中国CTCS2级列控系统的功能及技术特点

1、中国CTCS2级列控系统的功能及技术特点1 引言为了满足国内日益增长的快速铁路客运需要，时速达200k m/h的动车组已经投入城际和客运专线营运。为了保证动车组200k m/h的运行安全，铁道部组织有关单位，在借鉴欧洲和日本列控系统的基础上，引进、消化、研发了中国铁路既有线200km/h动车组列控系统（CTCS2）。本文着重对CTCS2级列车控制系统进行了分析与研究，对CTCS2级列控系统中地面设备和车载设备各组成部分的功能和技术特点进行了详细描述，并对C T C S2级列控系统的控制模式进行了简要说明。2 中国铁路列控系统发展回顾20世纪80年代初，全路大部分机车都安装了机车“三大件”，即机

2、车信号、自动停车和无线列调，行车安全形势大有好转。随之国内多家单位积极开展列车超速防护系统（A T P）的研究，探索中国铁路列控系统发展之路。但是，既有闭塞制式的复杂多样性大大增加了系统研制的难度，特别是既有观念上的束缚，使得列车超速防护系统的研究止步于试验阶段。1985年，我国开始酝酿引进国外的无绝缘轨道电路和车载A T P系统。郑武线电气化工程中率先引进UM71无绝缘轨道电路和TVM300超速防护系统，推动了我国多信息速差式自动闭塞和列车超速防护的发展。郑武线的引进不仅使我们接触到了国外的中国CTCS2级列控系统的功能及技术特点(北京电铁通信信号勘测设计院 裘 韧)先进技术，更重要的是学习

3、到了新的理念。作为车载超速防护的基础地面U M71系统以及国产化的U M71系列设备，随着在郑武、京郑、广深、哈大、武广、京山、沈山等繁忙干线上的成功运用，以其轨道电路可做到一次调整、有断轨检查、抗干扰性强和工作稳定等显著优势，得到用户的广泛认可，逐步成为我国铁路自动闭塞制式的主流。1995年，国家“ 八五” 攻关项目“LSK 旅客列车速度分级控制系统”在广深线160200k m/h 的列车上投入运营。L S K系统作为我国自行研制的准高速旅客列车超速防护系统，在“人机联控，人控优先”的设计原则下，综合信号安全技术、机电控制技术、计算机和网络通信技术，以及可靠性与故障安全理论，构成新型人机关系

4、的信号安全防护系统，并首次以车载信号作为行车凭证，实现了我国超速防护系统历史性的突破。1995年以后，由列车运行记录器发展起来的列车运行监控装置，以其特有的车载线路数据存储方式，受到应用主管部门的肯定并迅速在全路推广。但这种控制方式与国际公认的超速防护系统存在一定距离：作为列车运行监控记录装置(LKJ)控制的基础机车信号（连续信息接收）系统，尚不能达到主体化的要求；作为连续信息的补充点式信息，尚未在列控系统中广泛采用；作为安全的控制输出，还必须依赖司机的正确操作等，这些都将是安全隐患，并随列车速度的提高而突出。摘要：本文介绍了中国列车控制系统的发展历程，并从我国国情出发介绍中国列车控制系统CT

5、CS的基本框架及分类等级。重点描述了C T C S2级列控系统中地面设备和车载设备各组成部分的功能和技术特点，并对其控制模式进行了简单说明。关键词：列车运行控制系统 列车超速防护系统 欧洲铁路控制系统 CTCS2Abstract: This paper introduces the developed course of Chinese Train Control System. In the prospect of the condition of our own country, the author shows the basic schemes and levels of CTCS (

6、Chinese Train Control System). The emphasis is to describe the functions and technical characters of components of ground equipment and train equipment in CTCS2. This paper also gives brief explanation of the control pattern of CTCS2.Key words: CTCS, ATP, ERTMS /ETCS, and CTCS2今天，随着既有线提速、准高速及客运专线的开工

