中國列車運行控制系統(tǒng)(CTCS)

CTCSCTCS是(ChineseTrainControlSystem)的英文縮寫，中文意為中國列車運行控制系統(tǒng)。CTCS系統(tǒng)有兩個子系統(tǒng)，即車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)。CTCS根據(jù)功能要求和設配置劃分應用等級，分為0~4級。1.CTCS概述TDCS是鐵路調(diào)度指揮信息管理系統(tǒng)，主要完成調(diào)度指揮信息的記錄、分析、車次號校核、自動報點、正晚點統(tǒng)計、運行圖自動繪制、調(diào)度命令及計劃的下達、行車日志自動生成等功能，換句話說就是原來行車調(diào)度員和車站值班員需要用筆記下的東西現(xiàn)在都可以由TDCS自動完成。中國鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)參考歐洲ETCS規(guī)范，中國逐步形成了自己的CTCS（ChineseTrainControlSystem）標準體系。如何吸收ETCS規(guī)范并結(jié)合中國國情更好地再創(chuàng)新，是值得深入研究的課題。鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，是中國社會和經(jīng)濟發(fā)展的先行產(chǎn)業(yè)，是社會的基礎設施，鐵路運輸部門又是國民經(jīng)濟中的一個重要部門，它肩負著國民經(jīng)濟各種物資運輸?shù)闹厝?，對中國社會主義建設事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。為了滿足國民對鐵路運輸?shù)囊?，進入二十一世紀以后，鐵路部門致力于高速鐵路和客運專線的建設，并取得了驕人的成績。為了適應中國高速鐵路、客運專線的迅速發(fā)展和保證鐵路運輸安全的需要，鐵道部有關部門研制成功了“CTCS系統(tǒng)”（即：鐵路列車控制系統(tǒng)，是ChineseTrainControlSystem的縮寫“CTCS”）2.產(chǎn)生背景由于早期歐洲鐵路的列車運行控制系統(tǒng)種類繁多，且各國信號制式復雜、互不兼容，為有效解決各種列車控制系統(tǒng)之間的兼容性問題，保證高速列車在歐洲鐵路網(wǎng)內(nèi)跨線、跨國互通運行，1982年12月歐洲運輸部長會議做出決定，就歐洲大陸鐵路互聯(lián)互通中的技術問題尋找解決方案。2001年歐盟通過立法形式確定ETCS（EuropeanTrainControlSystem）為強制性技術規(guī)范。ETCS的主要目標是互通互用、安全高效、降低成本、擴展市場，在規(guī)范的設計上融入了歐洲各主要列控系統(tǒng)的功能，制定了比較豐富的互聯(lián)互通接口。經(jīng)過長期的發(fā)展，ETCS系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，得到了歐洲各國鐵路公司和供貨商的廣泛認可。中國人口密集，資源緊張，城市化發(fā)展非常迅速。一直處于發(fā)展中的中國鐵路，始終存在著運量與運能之間的突出矛盾。鐵路運輸至今仍相當程度地制約著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路仍是我國國民經(jīng)濟發(fā)展中的一個薄弱環(huán)節(jié)。為了緩解鐵路運輸?shù)膲毫?，鐵路部門先后實行了六次大提速。與此同時，高速鐵路的蓬勃發(fā)展，對鐵路的中樞神經(jīng)——信號系統(tǒng)也提出了新的技術要求。但由于歷史及技術原因，中國鐵路存在多種信號系統(tǒng)，嚴重影響了運輸效率。鐵路信號系統(tǒng)迫切需要建立統(tǒng)一的技術標準，確立數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、一體化發(fā)展方向，國產(chǎn)高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)標準的制定迫在眉睫。