车站值班员提供车站级计划管理功能。车站值班员可通过该功能获取调度所列车调度员的日班计划或阶段计划，在对计划进行修改细化的基础上形成车站的列车计划，之后再下达到自律机中。

（2）提供作业流程卡控功能。通过占线板模块，车站值班员可安排作业流程，随后作业流程对应按钮在占线板界面显示，以按钮颜色表示作业状态，相应的作业信息也可显示在各岗位占线板界面上，实现各岗位作业信息实时共享，外勤人员可通过占线板系统接收作业指令以及实现作业状态的反馈。通过占线板提供的作业流程卡控功能，可以保证在不满足作业流程的条件下，列车的发车进路无法触发。

（3）增加对调车作业计划的进路解析和调车进路一键触发功能[3]。

1.2 普速铁路CTC应用现状

由于普速铁路运输组织复杂且配套设备不完善，目前CTC系统在普速铁路的运营使用仍处于推广阶段。但随着CTC系统的改进和普速铁路设备的升级，CTC系统在我国普速铁路中的应用呈上升趋势，应用现状如下。

（1）CTC系统在普速铁路运用里程情况。为提高普速铁路的运营智能化和安全性，各铁路局集团公司根据线路运营需求和设备技术条件，先后开展了CTC系统在部分普速铁路的应用。截至 2019 年底，CTC在我国普速铁路运用里程达到2.6万km，同比增长36.8%[1,4]，呈现出快速增长趋势。

（2）CTC 系统在普速铁路操作方式占比。根据列车调度员和车站作业人员对接发车作业及调车作业进路操作权限的不同，CTC 分散自律控制模式分为中心操作方式、车站调车操作方式和车站操作方式[5]。CTC的操作方式取决于车站设备情况、车站作业特殊情况、车站接发车和调车作业量等方面。例如，中心操作方式大多应用于线路里程长、列车密度低、条件艰苦等线路或煤运专线铁路通道。据统计，目前普速铁路 CTC调度台共有96个，共指挥1 080个车站的行车工作，其中采用中心操作方式的车站占比为32.7%，采用车站调车方式的车站占比为27.4%，采用车站操作方式的车站占比为39.9%[1,4]。

1.3 普速铁路CTC存在的问题

在CTC系统提高普速铁路作业效率和安全的同时，仍存在系统功能与实际作业需求不匹配之处。除相关配套设施不完善等问题外，CTC系统在普速铁路的应用中主要还存在以下2个问题。

（1）CTC系统未充分考虑调度员的实际操作需求。由于普速铁路涉及列车种类较多、作业组织较复杂、车流密度较大且不确定性较高，这就需要调度员频繁进行人工介入调整；而CTC调度台列车调度员的管辖范围大、管辖里程长，不仅要负责行车组织，还负责施工命令的下达，作业量繁杂，容易出现作业偏差，这对作业安全来说是一大隐患。因此，在实际作业中，CTC系统调度命令下达、调车进路安排等功能的应用受到了一定的阻碍。

（2）CTC系统缺乏计划间的互馈机制。目前CTC系统升级到3.0版本后，在普速铁路的应用中实现了车站级计划管理功能，可为车站值班员提供车站进路计划，但仍然存在列车进路控制功能强，调车进路控制较弱的情况。然而普速铁路作业的复杂性很大程度上是由复杂的调车作业以及调车作业与列车运行之间的相互作用关系引起的，在列车运行计划和车站作业计划以及进路控制三者之间缺乏动态反馈机制的条件下，难以实现铁路局集团公司调度所和车站值班员之间的信息动态传递和作业协同，导致计划调整欠缺即时性和可预测性。

基于以上分析，有必要在对普速铁路货物列车运行组织深层分析的基础上，对CTC系统的发展方向进行规划。

2 管控一体化下普速铁路CTC业务场景分析

2.1 基于反馈控制的货物列车组织过程描述

货物列车的开行是以车流组织为基础，以调车车列和列车车列为形式，在由货运调度员、计划调度员、机车调度员、列车调度员、车站调度员等工种构成的多级体系下完成的一个过程。整个过程是以货车的有序移动为目标，以计划—指挥—操作—反馈等为手段构成的人-机复合控制系统。经典反馈控制系统结构示意图如图1所示。

图1 经典反馈控制系统结构示意图Fig.1 Classical feedback control system structure

作为控制系统，货物列车组织中的各工种和作业人员也承担了不同的角色，如从整个枢纽行车组织的角度而言，车站调度员是被控对象，接收作为控制器的列车调度员和计划调度员的控制指令；而若从车站的角度出发，车站调度员又是控制器，控制调车区长等人完成车站的调车作业。货物列车开行组织过程可抽象为一个多层耦合的控制系统，货物列车开行多级耦合控制结构示意图如图2所示。

