芻議高速鐵路列控車載設(shè)備安全技術(shù)

戴孔樂

湖南中車時代通信信號有限公司 湖南長沙 410100

我國正處于經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的階段，鐵路作為運輸人、物資的重要交通運輸方式，在我國經(jīng)濟發(fā)展的過程中起到了重要作用。中國有句話叫做“要想富，先修路”，由此可見鐵路、公路的重要性[1]。目前，中國投入運營的高速鐵路已達到6800多公里。中國已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規(guī)模最大的國家。隨著科技的進步與生產(chǎn)生活的需要，我國高鐵經(jīng)歷了多次提速，隨之而來的是高鐵提速之后的安全問題。列控系統(tǒng)作為保障高鐵安全運行的重要系統(tǒng)，起到保障高鐵安全與穩(wěn)定的作用，對于提高高鐵的整體運行能力有著重要意義。可以說列控系統(tǒng)是高鐵運行的保障之一。

1 高速鐵路的優(yōu)勢

高速鐵路作為我國主要的運輸方式之一，具有載客量高、耗時少、安全性高、正點率高、舒適方便、能耗低等優(yōu)點。由于高速鐵路不會發(fā)生堵車等情況，因此高速鐵路比起其他陸上運輸方式更加快捷，再加上高鐵目前最高時速可達350公里，極大的減少了出行時在路上耽誤的時間[2]。與火車、飛機相比高鐵受到的天氣影響較小，在運營時采用全自動化控制，可以全天候運行且準(zhǔn)時準(zhǔn)點到達。比起火車與飛機，高鐵在運行時的噪音更小、行駛過程不受氣流影響，更加平穩(wěn)。如果以“人/公里”單位能耗來進行比較的話。高速鐵路為1，則小轎車為5，大客車為2，飛機為7。因此高鐵能耗更低，更加環(huán)保。且高速鐵路在運行時會利用電力對列車進行牽引，除了石油等液體燃料之外還可以使用多種形式的清潔能源。

2 高速鐵路發(fā)展歷史

高速鐵路的發(fā)展一共經(jīng)歷了三個階段。

第一階段始于1964年，在這一年，世界上第一條真正意義上的高速鐵路東海道新干線在日本修建完成。從此以日本為首，第一代高速鐵路在法國、意大利、德國、日本等國家的建設(shè)下完成。高鐵的建成對于這些國家沿線的經(jīng)濟起到了帶動作用，促進了德國、意大利等國家房地產(chǎn)行業(yè)、機械制造業(yè)、鋼鐵行業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。同時也降低了這些國家由于交通運輸而帶來的環(huán)境影響，改變了以內(nèi)燃機與電力機車為主要動力的鐵路交通運輸格局。

第二階段始于1990年，這一時期，大部分發(fā)達國家加緊了對國內(nèi)和國際的高速鐵路的修建，國際高速鐵路的修建，使得歐洲高速鐵路網(wǎng)絡(luò)得以形成。這一時期，高速鐵路的修建滿足了各國對于能源、交通政策以及環(huán)境的需要，促進了國際間的貿(mào)易往來。

第三階段開始于上個世紀(jì)90年代。這一時期亞洲、北美洲的主要國家以及澳大利亞開始建設(shè)高速鐵路。在這一階段，高速鐵路經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，其經(jīng)濟效益與社會效益已經(jīng)得到了認(rèn)可。并且在不斷發(fā)展的過程中，高速鐵路的整體修整規(guī)劃已經(jīng)成熟，將高鐵建設(shè)在人口密集和城市密集的地區(qū)是成為當(dāng)時各國高速鐵路修建時的共識。這主要是考慮到這一類地區(qū)與城市生活水準(zhǔn)較高，可以承受在當(dāng)時并不“平價”的高速鐵路票價。同時這些地區(qū)的社會與經(jīng)濟基礎(chǔ)還可以反過來支撐高鐵的運行與建設(shè)。

目前，高速鐵路已經(jīng)在多個國家和地區(qū)普及，成為了人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ咧唬哞F也不再只修建在發(fā)達的城市和地區(qū)，在一些較為偏僻的地區(qū)，也能看到高鐵的身影。在我國，高鐵的作用不再單單只是促進能源節(jié)約、減少土地使用保障土地面積合理運用等，還起到了促進各地之間經(jīng)濟交流，推動我國交通建設(shè)的作用。

