淺談列控系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用

鐘竟瑜

（蘭州博文科技學(xué)院，甘肅蘭州，730101）

1 緒論

列車運(yùn)行控制技術(shù)是一種根據(jù)列車在軌道線路上運(yùn)行的固定條件與現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況，對列車的行駛速度、制動(dòng)形式和列車間的追蹤距離等一系列與運(yùn)行有關(guān)的列車實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控和及時(shí)調(diào)整的技術(shù)，它是集通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、裝備制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體的綜合技術(shù)，搭載這種技術(shù)的裝備被稱為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展使得我國高鐵事業(yè)發(fā)展迅猛，實(shí)現(xiàn)了在安全行駛的前提下提高運(yùn)行速度的目標(biāo)，極大的提升了軌道交通信號控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，同時(shí)增加了乘坐的舒適度，也提升了乘客的體驗(yàn)感。

2 列車運(yùn)行控制技術(shù)體系的形成與發(fā)展

20世紀(jì)90年代，多種型號的車載列車運(yùn)行控制設(shè)備被研發(fā)并上線試運(yùn)行，雖然一定程度上解決了列車運(yùn)行中的安全問題，但由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得全路管理難度增加，不適宜推廣，而JK-2H車載裝置優(yōu)勢明顯，且其因與我國鐵路管理體制特點(diǎn)吻合而被全路推廣使用，形成了我國第一代LKJ列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置，2000年升級到LKJ2000系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能提高列車運(yùn)行中的安全，又能幫助司機(jī)提高操作質(zhì)量，到目前為止已覆蓋全路所有機(jī)車作為機(jī)車信息化的基礎(chǔ)設(shè)備。

此后，為了形成車—地通信，進(jìn)一步提高列車在高速行駛中的安全，2002年鐵道部參照歐洲的ETCS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國國情和鐵路制式以及既有線路的狀況，確定了發(fā)展我國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS的戰(zhàn)略目標(biāo)，2003年鐵道部制定了CTCS的基本構(gòu)架和分級，將該系統(tǒng)分為五個(gè)等級（CTCS-0級—CTCTS-4級），2004年鐵道部制定了CTCS-2級技術(shù)規(guī)范，2005年該項(xiàng)目工程開始實(shí)施，2006年對該等級系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)及測試，次年CTCTS-2級投入了運(yùn)營，同年8月份啟動(dòng)了CTCS-3級的技術(shù)攻關(guān)。

3 CTCS系統(tǒng)的等級劃分

CTCS-0級系統(tǒng)的車載部分由通用機(jī)車信號與運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置（LKJ）組合而成，地面由聯(lián)鎖系統(tǒng)和閉塞系統(tǒng)配合一起完成列車的運(yùn)行控制，160km/h及以下的既有線的列控系統(tǒng)被定義為該等級。

CTCS-1級系統(tǒng)的車載部分升級為主體機(jī)車信號和BMT(安全型運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置)，地面部分在進(jìn)站和出站位置增加了有源應(yīng)答器，可作為一種信息傳遞的補(bǔ)充手段，仍然應(yīng)用在我國160km/h的既有線路上，是CTCS-0級的加強(qiáng)和提升。

CTCS-2級系統(tǒng)是將應(yīng)答器與軌道電路組合來進(jìn)行信息的傳輸，軌道電路主要用于進(jìn)行列車位置的確定及其完整性的檢查，同時(shí)又向列車連續(xù)的傳送相關(guān)的控制信息；應(yīng)答器用于將列車位置信息、線路及進(jìn)路的參數(shù)、臨時(shí)限速和停車的信息等傳送給高速位移的列車。車載部分使用了ATP系統(tǒng)，機(jī)車乘務(wù)員憑車載的信號來行車，ATP根據(jù)這些信息便能生成一次制動(dòng)模式曲線，控制列車運(yùn)行、防護(hù)行車安全。地面部分增加了列控中心，它取代了原有的電氣集中車站，同時(shí)區(qū)間在軌道電路的基礎(chǔ)上又增加了無源應(yīng)答器，目的是為了在區(qū)間上進(jìn)一步精準(zhǔn)定位列車。該系統(tǒng)適用于我國200-250km/h的動(dòng)車線路以及快速鐵路。

CTCS-3級系統(tǒng)使用無線（GSM-R系統(tǒng)）來雙向（車-地）傳輸信息，它是在前一等級的基礎(chǔ)上增加了GSM-R系統(tǒng)（車載部分和地面部分），機(jī)車乘務(wù)員依然憑車載的信號來行車，同時(shí)地面用無線閉塞中心（RBC）取代了列控中心來指揮行車，該等級系統(tǒng)用于300-350km/h的高速鐵路和客運(yùn)專線線路。

