高速鐵路列控車載設(shè)備安全技術(shù)探討-20130123

1、高速鐵路列控車載設(shè)備安全技術(shù)探討* （單位：*）作者： 作者簡介：*題名：高速鐵路列控車載設(shè)備安全技術(shù)探討摘要：高速鐵路的發(fā)展必須始終把安全擺在最核心、最本質(zhì)、最關(guān)鍵的位置，列控系統(tǒng)是保障高速列車行車安全的核心設(shè)備。列控車載設(shè)備作為列控系統(tǒng)的重要組成部分，主要任務(wù)是連續(xù)、實時監(jiān)督高速列車的運行速度，實現(xiàn)對列車的超速防護。列控車載設(shè)備的可靠性和安全性是確保高鐵安全可靠運營的前提。本文結(jié)合國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀，一方面對高速鐵路目前所采用的列控車載設(shè)備設(shè)計、實現(xiàn)、測試、運營維護等方面的安全技術(shù)進行分析和總結(jié)，旨在增強民眾對高鐵的信任感；另一方面在目前的技術(shù)體系下，針對如何管好用好高速鐵路列控車載設(shè)

2、備，也提出了一些見解，目的是尋求高速鐵路的更好更快發(fā)展。關(guān)鍵詞：高速鐵路、車載設(shè)備、安全技術(shù) 概述目前，國內(nèi)已開通的CTCS-3級列控線路主要有京滬、武廣、廣深、哈大、京石武、鄭西、滬寧、滬杭高鐵，最高運營時速350公里/小時。CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)是中國鐵路時速大于300km/h客運專線的重要技術(shù)裝備，是中國鐵路技術(shù)體系和裝備現(xiàn)代化的重要組成部分，是保證高速列車運行安全、可靠、高效的核心技術(shù)之一。列車速度提高到160km/h以上時，對列車控制必須由開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制，CTCS-3列控系統(tǒng)正是通過車地信息的實時交互，從而實現(xiàn)對列車的閉環(huán)控制。CTCS-3級列控系統(tǒng)主要分為車載設(shè)備和地

3、面設(shè)備兩大部分。其中，列車運行過程中，車載設(shè)備實時通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)與地面設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，根據(jù)接收到的地面命令信息（含地面設(shè)備提供的MA移動授權(quán)、信號動態(tài)信息、線路參數(shù)、臨時限速等信息），按照目標-距離模式生成MRSP最不利限制曲線，進行超速防護，監(jiān)控列車安全運行。列控車載設(shè)備是高速鐵路行車安全中必不可少的核心設(shè)備之一，列控車載設(shè)備的安全技術(shù)直接關(guān)系到高速鐵路列車運行中的安全性和可靠性。CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備的組成車載設(shè)備由車載安全計算機（VC）、GSM-R無線通信單元（RTU）、軌道電路信息接收單元（TCR）、應(yīng)答器信息接收模塊（BTM）、記錄單元（DRU）、人機界面（DMI）等組

4、成。CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備采用分布式體系結(jié)構(gòu)，各輸入輸出單元通過總線與核心處理單元進行通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余配置，具有高可靠性和高可用性；各輸入輸出單元通過總線與核心處理單元進行通信，具有良好的抗干擾性和可擴展性。以下以CTCS3-300T車載為例說明CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備的結(jié)構(gòu)。CTCS3-300T列控車載設(shè)備與列車可采用兩種形式的接口，一種為繼電器接口，一種為MVB接口，對應(yīng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示（CRH2和CRH3型車）。CTCS3-300T列控車載設(shè)備主要組成包括：1）車載安全計算機：包括C3主機（對應(yīng)ATPCU單元）/C2主機（對應(yīng)C2CU單元），是列控車載設(shè)備

5、的控制核心。負責CTCS-3級車載控制功能，兼容CTCS-2級控制功能。2）測速測距子系統(tǒng)：負責監(jiān)測列車的運行速度并計算列車行走距離，并通過一定方式將此速度距離信息發(fā)送至各個子模塊，包括SDP、SDU以及用于測速的雷達和速傳，其中SDU速度距離單元采集來自速度傳感器和雷達速度傳感器的脈沖信號，將其轉(zhuǎn)換為脈沖值，通過信號MVB總線傳送給SDP單元處理；SDP速度距離處理單元對SDU單元采集的脈沖值進行計算，得出列車運行方向、速度和走行距離。3）安全傳輸子系統(tǒng)：主要控制MT模塊通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸，又稱為STU-V，包括COMC和GCD兩部分，其中COMC主要實現(xiàn)安全層相