3 高速鐵路列控車載設(shè)備概況

目前CTCS-3級列控線在我國京滬、武廣等重要鐵路線路上都有應(yīng)用，CTCS-3級列控線最高運營時速為300km/h，是我國高速鐵路客運的重要技術(shù)裝備。CTCS-3級列控線是我國現(xiàn)代化的鐵路技術(shù)與體系的重要組成部分，這項技術(shù)在保障列車平穩(wěn)運行，保護整輛列車安全方面有著核心地位[4]。

一般來說，當(dāng)列車在運行當(dāng)中的時速超過160公里，列車的控制就必須由開環(huán)轉(zhuǎn)為閉環(huán)，CTCS-3級列控系統(tǒng)對列車實行的就是閉環(huán)控制。CTCS-3級列控系統(tǒng)主要作用于列車與地面兩個部分。列車上的CTCS-3級列控系統(tǒng)，也就是列控車載系統(tǒng)在運行過程中會通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)與地面上的設(shè)備進行數(shù)據(jù)的交流共享，根據(jù)從地面上收集到的信息，按照目標(biāo)-距離模式生成MRSP最不利限制曲線，進行超速防護，從而對列車的發(fā)出時間進行合理安排，保障列車在運行過程中的安全。

CTCS-3級列控系統(tǒng)的車載部分由記錄單元（DRU）、車載安全計算機（VC）、人機界面（DMI）、軌道電路信息接收單元（TCR）、應(yīng)答器信息接收模塊（BTM）、GSM-R無線通信單元（RTU）等組成。CTCS-3級列控系統(tǒng)采用的是分布式體系結(jié)構(gòu)，核心處理單元與總線在運行過程中保障各輸入輸出單元可以順利進行通信。在系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備上采用冗余配置，其特點在于可靠、實用，這一模式在通信時也可以有效抵抗來自外界的干擾，具有極強的擴展性[5]。

4 高速鐵路列控車載設(shè)備的發(fā)展

在列車行進速度較低的時期，列車的控制主要是通過有關(guān)地面信號機來執(zhí)行的。在高速鐵路運行的早期，安裝在機車司機室內(nèi)的機車信號設(shè)備控制著列車的運行、保障列車的安全。司機可以依據(jù)機車的信號來顯示自己駕駛的列車的運行狀況，與地面單位進行溝通。后來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以及高鐵安全的要求不斷增加，無線電通信傳輸取代了機車信號，保障地面與列車的通信。

然而隨著高速鐵路列車的運行速度越來越快、路線越來越多，單純的人力操作已經(jīng)不足以保障列車的順利運行，列車的運行隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，采用自動控制系統(tǒng)。列控車載設(shè)備就是這一系統(tǒng)當(dāng)中的核心技術(shù)，列控車載系統(tǒng)擔(dān)負著列車安全運行的重要使命，是整個列車自控系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備之一，是列車自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備[6]。

5 高速鐵路列控車載設(shè)備運行原理

列控系統(tǒng)在列車運行中主要起到溝通車內(nèi)與地面的作用，這一系統(tǒng)隨著軌道交通技術(shù)與信號傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展升級，是軌道控制技術(shù)與通信技術(shù)融合的產(chǎn)物。在列車運行過程中，車載信號作為主體信號，起到向地面報告列車狀況的作用。這一信號作為行車憑證會之間將列車需要運行的速度、時間直接發(fā)送給列車司機，有效防止了因為司機疏忽而產(chǎn)生的運行事故[7]。

信號設(shè)備主要是以微電子器件和電子器件進行分散管理與集中管理來達到控制目的的，分為列車的自動化和行車的自動化。信號顯示通常以自動信號為主，輔以區(qū)間地面和車站。列車在行進過程中主要有紅、黃、綠和綠黃結(jié)合四種顯示形式。

6 高速鐵路列控車載設(shè)備安全技術(shù)設(shè)計

高速鐵路車載技術(shù)的設(shè)置主要是為了保障列車的平穩(wěn)運行，對于這一保障列車安全運行的重要設(shè)備，相關(guān)技術(shù)人員務(wù)必重視起來。在研發(fā)過程中，研發(fā)與設(shè)計的工作人員必須按照列車相應(yīng)的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)進行研究。在高鐵的列控設(shè)備中，關(guān)于安全的完整度適用于整個列控車載設(shè)備。每一個設(shè)備的具體研發(fā)都是由相關(guān)的具體標(biāo)準(zhǔn)進行約束的，有些設(shè)備甚至需要特定的軟件進行研發(fā)，對整個軟件的質(zhì)量以及控制管理進行現(xiàn)實化管控。此外列控系統(tǒng)本身也要應(yīng)用檢測、報警系統(tǒng)，保障在受到干擾時，相關(guān)人員可以及時察覺并且做出調(diào)整[8]。