為實現(xiàn)高鐵戰(zhàn)略，鐵道部組織相關專家開始制定適合我國國情的中國列車控制系統(tǒng)CTCS（ChineseTrainControlSystem）。在CTCS技術規(guī)范中，根據(jù)系統(tǒng)配置CTCS按功能可劃分為5級。為滿足客運專線和高速鐵路建設需求，通過對ETCS標準的引進、消化、吸收，并結(jié)合成功應用的CTCS-2級列車運行控制系統(tǒng)的建設和運營經(jīng)驗，我國構建了具有自主知識產(chǎn)權的CTCS-3級列控系統(tǒng)標準。CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)是基于GSM-R無線通信的重要技術裝備，是中國鐵路技術體系和裝備現(xiàn)代化的重要組成部分，是保證高速列車運行安全、可靠、高效的核心技術之一。3.系統(tǒng)組成地面子系統(tǒng)可由以下部分組成：應答器、軌道電路、無線通信網(wǎng)絡（GSM-R）、列車控制中心（TCC）/無線閉塞中心（RBC）。其中GSM-R不屬于CTCS設備，但是重要組成部分。應答器是一種能向車載子系統(tǒng)發(fā)送報文信息的傳輸設備，既可以傳送固定信息，也可連接軌旁單元傳送可變信息。軌道電路具有軌道占用檢查、沿軌道連續(xù)傳送地車信息功能，應采用UM系列軌道電路或數(shù)字軌道電路。無線通信網(wǎng)絡（GSM-R）是用于車載子系統(tǒng)和列車控制中心進行雙向信息傳輸?shù)能嚨赝ㄐ畔到y(tǒng)。列車控制中心是基于安全計算機的控制系統(tǒng)，它根據(jù)地面子系統(tǒng)或來自外部地面系統(tǒng)的信息，如軌道占用信息、聯(lián)鎖狀態(tài)等產(chǎn)生列車行車許可命令，并通過車地信息傳輸系統(tǒng)傳輸給車載子系統(tǒng)，保證列車控制中心管轄內(nèi)列車的運行安全。車載子系統(tǒng)可由以下部分組成：CTCS車載設備、無線系統(tǒng)車載模塊。CTCS車載設備是基于安全計算機的控制系統(tǒng)，通過與地面子系統(tǒng)交換信息來控制列車運行。無線系統(tǒng)車載模塊用于車載子系統(tǒng)和列車控制中心進行雙向信息交換。4.應用等級CTCS應用等級0(以下簡稱L0)：由通用機車信號+列車運行監(jiān)控裝置組成，為既有系統(tǒng)。CTCS應用等級1(以下簡稱L1)：由主體機車信號+安全型運行監(jiān)控記錄裝置組成，點式信息作為連續(xù)信息的補充，可實現(xiàn)點連式超速防護功能。CTCS應用等級2(以下簡稱L2)：是基于軌道傳輸信息并采用車-地一體化系統(tǒng)設計的列車運行控制系統(tǒng)。可實現(xiàn)行指-聯(lián)鎖-列控一體化、區(qū)間-車站一體化、通信-信號一體化和機電一體化。CTCS應用等級3(以下簡稱L3)：是基于無線傳輸信息并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運行控制系統(tǒng)。點式設備主要傳送定位信息。CTCS應用等級4(以下簡稱L4)：是完全基于無線傳輸信息的列車運行控制系統(tǒng)。地面可取消軌道電路，由RBC和車載驗證系統(tǒng)共同完成列車定位和完整性檢查，實現(xiàn)虛擬閉塞或移動閉塞。同條線路上可以實現(xiàn)多種應用級別，L2、L3和L4可向下兼容。4.1CTCS0級為了規(guī)范的一致性，將目前干線鐵路應用的地面信號設備和車載設備定義為0級。0級由通用機車信號+列車運行監(jiān)控裝置組成，對這一定義，業(yè)內(nèi)尚有不同的看法。0級到底是在等級內(nèi)還是在等級外不夠明確，目前的通用機車信號尚未能成為主體機車信號，列車運行監(jiān)控裝置尚未能被公認為安全系統(tǒng)，所以稱列車運行控制系統(tǒng)還是不夠格的，但目前確實在運用，并起著保證安全的作用。0級的控制模式也是目標距離式，它在既有地面信號設備的基礎上，采取大貯存的方式把線路數(shù)據(jù)全部貯存在車載設備中，靠邏輯推斷地址調(diào)取所需的線路數(shù)據(jù)，結(jié)合列車性能計算給出目標距離式制動曲線。如能在每個進出站口增加點式設備，加強核對地址，就能大大減少邏輯推斷地址產(chǎn)生錯誤的可能性。