美國PTC系統和歐洲ERTMS的差異分析

趙磊 何春明

美國PTC系統和歐洲ERTMS的差異分析

趙磊*何春明＊＊

從系統背景、歷史和當前概況等方面，介紹美國PTC(Positive Train Control)系統和歐洲鐵路運輸管理系統(ERTMS:European Railway Traffic Management System)，描述系統主要功能，分析列車定位和信息傳輸的實現方案，找出2種方案的技術難點和優缺點;最后，分析2種系統的市場發展前景，以及中國鐵路自動化控制領域的目前概況。

列車控制系統;PTC;ERTMS;ETCS

伴隨著全國鐵路第六次大提速和多條高速鐵路的運營通車，鐵路行業迎來了新的機遇和挑戰。在給人們帶來快捷、便利出行條件的同時，高速鐵路的運營環境和安全問題不容忽視。作為改善運營環境和防護安全問題的列車控制系統，其作用相當于列車的中樞神經和大腦。目前，各國都在大力發展列車控制技術，力爭在國際鐵路運輸自動化控制領域占有一席之地。

1 列控系統簡介

1.1 PTC系統

美國國家運輸安全委員會(NTSB)，早在1971年就強烈要求采用更先進的技術措施去防護鐵路運輸中的人因故障。美國鐵路信號公司自1985年起研發該項技術。1994年美國聯邦鐵路管理局(FRA)在鐵路通信和列車控制方面向國會提交了一份報告，創造了術語“PTC(Positive Train Comtrol)”，并于2004年向國會撥款委員會提交了一份關于PTC系統優勢和成本的報告，在2005年3月7日，為了促進PTC系統的推廣，FRA發布了一份關于信號和列車控制系統設計性能標準的最終規定。

PTC系統是為控制列車安全、可靠、精確和有效地運行，集行車指揮、控制、通信和信息化等子系統于一體的集成系統。NTSB將PTC系統認定為最想要的創新之一。PTC系統的試用版10年前已經測試成功，但并沒有在較大范圍內使用，其他驗證工程正在籌備和測試，其正式商用有望在最近10年展開。

目前，有些鐵路設備供應商或集成商積極出資，以期從鐵路安全改進委員會(RSIA)獲得PTC系統實施計劃，使各自的PTC系統實現最大的互通性。BNSF鐵路公司、聯合太平洋鐵路(UP)、Norfolk南方鐵路(NS)和CSX運輸公司(CSXT)引導了基于電子列車管理系統(ETMS)技術的互通性開發，ETMS使得東北走廊(NEC)外部區域實現了鐵路運輸。為了在NEC地區的鐵路運輸采用城市速度增強系統(ACSES)，國家客運鐵路公司(Amtrak)也實施了相似的活動。目前有11個不同PTC系統項目在開發和實施，包括16個州的9條鐵路線路，線路里程超過6400 km。

1.2 ERTMS/ETCS

在歐盟有超過20種鐵路控制系統，每套系統都是獨立的、不兼容的，這為列車在歐洲各國之間安全行駛增加了鐵路控制系統交叉區域總交接成本，需要高昂的集成成本和繁重的工作。例如: Thalys鐵路在巴黎(法國)—布魯塞爾(比利時)—阿姆斯特丹(荷蘭)—科隆(德國)之間的線路上設置有7種鐵路控制系統，帶來了相當多的支出，限制了歐洲鐵路的競爭力，阻礙了歐洲鐵路運輸發展。

ERTMS/ETCS作為一個統一的歐洲列車控制系統，設計為可以在歐洲大陸上逐漸取代現有不兼容系統的列車控制系統，對提高國際貨運和客運的競爭力帶來了相當多的益處。另外，ERTMS/ETCS可以說是世界上最高性能的列車控制系統，在節約維護成本、增強可靠性、提高正點率和交通運力方面具有顯著優勢。ERTMS/ETCS在歐洲以外的國家或地區同樣獲得了成功，例如中國、印度、中國臺灣地區、韓國和沙特等。

2 系統主要功能

列車控制系統的主要功能是根據列車在鐵路線上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式進行監督、控制和調整，起保證行車安全、提高運輸效率、節省能源、改善員工勞動條件的作用。從技術發展的趨勢看，系統向著數字化、網絡化、自動化與智能化的方向發展。

2.1 PTC系統

PTC系統具有防護列車相撞、防止超速脫軌、保護鐵路人員(線路養護、橋梁和信號維護)生命安全，以及在限制區防止列車進入，在列車停車點防止列車移動等功能。PTC系統的復雜性很大程度上取決于自動化水平、實現功能、系統結構、地面系統(如無信號、閉塞信號、機車信號等)和列車控制等級。

PTC系統適用于貨運鐵路、城際高速鐵路，具有閉環控制、車載衛星定位系統、無線傳輸位置報告和行車許可等特征。FRA要求PTC系統除了具有防止列車相撞、強制速度限制、保護軌道上工作人員及設備安全等功能外，還要具有更精確的列車跟蹤和運行管理能力，以期縮短列車間隔時間、增加運力、降低工作量、減少軌旁電子設備。