图2 货物列车开行多级耦合控制结构示意图Fig.2 Multi-level coupling control structure of freight train operation

需要说明的是，图2只是货物列车开行过程中的一些关键环节的抽象，对于货场、机车和车辆运用等作业没有展开。从图2可看出，整个系统是由进路、调车作业、列车运行秩序以及列车开行组织等控制系统嵌套构成，内层的控制系统在外层系统中体现为执行器和检测器的角色。

进路控制系统的地位比较特殊，其既是列车运行执行控制系统的执行机构，同时也接收调车作业控制系统发出的指令，即以2个系统的指令为输入。为此就需要车站值班员对这2种输入进行合并，排定其顺序后形成控制指令，以完成进路的办理。对比高速铁路基本以列车到发为主，且到发线和到发时刻均比较明确的情况，这种复杂的系统之间的嵌套和串并联关系是现有CTC系统在普速铁路运用效果不显著的一个原因。

2.2 普速铁路车站作业控制特点分析

对于控制系统而言，给定值越明确，检测越精准，反馈和控制决策越及时，控制效果越好。相比于作业种类简单、参数标定准确并严格按计划执行的高速铁路车站作业，普速铁路货物列车相关作业具有种类繁杂、关联部门和因素众多、作业时长多变、不确定性高等特点。

总体而言，普速铁路车站的作业种类比较多。大型技术站除客货列车到发外，其主要作业可用“到、解、集、编、发”来概括，需要与周边车站、货运、机务、车辆部门紧密配合，在工务、电务等部门的支撑下完成。对于一般中间站，其作业的复杂性一方面来源于不同种类货物列车的到发和停留要求，另外小运转和摘挂列车的甩挂、取送车以及整理编组等作业是造成其复杂性的主要原因。

作业的多样性不仅使得一个车站的作业规划和控制变得复杂，同时由于列车的运行，会将问题通过路网传导到其他车站。货物列车的始发和终到都伴随着不同类型的调车作业，并且其编组内容在途中也可能会发生变化，即调车作业和列车作业会因车流的关系交织在一起，形成一个相互作用的网络。因此从提高控制的精准度出发，就不能忽视调车作业与列车作业紧密耦合的特点。

不确定性始终是货物列车作业的一个特点[6-8]，从系统控制的角度而言，降低不确定性与生成不确定性下的控制方案同等重要。一般而言，铁路货运的不确定性主要来自以下几个方面。

（1）货源的不确定性。

（2）作业时长的不确定性。这种不确定性一方面是由于作业对象的差异，如列车或车列的编成内容、装载的货物类型、车辆的类型和状态等都会造成作业或走行时间的差异，另外一方面也来源于作业人员技术能力、身体状态，甚至性格的差异。

（3）部门、工种之间作业协调的偏差。不同部门、不同作业人员之间信息沟通的及时性、有效性、协作意愿等因素都会导致某项作业时长出现波动。

（4）设施设备故障导致的不确定性。包括线路故障导致的作业能力下降，以及车辆扣修导致的额外作业。

（5）车流的偏差引起的不确定。一方面由于随机事件引起车流延误，通过路网传播导致车流推算偏差；另一方面也有人为的抢装卸、抢分界口等组织手段造成的偏差。

（6）调度指挥的失误。如运行调整不当造成的司乘人员超劳，不同司乘人员对待超劳的态度会造成列车运行的不确定。此外，计划的频繁修改也会造成信息传递以及接受方面的偏差，进而引起作业的失序。

（7）事故、天气以及路外因素的干扰。

这些不确定性是造成货物列车运行组织复杂的重要原因，降低不确定性需要从产品设计、组织方式、信息系统，以及自动控制等多方面入手。

普速铁路车站除了在作业计划上比较复杂外，在作业的执行层面同样也比高速铁路要繁杂。作业的多样性、作业对象的异质性、作业的多环节、多工种协作等特点都是执行过程中风险的来源。为了保证安全生产，各级部门制定了大量的规章和作业办法，显然CTC系统的发展需要依据这些规章为普速铁路量身定制技术防护手段。

2.3 货物列车运行组织的管控一体

在铁路运输中，管控一体简单而言就是信息的传递、计划的编制与计划的实施集成在一个系统中，使用信息化和自动化的设备代替或部分代替人工。管控一体在编组站作业自动化方面有非常好的实践[9]。

