中國鐵路列控系統(tǒng)技術(shù)及發(fā)展趨勢探討

韓利鋒

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

鐵路是我國的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是屬于大眾化的交通工具，在我國綜合交通運(yùn)輸體系中處于骨干地位。根據(jù)我國鐵路中長期建設(shè)計劃，到2020年我國的高速鐵路將達(dá)到3萬km，將覆蓋80%常駐人口在100萬以上的城市。我國鐵路建設(shè)特別是高速鐵路的發(fā)展離不開列控系統(tǒng)提供的安全保障。在高速鐵路建設(shè)過程中，我國的列控系統(tǒng)已形成自己的技術(shù)體系，成為高速鐵路三大核心技術(shù)之一。

1 中國鐵路列控系統(tǒng)的概述

中國鐵路列車控制系統(tǒng)是由眾多子系統(tǒng)組成的車-地協(xié)同控制系統(tǒng)，由列控中心、無線閉塞中心、臨時限速服務(wù)器、車站聯(lián)鎖、調(diào)度集中以及車載ATP設(shè)備等各個子系統(tǒng)相互配合，共同對列車施行運(yùn)行控制任務(wù)。隨著列車時速的不斷提升，高速鐵路的安全性、可靠性都成為各個國家重視的項(xiàng)目建設(shè)之一。在進(jìn)行高速鐵路相關(guān)的建設(shè)活動中，對于通信系統(tǒng)的研究和建設(shè)投入了巨大的人力物力。同時將自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和鐵路信號技術(shù)共同構(gòu)建一個高度集成的鐵路列車控制系統(tǒng)。用列控系統(tǒng)來保障鐵路列車的平穩(wěn)安全運(yùn)營，同時與地面列控中心的實(shí)時通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)對列車的精準(zhǔn)調(diào)度，有組織的使用鐵路運(yùn)力，高效整合鐵路資源。

2 幾種列控系統(tǒng)的簡單介紹

2.1 ETCS系統(tǒng)

ETCS系統(tǒng)是歐洲鐵路列車控制系統(tǒng)，解決歐洲各國鐵路相互之間的兼容問題，能夠在歐洲境內(nèi)實(shí)現(xiàn)互通運(yùn)營，兼顧既有設(shè)備和列車控制系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。ETCS是鐵路運(yùn)營的一系列技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和概念。也涉及到信號安全系統(tǒng)。ETCS系統(tǒng)規(guī)定了功能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營模式、設(shè)備接口以及通訊協(xié)議等，涵蓋了列車運(yùn)營的各個方面。我國的列車控制系統(tǒng)（CTCS系統(tǒng)）是在ETCS系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合我國實(shí)際應(yīng)用需求發(fā)展出來的。

2.2 CTCS系統(tǒng)

CTCS級列控系統(tǒng)主要由地面設(shè)備、車載設(shè)備構(gòu)成，地面設(shè)備的主要由無線閉塞中心、列車控制中心、應(yīng)答器以及相應(yīng)的軌道電路等設(shè)備構(gòu)成。車載設(shè)備主要由車載專用計算機(jī)、無線通訊模塊、軌道電路接收單元、應(yīng)答器接收模塊、人機(jī)交互界面等各種相應(yīng)的傳感器共同組成。CTCS系統(tǒng)根據(jù)功能和需求以及應(yīng)用線路的不同，目前投入運(yùn)營的系統(tǒng)分為0至3級。

2.2.1 CTCS-0級列控系統(tǒng)

CTCS-0級列控系統(tǒng)適用于設(shè)計時速在160 km以下線路。在 CTCS運(yùn)營條件不足的線路，或者說是對于復(fù)雜的CTCS系統(tǒng)尚不具備安裝條件的線路，這時候時候可以采用列車運(yùn)行監(jiān)控裝置和通用機(jī)車信號進(jìn)行有效控制。列車運(yùn)行監(jiān)控裝置作為最底層的裝置之一，主要提供的是列車的行駛速度和列車最大的允許速度，采用的測速模式是目標(biāo)距離式，利用地面信號設(shè)備，并且依靠存儲的所有線路數(shù)據(jù)并靠邏輯推斷和實(shí)際線路進(jìn)行實(shí)時比對，結(jié)合列車制動性能計算目標(biāo)距離式制動曲線。

2.2.2 CTCS-1級列控系統(tǒng)

CTCS-1級列控系統(tǒng)在0級系統(tǒng)之上，增強(qiáng)了安全性能保障列車的安全行駛。其中采用的設(shè)備是主體機(jī)車信號+加強(qiáng)型運(yùn)行監(jiān)控裝置，系統(tǒng)設(shè)計時速在160 km以下，是在原有的0級設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)化改造，達(dá)到機(jī)車信號對安全性能的要求要求，同時增加點(diǎn)式設(shè)備，監(jiān)控列車運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)確保其能夠安全行駛。利用軌道電路及時有效的完成列車完整性檢查，能夠持續(xù)不斷的向列車發(fā)出控制信息。

