下一代列控系统技术方案探讨.docx

下一代列控系统技术方案探讨程剑锋：中国铁道科学研究院通信信号研究所，副研究员，北京，100081 田青：中国铁道科学研究院通信信号研究所，副研究员，北京，100081赵显琼：中国铁道科学研究院通信信号研究所，助理研究员，北京，100081孙帝：中国铁道科学研究院通信信号研究所，助理研究员，北京，100081摘要：随着通信和控制技术的进一步发展，使下一代列控系统配置优化、性能提高成为可能。 通过研究国际先进列控系统方案及其新功能的运 用，提炼特点并分析其优势，结合ctcs-3级列 控系统5年来的商业运营经验及我国铁路建设特 点，探讨下一代列控系统功能特点、地面配置方 案和技术实现方式，为集约型铁路建设服务。 关键词：下一代列控系统；etcs-3；ptc；atacsctcs-3级列控系统atp车载设备是我国高速铁路安全运行的控制系统，对动车组的安全、高效及稳定 运行起到重要的保障作用。ctcs-3级列控系统是借鉴 etcs-2级列控系统体系，兼容我国既有的ctcs-2级列 控系统，基于gsm-r网络实现车-地信息传输、应答器 用于列车定位、轨道电路用于列车占用及完整性检查的 列车运行控制系统。随着人们对动车组出行的青睐，对客运专线的运输 效率提出了更高要求；同时，由于客运专线已经成网， 轨旁设备的维护越来越复杂，简化地面设备既是减少现 场维护工作的需要，也是减少投资的需要；在线运行的 列车能够与前后车进行通信也是提高系统安全性的有效 措施。随着计算机通信及全球定位技术的进一步发展及沉 淀，采用新一代列控系统可以进一步缩短运行间隔、简 化地面设备、减少维护作业量，结合国内外相关厂家进 行的虚拟及移动闭塞列车控制系统的研究，构建我国下 一代列车运行控制系统成为可能。在ctcs-3级列控系 统的基础上，引入移动闭塞技术、列车定位及完整性检 查技术、移动双向通信技术在高速铁路上应用；结合我国高速铁路的需求，简化地面列控设备；借鉴ertms的中图分类号：u283文献标识码：a文章编号：1001-683x（2014）12-0032-040引言我国列控系统经过10年的发展，其标准体系得到了进一步巩固和完善；我国在建的高速铁路都是按照自主 构建的ctcs-2/3级列控体系进行建设。截至2014年7月 底，全路在用的ctcs-2级列控系统动车组计570余列， ctcs-3级列控系统（含ctcs-3d）动车组计600余列。 ctcs-2/3级列控系统动车组在我国高速铁路及客运专线 上稳定运行5年，为国人出行带来舒适快捷的感受，同 时也竖起了一张国际名片。- 32 -chinese railways 2014/12研究与探讨下一代列控系统技术方案探讨程剑锋 等etcs-3级列控系统、美国联邦铁路管理局（fra）的ptc列控系统及东日本旅客铁路公司（jr东日本）推出 的先进列车管理和通信系统（atacs）的研究经验，细 化下一代列控系统技术方案，并对地面设备配置进行初 步研究。1国外先进列控系统方案持续提高路网效率、降低成本是所有铁路运营公司的基本任务，基于无线通信列控系统的显著优点之一就 是能够简化地面设备。为此，各国在现有基于固定闭塞 列控系统的基础上竞相发展基于移动闭塞的下一代列车 控制系统。1.1 ertms-regional系统etcs-2级列控系统的项目正在整个欧洲乃至全世界 进行大规模的实施，但很多铁路基础设施管理公司认为 etcs-3级列控系统才是最终能够彻底互联互通的解决方 案。etcs-3级列控系统的应用，使得地面信号设备的数 量进一步减少，铁路基础设施管理公司也因此摆脱针对大 量地面设备维护工作的列车检测系统，而这些系统的存在 可能导致多达50%信号系统的干扰和故障1。针对区域性铁路、常规和本地铁路线人口密度小、 运营密度低、收益不高但需求广泛的情况，确实需求能 够减少维护和降低投资的列控系统方案。为在区域性铁路采用可行、通用的信号系统，2003 年3月，在etcs-3级列控系统需求的基础上，uic提出 切实可行的ertms-regional概念2。2009年10月，瑞典 vasterdal线路上ertms-regional列控系统正式投入商业 运行。ertms-regional系统能使区域性铁路在更新或引入 新的信号设备时节约成本3-4。