高速鐵路列控車載設備安全技術探討

孫照輝

（濟南鐵路局安監室，濟南 250001）

1 概述

目前，國內已開通的CTCS-3級列控線路主要有京滬、武廣、廣深、哈大、京石武、鄭西、滬寧、滬杭高鐵，最高運營時速300 km。CTCS-3級列車運行控制系統是中國鐵路時速達到300 km客運專線的重要技術裝備，是中國鐵路技術體系和裝備現代化的重要組成部分，是保證高速列車運行安全、可靠、高效的核心技術之一。

列車速度提高到160 km/h以上時，對列車控制必須由開環控制變為閉環控制，CTCS-3級列控系統正是通過車地信息的實時交互，從而實現對列車的閉環控制。CTCS-3級列控系統主要分為車載設備和地面設備兩大部分。其中，列車運行過程中，車載設備實時通過GSM-R網絡與地面設備實現數據交互，根據接收到的地面命令信息（含地面設備提供的MA移動授權、信號動態信息、線路參數、臨時限速等信息），按照目標-距離模式生成MRSP最不利限制曲線，進行超速防護，監控列車安全運行。列控車載設備是高速鐵路行車安全中必不可少的核心設備之一，列控車載設備的安全技術直接關系到高速鐵路列車運行的安全性和可靠性。

2 CTCS-3級列控系統車載設備的組成

車載設備由車載安全計算機（VC）、GSM-R無線通信單元（RTU）、軌道電路信息接收單元（TCR）、應答器信息接收模塊（BTM）、記錄單元（DRU）、人機界面（DMI）等組成。

CTCS-3級列控系統車載設備采用分布式體系結構，各輸入輸出單元通過總線與核心處理單元進行通信，系統中的關鍵設備均采用冗余配置，具有高可靠性和高可用性；各輸入輸出單元通過總線與核心處理單元進行通信，具有良好的抗干擾性和可擴展性。

以下以CTCS3-300T車載為例說明CTCS-3級列控系統車載設備的結構。CTCS3-300T列控車載設備與列車可采用兩種形式的接口:一種為繼電器接口，一種為MVB接口，對應的系統框如圖1所示（CRH2和CRH3型車）。

CTCS3-300T列控車載設備主要組成內容如下。

1）車載安全計算機：包括C3主機（對應ATPCU單元）/C2主機（對應C2CU單元），是列控車載設備的控制核心。負責CTCS-3級車載控制功能，兼容CTCS-2級控制功能。

2）測速測距子系統：負責監測列車的運行速度并計算列車行走距離，通過一定方式將此速度距離信息發送至各個子模塊，包括SDP、SDU以及用于測速的雷達和速傳，其中SDU速度距離單元采集來自速度傳感器和雷達速度傳感器的脈沖信號，將其轉換為脈沖值，通過信號MVB總線傳送給SDP單元處理；SDP速度距離處理單元對SDU單元采集的脈沖值進行計算，得出列車運行方向、速度和走行距離。

3）安全傳輸子系統：主要控制MT模塊通過GSM-R網絡實現車地數據的安全、可靠傳輸，又稱為STU-V，包括COMC和GCD兩部分，其中COMC主要實現安全層相關功能及內部總線通信與外部無線通信協議間的轉換功能，GCD主要實現傳輸層、網絡層、鏈路層、MT模塊控制功能，數據加密解密算法也由GCD設備負責完成。

4）應答器信息傳輸子系統：負責應答器信息接收與處理，包含BTM和CAU，其中CAU即BTM的接收天線，用于接收地面應答器的信號；BTM用于接收應答器信息，并將解調后的信息傳輸給主機單元。

5）數字輸入/輸出單元：用于采集列車輸出的開關量信息，實現與列車之間接口。

6）安全輸入/輸出單元：用于車載設備緊急制動命令的發送，并接收制動反饋信息。

7）軌道電路信息接收子系統：用于軌道電路信息的接收和處理。

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

CTCS3-300T列控車載設備負責接收地面數據命令信息，通過對列車行車許可、線路參數、列車信息的綜合處理，按照目標-距離連續速度控制模式，生成最不利速度控制曲線。通過采取聲光報警、切除牽引力、三級常用制動（弱、中、強）和緊急制動措施，監控列車運行，保證列車速度不超過進路允許速度、線路結構規定的速度、列車的構造速度、臨時限速及緊急限速。