6、關(guān)功能及內(nèi)部總線通信與外部無線通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換功能，GCD主要實現(xiàn)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、MT模塊控制功能，數(shù)據(jù)加密解密算法也有GCD設(shè)備負責完成。4）應(yīng)答器信息傳輸子系統(tǒng)：負責應(yīng)答器信息接收與處理，包含BTM和CAU，其中CAU即BTM的接收天線，用于接收地面應(yīng)答器的信號；BTM用于接收應(yīng)答器信息，并將解調(diào)后的信息傳輸給主機單元。5）數(shù)字輸入/輸出單元：用于采集列車輸出的開關(guān)量信息，實現(xiàn)與列車之間接口。6）安全輸入/輸出單元：用于車載設(shè)備緊急制動命令的發(fā)送，并接收制動反饋信息。7）軌道電路信息接收子系統(tǒng)：用于軌道電路信息的接收和處理。8）司法記錄單元：用于記錄司法分析所需的列控車載設(shè)備工作狀

7、態(tài)及各種輸入輸出信息。CTCS3-300T列控車載設(shè)備負責接收地面數(shù)據(jù)命令信息，通過對列車行車許可、線路參數(shù)、列車信息的綜合處理，按照目標距離連續(xù)速度控制模式，生成最不利速度控制曲線，通過采取聲光報警、切除牽引力、三級常用制動（弱、中、強）和緊急制動措施，監(jiān)控列車運行，保證列車速度不超過進路允許速度、線路結(jié)構(gòu)規(guī)定的速度、列車的構(gòu)造速度、臨時限速及緊急限速。車載設(shè)備的安全設(shè)計技術(shù)列控車載設(shè)備時保證列車行車安全的重要安全設(shè)備，必須按照相應(yīng)的安全設(shè)計和評估標準進行系統(tǒng)的研究開發(fā)。由于國內(nèi)的CTCS-3級列控系統(tǒng)是在歐洲ETCS-2級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展和演變過來的，歐洲已針對鐵路領(lǐng)域制定了比較完善的

8、的安全系統(tǒng)設(shè)計和評估標準，簡稱為CEN-ELEC系列標準。目前，國內(nèi)CTCS-3級列控車載設(shè)備研發(fā)過程也同樣要求遵循關(guān)歐洲CEN-ELEC標準中定義的安全完整度安全要求。用于高速鐵路的列控車載設(shè)備，安全相關(guān)部件都要求達到SIL4級（EN50129規(guī)定，SIL4級系統(tǒng)風險概率滿足：10-9每小時故障危險概率10-8）。按照SIL4級要求，車載設(shè)備安全部件的設(shè)計與研發(fā)過程均應(yīng)采用故障導(dǎo)向安全的原則，安全相關(guān)軟件應(yīng)采用雙代碼或雙硬件方式對系統(tǒng)執(zhí)行過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行實時比較。按照CEN-ELEC相關(guān)標準的規(guī)定，車載設(shè)備研發(fā)過程中，應(yīng)通過EN50128中的安全軟件開發(fā)V字形模型開展相關(guān)研發(fā)工作，實現(xiàn)對

9、整個軟件生命期的質(zhì)量管理與控制。安全軟件開發(fā)V字形模型具體包括系統(tǒng)需求階段、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計階段、模塊詳細設(shè)計階段、編碼階段、軟件模塊測試階段、軟硬件集成測試階段、軟件確認與驗證階段、系統(tǒng)集成測試階段、系統(tǒng)評估階段和系統(tǒng)維護階段。各個階段的輸入和輸出文件都有詳細的規(guī)定，車載設(shè)備研發(fā)完成后，必須通過相關(guān)的測試驗證，并經(jīng)過具有相應(yīng)資質(zhì)的獨立第三方安全評估機構(gòu)進行安全評估，通過安全認證后才能夠安裝使用。目前，國內(nèi)CTCS-3列控線路中裝備最多的車載設(shè)備是CTCS3-300T車載設(shè)備。以下以CTCS3-300T車載設(shè)備為例，對車載設(shè)備的安全性設(shè)計進行說明。 CTCS3-300T車載設(shè)備的安全相關(guān)軟件采用雙