2.2.3 CTCS-2級列控系統(tǒng)

CTCS-2級列控系統(tǒng)適用于設(shè)計時速在200～250 km的線路。與CTCS-1級列控系統(tǒng)相比，CTCS-2級列控系統(tǒng)是基于軌道傳輸信息，并采用列車和地面一體化系統(tǒng)設(shè)計列控系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)區(qū)間-車站一體化、通信-信號一體化以及機(jī)電一體化。該系統(tǒng)采取的是目標(biāo)-距離控制模式。目標(biāo)-距離控制模式是根據(jù)目標(biāo)的距離、目標(biāo)的速度及列車本身的各項(xiàng)性能指標(biāo)來確定列車制動曲線和制動時間，采用一次制動方式來完成制動。

2.2.4 CTCS-3級列控系統(tǒng)

CTCS-3級列控系統(tǒng)適用于設(shè)計時速在300～350 km的線路。主要有地面設(shè)備調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）、無線閉塞中心系統(tǒng)（RBC）、臨時限速服務(wù)器（TSRS）、計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）、列控中心（TCC）等各個系統(tǒng)構(gòu)成的。CTCS-3級列控系統(tǒng)地面設(shè)備的核心特征就是使用無線閉塞中心，使整個設(shè)備的使用范圍和功能得到一定規(guī)模的擴(kuò)充。無線閉塞中心系統(tǒng)是根據(jù)車載子系統(tǒng)、列控（聯(lián)鎖）地面子系統(tǒng)等提供列車的基本信息，并產(chǎn)生對列車的控制信息，同時使用GSM-R無線通信系統(tǒng)和給CTCS車載設(shè)備進(jìn)行實(shí)時通訊。接收和發(fā)送列車的位置信息和列車運(yùn)行參數(shù)等。實(shí)現(xiàn)列車的精準(zhǔn)定位。同時通過其他各個系統(tǒng)的配合使用，對列車的行駛過程和行駛參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)督，確保列車的整體運(yùn)行狀況良好。CTCS-3控車原理,如圖1所示。

3 列控系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

隨著我國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，列控系統(tǒng)的運(yùn)用逐步成熟，相關(guān)技術(shù)也逐步完備。同時，隨著LTE無線通訊技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)等新技術(shù)的相繼完善，為我國的鐵路列控系統(tǒng)提供了新的技術(shù)支撐和發(fā)展方向。隨著“一帶一路”倡議的深化實(shí)施，中國高鐵作為國家名片正在實(shí)現(xiàn)“走出去”的目標(biāo)，對列控系統(tǒng)創(chuàng)造了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

3.1 加強(qiáng)技術(shù)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)

圖1 CTCS-3系統(tǒng)控車原理圖Fig.1 Illustration of train operation under CTCS-3 system

縱觀我國高鐵建設(shè)以及列控技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從完全引進(jìn)到消化吸收再到自主創(chuàng)新的歷程。隨著我國高鐵走出去戰(zhàn)略的需求日益迫切以及國際市場競爭的日益激烈，作為高鐵控制系統(tǒng)核心技術(shù)的列控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)才能成為中國高鐵走出去的有力支撐。

目前，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列控系統(tǒng)地面設(shè)備和車載設(shè)備正在北京至沈陽客運(yùn)專線進(jìn)行高速綜合試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后標(biāo)志著我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列控系統(tǒng)可以完全滿足時速350 km的高鐵運(yùn)營要求，也標(biāo)志著我國的列控地面和車載設(shè)備擺脫了對引進(jìn)廠商的依賴。

3.2 自動駕駛技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高鐵的智能化

我國高速鐵路的“四縱四橫”路網(wǎng)已初具規(guī)模，正在向“八縱八橫”邁進(jìn)。自動駕駛技術(shù)在高鐵列車的運(yùn)用，對于實(shí)現(xiàn)智能化管理列車運(yùn)行、保障運(yùn)輸秩序的高效執(zhí)行和快速調(diào)整、減輕列車司機(jī)勞動強(qiáng)度具有重要意義。2016年，裝載CTCS-2級ATO列控車載設(shè)備的珠三角莞惠城際的開通，實(shí)現(xiàn)了全球首條在時速200 km的高鐵線路的自動駕駛技術(shù)應(yīng)用。2018年1月，中國鐵路總公司頒布《高速鐵路ATO系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案》，對高速鐵路的ATO系統(tǒng)尤其是CTCS-3級ATO系統(tǒng)的總體要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等做出具體要求，在該方案的指導(dǎo)下，基于CTCS-3級列控系統(tǒng)的ATO系統(tǒng)已在北京至沈陽客運(yùn)專線開展高速綜合試驗(yàn)，并計劃在2020年京張高鐵實(shí)現(xiàn)運(yùn)用。高速鐵路ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

3.3 引入衛(wèi)星定位技術(shù)與LTE通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高速度與更短追蹤間隔