7、建设，A T P在保证列车安全运行方面显得尤为重要。事实证明，在列车高速运行的条件下，地面信号难以辨认，没有A T P的车载信号方式难以适应缩小的行车间隔。以地面自动闭塞为基础、以车载信号为行车凭证的列车运行控制系统势在必行。随着既有线提速、高速线、客运专线开工建设需要，深入研究欧洲E T C S标准并结合中国铁路现状提出适合中国国情的CTCS标准已成为当务之急。3 CTCS介绍近年来，我国铁路建设飞速发展，为了进一步适应铁路跨越式发展战略，铁道部已经制定了中国列车控制系统(C T C S)技术规范总则(暂行)和相应C T C S技术条件，以保证我国铁路运输安全，满足长交路运营的需求，适应提速

8、战略的实施。CTCS是参照欧洲列车控制系统(ETCS)制定的我国现代铁路列车控制系统。3.1 CTCS列控系统的系统构成C T C S系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。地面子系统可由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络(G S M-R)以及列车控制中心(TCC)无线闭塞中心(RBC)。其中GSM-R不属于CTCS设备，但是重要组成部分。车载子系统可由以下部分组成：C T C S车载设备和无线系统车载模块。3.2 CTCS应用等级按照系统条件和功能C T C S可以划分为5级(04)级。同条线路上可以实现多种应用级别，L2，L3和L4可向下兼容。3.2.1 CTCS0级为了规范

9、的一致性，目前干线铁路应用的地面信号设备和车载设备被定义为C T C S0级。C T C S0级由通用机车信号+列车运行监控装置组成，对这一定义，业内尚有不同的看法，认为CTCS0级到底是在等级内还是在等级外不够明确。正因为CTCS0级尚未成为安全系统，适用于列车最高运行速度为160kmh及以下，一般自动闭塞设计仍按固定闭塞方式进行，信号显示具有分级速度控制的概念，其目标距离式制动曲线可作为参考。应该说这是一个过渡阶段。3.2.2 CTCSl级CTCS1级为在CTCS0级基础上安全升级的列车运行控制系统。C T C S1级由主体机车信号+加强型运行监控装置组成，面向160kmh及以下的区段，在

10、既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。利用轨道电路完成列车占用检测及完整检查，连续向列车传送控制信息。CTCS1级的控制模式为目标距离式，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。在车站附近增加点式信息设备，传输定位信息，以减少逻辑推断地址产生错误的可能性。全面提高了系统的安全性，是对CTCS0级的全面加强，可称为线路数据全部贮存在车载设备上的列车运行控制系统。3.2.3 CTCS2级C T C S2级为一体化的列车运行控制系统。C T C S2级面向提速干线和高速

11、线，是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统，适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机。是一种点-连式列车运行控制系统，功能比较齐全并适合国情。司机凭车载信号行车。轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息；点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息。CTCS2级采取目标距离控制模式，采用一次制动方式。CTCS2级采取的闭塞方式称为准移动闭塞方式，其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。3.2.4 CTCS3级CTCS3级是基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列车运行控制系统。CTCS3级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的自动闭

12、塞或虚拟自动闭塞，它可以叠加在既有干线信号系统上。CTCS3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。无线通信系统实现地-车间连续、双向的信息传输，行车许可由地面列控中心产生，通过无线通信系统传送到车上。CTCS3级与CTCS2级一样，采取目标距离控制模式和准移动闭塞方式。3.2.5 CTCS4级C T C S4级是完全基于无线通信(如G S M-R)的列车运行控制系统。由地面无线闭塞中心(R B C)和车载设备完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供

13、列车用于测距修正的定位基准信息。CTCS4级面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞，CTCS4级采取目标距离控制模式，其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。CTCS4级由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，使传统的信号设备减到最低。CTCS4级地面不设通过信号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。4 CTCS2的功能及技术特点经过六次大面积提速、长期试验研究和积极消化吸收国外先进技术，我国铁路已经实现时速200km(部分区段实现时速250km)既有线提速改造。既有线提速200k m/h技术体系由工务、牵引供电、信号系统、动车机辆