10、代碼結(jié)構(gòu)，同一套硬件中同時運行A、B兩套相異代碼，兩套代碼使用不同的數(shù)據(jù)區(qū)，采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且兩套代碼同時對輸入輸出數(shù)據(jù)及中間過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行相互比較，比較不一致則導(dǎo)向安全側(cè)。在系統(tǒng)設(shè)計中，CTCS3-300T車載設(shè)備采用現(xiàn)場總線分布式結(jié)構(gòu)，具有良好的抗干擾性和可擴展性；車載系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余配置，如ATPCU、C2CU、BTM、CAU、DMI等采用冷備，速度傳感器、雷達、TCR、GSM-R單元及其天線等采用熱備，具有高可靠性和高可用性。CTCS3-300T車載設(shè)備的各個子系統(tǒng)均采用安全性設(shè)計，系統(tǒng)內(nèi)安全相關(guān)單元一方面運行時實時硬件單元的CPU、內(nèi)存等硬件進行監(jiān)控；一方面采用AB

11、代碼方案，該軟件構(gòu)架可以防護硬件單元的硬件故障。在軟件偵測到硬件故障后，自動根據(jù)故障影響控制施加最大常用或者緊急制動。此外，CTCS3-300T車載設(shè)備的總線接口和列車接口也都采用了安全性設(shè)計：總線通過看門狗實現(xiàn)安全性監(jiān)控，一旦總線中斷或者受到干擾，看門狗溢出后，自行施加制動；列車接口中的緊急制動和全常用制動采用繼電器接口及失電制動邏輯，確保了接口的可靠性和故障條件下的安全性。車載設(shè)備的試驗與驗證安全技術(shù)1.型式試驗車載設(shè)備的相關(guān)研發(fā)和設(shè)計完成后，按照接口設(shè)計圖紙可以完成相關(guān)的安裝調(diào)試。在運行過程中，車載設(shè)備需要與列車配合使用，而不同車型在制動性能、電氣接口等方面存在很多差異。那么，該如何驗證

12、車載設(shè)備與車輛的匹配性呢？這就需要通過型式試驗來保證。型式試驗需要在車載設(shè)備安裝調(diào)試完畢后進行，目的是驗證車載設(shè)備與列車接口的適配性和安全性，型式試驗一般僅針對新車型的首列車。型式試驗應(yīng)包含靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩部分。其中，靜態(tài)測試至少應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：1）列車開關(guān)對車載設(shè)備的作用和影響檢測：測試動車組開關(guān)對車載設(shè)備的控制作用，檢查升降弓、斷/合主斷路器對車載設(shè)備運行的影響；2）車載設(shè)備與列車的制動接口檢測：檢測車載設(shè)備弱、中、強（最大常用）制動輸出、緊急制動輸出，檢測相應(yīng)的制動反饋信號，檢測車載設(shè)備能否正常采集列車駕駛臺狀態(tài)輸入信號、方向手柄信號，檢測休眠信號對車載設(shè)備的影響，檢測列車正常的制動

13、輸出等信號對車載設(shè)備使用的影響。動態(tài)測試至少應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：1）過分相測試：檢查車載設(shè)備能夠正常輸出過分相控制信號、過分相有效信號；2）測速測距性能測試：檢查車載設(shè)備在各種場景下的測距精度，如列車施加最大常用制動、列車施加牽引、低粘著條件下等場景；3）應(yīng)答器報文接收測試：檢查車載設(shè)備能否正確接收應(yīng)答器報文；4）牽引和制動性能測試：檢查車載設(shè)備配置參數(shù)在各種場景下的適應(yīng)性，如列車加速、恒速、觸發(fā)最大常用制動、弱常用制動、緊急制動等場景。此外，還需要考慮列車重聯(lián)等情況下的型式試驗。2.聯(lián)調(diào)聯(lián)試高速鐵路系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，由許多相互獨立又相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成。高速鐵路系統(tǒng)大致可分為高速列車、工務(wù)