管控一体化从本质上是图1所示的经典控制系统的实现。编组站原有的作业方式和系统在信息采集与传递上存在大量的人工过程和壁垒，从而使得控制器不能及时掌握被控对象的状态，成为开环控制。管控一体化下通过信息的融合与功能集成，计划模块能够直接从控制系统中采集到设备的状态，进而能够推算出作业的进度和车辆的分布，准确制定和输出控制命令，实现以计划驱动的闭环控制。

从编组站综合自动化系统的应用效果可以看出，管控一体化是实现作业安全性和效率提升的重要途径。推而广之，在货物列车开行组织的全过程中，将影响机车车辆状态和作业条件的相关计划和设备控制系统进行集成，形成集现车信息、货工计划、列工计划、配空计划、机工计划、编组站作业计划、中间站调车计划、货车扣修计划、施工计划以及进路控制为一体的综合自动化系统，将会有效地提高货物列车的运行组织效率。

货物列车运行组织管控一体的核心就是围绕车辆状态，以及由车辆形成的调车车列或列车车列的状态进行感知、决策、执行的闭环控制系统。管控一体化涉及到计划的一体化和控制的集成化等问题，虽然目前还存在铁路局集团公司、站段以及各业务系统之间的信息孤岛和壁垒，计划的一体化和协同程度较弱等问题，但铁路车流管理系统[10]的建设会极大程度地促进计划一体化目标的实现。在设备控制层面也需要以CTC为核心，在普速铁路适用性改进的基础上与信息系统和计划系统进行集成。

3 管控一体下的CTC功能定位

CTC是以进路控制为核心功能的系统。在高速铁路列车作业简单、计划精度高且准确的条件下，发生小规模的扰动时，列车调度员可通过实绩运行图和调度监督系统获取当前的运行秩序，并按照一定的规则对运行线进行简单调整，无论是调度所，还是车站层面，都是以操作进路为主要作业。只有非正常或发生大规模扰动时才需要进行计划层面的调整，而此时调整往往是由应急中心来制定，列车调度员的任务是实施应急中心下达的调整意图或计划。由此可看出CTC系统在高速铁路行车控制系统中主要体现的是检测器和执行器的角色，相对稳定的计划使其控制器的角色并不突出。

在普速铁路上，由于货物列车的开行组织是以调度为核心，网络性层次化的计划编制需要复杂的信息系统去沟通调度所、车站、货运、机务和车辆等多个部门，其本身就是一个非常复杂的多层次、多粒度分布协同作业系统，因而在整个体系中，CTC系统定位于计划的执行以及作业状态检测的层面是一个比较现实的选择。同时，为了适应货物列车的作业特点，CTC系统的功能需要向以下几个方面发展。

3.1 实现计划对作业状态的实时采集功能

目前CTC只采集列车到发的时刻，显然用来应对调车作业与列车运行作业紧密关联的货物列车运行组织是存在欠缺的。有必要建立CTC与车站作业计划系统(SMIS等现车系统)之间的接口，接收其调车作业计划，并如同列车在车站的到发时刻采集和报点一样，CTC在普速铁路上也需要将调车作业计划的执行进度实时报告给车站作业计划系统，才能建立起计划与控制之间的闭环，保证计划对作业进度的掌控，实现对车辆位置的跟踪，呈现实时的现车分布，从而为后续准确地编制计划和准确地实施控制奠定基础。

3.2 提供车站进路计划编制和调整的功能

虽然目前CTC已经实现了车站计划管理的功能，但主要是面向列车进路的管理。根据图2所示结构，车站值班员的核心工作是对线路资源运用进行决策，考虑到列车和调车只是车辆不同的移动形式，有必要在普速铁路CTC中综合列车进路管理和调车进路管理，在车站或站区层面为车站值班员提供一种新形式的计划——车站进路计划。

（1）车站进路计划是列车运行阶段计划和车站作业阶段计划的下层计划，其主要目的是将各类作业解析为进路，并对进路在时空维度上进行预见性的疏解。该计划类似于运行图，均为线路的占用计划，区别在于该计划中线路的单位是咽喉道岔组以及到发线等，占用线路的对象除列车外还有调车列。在车站进路计划中规定了各咽喉道岔组和到发线的占用顺序和占用时间，以及在线路上开展的各类作业。该计划一方面可用来规划各类作业的进度，也可进行作业合规性检查，同时也将是进路触发的依据。