14、、信息系统、无线通信系统等几部分组成。在信号系统中，既有线提速200k m/h 采用CTCS2级列车运行控制系统，由ATP车载设备和列控中心、应答器、Z P W-2000系列轨道电路及C T C、计算机联锁、车站电码化等地面设备构成，系统采用目标距离模式监控列车安全运行，具备列车超速防护、临时限速、追踪运行等基本功能。以下对CTCS2进行具体介绍。4.1 CTCS2系统总体构成列控系统分车载设备和地面设备两部分，地面设备又分轨旁和室内设备两部分，其总体结构如图1所示。图14.1.1 地面设备CTCS2级地面设备包括以下内容。* Z P W-2000轨道电路：占用检查及传送空闲及进路信息；* 车

15、站列控中心：用于编制可编程应答器报文;* 轨旁电子单元(L E U): 用于可编程应答器的编程；* 可变应答器：提供进路股道、临时限速信息;* 固定应答器：提供线路参数及定位基准。4.1.1.1 车站列控中心列控中心设于车站，是构成CTCS2级系统的重要组成部分，它可控制车站和区间轨道电路，并通过轨旁电子单元(L E U)控制有源应答器，实现列控信息的传输。根据铁道部的统一规划，适用于既有线提速的车站列控中心采用“二乘二取二”安全冗余的硬件结构，其应答器报文的编制参照成熟的E T C S应答器报文编码规则进行。根据调度命令、进路状态、线路参数等产生进路及临时限速等相关控制信息，通过有源应答器传

16、送给车载设备。主要技术要求：* 系统采用二乘二取二的冗余结构；* 系统外部通讯接口进行冗余配置，采用部定标准的接口方式和协议；* 两站一区间只允许设置一处临时限速；* 限速区起点精度100m，限速区长度分8档（200，500，1000，1500，2000，3000，4000，6000m），限速速度分5档（45，60，80，120，160k m/h）。当限速长度超过6000m时，要求人工按照全区间限速处理。低于45k m/h的限速，由司机控制；* 站内正线有临时限速时或者办理正线通过且离去区段（长度取决于制动距离）有临时限速时，前方站出站口应答器及本站进站口应答器分别发送相应的临时限速报文；*

17、区间其余地点有临时限速时，只有出站口应答器发送临时限速。4.1.1.2 地面电子单元LEUL E U是安全设备，使用标准的19英寸导轨安装在列控中心内。L E U经过1个冗余的、安全的串行链路（接口S）接收列控中心发送的编码，并通过接口C独立地驱动4个有源应答器，向其实时发送报文。它采用特制的内屏蔽数字电缆传输，电缆长度可达3.5km。每个LEU可驱动4个独立的输出，检测并记录每次应答器通电时发送的“有列车”信息。LEU报文表中含有1个缺省报文，该报文包含所有内部缺省值，特别是接口S传输中的故障。轨旁电子单元 LEU 功能：* 从列控中心接收报文；* 向有源应答器发送报文；* 检测外部电缆状态

18、；* 记录状态信息。4.1.1.3 应答器应答器安装在轨道中间。当列车经过时，应答器会以编码信息的形式将信息发送到车载设备。根据报文来源不同，可分为有源应答器和无源应答器，也称为可变数据应答器和固定数据应答器。（1）进站信号机处设置有源应答器，提供接车进路参数及临时限速信息。接车进路建立后，进站应答器发送相应的接车进路信息。具有直股发车进路的股道应提供直股发车进路、前方一定距离内的线路参数和临时限速信息。（2）车站出站口处设置无源应答器和有源应答器。无源应答器提供前方一定距离内的线路参数；有源应答器提供前方一定距离内的临时限速。出站信号机处（含股道）原则上不设置应答器。A T P车载设备通过成