14、工程、牽引供電、列控系統(tǒng)、運營調(diào)度和客運服務(wù)6個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又由許多相對獨立且相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。高速鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試需要對高速鐵路系統(tǒng)進行全面、系統(tǒng)的測試，是保障高速鐵路大系統(tǒng)正常開通和運營的關(guān)鍵。在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，車載設(shè)備是列控系統(tǒng)中關(guān)鍵的被測對象，一方面需要在各種正常的場景下開展相關(guān)測試，驗證列控系統(tǒng)相關(guān)的配置和功能是否與設(shè)計目標一致，驗證車載設(shè)備設(shè)計及實現(xiàn)是否滿足需求；另一方面，需要在各種邊界載荷條件下或異常場景下開展測試，分析確認列控系統(tǒng)的響應(yīng)是否滿足RAMS需求，驗證車載設(shè)備的可靠性、可用性和安全性。聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段是高速鐵路開通運營前的必經(jīng)階段，通過高速鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，發(fā)現(xiàn)并糾正數(shù)

15、據(jù)設(shè)備和集成方案方面的錯誤，同時也對車載設(shè)備的功能進行了比較完備的測試，通過模擬各種可能發(fā)生事故的外部和內(nèi)部條件進行安全方面的測試，總結(jié)真實故障發(fā)生的頻率和概率，提高了車載設(shè)備現(xiàn)場運營和維護的安全性。3.互聯(lián)互通測試依托武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路和廣深港高速鐵路，我國建立了CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)的3個技術(shù)平臺，也形成了各具特色的符合我國國情的3種不同類型的車載設(shè)備，具體包括基于瑞典龐巴迪公司平臺的CTCS3-300T車載設(shè)備、基于意大利安薩爾多公司平臺的CTCS3-300S車載設(shè)備和基于日本日立公司平臺的CTCS3-300H車載設(shè)備。而我國高速鐵路建設(shè)的總體目標是CTCS-3級列控系統(tǒng)

16、應(yīng)具備跨線運行的能力，即裝備不同技術(shù)平臺的CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備列車，能夠在裝備不同技術(shù)平臺的CTCS-3級列控系統(tǒng)地面設(shè)備的線路上安全不間斷運行，同時實現(xiàn)線路上CTCS-3級列控系統(tǒng)所要求的功能需求和性能指標，并且均滿足統(tǒng)一的標準規(guī)范體系。為達成高速鐵路建設(shè)的目標，滿足高速鐵路網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求，必須驗證裝備這3種平臺的列控系統(tǒng)能夠在各條高速鐵路上安全、不間斷地運行，并滿足標準規(guī)范所規(guī)定的性能，具備跨線運行的能力。針對該需求，依據(jù)鐵道部頒布的CTCS-3級列控系統(tǒng)測試案例（V3.0）(科技運【2009】59號)，各相關(guān)研究單位根據(jù)各自的測試案例集聯(lián)合制定了互聯(lián)互通測試序列。測試序列中，

17、其中一些測試案例是針對車載設(shè)備的功能測試，如DMI顯示、數(shù)據(jù)存儲功能，還有一些是測試地面設(shè)備功能的案例?；ヂ?lián)互通測試序列通過鐵道部審核后，鐵道部頒布了CTCS-3級列控系統(tǒng)實驗室車載設(shè)備互聯(lián)互通測試序列(V1.0)(運基信號【2010】849號)。進行互聯(lián)互通測試時，測試單位將與互聯(lián)互通測試有關(guān)的案例進行篩選，再利用這些測試案例組成第三三方車載設(shè)備互聯(lián)互通測試所使用的測試序列。測試通過后，裝備不同車載設(shè)備的列車才具備跨線運行條件。車載設(shè)備的檢修與維護安全技術(shù)由于列控車載設(shè)備本身既有的復(fù)雜性和外部工作環(huán)境的復(fù)雜性（如車輛運行時的振動、電磁干擾、溫度濕度、雨雪惡劣天氣等外來因素的影響），這些都可能

18、會車載設(shè)備的正常工作。列控車載設(shè)備檢修的檢修與維護是保障高速鐵路安全、可靠運用的前提。1.日常檢修與維護高速鐵路列控車載設(shè)備與傳統(tǒng)的信號設(shè)備相比存在較大的差異，高速鐵路的列控車載設(shè)備的系統(tǒng)集成度更高，軟件和硬件復(fù)雜度較傳統(tǒng)信號設(shè)備呈現(xiàn)級數(shù)增長，加上故障導(dǎo)向安全理念的運用，故障的隱蔽性和突發(fā)性很強，采用傳統(tǒng)的檢測手段和方法往往無法滿足故障檢測的需要。目前，車載設(shè)備的日常維護和檢修一般都在動車維修基地進行。高速鐵路列控車載設(shè)備本身具備故障提示和故障代碼指示功能。結(jié)合實際的維護需求，車載設(shè)備都配套了較為完善的便攜式檢測系統(tǒng)和動態(tài)監(jiān)測裝置（簡稱DMS），具有輔助維修、記錄下載分析、記錄統(tǒng)計等功能。相關(guān)