日本的數(shù)字列車運行控制系統(tǒng)I-ATC就是采取車載信號設備貯存電子電圖，通過每一軌道區(qū)段的地址編碼來調(diào)取所需的線路數(shù)據(jù)，這種方式可以使地-車信息傳輸?shù)男畔⒌男枨罅繙p少。在歐洲列車控制系統(tǒng)ETCS規(guī)范中也不排斥車載信號設備貯存線路數(shù)據(jù)的方式。正因為0級尚未成為安全系統(tǒng)，適用于列車最高運行速度為160km/h及以下，一般自動閉塞設計仍按固定閉塞方式進行，采用四顯示自動閉塞，信號顯示具有分級速度控制的概念，其目標距離式制動曲線可作為參考。應該說這是一個過渡階段。4.2CTCS1級CTCS1級由主體機車信號+加強型運行監(jiān)控裝置組成，面向160km/h及以下的區(qū)段，在既有設備基礎上強化改造，達到機車信號主體化要求，增加點式設備，實現(xiàn)列車運行安全監(jiān)控功能。利用軌道電路完成列車占用檢測及完整性檢查，連續(xù)向列車傳送控制信息。1級的控制模式為目標距離式，采取大貯存的方式把線路數(shù)據(jù)全部貯存在車載設備中，靠邏輯推斷地址調(diào)取所需的線路數(shù)據(jù)，結(jié)合列車性能計算給出目標距離式制動曲線。在車站附近增加點式信息設備，傳輸定位信息，以減少邏輯推斷地址產(chǎn)生錯誤的可能性。1級與0級的差別在于全面提高了系統(tǒng)的安全性，是對0級的全面加強，可稱為線路數(shù)據(jù)全部貯存在車載設備上的列車運行控制系統(tǒng)。4.3CTCS2級CTCS2級是基于軌道電路和點式信息設備傳輸信息的列車運行控制系統(tǒng)，面向提速干線和高速新線，適用于各種限速區(qū)段，地面可不設通過信號機。是一種點-連式列車運行控制系統(tǒng)，功能比較齊全和適合國情。軌道電路完成列車占用檢測及完整性檢查，連續(xù)向列車傳送控制信息；點式信息設備傳輸定位信息、進路參數(shù)、線路參數(shù)、限速成和停車信息。CTCS2級采取目標距離控制模式（又稱連續(xù)式一次速度控制）。目標距離控制模式根據(jù)目標距離、目標速度及列車本身的性能確定列車制動曲線，不設定每個閉塞分區(qū)速度等級，采用一次制動方式。CTCS2級采取閉塞方式稱為準移動閉塞方式，準移動閉塞的追蹤目標點是前行列車所占用閉塞分區(qū)的始端，留有一定的安全距離，而后行列車從最高速開始一次制動曲線的計算點是根據(jù)目標距離、目標速度及列車本身的性能計算決定的。目標點相對固定，在同一閉塞分區(qū)內(nèi)不依前行列車的走行而變化，而制動的起始點是隨線路參數(shù)和列車本身性能不同而變化的?？臻g間隔的長度是不固定的，由于要與移動閉塞相區(qū)別，所以稱為準移動閉塞。顯然其追蹤運行間隔要比固定閉塞小一些。4.4CTCS3級CTCS3級是基于無線通信（如GSM-R）的列車運行控制系統(tǒng)，它可以疊加在既有干線信號系統(tǒng)上。軌道電路完成列車占用檢測及完整性檢查，點式信息設備提供列車用于測距修正的定位基準信息。無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)地-車間連續(xù)、雙向的信息傳輸，行車許可由地面列控中心產(chǎn)生，通過無線通信系統(tǒng)傳送到車上。CTCS3級與2級一樣，采取目標距離控制模式（又稱連續(xù)式一次速度控制）和準移動閉塞方式。由于其實現(xiàn)了地-車間連續(xù)、雙向的信息傳輸，所以功能更豐富些，實時性更強些。4.5CTCS4級CTCS4級是完全基于無線通信（如GSM-R）的列車運行控制系統(tǒng)。由地面無線閉塞中心（RBC）和車載設備完成列車占用檢測及完整性檢查，點式信息設備提供列車用于測距修正的定位基準信息。CTCS4級采取目標距離控制模式，列車按移動閉塞或虛擬閉塞方式運行。虛擬閉塞是準移動閉塞的一種特殊方式，它不設軌道占用檢查設備，采取無線定位方式來實現(xiàn)列車定位和占用軌道的檢查功能，閉塞分區(qū)是以計算機技術虛擬設定的。移動閉塞的追蹤目標點是前行列車的尾部，留有一定的安全距離，后行列車從最高速開始制動的計算點是根據(jù)目標距離、目標速度及列車本身的性能計算決定的。目標點是前行列車的尾部，與前行列車的走行和速度有關，是隨時變化的，而制動的起始點是隨線路參數(shù)和列車本身性能不同而變化的?？