高速鐵路列控車載設(shè)備的發(fā)展

王 馨

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院，北京 100073）

1 車載設(shè)備的發(fā)展

早期列車的速度低于120 km/h時(shí)，列車主要是根據(jù)地面信號機(jī)的顯示行車。最初車載設(shè)備主要是機(jī)車信號設(shè)備。機(jī)車信號設(shè)備安裝在機(jī)車司機(jī)室內(nèi)，能復(fù)示地面信號，司機(jī)根據(jù)機(jī)車信號顯示駕駛列車。

隨著列車速度提升到160 km/h，通過采用主體化機(jī)車信號結(jié)合運(yùn)行監(jiān)督記錄器（LKJ）的方式控制列車運(yùn)行。司機(jī)根據(jù)LKJ裝置中儲存的線路數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速等信息生成的速度監(jiān)控曲線來駕駛列車。但由于線路、速度等信息需提前儲存在機(jī)車上，一旦地面信息發(fā)生變化，則需司機(jī)通過手工方式對儲存的信息進(jìn)行更新，如忘記更新或流程控制出現(xiàn)疏漏，則可能導(dǎo)致行車事故。

為滿足中國鐵路第六次提速中列車最高運(yùn)營速度達(dá)到200～250 km/h的要求，在引進(jìn)符合歐洲ETCS標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答器及國外車載設(shè)備相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了符合CTCS-2（以下簡稱C2）級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用基于“點(diǎn)式應(yīng)答器+連續(xù)式軌道電路”向列車傳輸行車許可信息的控制方式，采用一次目標(biāo)-距離模式曲線監(jiān)控列車安全運(yùn)行。

2008年8月，北京奧運(yùn)會前投入運(yùn)營的京津城際鐵路，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)采用自主集成的CTCS-3D系統(tǒng)，運(yùn)營速度最高達(dá)到350 km/h。

2009年12月，基于無線通信實(shí)現(xiàn)車地信息傳輸?shù)腃TCS-3（以下簡稱C3）級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的武廣高速鐵路正式開通運(yùn)營。

2 列控車載的概述

隨著列車速度的提高，從每小時(shí)80多km到目前的每小時(shí)350 km，列車運(yùn)行必須采用列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，ATP車載設(shè)備正是此系統(tǒng)中保證行車安全的關(guān)鍵設(shè)備，其擔(dān)負(fù)著保證列車運(yùn)行安全的重要作用，是列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。近幾年列控車載ATP隨著鐵路大發(fā)展，在國內(nèi)高速發(fā)展中獲得廣泛應(yīng)用。

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)對列車實(shí)現(xiàn)間隔和速度控制。系統(tǒng)由地面和車載兩部分設(shè)備組成。地面設(shè)備提供列車控制所需要的全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和線路空閑情況，例如線路允許速度、軌道電路長度、線路坡度、前方空閑情況等；車載設(shè)備對地面?zhèn)鱽淼男畔⑦M(jìn)行處理，計(jì)算出列車速度控制曲線，用來監(jiān)督或控制列車安全運(yùn)行。

列控車載設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3 ATP車載設(shè)備的組成

ATP設(shè)備主要包括車載安全計(jì)算機(jī)單元（VCU）、應(yīng)答器信息接收模塊（BTM+CAU）、軌道電路信息接收單元（TCR）、測速測距單元（SDU，SDP）、人機(jī)界面（DMI）、列車接口（TIU）、司法記錄單元（JRU）、GSM-R無線通信單元（RTU）、動(dòng)態(tài)監(jiān)測接口等。列控車載設(shè)備采用分布式結(jié)構(gòu)，各功能單元通過MVB總線及ProfiBus總線聯(lián)接。

我傻了，我心想自己真是一個(gè)笨蛋，我為自己設(shè)了一個(gè)陷阱，而且還跳了進(jìn)去，我看著萍萍臉上越來越明顯的幸福表情，我就知道自己越來越?jīng)]有希望逃跑了。萍萍美麗的臉向我展示著，她美麗的眼睛對著我閃閃發(fā)亮，她的眼淚還在流，我就說：“萍萍，你別哭了。”

3.1 列控車載設(shè)備主機(jī)