19、对的应答器识别运行方向。（3）区间间隔35k m设置无源应答器，提供正向运行前方一定距离内的线路参数及定位信息，原则上设置在闭塞分区分界处。除进出站口外，区间可不设置专用于反向运行的应答器。（4）根据需要可设置特殊用途的无源应答器，如CTCS级间转换等。CTCS级间转换应分别设置具有预告、执行功能的固定信息应答器。（5）应答器的正线线路参数应交叉覆盖，实现信息冗余。4.1.2 车载设备CTCS2级车载设备包括以下内容。* 安全计算机：用于接收并处理信息，发送制动命令等；* BTM模块：用于接收应答器报文；* STM模块：用于接收轨道电路信息；* 人机接口（MMI）；* 记录器。CTCS 2级车

20、载设备结构：* 动车组的两端各安装一套独立的ATP车载设备；* 总体结构采用硬件冗余结构，关键设备均采用双套，核心设备采用三取二或者二乘二取二结构;* 高安全性和可用性：安全等级达到SIL4级。4.1.2.1 车载安全计算机(VC)车载安全计算机是A T P装置的核心部分，负责从A T P各个模块搜集信息，生成制动模式曲线，必要时通过故障-安全电路向列车输出制动信息，控制列车安全运行。C S E E公司提供的车载设备基于两个处理器的实时比较,安全等级达到S I L4级。为了提高系统可用性，采用了第三个处理器。该处理方式基于两个不同应用处理器同时执行应用软件，并采用故障安全检测器对这些处理器的输

21、出进行比较。日立公司提供的车载设备安全计算机为二乘二取二结构，以保证列车控制的安全性和设备的冗余性。安全计算机的核心安全逻辑由FS-LSI实现。4.1.2.2 应答器信息接收模块(BTM)B T M天线接收来自地面应答器的信号，传输至BTM模块进行信息解调处理。BTM是一个采用二取二技术的故障-安全模块。通过一个专用信息接口和安全计算机同步。同时它还提供通过应答器中点时的确切时间，能够让A T P车载设备在几厘米的准确范围内进行列车定位校准。4.1.2.3 连续信息接收模块(STM)通过S T M天线接收轨道电路信号，解调轨道电路上传的信号信息，将解调的信息及时传递给安全计算机和列车运行监控记

22、录装置。S T M模块是安全模块，可接收Z P W-2000系列轨道电路及4信息、8信息、18信息等传统移频轨道电路的信息。4.1.2.4 司机操作界面 (MMI)通过声音、图像等方式将A T P车载装置的状态通知司机。司机可以通过MMI上的按键来切换ATP 装置的运行模式或是输入必要的信息。M M I为配备有带按钮的液晶显示器。MMI安全等级为SIL2级。各A T P车载设备采用统一的显示界面和司机操作规程。A T P车载设备应具备独立的输入手段，全部信息通过A T P车载设备输入，但非安全信息也可由列车运行监控记录装置提供。4.1.3 列控车载设备主要工作模式* ATP完全监控模式(FS)

23、；* ATP部分监控模式(PS)：连续两组及以上应答器的线路数据丢失；侧线发车；* 引导接车(CO)；* 目视行车模式(OS)；* 调车监控模式(SH)；* 隔离模式(IS)。4.2 CTCS2系统控制模式列控系统采用目标距离速度控制模式，其采取的制动模式为连续式一次制动速度控制的方式，根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线。如图2所示。图2制动速度控制曲线是一次连续的，需要一个制动距离内所有的线路参数，通过应答器进行信息传输。目标距离是由轨道电路进行连续信息传输的，构成了移动授权凭证。参考文献1 刘虎兴，范明.中国铁路列控系统现状及发展J.铁道通信信号，2003，39(2).2 傅世善.闭塞与列控概论J .铁路通信信号工程技术,2005(1).3 邹少文.客运专线列控系统模式探讨J .铁道工程学报,2005(1).4 沈洪波.对既有线200k m/h动车组列控系统的认识J.铁道通信信号,2006,42(9).(收稿日期：2007-05-26)1 计算机联锁现状中国的铁路计算机联锁起步于20世纪80年代初期，距今已有二十多年的发展历史，随着计算机软硬件技术的高速发展，按照引进、消化、提高的技术方针，中国的联锁机从最初的通用单板机发展到目前的联锁专用计算机，安全性、可靠性有了大幅度的提高，功能得到加强。计算机联锁