系统对精简后的轨旁设备 集中控制，借助gsm-r等无线通信系统监控如转辙机、 平交道口、联锁等对象的状态。系统主要由车载设备、 gsm-r、列车控制中心（tcc）、对象控制器4个子系 统组成。其中无线闭塞中心、高度集中ctc和联锁以功 能模块的形式整合到列车控制中心。对象控制器起到安 全接口的作用，连接着列车控制中心与外部对象及设备（见图1）。ertms-regional系统的关键特征：装备标准的欧洲 车载设备；车载设备提供持续的列车完整性检查；无线图1 ertms-regional系统构架车-地通信；使用移动闭塞技术；无轨旁列车位置检测 设备和轨旁信号机。可以看出，ertms-regional系统的功能目标与 etcs-3一致。为快速扩充铁路网，减少建设费用和维护 成本，提高铁路信号设备系统成本效益，提供了可参照 实施的现实方案。1.2 ptc系统fra于1994年在铁路通信和列车控制方面提出ptc 列控系统，并于2004年提交了ptc系统优势和成本的报 告。2005年3月7日，为了促进ptc列控系统的推广， fra发布了一份关于信号和列车控制系统设计性能标准 的最终规定5。ptc系统是为控制列车安全、可靠、精确、有效地 运行，集行车指挥、控制、通信和信息化等子系统于 一体的集成系统，适用于货运铁路和城际高速铁路6。 ptc系统基本结构见图2。车载设备将自身状态和位置信 息通过数字无线通信网络传给ptc系统服务器，由系统 服务器根据运行列车信息数据和列车调度系统得到的控 车信息，计算列车行车许可，并通过数字无线通信网络 传回车载设备，车载设备根据行车许可控制列车运行； ptc系统地面设备通过列车实时位置，控制地面道口进 行通行或安全防护；ptc系统规定为铁路线路施工和维 护人员配备终端，为施工和维护人员建立安全的工作 区，防止其他列车和轨道车突然闯入发生事故。chinese railways 2014/12- 33 -列控中心（tcc）gsm-r设备gsm-r设备 lan/ wlanlan/ wlangsm-rgsm-r对象控制器对象控制器手持终端欧洲应答器欧洲应答器欧洲应答器研究与探讨下一代列控系统技术方案探讨程剑锋 等图3 atacs系统基本结构atacs系统具有以下特点：应答器辅助列车定位识别；维修车、作业人员统一控制；车体主控平交道口控 制；无线车-地通信；移动闭塞技术。atacs系统不再基于轨道电路，而是将铁路划分为 若干个控制区域，每个控制区域都有自己的地面控制器 和无线传输基站，车载设备通过无线方式将列车位置和 运行速度等信息传给地面控制器，地面控制器通过基站 将行车许可发给车载设备。同时，atacs系统还涵盖维护作业车内容。图2 ptc系统基本结构ptc系统的特点：闭环控制；车载卫星定位系统； 无线传输位置报告和行车许可；使用移动闭塞技术；减 少轨道上安装轨旁设备。ptc系统除了具有防止列车相撞、强制速度限制、 保护轨道上工作人员及设备安全等功能外，还具有更 精确的列车跟踪和运行管理能力，以期缩短列车间隔时 间、增加运力、降低工作量、减少轨旁电子设备。1.3 atacs系统东日本旅客铁路公司的先进列车管理和通信系统 atacs7-8于2010年投入商业应用，该系统能够识别列 车位置，使用机车信号，而非传统的轨道电路和轨旁信 号机等地面设备。atacs系统的概念于20世纪80年代提 出，与etcs-3级和基于通信的列车控制（cbtc）系统 相似，其功能结构见图3。atacs系统通过运用列车位置识别和列车距离控制 技术实现高安全性。通过在每列车上安装测速发电机， 列车能检测自身的运行速度，所得数据随后用于计算 已运行距离，从而实现列车精确定位。基于列车自身定 位，由车载设备自行检测距离平交道口的距离，通过地 面控制器对平交道口设备的状态进行实时控制。列车距 离控制技术建立在移动闭塞信号系统之上，在这种系统 控制下，每列车都持续通过无线通信向简化地面设备传 输其位置信息。同时，维修作业车和人员都被纳入到管辖范围，以防止意外事故的发生。2下一代列控系统配置由上述分析可见，3种列控系统的共同点如下：车载设备采用新的技术实现卫星定位和列车的完整性检 查；地面减少轨旁设备的配置，集中轨旁设备功能是下 一代列控系统发展的趋势；按照列控系统地面控制信息 集中的趋势，可简化地面设备配置，使得车站区间控制 设备一体化，提高地面信号控制信息的集中度，增强系 统的可靠性与冗余度。