CTCS-4級同樣也使用了無線通信傳輸?shù)钠脚_(tái)來傳輸信息，但它取消了其他等級都有的軌道電路，這樣就可實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞或移動(dòng)閉塞，可進(jìn)一步提高行車速度，它是我國鐵路未來的發(fā)展方向。

CTCS系統(tǒng)的等級劃分表明CTCS-2級與CTCS-3級是目前我國高鐵和動(dòng)車線路的中流砥柱，以下通過CTCS-2級系統(tǒng)來闡述我國的列控系統(tǒng)。

4 CTCS-2級列控系統(tǒng)

如圖1所示，CTCS-2級系統(tǒng)總體上為兩大部分，即車載部分和地面部分。

圖1 CTCS—2級列控系統(tǒng)組成

車載部分的車載安全計(jì)算機(jī)（EVC）、軌道電路信息接收部分（STM）、應(yīng)答器信息接收部分（BTM）、人機(jī)界面（DMI）位于機(jī)車內(nèi)，且前三者組成了ATP車載設(shè)備，除此之外在機(jī)車底部還安裝有速度傳感器、應(yīng)答器天線和軌道電路天線。

地面部分在車站信號樓內(nèi)有列控中心TCC以及車務(wù)終端、CTC/TDCS分機(jī)，聯(lián)鎖CBI、LEU。在軌旁設(shè)置有ZPW2000軌道電路、信號機(jī)、道岔和有源與無源應(yīng)答器組合。

■4.1 車載部分

EVC負(fù)責(zé)將速度傳感器檢測到的速度信息、BTM接收到的前方地面固有信息和臨時(shí)限速信息、STM接收到的前方列車行車位置和速度信息集中起來進(jìn)行分析運(yùn)算，生成一次制動(dòng)模式曲線并將其顯示在DMI上，同時(shí)若ATP為設(shè)備優(yōu)先時(shí)，當(dāng)列車超速時(shí)，由ATP控制列車的制動(dòng)系統(tǒng)，采取相應(yīng)的制動(dòng)措施，如常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和停車。而LKJ和數(shù)據(jù)記錄器則進(jìn)行全程的記錄。若為人控優(yōu)先時(shí)，當(dāng)列車超速，則由機(jī)車乘務(wù)員通過DMI發(fā)出相應(yīng)制動(dòng)的命令。EVC相當(dāng)于列車的大腦，因此通常設(shè)置為冗余結(jié)構(gòu)以保證結(jié)果的正確性，以CSEE公司的CTCS2級設(shè)備為例，EVC同時(shí)使用了2個(gè)CPU，這種形式采用了兩個(gè)不同的CPU去同時(shí)執(zhí)行相同的計(jì)算軟件，并采用檢測裝置對它們的輸出進(jìn)行對比。若輸出結(jié)果一樣，則運(yùn)算結(jié)果由檢測裝置送出；若不完全相同，則檢測器將自身的輸出設(shè)置為限制狀態(tài)。此外還可以采用3取2表決的結(jié)構(gòu)或2乘2取2冗余方式來確保EVC輸出結(jié)果的正確性和安全性。

BTM模塊包含電源板、接收板、傳輸板和接口板。BTM采用2取2冗余技術(shù)來達(dá)到故障—安全的目的。電源板用來提供該模塊所需電源，接收板通過應(yīng)答器天線接收地面有源和無源應(yīng)答器的信息，并通過一個(gè)專用信息接口（接口板）與EVC進(jìn)行同步達(dá)到時(shí)效性。同時(shí)還提供了列車通過當(dāng)前應(yīng)答器的精確時(shí)間，能夠讓ATP車載部分在厘米級別的范圍內(nèi)進(jìn)行列車定位和校準(zhǔn)，傳輸板用于將接收到的信息傳送給EVC。應(yīng)答器天線用于在列車行駛過程中發(fā)射具有高能量的頻率信號，當(dāng)途徑地面應(yīng)答器時(shí)，會(huì)利用該能量將地面應(yīng)答器從休眠中喚醒，使地面應(yīng)答器將相關(guān)信息發(fā)送至應(yīng)答器天線。應(yīng)答器提供的信息有線路長度、坡度、固定限速、臨時(shí)限速和列車定位等。

STM模塊可接收ZPW2000軌道電路的移頻信息，包括行車許可、空閑閉塞分區(qū)的數(shù)量和道岔限速等，該類信息由軌道電路天線進(jìn)行采集并送入STM，STM接著將該信息進(jìn)行解調(diào)后送給EVC和LKJ。

DMI用于完成人機(jī)交互，顯示當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)和發(fā)送司機(jī)下達(dá)的命令。

