歐洲列車運行控制系統(tǒng)(高速公路)體系綜述

歐洲列車運行控制系統(tǒng)(高速公路)體系綜述

0u2009年指南u2009歐洲運營管理系統(tǒng)（如德洛伊木馬）的基本版本2（2.3.0d）。1u3000etcs體系由于列車運行控制系統(tǒng)種類繁多且各國信號制式互不兼容，為保證高速列車在歐洲鐵路網(wǎng)內(nèi)互通運行，1982年12月在歐洲運輸部長會議上作出決定，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作為強制性技術規(guī)范；通過一系列技術論證、仿真試驗和工程驗證，2008年正式發(fā)布ETCS體系規(guī)范基線2(2.3.0d）版本。隨著需求的增加和技術的演進，歐洲鐵路工業(yè)協(xié)會工作組（unionindustryofsignaling,UNISIG）通過立項和工程等形式不斷推動ETCS體系規(guī)范的完善和發(fā)展，具體項目包括TEN-T,NGTC及Shift2Rail等。這些項目在將自動駕駛、衛(wèi)星定位及下一代通信等技術與干線鐵路和城市軌道交通技術融合等方面不斷推動ETCS體系規(guī)范向前發(fā)展。圖1示出ETCS近期發(fā)展和規(guī)劃。2u2009ju數(shù)據(jù)的記錄在ETCS體系規(guī)范定義中，通過對比基線2和基線3的系統(tǒng)架構（圖2）可以看到如下變化：首先是轉(zhuǎn)換了司法記錄單元（juridicalrecorderunit,JRU）的角色，其次是結合通信技術發(fā)展進行調(diào)整，第三是增加了系統(tǒng)內(nèi)容。具體表現(xiàn)為：(1)JRU不僅記錄信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而且需要記錄車輛等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)。JRU記錄部分在基線2中被定義為ETCS車載系統(tǒng)的一部分，但在基線3中已轉(zhuǎn)移至ETCS系統(tǒng)外。(2)GSM-R網(wǎng)絡在基線2中被定義采用CS模式（電路域），但未定義PS模式（分組域）方式；在基線3中，其被定義為優(yōu)先采用PS模式，只有在PS模式失敗的情況下才被切換到CS模式。(3）密鑰管理部分在基線2中的定義不完整；在基線3中，明顯增強了對信息安全的要求，對密鑰管理進行了更明確的定義，包括公鑰基礎設施（publickeyinfrastructure,PKI）的定義、與車載和無線閉塞中心（radioblockcenter,RBC）的在線與離線接口協(xié)議以及內(nèi)部接口定義。3互通的特點和優(yōu)點ETCS技術體系可以支持不同線路、不同國家、不同等級、不同生產(chǎn)廠家系統(tǒng)的高度互聯(lián)互通，互聯(lián)互通是其突出特點和優(yōu)點之一。隨著用戶要求的升級、技術水平的發(fā)展以及市場競爭的推動，ETCS技術體系的互聯(lián)互通也在不斷發(fā)展，其技術內(nèi)涵也增加了基線版本、人機接口（driver-machineinterface,DMI）、JRU接口、密鑰接口、自動駕駛標準等方面互聯(lián)互通的內(nèi)容。3.1基線版本的兼容基線版本已從基線2發(fā)展到了基線3。為了實現(xiàn)對既有線路的互聯(lián)互通，基線3被要求能夠?qū)崿F(xiàn)對基線2的向前兼容。一方面表現(xiàn)為車載系統(tǒng)對地面的基線2版本規(guī)范的兼容，要求車載系統(tǒng)能夠識別地面基線版本，并動態(tài)執(zhí)行版本的切換：在基線3的地面區(qū)域，車載系統(tǒng)按照基線3規(guī)范執(zhí)行；而進入基線2的地面區(qū)域，車載系統(tǒng)能自動切換到基線2規(guī)范執(zhí)行。