2.1 车载设备车载设备需要采用卫星定位及列车完整性检查功 能，使得车载定位系统根据线路地图所占用的位置通过 无线报告给地面控制器，地面控制器根据前后车及进站 信息计算出对于列车的行车许可；同时车载设备要进行 列车完整性检查，对于完整性出现故障的场景应有对应 的策略。2.2 地面设备现有设备中，轨道电路是沿铁路线布置，需要较大 的维护量及投资总额，减配轨道电路是下一代列控系统- 34 -chinese railways 2014/12地面控制器地面管理设备地面控制器 无线基站无线基站行车许可 位置报告铁路工作人员终端维修作业开放道口应答器卫星ptc服务器计算机辅助调度系统无线数据链接行车许可 位置报告铁路工作人员终端ptc开放道口研究与探讨下一代列控系统技术方案探讨程剑锋 等的共识。根据我国既有ctcs-2/3列控系统地面基础设备配置情况，地面的转辙机、应答器和防灾系统等设备是 控制进出站及提供线路数据的基础设备，可以提供辅助 定位及危害监测，应相对维持现有的状态和配置，对于 有列控信息交互及控制信息综合处理的设备应进一步加 强整合，强调一体性和协调性，优化设备处理控制信息 的通道及配置等，进一步优化信息来源，减少不同厂家 设备间信息交互带来的风险和不确定性。地面设备配置 示意见图4。3结束语通过对国外先进列控系统的总结和深入研究，对下一代列控系统基本方案进行了轮廓性描述，并阐述了其 4项关键技术：移动闭塞技术、列车完整性检查技术、 基于gps定位技术和车-地无线双向通信技术。通过对系 统配置及相关技术的研究与分析，说明了下一代列控系 统方案的可行性。移动闭塞技术的应用，将整体提高列车行车密度， 加强线路的运能。下一代列控系统将极大减少地面设备的部署，从而大幅降低铁路的建设和运维成本。参考文献杨硕. 列车完整性让etcs-3级列控系统成为可能j. 铁路通信信号工程技术，2013(5)：105-106. 王剑，张福隆，蔡伯根，等. ertms-regional发展综 述j. 铁道学报. 2012(1)：60-64.uic. ertms regional functional requirements specification eb/ol. /img/pdf/ertms_regional_ frs_03_08.pdf，2009-12-312014-08-20.uic. ertms regional general technical requirements specification eb/ol. /img/pdf/ertms_regional_ grs.pdf，2006-01-202014-08-20.赵磊，何春明. 美国ptc系统和欧洲ertms的差异分 析j. 铁路通信信号. 2011(11)：56-59.lindsey r. positive train control in north americaj vehicular technology magazine，ieee，2009，vol4(4)：22- 26.t kobayashi，o iba，h inage，et al. atacs（advanced train administration andcommunication system）. transactions on the built environmentj. 1996 wit press, vol18： 199-205.zeng x，zhao s，matsumoto m，et al. technologyfeatures research of japanese railway signal systemc/12345图4 下一代列控系统地面配置示意通过优化地面设备配置增强地面控制器的功能，使其具有比无线闭塞中心（rbc）更强的功能，基于移动 闭塞技术具有更大范围的控车能力；车载设备在基于卫 星技术的定位和完整性检查的基础上实现列车的目标距 离控制；通过双向的无线通信实现车-地大容量数据传 输。综上所述，下一代列控系统将具有以下特点：（1）集成车站及区间信号控制及采集的功能；集 成现有地面设备中的联锁及轨道电路占用检查功能，并