臻g間隔的長度是不固定的，所以稱為移動閉塞。其追蹤運行間隔要比準移動閉塞更小一些。4.6等級對照分析CTCS的應用等級劃分，發(fā)現(xiàn)有以下兩個特點：①各應用等級均采用目標距離控制模式，采取連續(xù)一次制動方式。這是由于我國的列控系統(tǒng)的應用起步晚，起點高，因此一步就瞄準了比較先進的控制模式。在我國階梯式和曲線式分級速度控制都用過，取得了經(jīng)驗，好在并未形成規(guī)模，CTCS推薦采用目標距離控制模式是適宜的，符合國際列控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。由于列控系統(tǒng)的控制模式是其主要特征和性能之一，控制模式?jīng)Q定了閉塞方式和列車運行間隔，從而決定了運輸能力，所以說除移動閉塞外，各應用等級的主要功能幾乎是一樣的。②各應用等級是根據(jù)設備配置來劃分的，其主要差別在于地對車信息傳輸?shù)姆绞胶途€路數(shù)據(jù)的來源?；趪槎嘈畔④壍离娐罚║M系列18信息）比較成熟，達到國產(chǎn)化程度，所以以它為基礎設備之一；歐標應答器通用性強，供貨廠商多，也作為基礎設備之一；軌道電纜和計軸器不準備推廣；數(shù)字軌道電路國際上唯有日本用它實現(xiàn)了目標距離控制模式，國內(nèi)研制尚未成熟，暫不于確定，數(shù)字軌道電路的生命力將取決于其國產(chǎn)化程度和進度；無線通信（如GSM-R）歐洲推廣，能實現(xiàn)地-車間連續(xù)、雙向的大信息量傳輸，有發(fā)展趨勢，用于高等級列控系統(tǒng)。線路數(shù)據(jù)大貯存于車載數(shù)據(jù)庫靠邏輯推算來提取相應數(shù)據(jù)的方式，用于較低等級列控系統(tǒng)；點式信息設備傳輸線路數(shù)據(jù)的方式，增加了線路數(shù)據(jù)的實時性，用于中等級列控系統(tǒng)，至于采用貯存電子地圖和點式信息設備提供閉塞區(qū)段地址碼的方式將在技術發(fā)展中比選；無線通信連續(xù)、雙向信息傳輸，有大信息量和實時性的優(yōu)勢，用于高等級列控系統(tǒng)。為便于對照，用以下簡表歸納CTCS0CTCS1CTCS2CTCS3CTCS4地面設備軌道電路軌道電路、應答器車站列控中心、軌道電路、應答器車站列控中心、GSM-R地面設備、軌道電路、無線閉塞中心車站列控中心、GSM-R地面設備、無線閉塞中心車載設備通用機車信號、LKJ主體機車信號、應答器接收裝置、LKJATP（含機車信號、應答器接收功能）、LKJGSM-R接收模塊、ATPGSM-R接收模塊、ATP地對車信息傳輸多信息軌道電路多信息軌道電路+應答器多信息軌道電路+應答器無線通信雙向信息傳輸無線通信雙向信息傳輸適用區(qū)段160km/h及以下160km/h及以下200~250km/h提速干線和高速新線300~350km/h高速新線特殊新線對應ETCSETCS-1ETCS-2ETCS-35.級間關系（1）符合CTCS規(guī)范的列車超速防護系統(tǒng)應能滿足一套車載設備全程控制的運用要求（2）系統(tǒng)車載設備向下兼容（3）系統(tǒng)級間轉(zhuǎn)換應自動完成（4）系統(tǒng)地面，車載配置如具備條件，在系統(tǒng)故障的條件下應允許降級使用（5）系統(tǒng)級間轉(zhuǎn)換應不影響列車正常運行6.工作模式6.1完全監(jiān)控模式（FS）當車載設備具備列控所需的全部基本數(shù)據(jù)（包括列車數(shù)據(jù)，行車許可和線路數(shù)據(jù)等），列控車載設備生成目標距離連續(xù)速度控制模式曲線，并通過人機界面（DMI）顯示列車運行速度、允許速度、目標速度和目標距離等信息，監(jiān)控列車安全運行。6.2調(diào)車模式（SH）當進行調(diào)車作業(yè)時，司機按下調(diào)車按鈕，列控車載設備按固定限制速度40km/h（頂棚）監(jiān)控列車前進或折返運行。當工作在CTCS-3級時，需要RBC（無線閉塞中心）給出授權，列控車載設備轉(zhuǎn)入調(diào)車模式（SH)后與RBC斷開連接，退出調(diào)車模式（SH)后，再與RBC重新連接。6.3休眠模式（SL）該模式用于非本務端列控車載設備。在這種模式下，列控車