另一方面表現(xiàn)為RBC對既有RBC基線2的兼容，也就是說，基線3的RBC需要既能夠采用基線3接口規(guī)范與相鄰基線3的RBC互聯(lián)，也能夠采用基線2接口規(guī)范與相鄰基線2的RBC互聯(lián)。3.2u2009davitalomporter接口在ETCS技術規(guī)范ERA＿ERTMS＿015560中定義了DMI的顯示要求等。尚未正式發(fā)布的EVC-DMI接口規(guī)范約定了車載安全計算機（Europeanvitalcomputer,EVC）和DMI之間的接口邏輯及接口協(xié)議。該接口的互聯(lián)互通意味著未來DMI將可以作為完全獨立的TSIIC部件形式存在，評測機構可以針對該接口進行第三方獨立測試，TSI評估可以針對DMI進行獨立認證，車載系統(tǒng)的EVC和DMI未來也可以來自不同供應商。這進一步擴大了廣泛互聯(lián)互通的內(nèi)涵。3.3u2009js系統(tǒng)在ETCS技術規(guī)范Subset-027中定義了車載系統(tǒng)司法記錄的數(shù)據(jù)格式，而且JRU已經(jīng)被轉(zhuǎn)移至ETCS系統(tǒng)外。車載系統(tǒng)的EVC和JRU可以來自不同供應商，也是系統(tǒng)廣泛互聯(lián)互通的一部分。隨著JRU接口內(nèi)容愈加豐富、功能愈加強大，其既可以被作為列車全系統(tǒng)（含信號、牽引、網(wǎng)絡等）的綜合記錄平臺，也可以被作為整體列控系統(tǒng)綜合運維平臺的一部分，因此具有更為廣泛互聯(lián)的發(fā)展條件。3.4evc、地面rbc/rua的密鑰接口ETCS技術規(guī)范Subset-038,Subset-114和Subset-137定義了密鑰管理中心與車載ATP、地面RBC/RIU的在線和離線接口邏輯以及接口協(xié)議。在信息安全方面，首先確定了車載EVC和地面RBC/RIU的密鑰接口；其次，明確了密鑰管理中心之間的密鑰接口；最后，也明確了密鑰管理中心的技術規(guī)格。該系列技術規(guī)范是在傳統(tǒng)信號安全技術規(guī)范基礎上的外延和拓展，確定了信息安全的內(nèi)容，進一步擴大了廣泛互聯(lián)互通的內(nèi)涵。3.5系統(tǒng)應用階段歐盟范圍通過TEN-T、NGTC、Shift2Rail等項目逐步建立了覆蓋多等級的自動駕駛標準。這些標準雖然尚未被正式發(fā)布，但已編制了相關規(guī)范，并通過試驗線進行了驗證，正處于優(yōu)化和完善階段。該系列規(guī)范繼承了ETCS體系互聯(lián)互通特性，結合NGTC項目在ETCS和CBTC方面技術統(tǒng)一的成果，致力于自動駕駛技術范疇的互聯(lián)互通，包括自動駕駛需求規(guī)范、自動駕駛外部接口規(guī)范（車輛、車載EVC、司法記錄及調(diào)度管理等）等。在NGTC和Shift2Rail項目背景下，ETCS技術體系中增加自動駕駛各層面技術規(guī)范具有重大意義，是廣泛互聯(lián)互通的又一重大里程碑。4u2009網(wǎng)絡的功能定制在ETCS體系規(guī)范中，基線3相比于基線2進行了功能完善，主要包括既有功能的優(yōu)化、新增功能的定義及功能兼容性等方面。4.1u2009的現(xiàn)有功能得到了優(yōu)化4.1.1車輛參數(shù)的更新基線3致力于提升列車控制效率首先，列車參數(shù)可以有多種更新途徑，包括：列車參數(shù)可作為配置數(shù)據(jù)離線設置在車載系統(tǒng)內(nèi)默認使用；司機可以通過人機界面更新列車參數(shù)，提高應急處理的靈活性；車輛系統(tǒng)可以通過總線接口向車載系統(tǒng)更新列車參數(shù)，以便根據(jù)車輛變化情況及時更新參數(shù)；地面信號系統(tǒng)可以通過國家參數(shù)的方式向車載系統(tǒng)更新列車參數(shù)，以便更適用于該地面區(qū)域。