安全計(jì)算機(jī)（VC）：是列控車載設(shè)備的控制核心,負(fù)責(zé)C3級車載控制功能，兼容C2級控制功能。

列車信號網(wǎng)關(guān)（TSG）：信號網(wǎng)關(guān)連接安全計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面單元、輸入和輸出接口，適用于適配專用功能。

應(yīng)答器信息接收單元（BTM）：用于接收應(yīng)答器信息，應(yīng)采用冗余結(jié)構(gòu)。通過BTM天線接收、解調(diào)地面應(yīng)答器的信號，將解調(diào)后的用戶信息傳輸給VC。

測速測距單元：SDU速度距離單元檢測來自速度傳感器和雷達(dá)速度傳感器的脈沖信號，SDP速度距離處理單元對測速脈沖進(jìn)行處理，計(jì)算列車實(shí)際運(yùn)行方向、速度和走行距離。

無線控制單元（STU-V：COMC+GCD）是車載設(shè)備和GSM-R無線單元的接口與通信控制單元，包含加密單元（GCD）。

數(shù)字輸入/輸出單元（DI/DX）：CRH2型車的車載設(shè)備通過數(shù)字輸入/輸出單元采集列車輸出的開關(guān)量信息（電平信息），經(jīng)過隔離、濾波后送到數(shù)字輸入單元處理，輸出單元通過控制繼電器的輸出（電平信息和節(jié)點(diǎn)信息）實(shí)現(xiàn)與列車之間接口。

安全輸入/輸出單元（VDX）：用于車載設(shè)備緊急制動(dòng)命令的發(fā)送，并接收制動(dòng)反饋信息。

繼電器單元：車載設(shè)備與車輛的接口可采用繼電器方式。CRH2型車的車載設(shè)備與車輛的接口通過繼電器單元實(shí)現(xiàn)。繼電器單元由多個(gè)繼電器組成，能夠?qū)碜攒囕v的輸入通過輸入/輸出單元分配給列控車載設(shè)備的各個(gè)部分，并將來自車載設(shè)備內(nèi)部各部分的輸出通過輸出單元集中對外輸出。與安全相關(guān)的緊急制動(dòng)命令在CRH2和CRH3型車上均采用繼電器接口方式實(shí)現(xiàn)。緊急制動(dòng)采用失電制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

GSM-R無線單元：用于實(shí)現(xiàn)車載和RBC之間的無線通信，應(yīng)采用冗余結(jié)構(gòu)。

軌道電路信息接收單元：用于接收軌道電路信息，應(yīng)采用冗余結(jié)構(gòu)。TCR具有同時(shí)接收不同載頻的功能，根據(jù)應(yīng)答器信息、司機(jī)操作命令、地面移頻信息鎖定上下行載頻或單載頻。TCR將解調(diào)出的載頻、低頻和過絕緣節(jié)信息發(fā)送給VC。

司法記錄單元：用于記錄司法分析所需的列控車載設(shè)備工作狀態(tài)及各種輸入輸出信息。

診斷記錄單元（DRU）：用于記錄維護(hù)診斷所需的車載設(shè)備工作狀態(tài)及各種輸入輸出信息，可單獨(dú)設(shè)置，也可集成在JRU中。

隔離開關(guān)/冗余開關(guān)：列控車載設(shè)備應(yīng)設(shè)置隔離開關(guān)，用于在列控車載設(shè)備故障后要行車時(shí)隔離其制動(dòng)及牽引切斷命令。

列控車載設(shè)備應(yīng)設(shè)置冗余開關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)車載主機(jī)故障時(shí)的雙機(jī)冗余切換。

3.2 其他外圍設(shè)備

人機(jī)界面單元：是列控車載設(shè)備的顯示和操作界面，應(yīng)安裝在便于司機(jī)操作和觀察的位置。CRH2型動(dòng)車組在駕駛臺上安裝2個(gè)DMI，采用冗余結(jié)構(gòu)。CRH3型動(dòng)車組在駕駛臺上安裝1個(gè)DMI，在DMI故障時(shí)采用列車的HMI作為冗余備用顯示。

GSM-R天線：安裝在列車頂部，按冗余方式設(shè)置。2個(gè)天線之間的間距不得小于2.5 m。

TCR天線：安裝在列車運(yùn)行頭部第一輪對前鋼軌的正上方，其周圍一定范圍內(nèi)應(yīng)保證無金屬或磁性材料。接收線圈冗余設(shè)置，外部采取防護(hù)措施，可采取措施實(shí)現(xiàn)TCR對TCR天線的檢測。