DRU數(shù)據(jù)記錄器用于設(shè)備狀態(tài)和故障信息等各種事件的記錄。其中包括司機(jī)對ATP設(shè)備的操作、軌道電路信息、ATP與機(jī)車的信息交換等。維修人員可通過專用電腦或IC卡等進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。

速度傳感器用于檢測列車的實(shí)時(shí)速度，同時(shí)也可用于檢查列車位置、與應(yīng)答器配合完成列車定位以及位置校準(zhǔn)。

當(dāng)車載部分具備列控系統(tǒng)必需的數(shù)據(jù)（軌道電路信息、應(yīng)答器信息、列車自身數(shù)據(jù)）時(shí)，ATP的車載部分會(huì)生成目標(biāo)距離模式曲線，并通過DMI顯示列車當(dāng)前速度、允許速度、目標(biāo)速度和目標(biāo)距離來控制列車的安全行駛。

■4.2 地面部分

列控中心負(fù)責(zé)向車載ATP部分提供控車的相關(guān)信息，如軌道電路碼序，應(yīng)答器報(bào)文的編碼發(fā)送（實(shí)時(shí)），臨時(shí)限速、區(qū)間閉塞、區(qū)間方向控制、通過信號機(jī)顯示等信息。

CTC/TDCS分機(jī)接收調(diào)度中心下達(dá)的命令，并下達(dá)該調(diào)度命令給列控中心TCC，同時(shí)控制聯(lián)鎖系統(tǒng)檢查進(jìn)路建立的相關(guān)條件，控制相關(guān)道岔轉(zhuǎn)換到正確位置上，最終控制信號機(jī)開放信號；列控中心根據(jù)以上聯(lián)鎖條件將相關(guān)信息下達(dá)至軌旁的應(yīng)答器設(shè)備，當(dāng)列車經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)收到相關(guān)信息進(jìn)行列車的自動(dòng)防護(hù)，同時(shí)ZPW2000軌道電路發(fā)送CTCS-2級系統(tǒng)的行車許可給列車。

應(yīng)答器分為有源和無源，區(qū)別是有源設(shè)備連接了位于信號樓內(nèi)的LEU，可實(shí)時(shí)接收列控中心發(fā)送的臨時(shí)限速等信息，即信息可變，而無源設(shè)備未連接LEU，只能存儲(chǔ)提前設(shè)置好的相關(guān)信息，即信息固定。

5 CTCS-2級系統(tǒng)的應(yīng)用

■5.1 列控中心發(fā)碼應(yīng)用

以中國通號設(shè)計(jì)的LKD2-T2列控中心為例，在區(qū)間的軌道區(qū)段上，列控中心要依據(jù)前方區(qū)段的空閑情況和接車信號是否開放的情況依照追蹤碼序來發(fā)碼，如L5-L5-L4-L3-L2-L-LU-U-HU（前車所在區(qū)段）-(L5-L5…)。

若閉塞分區(qū)為空閑情況，這時(shí)要求同一個(gè)閉塞分區(qū)內(nèi)所有軌道區(qū)段上的發(fā)碼相同；隨著列車前移，列車所在的同一個(gè)閉塞分區(qū)內(nèi)，本區(qū)段及運(yùn)行前方區(qū)段發(fā)正常碼L4，后方個(gè)區(qū)段發(fā)檢測碼JC。

在接車進(jìn)路中，進(jìn)站信號開放后，列控中心控制接車進(jìn)路的所有區(qū)段根據(jù)出站信號機(jī)的情況來發(fā)碼，接車進(jìn)路與股道發(fā)碼必須相同。若出站信號機(jī)為紅燈，那么接車進(jìn)路上的各區(qū)段碼序依次為HU-HU-HU，接近區(qū)段為U碼。

當(dāng)開放的接車信號是經(jīng)12#及以下道岔側(cè)向時(shí)，列控中心控制該接車進(jìn)路的接近區(qū)段發(fā)UU碼，接車進(jìn)路根據(jù)出站信號機(jī)的情況來發(fā)碼。若出站信號機(jī)為紅燈，則接車進(jìn)路的碼序?yàn)镠U-HU-HU。

在正線車站上，當(dāng)18#為側(cè)向的接車進(jìn)路上的最小號時(shí)，當(dāng)開放該信號后，且有進(jìn)路的速度不低于80km/h時(shí)，進(jìn)站的接近區(qū)段發(fā)UUS，接車進(jìn)路碼序同上。

引導(dǎo)信號開放后，列車進(jìn)路中本區(qū)段與后方區(qū)段都發(fā)送檢測碼，而前方區(qū)段會(huì)發(fā)送HU碼，接近區(qū)段則為HB碼。