3 車載設備的安全設計技術

列控車載設備是保證列車行車安全的重要安全設備，必須按照相應的安全設計和評估標準進行系統的研究開發。由于國內的CTCS-3級列控系統是在歐洲ETCS-2級列控系統的基礎上發展和演變過來的，歐洲已針對鐵路領域制定了比較完善的安全系統設計和評估標準，簡稱為CEN-ELEC系列標準。目前，國內CTCS-3級列控車載設備研發過程也同樣要求遵循歐洲CEN-ELEC標準中定義的安全完整度安全要求。用于高速鐵路的列控車載設備，安全相關部件都要求達到SIL4級（EN50129規定，SIL4級系統風險概率滿足：10-9≤每小時故障危險概率＜10-8）。按照SIL4級要求，車載設備安全部件的設計與研發過程均應采用故障導向安全的原則，安全相關軟件應采用雙代碼或雙硬件方式對系統執行過程中的關鍵數據進行實時比較。

按照CEN-ELEC相關標準的規定，車載設備研發過程中，應通過EN50128中的安全軟件開發V字形模型開展相關研發工作，實現對整個軟件生命期的質量管理與控制。安全軟件開發V字形模型具體包括系統需求階段、系統架構設計階段、模塊詳細設計階段、編碼階段、軟件模塊測試階段、軟硬件集成測試階段、軟件確認與驗證階段、系統集成測試階段、系統評估階段和系統維護階段。各個階段的輸入和輸出文件都有詳細的規定，車載設備研發完成后，必須通過相關的測試驗證，并經過具有相應資質的獨立第三方安全評估機構進行安全評估，通過安全認證后才能安裝使用。

目前，國內CTCS-3列控線路中裝備最多的車載設備是CTCS3-300T車載設備。以下以CTCS3-300T車載設備為例，對車載設備的安全性設計進行說明。

CTCS3-300T車載設備的安全相關軟件采用雙代碼結構，同一套硬件中同時運行A、B兩套相異代碼，兩套代碼使用不同的數據區，采用不同的數據結構，并且兩套代碼同時對輸入輸出數據及中間過程關鍵數據進行相互比較，比較不一致則導向安全側。在系統設計中，CTCS3-300T車載設備采用現場總線分布式結構，具有良好的抗干擾性和可擴展性；車載系統中的關鍵設備均采用冗余配置，如ATPCU、C2CU、BTM、CAU、DMI等采用冷備，速度傳感器、雷達、TCR、GSM-R單元及其天線等采用熱備，具有高可靠性和高可用性。CTCS3-300T車載設備的各個子系統均采用安全性設計，系統內安全相關單元一方面運行時實時監控硬件單元的CPU、內存等硬件；一方面采用AB代碼方案，該軟件構架可以防護硬件單元的硬件故障。在軟件偵測到硬件故障后，自動根據故障影響控制施加最大常用或緊急制動。此外，CTCS3-300T車載設備的總線接口和列車接口也都采用安全性設計：總線通過看門狗實現安全性監控，一旦總線中斷或受到干擾，看門狗溢出后，自行施加制動；列車接口中的緊急制動和全常用制動采用繼電器接口及失電制動邏輯，確保接口的可靠性和故障條件下的安全性。

4 車載設備的試驗與驗證安全技術

4.1 型式試驗

車載設備的相關研發和設計完成后，按照接口設計圖紙可以完成相關的安裝調試。在運行過程中，車載設備需要與列車配合使用，而不同車型在制動性能、電氣接口等方面存在很多差異。那么，該如何驗證車載設備與車輛的匹配性呢？這就需要通過型式試驗來保證。

型式試驗需要在車載設備安裝調試完畢后進行，目的是驗證車載設備與列車接口的適配性和安全性，型式試驗一般僅針對新車型的首列車。型式試驗應包含靜態測試和動態測試兩部分。

其中，靜態測試至少應覆蓋以下內容。

1）列車開關對車載設備的作用和影響檢測：測試動車組開關對車載設備的控制作用，檢查升降弓、斷/合主斷路器對車載設備運行的影響。

2）車載設備與列車的制動接口檢測：檢測車載設備弱、中、強（最大常用）制動輸出、緊急制動輸出，檢測相應的制動反饋信號，檢測車載設備能否正常采集列車駕駛臺狀態輸入信號、方向手柄信號，檢測休眠信號對車載設備的影響，檢測列車正常的制動輸出等信號對車載設備使用的影響。