BTM天線（CAU）：安裝在動(dòng)車組頭部距離車頭一定范圍內(nèi)，按雙套設(shè)置，車體底部的橫向中心線上，其周圍一定范圍內(nèi)保證無金屬或磁性材料。可采取措施實(shí)現(xiàn)BTM對BTM天線的檢測。

速度傳感器：按雙套設(shè)置，并安裝在非動(dòng)力軸的旋轉(zhuǎn)軸上，CRH2型車安裝在車輛的第2和3軸端，CRH3型車安裝在車輛的第6和第7軸端。

雷達(dá)速度傳感器：安裝在車體底部，靠近轉(zhuǎn)向架附近，按雙套設(shè)置，在雷達(dá)的照射波束間不應(yīng)有任何障礙物或可移動(dòng)物體存在。

4 列控車載設(shè)備的主要功能

列控車載設(shè)備通過應(yīng)答器信息接收天線接收應(yīng)答器的各種地面信息，通過無線電臺與地面設(shè)備RBC進(jìn)行信息交互，獲得移動(dòng)授權(quán)（MA）、緊急信息和臨時(shí)限速等信息，主要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能。

4.1 超速防護(hù)

列控車載設(shè)備監(jiān)控列車在允許速度下運(yùn)行，監(jiān)控列車允許的速度包括動(dòng)車組構(gòu)造速度、線路允許速度、進(jìn)路允許速度、臨時(shí)限速等。車載設(shè)備根據(jù)限速信息，生成相應(yīng)的速度限制曲線，實(shí)現(xiàn)列控車載設(shè)備的超速防護(hù)功能。

4.2 測速測距功能

列控車載設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測列車的運(yùn)行速度并計(jì)算列車行走距離，并通過一定方式將此速度距離信息發(fā)送至各個(gè)子模塊，并進(jìn)行空轉(zhuǎn)或滑行的校正，以減小對測速測距的影響。

4.3 應(yīng)答器信息接收與處理

列控車載設(shè)備通過應(yīng)答器信息接收天線和應(yīng)答器信息接收單元，從地面應(yīng)答器獲取地面信息，使列控車載設(shè)備能夠得到無線注冊、等級切換、通信管理和RBC切換等信息。并通過給RBC匯報(bào)所經(jīng)過應(yīng)答器編號，獲得當(dāng)前的坐標(biāo)系位置。

4.4 級間切換

列控車載設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)C3級和C2級之間的切換，實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行。列控車載設(shè)備將根據(jù)地面應(yīng)答器[ETCS-41]包和來自RBC的無線消息進(jìn)行C3級和C2級之間的等級切換管理。

4.5 防溜功能

列控車載設(shè)備在列車停車的狀態(tài)下，會對列車的不恰當(dāng)移動(dòng)進(jìn)行防護(hù)。如果列車在停車狀態(tài)下發(fā)生了非預(yù)期的前后移動(dòng)，車載設(shè)備將會啟動(dòng)制動(dòng)。

4.6 控車及提示信息顯示功能

列控車載設(shè)備通過人機(jī)界面設(shè)備，以圖形、文本和聲音的方式向司機(jī)提供列車實(shí)際速度、目標(biāo)速度、限制速度、目標(biāo)距離、地理信息、文本信息、確認(rèn)信息和警示信息等。接收來自司機(jī)的按鍵操作，并以此進(jìn)行相關(guān)的邏輯處理，得出正確的控車命令。

4.7 數(shù)據(jù)記錄功能

列控車載設(shè)備擁有完善的司法記錄單元，可以記錄故障發(fā)生時(shí)的各種狀態(tài)，保證故障后進(jìn)行原因分析。

將來列控車載子系統(tǒng)的信息傳輸將完全基于GSM-R的ATP系統(tǒng)。列車完整性檢查、定位校核分別靠車載設(shè)備和地面點(diǎn)式設(shè)備實(shí)現(xiàn)，區(qū)間占用靠GPS和GSM-R實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸解決，該系統(tǒng)具有移動(dòng)自動(dòng)閉塞的特征。