反向接車時(shí)，一離去和二離去均發(fā)送U碼，接車進(jìn)路碼序?yàn)镠U-HU-HU。

發(fā)車進(jìn)路時(shí)，發(fā)車股道根據(jù)出站信號機(jī)狀態(tài)和一離去區(qū)段狀態(tài)發(fā)碼，發(fā)車進(jìn)路與一離去發(fā)碼一致。當(dāng)出站信號機(jī)為綠燈時(shí)，發(fā)車股道發(fā)L5碼，發(fā)車進(jìn)路和一離去碼序都為L4。

經(jīng)12號及以下道岔側(cè)向發(fā)車時(shí)，發(fā)車股道發(fā)UU碼，發(fā)車進(jìn)路和一離去碼序一致都為L5。

經(jīng)18號及以上道岔側(cè)向發(fā)車且限度不低于80km/h時(shí)，發(fā)車股道發(fā)UUS，發(fā)車進(jìn)路與一離去一致都為L5碼。

經(jīng)18號及以上道岔側(cè)向發(fā)車且限度不低于80km/h，當(dāng)一離去有車占用發(fā)HU/HB/B/UU碼時(shí)，發(fā)車股道發(fā)UU碼，發(fā)車進(jìn)路發(fā)HU碼，表示不能發(fā)車。

引導(dǎo)發(fā)車后，發(fā)車股道為HB碼，發(fā)車進(jìn)路發(fā)檢測碼JC，此時(shí)出站信號機(jī)顯示HB。

列車建立進(jìn)路后，如圖2所示，進(jìn)路中前方區(qū)段IIG占用或本區(qū)段8DG解鎖，8DG發(fā)送檢測碼JC。

圖2 列車進(jìn)站后發(fā)碼情況

在無配線車站，其站內(nèi)進(jìn)路按區(qū)間的發(fā)碼規(guī)則由最近的TCC控制碼序，具體如下：

當(dāng)進(jìn)站、出站信號機(jī)（并置）都關(guān)閉時(shí)，進(jìn)路及其接近區(qū)段發(fā)HU碼，離去區(qū)段發(fā)L5碼。

當(dāng)進(jìn)站信號機(jī)開放、出站信號機(jī)關(guān)閉，進(jìn)路發(fā)HU碼，接近區(qū)段為U碼，離去區(qū)段為L5碼。

當(dāng)進(jìn)、出站信號機(jī)均開放，進(jìn)路及其接近區(qū)段與離去區(qū)段均為L5碼。

當(dāng)為引導(dǎo)接車且信號開放后，進(jìn)路為HU碼，接近區(qū)段為HB碼，離去區(qū)段為L5碼。

當(dāng)為引導(dǎo)發(fā)車且信號開放后，進(jìn)路為HB碼，接近區(qū)段為HU碼，離去區(qū)段為L5碼。

當(dāng)列車進(jìn)入無配線車站進(jìn)路后，進(jìn)路若為兩個(gè)區(qū)段組成，則當(dāng)列車進(jìn)入前方區(qū)段后，后方區(qū)段改發(fā)檢測碼JC，若只有一個(gè)區(qū)段，則發(fā)HU碼。

■5.2 CTCS-2級系統(tǒng)的應(yīng)用

我國自主研發(fā)的CTCS-2級列控系統(tǒng)已在全國各客運(yùn)專線和城際鐵路上投入使用，如已經(jīng)建成并運(yùn)營的城際鐵路蘭州-中川機(jī)場段（該段可在蘭州西站下車直接換乘地鐵），還有正在規(guī)劃啟動(dòng)建設(shè)中的蘭州-合作快速鐵路段（該段屬于客貨混用且含有既有線部分），這都表明CTCS-2級系統(tǒng)極強(qiáng)的向下兼容性，可與既有線鐵路使用的0級、1級系統(tǒng)接軌，實(shí)現(xiàn)軌道交通的聯(lián)通聯(lián)運(yùn)。

同時(shí)列控技術(shù)可在CTCS-2級的基礎(chǔ)上延伸出城際鐵路和市域鐵路的CTCS-2+ATO模式、CTCS-2+CBTC模式等，可解決未來將城際鐵路與市域鐵路接入快速鐵路的要求，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的一體化建設(shè)，以提高列車通過能力、解決城市軌道交通線路無法接入國家鐵路線路，以及將國鐵、城際鐵路和市域鐵路銜接在一起的問題。

6 結(jié)束語

相比CTCS-3級系統(tǒng)可使列車行駛速度更快的特點(diǎn)，CTCS-2級更是兼顧了線路建設(shè)和運(yùn)營的低成本和列車運(yùn)行的高度度優(yōu)勢，且在此基礎(chǔ)上可拓展實(shí)現(xiàn)城市軌道交通一體化的構(gòu)想。