2.2 ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS主要完成監控列車運行速度、傳輸控車信息、列車定位和執行行車許可等功能。在不同的使用條件下，ERTMS/ETCS可以分為不同的等級，具有不同的子系統或設備。ERTMS/ ETCS-2級是一個基于數字無線通信的列車防護系統，機車上除了指示儀表盤，還顯示行車許可和線路信息，可以免去軌旁的信號系統，但是軌道占用順序邏輯檢查和列車完整性檢查仍然要保留軌旁設備。

圖1 美國PTC系統基本結構圖

如圖2所示，所有列車需自動地向無線閉塞中心(RBC)定期報告精確位置和行進方向。RBC實時監控列車的移動信息。行車許可通過GSM-R不斷地向列車發送，同時還傳送速度信息和線路數據。在這個等級中，歐洲應答器被當做一個被動的定位信標，稱之為“電子公里標”，列車在2個定位信標之間通過傳感器(軸端速度傳感器、加速度計和雷達)判別自身的位置，定位信標被用作校正距離測量誤差的參考點。車載計算機可實時監控傳送的數據和允許速度。

圖2 ERTMS/ETCS-2級示意圖

這2個系統在主要功能上差異不大，但其實現方法有較大不同，主要體現在列車定位和控車信息傳輸功能實現上，故需對這2種功能進行分析。

3 列車定位功能

列車定位功能可實時判定列車的精確位置信息，能為列車安全運行、運行自動化和調度提供重要的信息。

3.1 PTC系統

PTC系統通過GPS獲取列車位置的地理坐標(經緯度)并與線路地理數據進行比對，從而得出該時刻的列車位置信息。然而，從GPS獲取的列車經緯度信息會有一定的偏差，這對于列車精確控制系統而言，足以對列車安全行駛和制動曲線的精確性產生嚴重影響，需要對位置信息進行修正。故PTC系統在判定列車位置之前，使用加速度計、光纖陀螺和轉速計探測出列車加速度數據、橫向加速度數據及列車速度數據，經卡爾曼濾波去除噪聲后得到真實加速度和速度信息，再結合線路信息數據庫進行比對，最后得到列車實際位置信息(如圖3所示)。

圖3 列車定位系統數據處理示意圖

該方案主要依賴于GPS的精度和實時性，加速度計、光纖陀螺和轉速計作為輔助設備同樣對列車精確位置判定起著重要作用。使用衛星對列車位置進行定位，不需要在軌道上安裝軌旁設備，方案實現簡單;但是衛星資源有限，需要確保列車運行過程中GPS可靠地向列車傳送經緯度信息，因此GPS的定位精度和定位時間是主要考慮的問題。

3.2 ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS使用軌旁設備對列車進行定位，應答器滿足ERTMS/ETCS各個級別列車定位的基本功能。應答器在軌道上每隔一段距離安裝1個，其中存有線路數據信息和其他信息。列車經過時，該設備向列車發送信息，列車通過判斷得出自身的位置信息。在2個應答器之間區段，車載設備還可借助其他設備進行判定。在ERTMS/ETCS-2級中，列車使用軸端速度傳感器、加速度計和雷達等傳感器判定自身的位置信息。歐洲應答器通常被用來作為校正距離測量誤差的參考點。

該方案主要依靠歐洲應答器來實現列車定位功能。同時在ERTMS/ETCS-2級中，軸端速度傳感器、加速度計和雷達等傳感器作為主要設備，在列車定位中也發揮重要作用。其優點是使用軌旁設備可以可靠地實現列車定位;但隨著大量軌旁設備的使用，也給工程設計和施工帶來了負面影響，增加了系統成本。

2種方案均能實現高速鐵路的列車定位功能。PTC系統的GPS解決方案可以將軌旁設備數量降到最低。但由于GPS為美國獨有技術，對于其他國家或地區而言，衛星資源分配問題成為了該技術作為列車定位功能解決方案的主要瓶頸之一。使用應答器和其他設備作為列車定位功能解決方案，則成為了最佳通用解決方案，然而其高昂的系統成本，又成為鐵路運營商不得不考慮的因素之一。

4 控車信息傳輸功能

控車信息包括列車位置、行車許可、速度限制、調車和其他等信息，是列車控制系統的主要數據信息，其準確性和實時性保證了列車在線路上安全運行。

4.1 PTC系統

PTC系統中，數據信息傳輸功能使用無線數據傳輸網絡來完成，如圖1所示。該網絡的可靠性和安全性直接關系著PTC系統能否成功地對列車進行自動運行控制。為了應付目前復雜鐵路運輸的需求，要求數字無線網絡具有足夠的通信信道和大數據吞吐量。

使用該網絡的優點在于技術成熟，可兼容目前常見的無線網絡;缺點是缺乏保證開放式無線網絡安全性的技術手段。同時，為了滿足鐵路運輸中越來越龐大的數據交互信息，無線數據通信信道的合理分配和大數據吞吐量也是需要解決的問題。