（2）设置车站进路计划将使车站值班员对线路的使用更具有规划性，增强作业进度的可视性和可控性。为车站值班员提供集成的系统，在进路级别上规划各项作业的起止时间和走行路径，建立车站作业执行和调度所以及站调计划制定之间的信息通道，可提高作业协同的效率以及列车和调车作业计划的可行性。在进路计划制定合理的情况下，按照进路计划执行作业，可降低作业时长的不确定性，进而可促进提升车流推算的准确度。

（3）车站作业计划制定的难点在于各类作业时间标准的确定。类似列车运行图中的区间运行时间、站停作业时间标准等，车站作业计划也需要针对不同作业种类、作业对象特点以及作业方式等制定时间标准。这个时间标准并非历史作业时长的均值，而是需要在大数据的支撑下纳入各种因素的影响，并考虑一定的冗余时间后确定。通过合理地选择时间标准可保障计划的可行性以及准确性，但同时也会出现作业条件均已满足，规划的进路开放时刻还未到，作业需要等进路的情况。虽然这会降低车站的作业效率，即消耗一定的车站能力，但良好的进路计划以及按照计划执行各项作业会在整体上提高车流推算的准确度，有助于货物运输组织的整体可控性。

3.3 建立调度所列车运行、车站作业计划和车站进路计划之间的互馈功能

在为车站值班员提供车站进路计划后，就需要解决技术站的车站作业计划与进路计划，以及中间站的进路计划与列车调度员的列车运行计划之间的协同调整问题。总体而言，列车运行计划和车站作业计划是进路计划的上层计划，这些计划可按照统计的作业时间进行编制，必要时可为某项作业设置强弱不同的起止时间限制，进路计划在上层计划规定的作业内容和时间框架内进行进路的时空解析和冲突疏解，并将结果反馈给上层计划，由上层计划根据进路的冲突概率进行调整，如此迭代，形成列车调度员、车站调度员以及车站值班员计划之间的互馈。同时，进路计划的执行进度应向车站调度员和列车调度员透明，以供上层计划人员随时发现计划执行的偏差，从而能够进行有预见性的调整，进一步提高计划的准确性。

3.4 构建完善的作业联锁功能

为了避免人的不可靠性，铁路在机械时代发明了联锁系统，通过建立道岔、线路和信号机之间的互锁关系来避免冲突事故，并在电气和电子时代分别演进到了电气集中和微机联锁。作业的安全一方面靠底层的设备状态保证，另外一方面也需要作业层面的规章来保证。在信息时代，逻辑处理单元能够获取到除行车设备外的有关列车、调车车列、作业人员等的大量信息，已经具备了在规章层面保证作业安全的前提条件，可以参照联锁系统根据设备状态在进路层面进行规则化控制的方法，在作业执行层面根据设备状态和作业状态实现规则化控制的作业级联锁。

作为作业执行层面的系统，CTC已成功实现了许多作业安全卡控功能，但目前主要是针对部分高风险的进路触发进行阻止，存在对规章的普适性不强，且没有风险分级的问题。为了适应普速铁路种类多样和繁杂的作业流程，需要在实现数字化描述规章所涉及的设备状态、作业环节和作业执行条件，并将人员操作纳入数字化描述重要组成部分的前提下，建立规章涉及的各要素之间的制约关系，构建作业环节之间的互锁关系，进而通过风险分析明确在人员、信息系统失效或失误，以及作业失序情况下的系统风险。在此基础上以车站进路计划为载体，以故障安全原则为导向设定进路触发的安全等级，对于高风险的进路触发命令进行阻止，对于中风险的进路触发命令进行双人冗余确认，对于低风险的进路触发命令进行单人确认，无风险的进路触发命令则具备自动执行的条件，以此形成完善的作业联锁机制。

为了实现作业联锁功能，CTC应在充分扩大与其他自动化和信息化系统之间的接口，在评估各类信息的安全等级，合理选择接口方式的基础上，以车站自律机为核心，将CTC现有分散的、条目化的安全卡控功能升级为模型化的作业联锁，构建集各类设备状态和作业状态为一体的作业卡控联锁机。

4 结束语

随着货运物流化的发展，社会对铁路运输服务的品质提出了更高的要求，需要铁路运输部门不断改进普速铁路CTC系统功能，通过提升信息的流通性、计划编制的集成性以及计划实施的可视可控性，对货物列车运行组织给予技术支撑。鉴于货物列车运输组织的复杂性，研究仅对普速铁路CTC系统功能扩展及作业流程优化进行了初步的探讨，在计划的一体化编制，CTC与其他系统的集成等方面还有大量细致的工作需要深入研究，从系统集成和作业协同的角度对生产过程进行剖析，对系统的发展方向做出规划。