高速鐵路列控系統(tǒng)中的主要硬件有主機模板、列車和地面間的信息傳遞模板、用來測速的定位模板和記錄器等相關(guān)元件。主機模板作為列控車載設(shè)備的主要部分，它的主要工作是處理相關(guān)數(shù)據(jù)、對列車運行狀況進行智能分析、對控制類型的命令進行管理。主機模板關(guān)系到整個列車運行的情況，把控著列車的運行速度與出發(fā)時間，它對于列控系統(tǒng)的作用就像是大腦對于人體的作用。因此，主機的模板必須選用安全可靠的計算機。

列控車載設(shè)備的軟件主要包括時空冗余性、定期診測、程序結(jié)構(gòu)絕對的單一化、異常處理等。列控車載設(shè)備的外圍設(shè)備在安裝時要注意司機所在的位置，要讓司機可以順利操作[9]。

7 高速鐵路列控車載設(shè)備的試驗與驗證安全技術(shù)

7.1 型式實驗

列控車載設(shè)備在研發(fā)完成后，相關(guān)人員要按照接口的設(shè)計圖紙對列控車載設(shè)備進行安裝調(diào)試。列車在運行的過程中需要與列控車載設(shè)備實施配合，然而不同的車型在制動、運行、電氣接口等地方都存在著差異，為了能讓列控車載設(shè)備與自身所要服務(wù)的列車相匹配，就必須進行型式實驗。型式實驗一般應(yīng)用于新車型的首列車，這一實驗通常在設(shè)備安裝調(diào)試過后進行。型式實驗的作用在于保障車載設(shè)備與列車的配合，使列車可以安全的運行[10]。

型式實驗分為動態(tài)和靜態(tài)兩個方面。動態(tài)測試要對列車的信號輸出情況、列車在各個場景下的動能情況、列車接收應(yīng)答器報文的情況、列車牽引和制動性能等進行調(diào)試。靜態(tài)測試主要是對列車開關(guān)是否對車載設(shè)備有影響、起作用以及對車載設(shè)備與列車的制動接口進行測試。

7.2 聯(lián)調(diào)聯(lián)試

聯(lián)調(diào)聯(lián)試的主要測試對象是車載設(shè)備。由于高速鐵路系統(tǒng)龐大而又復(fù)雜，由多個子系統(tǒng)組成，因此聯(lián)調(diào)聯(lián)試要對整個高速鐵路系統(tǒng)進行全面、整體的測試。聯(lián)調(diào)聯(lián)試的高鐵運營之前必須要經(jīng)過的測試之一，它起到糾正數(shù)據(jù)設(shè)備和改正集成方案錯誤的作用，同時對車載設(shè)備的功能進行測試，對可能出現(xiàn)的危險進行預(yù)估，保障列車運行過程中的安全性。

7.3 互聯(lián)互通測試

互聯(lián)互通測試的主要對象是我國CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)3個技術(shù)平臺。為了滿足高速鐵路網(wǎng)絡(luò)化的需求，這三種平臺的設(shè)備必須能夠在各個鐵路線上安全、連續(xù)運行，并且具備跨線運行的能力。

8 車載設(shè)備的檢修與維護安全技術(shù)

可以干擾列車運行的外界因素極多，最常見的就是列車自身運行時的震動、電磁波的干擾以及外界惡劣天氣的干擾。因此相關(guān)工作人員要對列控車載設(shè)備進行日常的檢修與維護。同時對于車載設(shè)備要進行高級別的檢修，保障列控車載設(shè)備可以順利運行。

9 結(jié)語

高速鐵路的運行對沿線的城市和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展起到了推動和均衡的作用，不僅如此，高速鐵路的開通還可以推動沿線企業(yè)數(shù)量的增長，對于促進我國經(jīng)濟發(fā)展，增加我國稅收都有著積極的影響。隨著我國鐵路線逐漸形成五縱六橫七連線的布局，加上我國高鐵技術(shù)逐漸成熟，我國的高速鐵路修建技術(shù)越來越受到國際的認(rèn)可，中國高鐵正在引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展。正因為如此，高鐵的安全性要成為高速鐵路行業(yè)在發(fā)展過程中重點關(guān)注的內(nèi)容，為了保障人民的生命財產(chǎn)安全，也為了讓國家的投入得到相應(yīng)的回報，高速鐵路列車載設(shè)備要起到保障列車安全平穩(wěn)運行的作用。