4.2 ERTMS/ETCS

在ERTMS/ETCS中，列車的行車控制判斷主要由車載設備完成。在ERTMS/ETCS-1級中，列車控制中心通過軌旁電子單元，將行車信息數據發送給歐洲應答器，當有車經過該應答器時，應答器向車載設備發送該應答器管轄線路范圍內的行車數據信息。在該ERTMS/ETCS等級下，行車信息通過有線傳輸給歐洲應答器，而后在列車經過該應答器時，通過電磁信號將行車信息傳送給列車。在ERTMS/ETCS-2和ERTMS/ETCS-3級中，行車許可和其他重要行車信息交由RBC統一管理和發送。通過在鐵路沿線架設全球移動通信系統(GSM)天線，將車載設備和RBC通過GSM-R無線通信網絡進行鏈接，行車信息通過GSM-R網絡進行數據交互。在該級別下，歐洲應答器只提供固定點的線路信息和限速信息。

2種系統使用了2種不同的解決方案完成了控車信息傳輸功能。PTC系統使用數字無線網絡，在信息通信方面十分成熟，保證了控車信息傳輸過程中的可靠性。但控車信息內容多、用戶數據隨時更改的特性，使得在制定控車信息通信協議時需要考慮合理性和擴展性。同時，通信協議需要考慮在開放式網站中傳輸信息的安全性。在ERTMS/ETCS中，使用多種通信方法和設備進行控車信息數據交互，各設備管轄控車信息范圍清晰，通信協議簡單。但使用過多設備進行控車信息傳輸，就使得通信管理變得復雜。

5 其他功能或設備

除了上述2種主要功能的實現方法有很大區別外，2種列車控制系統中制動曲線的計算和生成也在不同的設備中實現。PTC系統中，車載設備將自身狀態和位置信息通過數字無線通信網絡傳給PTC系統服務器，由系統服務器根據行車信息數據和列車調度系統得到的控車信息，計算列車的制動曲線，通過數字無線通信網絡傳回車載設備，車載設備根據該制動曲線對列車運行進行監控。而在ERTMS/ETCS中，根據從RBC獲得的行車許可、列車位置信息和限速信息等，車載設備計算制動曲線，可獨立完成制動曲線生成功能。

除此之外，PTC系統規定為鐵路線路施工和維護人員開發一種手持便攜終端，如圖4所示。通過該設備為施工和維護人員建立一個安全的工作區，防止其他列車和軌道車突然闖入發生事故。ERTMS/ETCS的系統需求中，暫無此項功能需求。

6 結論

通過對2種列車控制系統的描述和不同點的分析，可以更加深入地了解這2種列車控制系統的基本功能和原理。它們都是以行車安全為首要目標，通過各種技術手段防止危險事故的發生，均有自己的安全管理體系和風險控制方法。

圖4 手持便攜終端(圖中虛線部分)

2種列車控制系統在列車運行控制方面都具有較高的技術水平，實現了列車運行無人干預化功能。除了少數臨時線路維護或限速條件，系統可實現列車安全監控功能。

美國PTC系統目前處于研究或測試階段，在美國本土只有極少數試用段使用該系統作為鐵路運輸管理系統。而ERTMS/ETCS在歐洲及其他國家均有應用，經過市場考驗和實際工程應用，ERTMS/ETCS證明了其在鐵路運輸自動化控制領域的優勢和地位。由于全球定位系統為美國獨有技術，因此PTC系統在其他國家或地區使用存在一定的風險。而且在美國本土，由于空中交通運輸行業較為發達，鐵路運輸行業整體低迷，因此PTC系統能否在美國得到廣泛發展存在疑問。

目前鐵路運輸管理系統蓬勃發展，我國已有了自主研發的列車運行控制系統(CTCS)。而且，隨著中國自主研發的北斗導航系統商用化進程的啟動，我國鐵路運輸管理系統/列車控制系統的列車定位有了更多的選擇。在我國經濟利好、技術水平提高的前提下，必將會研究出具有國際先進水平的鐵路運輸管理系統/列車控制系統，并必將走出國門，在國際列車控制自動化領域占有一席之地。

［1］Lindsey．R，Positive train control in North America［J］．Vehicular Technology Magazine，IEEE，2009，Vol4(4): 22－26．

［2］William C．Vantuono，BNSF Starts Positive Train Control Trial［J］．Intl．Railway J．and Rapid Transit Rev．2004，Vol44(3):12．

［3］Federal Railroad Administration，North American Joint Positive Train Control System Four－Quadrant Gate Reliability Assessment［J］．Research Results RR08－10，October 2008．

This paper introduces Positive Train Control system and European Railway Traffic Management System in terms of system background，development history and present outlines．The system functions are described and the implementation methods of train location and data transmission functions are analyzed together with a comparison of the technical difficulties，advantages and disadvantages of those methods in the two system．Finally，the prospects of marketing development of the two systems are analyzed and a survey of automatic control technologies in Chinese railway is presented．

Train control system;Positive train control，European railway traffic management system; European train control system

北京和利時系統工程有限公司100176北京

*博士＊＊高級工程師

2011-07-27

(責任編輯:諸紅)