19、檢測設(shè)備都安裝在動車組相應(yīng)的機柜內(nèi)，在列車運行中完成車載設(shè)備運用狀態(tài)、應(yīng)答器位置及報文、軌道電路傳輸特性等信息的采集，數(shù)據(jù)通過無線方式實時傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心，實現(xiàn)故障信息的自動采集和實時分析。車載設(shè)備投入使用后，設(shè)備供應(yīng)商會按照預(yù)定安排，組織對現(xiàn)場技術(shù)人員和使用人員進行相關(guān)培訓(xùn)，建立完善的維護體系，確保能夠及時下載相關(guān)的故障診斷記錄，對運行中出現(xiàn)的每一起故障進行分析，在改善系統(tǒng)的可用性的同時確認是否存在安全相關(guān)問題。由于列控車載設(shè)備故障的復(fù)雜性和多樣性，為保證車載設(shè)備日常故障分析和定位的準確性，一方面在車載設(shè)備的日常檢修和維護中逐步形成了維修工區(qū)、車載設(shè)備工作站維護人員、電務(wù)段技術(shù)骨干、車載設(shè)

20、備供應(yīng)商售后服務(wù)人員、技術(shù)專家聯(lián)合分析的分層負責制，24小時不間斷響應(yīng)處理。系統(tǒng)故障發(fā)生后，第一時間由維修工區(qū)或工作站維護人員下載相關(guān)記錄數(shù)據(jù)分析，對于常見的故障電話與設(shè)備供應(yīng)商售后服務(wù)人員溝通后，上報電務(wù)段批準后直接采取整治措施；對于不常見的復(fù)雜故障，由維修工區(qū)或工作站維護人員下載相關(guān)記錄數(shù)據(jù)并提供給設(shè)備供應(yīng)商技術(shù)專家進行分析，提供具體的整治措施或解決方案，再通過維修工區(qū)或工作站維護人員具體執(zhí)行。另一方面，車載設(shè)備供應(yīng)商結(jié)合現(xiàn)場發(fā)生的故障情況，歸納整理了相應(yīng)的故障處理手冊，對各類典型故障的特點、故障分析過程、故障排除措施等一一進行了總結(jié)，作為現(xiàn)場分析和處理故障的依據(jù)。這些都確保了現(xiàn)場故障的分

21、析與處理能夠在第一時間內(nèi)準確完成，切實保證了列控車載設(shè)備運營過程中的可靠性和安全性。2.車載設(shè)備的高級檢修為保證高速鐵路列控車載設(shè)備高級檢修的運用質(zhì)量，按照高速鐵路列控車載設(shè)備各部件的壽命周期及檢修工作量，鐵道部印發(fā)了動車組CTCS-3級列控車載設(shè)備高級檢修規(guī)程（技術(shù)規(guī)章編號TG/XH202-2012），將高速鐵路列控車載設(shè)備修程劃分為一、二級運用檢修和三、四、五級高級檢修，其設(shè)定與動車組修程配套。其中，三級修對應(yīng)列控車載設(shè)備在新出廠后隨動車組運行120萬公里(CRH2C一階段動車組90萬公里)進行的檢修；四級修對應(yīng)列控車載設(shè)備在新出廠后隨動車組運行240萬公里（CRH2C一階段動車組180萬公里)或480萬公里（CRH2C一階段動車組360萬公里)進行的檢修；五級秀對應(yīng)列控車載設(shè)備在新出廠后隨動車組運行360萬公里（CRH2C一階段動車組270萬公里)進行的檢修。列控車載設(shè)備的主要檢修部件包括：安裝于車頂?shù)腉SM-R天線；安裝于車內(nèi)的主機、人機界面（DMI）、應(yīng)答器信息接收裝置（BTM）等；安裝與車底的速度傳感器、雷達、軌道電路讀取單元（TCR）天線、BTM天線，相關(guān)電纜及接線盒；列控設(shè)備動態(tài)檢測裝置（DMS）。在各個階段的檢修中，