動態測試至少應覆蓋以下內容。

1）過分相測試：檢查車載設備能夠正常輸出過分相控制信號、過分相有效信號。

2）測速測距性能測試：檢查車載設備在各種場景下的測距精度，如列車施加最大常用制動、列車施加牽引、低粘著條件下等場景。

3）應答器報文接收測試：檢查車載設備能否正確接收應答器報文。

4）牽引和制動性能測試：檢查車載設備配置參數在各種場景下的適應性，如列車加速、恒速、觸發最大常用制動、弱常用制動、緊急制動等場景。

此外，還需要考慮列車重聯等情況下的型式試驗。

4.2 聯調聯試

高速鐵路系統是一個復雜的大系統，由許多相互獨立又相互關聯的子系統組成。高速鐵路系統大致可分為高速列車、工務工程、牽引供電、列控系統、運營調度和客運服務6個子系統，每個子系統又由許多相對獨立且相互關聯的子系統。高速鐵路的聯調聯試需要對高速鐵路系統進行全面、系統的測試，是保障高速鐵路大系統正常開通和運營的關鍵。

在聯調聯試過程中，車載設備是列控系統中關鍵的被測對象，一方面需要在各種正常的場景下開展相關測試，驗證列控系統相關的配置和功能是否與設計目標一致，驗證車載設備設計及實現是否滿足需求；另一方面，需要在各種邊界載荷條件下或異常場景下開展測試，分析確認列控系統的響應是否滿足RAMS需求，驗證車載設備的可靠性、可用性和安全性。

聯調聯試階段是高速鐵路開通運營前的必經階段，通過高速鐵路的聯調聯試，發現并糾正數據設備和集成方案方面的錯誤，同時也對車載設備的功能進行比較完備的測試，通過模擬各種可能發生事故的外部和內部條件進行安全方面的測試，總結真實故障發生的頻率和概率，提高車載設備現場運營和維護的安全性。

4.3 互聯互通測試

依托武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路和廣深港高速鐵路，我國建立了CTCS-3級列車運行控制系統3個技術平臺，也形成了各具特色的符合我國國情的3種不同類型的車載設備，具體包括基于瑞典龐巴迪公司平臺的CTCS3-300T車載設備、基于意大利安薩爾多公司平臺的CTCS3-300S車載設備和基于日本日立公司平臺的CTCS3-300H車載設備。而我國高速鐵路建設的總體目標是CTCS-3級列控系統應具備跨線運行的能力，即裝備不同技術平臺的CTCS-3級列控系統車載設備列車，能夠在裝備不同技術平臺的CTCS-3級列控系統地面設備的線路上安全不間斷運行，同時實現線路上CTCS-3級列控系統所要求的功能需求和性能指標，并且均滿足統一的標準規范體系。

為達到高速鐵路建設的目標，滿足高速鐵路網絡化發展的需求，必須驗證裝備這3種平臺的列控系統能夠在各條高速鐵路上安全、不間斷運行，并滿足標準規范所規定的性能，具備跨線運行的能力。針對該需求，依據鐵道部頒布的《CTCS-3級列控系統測試案例（V3.0）》(科技運[2009]59號)，各相關研究單位根據各自的測試案例集聯合制定了互聯互通測試序列。測試序列中，其中一些測試案例是針對車載設備的功能測試，如DMI顯示、數據存儲功能，還有一些是測試地面設備功能的案例。互聯互通測試序列通過鐵道部審核后，鐵道部頒布了《CTCS-3級列控系統實驗室車載設備互聯互通測試序列(V1.0)》(運基信號[2010]849號)。進行互聯互通測試時，測試單位將與互聯互通測試有關的案例進行篩選，再利用這些測試案例組成第三方車載設備互聯互通測試所使用的測試序列。測試通過后，裝備不同車載設備的列車才具備跨線運行條件。

5 車載設備的檢修與維護安全技術

由于列控車載設備本身既有的復雜性和外部工作環境的復雜性（如車輛運行時的振動、電磁干擾、溫度濕度、雨雪惡劣天氣等外來因素的影響），這些都可能會影響車載設備的正常工作。列控車載設備的檢修與維護是保障高速鐵路安全、可靠運用的前提。

5.1 日常檢修與維護

高速鐵路列控車載設備與傳統的信號設備相比存在較大的差異，高速鐵路的列控車載設備的系統集成度更高，軟件和硬件復雜度較傳統信號設備呈現級數增長，加上故障導向安全理念的運用，故障的隱蔽性和突發性很強，采用傳統的檢測手段和方法往往無法滿足故障檢測的需要。