中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS） 規(guī) 劃 的CTCS-4級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)將采用衛(wèi)星定位技術(shù)，因此，將我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到鐵路列車列控系統(tǒng)中是中國鐵路在未來的發(fā)展方向。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供的定位、授時、短報文通信等功能，基于這點(diǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。在列車定位和自動控制方面有著廣闊的應(yīng)用前景。在CTCS-3級列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入衛(wèi)星定位技術(shù)，利用地面差分站系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)去除部分實(shí)體應(yīng)答器，車載設(shè)備兼?zhèn)涮摂M應(yīng)答器和實(shí)體應(yīng)答器接收功能，并通過無線通信傳輸獲取地面差分信息，實(shí)現(xiàn)列車連續(xù)精確定位，升級為基于虛擬應(yīng)答器的列控系統(tǒng)。

目前的CTCS-3級列控系統(tǒng)車地?zé)o線通信采用的是GSM-R網(wǎng)絡(luò)，隨著CTCS-3級列車開行密度的加大，GSM-R網(wǎng)絡(luò)在帶寬、通信速率、無線超時后的恢復(fù)時間等指標(biāo)方面已逐漸無法滿足運(yùn)營需求，所以基于LTE-R的4G無線通信平臺來承載列控系統(tǒng)車地間無線通信已成為必然趨勢。與傳統(tǒng)GSM-R相比，LTE-R具有設(shè)備少、帶寬高、容量大、建立連接和恢復(fù)連接耗時短以及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足列控系統(tǒng)車地?zé)o線通信需求。采用LTE-R無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺后，車載設(shè)備接口、地面RBC設(shè)備接口需做相應(yīng)的升級。采用了衛(wèi)星定位技術(shù)與LTE通信技術(shù)的列控系統(tǒng)，為滿足高鐵400 km/h的運(yùn)營速度與3 min追蹤間隔奠定基礎(chǔ)。

3.4 建立標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一平臺

圖2 高速鐵路ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ATO system structure for high-speed railways

在CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上。通過我國鐵路系統(tǒng)的自主研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)化，發(fā)展擁有知識產(chǎn)權(quán)的列控系統(tǒng)。與各個信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深度融合，利用先進(jìn)的智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)列控系統(tǒng)的智能化、實(shí)時化。并且制定出適用全國的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)平臺，對全國的在軌運(yùn)營的列車進(jìn)行統(tǒng)一管理。并建立全國鐵路交通智能化調(diào)度監(jiān)控平臺，對各個鐵路實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)督與監(jiān)控，避免可能出現(xiàn)的安全隱患。同時與各大計算機(jī)中心進(jìn)行深度合作，利用相應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)鐵路調(diào)度的優(yōu)化。最終實(shí)現(xiàn)鐵路列控系統(tǒng)的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化。方便統(tǒng)一管理。

例如動車組“復(fù)興號”大量采用中國國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、中國鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時采用了國際上先進(jìn)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的兼容性能。在254項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)中，中國標(biāo)準(zhǔn)占總數(shù)的84%。最重要的是中國標(biāo)準(zhǔn)動車組整體設(shè)計以及車體、轉(zhuǎn)向架、牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)都是我國自主研發(fā)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)?！皬?fù)興號”的安全性能更高、乘坐體驗(yàn)良好、車體空氣阻力更低體現(xiàn)了我國列車制造的高超技術(shù)。

3.5 適配不同區(qū)域市場，布局“走出去”戰(zhàn)略

我國的列控系統(tǒng)技術(shù)是在參考?xì)W洲ETCS標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合我國實(shí)際后形成的CTCS系統(tǒng)，中國高鐵作為一張國家名片在“一帶一路”建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，“走出去”已經(jīng)成為中國高鐵發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署，也就意味著中國列控系統(tǒng)同樣需要布局“走出去”戰(zhàn)略。世界主要地區(qū)鐵路發(fā)展概況，如表1所示。

表1 世界主要地區(qū)鐵路發(fā)展概況Tab.1 Overview of railway development in some regions of the world

在我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未得到世界廣泛認(rèn)可之前，在我國標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等同對待前，為使我國列控系統(tǒng)能夠“走出去”，必須首先解決信號技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在海外工程中的適應(yīng)性問題。需要進(jìn)行CTCS體系標(biāo)準(zhǔn)在海外工程的適應(yīng)性研究，CTCS系統(tǒng)與目標(biāo)國信號系統(tǒng)的兼容性研究以及CTCS列控系統(tǒng)產(chǎn)品適應(yīng)性改進(jìn)技術(shù)研究，因地制宜的選擇合適技術(shù)以符合當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展要求。

4 總結(jié)

我國鐵路的高速發(fā)展離不開列控技術(shù)的成熟運(yùn)用，只有打破國外的技術(shù)壁壘實(shí)現(xiàn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)，才能切實(shí)為鐵路發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。與此同時，要積極響應(yīng)國家的“一帶一路”建設(shè)步伐，將我國自主研發(fā)的鐵路列控系統(tǒng)推廣出去，搶占國際市場，亮出中國高鐵的亮麗名片。