其次，lambda和gamma這兩種制動模型具有不同的控制效果。相對而言，gamma制動模型更加精確、效率更高，但也需要更加精確的列車參數(shù)。兩種模型的選擇需要綜合考慮車輛特性和地面線路情況。最后，地面信號系統(tǒng)可以向車載系統(tǒng)發(fā)送不同車型（按照NC＿CDDIFF和NC＿DIFF區(qū)分）的線路速度限制信息；車載系統(tǒng)結合自身列車參數(shù)來確定所采用的線路速度限制，實現(xiàn)不同車型的不同限速，從而提升綜合運行效率。4.1.2無線通信方式隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，不同通信制式，如3GPP長期演進技術（longtermevolution,LTE），已經(jīng)在城市軌道交通系統(tǒng)中得到商業(yè)運用并取得了很好的效果，基于分組交換的無線通信方式也得到了驗證。因此，基線3針對GSM-R網(wǎng)絡的通信要求也相應發(fā)生了變化?；€2體系中僅確定了采用CS模式的通信方式，即地面系統(tǒng)和車載系統(tǒng)建立并維持通信鏈路?；€3體系中增加了PS模式，且PS模式優(yōu)先于CS模式，即只有在PS模式失效的情況下才考慮使用CS模式通信。該變化適應了通信系統(tǒng)技術發(fā)展，也建立在類似通信技術驗證的基礎之上。一方面，車載系統(tǒng)和地面信號系統(tǒng)信息交互頻率不高，分組域的使用可以滿足通信指標要求；另一方面，分組域可以更好地統(tǒng)籌管理通信資源。4.2u2009的新功能定義4.2.1口入口防護點針對鐵路道口，基線3增加了相關技術條款；同時考慮到道口的復雜情況、工程改造要求和不同國家的投資條件，定義了3種不同的控制表現(xiàn)方式：(1）道口系統(tǒng)接入信號系統(tǒng)方式。在列車接近道口時，信號系統(tǒng)通知道口系統(tǒng)進行防護操作，此時信號系統(tǒng)行車許可被限制在道口入口防護點；當?shù)揽谙到y(tǒng)完成防護操作并成功通知信號系統(tǒng)后，信號系統(tǒng)確保安全條件完全滿足并延伸行車許可通過道口區(qū)域，從而實現(xiàn)道口的安全防護。(2）道口系統(tǒng)不接入信號系統(tǒng)，采用停車后通過方式。在列車接近道口時，地面信號系統(tǒng)通知車載系統(tǒng)前方道口區(qū)域位置并要求列車必須在道口入口防護點前停車，人工確認安全后方可通過道口區(qū)域，從而實現(xiàn)道口的安全防護。該方案實施簡單，但需要人工確保道口安全，此外列車無條件停車會影響行車效率。(3）道口系統(tǒng)不接入信號系統(tǒng)，采用限速通過方式。在列車接近道口時，地面信號系統(tǒng)通知車載系統(tǒng)前方道口區(qū)域位置并要求列車限速通過道口區(qū)域，從而實現(xiàn)道口的安全防護。該方案實施簡單，但需要人工確保道口安全；相比方式(2)，其無需停車，可以提高行車效率，但同時也增加了安全責任。綜上，需要結合具體項目條件來選擇道口防護的實施方案。4.2.2地面電耗限制條件基線3為了進一步提升控制效果、互聯(lián)互通能力及列車控制系統(tǒng)自動化水平，線路條件部分增加了很多技術條款，包括：(1）電耗條件，用于描述列車前方不同位置的線路電耗限制條件；(2）牽引類型，用于描述列車前方不同位置牽引類型的變化情況（基線2有類似信息，但基線3的更為明確）；(3）站臺條件，用于描述前方站臺在列車哪一側以及站臺與鐵軌的高度差，列車可以據(jù)此調(diào)整旅客乘降裝置；(4）精確位置，通過車載系統(tǒng)與車輛的總線接口，車載系統(tǒng)可以將各種線路條件的相對位置信息發(fā)送給車輛系統(tǒng)，車輛系統(tǒng)據(jù)此進行調(diào)節(jié)控制。