目前，車載設備的日常維護和檢修一般都在動車維修基地進行。高速鐵路列控車載設備本身具備故障提示和故障代碼指示功能。結合實際的維護需求，車載設備都配套了較為完善的便攜式檢測系統和動態監測裝置（簡稱DMS），具有輔助維修、記錄下載分析、記錄統計等功能。相關檢測設備都安裝在動車組相應的機柜內，在列車運行中完成車載設備運用狀態、應答器位置及報文、軌道電路傳輸特性等信息的采集，數據通過無線方式實時傳輸到地面數據中心，實現故障信息的自動采集和實時分析。

車載設備投入使用后，設備供應商會按照預定安排，組織對現場技術人員和使用人員進行相關培訓，建立完善的維護體系，確保能夠及時下載相關的故障診斷記錄，對運行中出現的每一起故障進行分析，在改善系統可用性的同時確認是否存在安全相關問題。

由于列控車載設備故障的復雜性和多樣性，為保證車載設備日常故障分析和定位的準確性，一方面在車載設備的日常檢修和維護中逐步形成了維修工區、車載設備工作站維護人員、電務段技術骨干、車載設備供應商售后服務人員、技術專家聯合分析的分層負責制，24 h不間斷響應處理。系統故障發生后，第一時間由維修工區或工作站維護人員下載相關記錄數據分析，對于常見的故障電話與設備供應商售后服務人員溝通后，上報電務段批準后直接采取整治措施；對于不常見的復雜故障，由維修工區或工作站維護人員下載相關記錄數據并提供給設備供應商技術專家進行分析，提供具體的整治措施或解決方案，再通過維修工區或工作站維護人員具體執行。另一方面，車載設備供應商結合現場發生的故障情況，歸納整理了相應的故障處理手冊，對各類典型故障的特點、故障分析過程、故障排除措施等一一進行總結，作為現場分析和處理故障的依據。這些都確保了現場故障的分析與處理能夠在第一時間內準確完成，切實保證了列控車載設備運營過程中的可靠性和安全性。

5.2 車載設備的高級檢修

為保證高速鐵路列控車載設備高級檢修的運用質量，按照高速鐵路列控車載設備各部件的壽命周期及檢修工作量，鐵道部印發了《動車組CTCS-3級列控車載設備高級檢修規程》（TG/XH202-2012），將高速鐵路列控車載設備修程劃分為一、二級運用檢修和三、四、五級高級檢修，其設定與動車組修程配套。

其中，三級修對應列控車載設備在新出廠后隨動車組運行120萬km（CRH2C一階段動車組90萬km)進行的檢修；四級修對應列控車載設備在新出廠后隨動車組運行240萬km（CRH2C一階段動車組180萬km)或480萬km（CRH2C一階段動車組360萬km)進行的檢修；五級修對應列控車載設備在新出廠后隨動車組運行360萬km（CRH2C一階段動車組270萬km)進行的檢修。

列控車載設備的主要檢修部件包括：安裝于車頂的GSM-R天線；安裝于車內的主機、人機界面、應答器信息接收裝置等；安裝于車底的速度傳感器、雷達、軌道電路讀取單元（TCR）天線、BTM天線，相關電纜及接線盒；列控設備DMS。在各個階段的檢修中，對包含設備清掃、配件更換、設備狀態檢查、外部電纜測試、靜態調試、廠內動態測試、線路動態測試在內的一系列工作都進行詳細規定，明確了檢修原則。相關檢修流程的制定和檢修計劃的實施，也確保了車載設備工作的可靠性和安全性。

6 展望

我國高鐵經過近幾年的飛速發展，取得了巨大的成就。中國高鐵已成為一個品牌，甚至是一張國家的名片，在國際上產生了深遠影響。高速鐵路在帶動沿線相關產業發展、時間效益、節能環保、舒適性、安全性、提高公眾自豪感等方面的社會效益也得到了驗證。

另一方面，由于包含高速鐵路列控車載設備在內的CTCS-3級列控系統在國內研究、應用和發展的時間相對較短，高速鐵路列控車載設備相關的安全技術仍在不斷發展進步，在未來還有很長的路要走。在實際工作中，必須始終深入貫徹落實科學發展觀，牢固樹立安全管理的理念，強化安全意識，建立健全安全保障體系，全力確保高速鐵路的安全可靠運營。

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