4.3本線同基線的兼容性為了保持ETCS體系的互聯(lián)互通，基線3需要實現(xiàn)對基線2的向下兼容，主要體現(xiàn)為：(1）車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)間。車載系統(tǒng)在基線3的地面系統(tǒng)配置下按照基線3的技術規(guī)范要求執(zhí)行；在運行到基線2的地面配置時，需要自動兼容為基線2的技術規(guī)范要求，并將接收、發(fā)送的消息和信息包進行不同基線要求的格式與內(nèi)容轉(zhuǎn)換。(2）相鄰地面系統(tǒng)間。地面系統(tǒng)在與相鄰地面系統(tǒng)接口時，也會遇到基線兼容性問題?；€3的地面系統(tǒng)需要兼容基線2的地面系統(tǒng)接口，以便實現(xiàn)對既有線路的基線兼容，即基線3的地面系統(tǒng)需要同時支持多個不同基線接口，例如同時與兩個基線3的相鄰地面系統(tǒng)和兩個基線2的相鄰地面系統(tǒng)接口時，前者采用基線3接口互聯(lián)，后者采用基線2接口互聯(lián)。通過上述兼容性要求可以看到，車載系統(tǒng)可以在不同基線之間動態(tài)切換，從而實現(xiàn)列車在不同基線的互聯(lián)互通；但仔細分析會發(fā)現(xiàn)，基線2車載系統(tǒng)無法在基線3地面運行，這在一定程度上也會影響鐵路網(wǎng)絡的互聯(lián)互通應用，既有列車在不進行車載系統(tǒng)升級的情況下無法在新建線路上運行。地面系統(tǒng)基線動態(tài)調(diào)整（即針對基線2的車載系統(tǒng)，基線3的地面系統(tǒng)動態(tài)切換為基線2進行控制）可以解決該問題，但會大大增加系統(tǒng)復雜度，這是ETCS體系未來需要解決的問題，以便實現(xiàn)更好的互聯(lián)互通和工程化推廣。4.4車內(nèi)公車兩車兩網(wǎng)融合模式除了上述功能變化之外，基線3在Euroloop和RIU消息、地理位置信息顯示、有條件緊急停車（conditionalemergencymessage,CEM）確認消息、行車許可申請、人工（staffresponsibility,SR）模式冒進、文本消息確認機制以及列車車次號等諸多方面也進行了優(yōu)化調(diào)整，同時還增加了車載有限監(jiān)控模式與被動調(diào)車模式以及虛擬應答器覆蓋（virtualbalisecover,VBC）、允許制動距離（permittedbrakingdistance,PBD）等新功能。5建立自動化等級規(guī)范化在ETCS體系規(guī)范建立時，沒有考慮自動駕駛內(nèi)容。為了提供基于ETCS體系的具有自動化等級的列車運行控制系統(tǒng)，需要在ETCS體系基礎上建立自動化等級技術規(guī)范。自動化運行是技術發(fā)展的趨勢之一，具有迫切的運營需求，需求包括縮短司機反應時間、提升控制效率（縮短追蹤間隔）、提高舒適度以及降低能耗等?；谏鲜銮闆r，在ETCS技術體系上增加列車自動駕駛(automatictrainoperation,ATO)內(nèi)容2018年3月，第一條按照上述標準體系實施的具備ATO功能的ETCS線路在英國倫敦投入商業(yè)運營，其具有重大的里程碑意義。6發(fā)展成果及分析ETCS體系因具有高度的互聯(lián)互通特性而在世界范圍內(nèi)被廣泛接受和應用。隨著技術發(fā)展，其體系規(guī)范在定義系統(tǒng)架構、完善和拓展互聯(lián)互通內(nèi)涵、優(yōu)化和擴展系統(tǒng)功能、實現(xiàn)體系規(guī)范向前兼容、支持不同自動化等級方面仍在不斷完善中。本文在分析ETCS體系近年來變化的基礎上，歸納總結了其發(fā)展成果。鑒于中國列車運行控制系統(tǒng)(Chinesetraincontrolsystem,CTCS)技術體系來源于ETCS