CTCS-4級列車控制系統研發關鍵點分析

李啟翮

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073；2．北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統工程技術研究中心，北京 100073)

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CTCS-4級列車控制系統研發關鍵點分析

李啟翮1，2

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073；
2．北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統工程技術研究中心，北京 100073)

摘要：CTCS-4級列控系統是中國列車運行控制系統（CTCS）規劃中的最高一級，目前尚處于理論研究階段。針對該系統特點進行分析，歸納總結研發該系統所存在的關鍵問題及難點，為進一步的系統研發奠定基礎。

關鍵詞：中國列車控制系統CTCS-4級；移動閉塞；列車完整性；軌道占用檢測

Abstract:As the highest level of Chinese Train Control System, CTCS-4 system is still in the theoretical research phase. This paper analyzes the characteristics of the system and summarizes the key points and dif fi cult problems, providing a basis for further research and development of the system.

Keywords:CTCS-4; moving block; train integration; track occupation detection

1　概述

列車運行控制系統是高速鐵路三大關鍵技術之一，它根據列車在鐵路線路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等進行監控，是保障列車安全運行的關鍵系統。

我國鐵路所規劃的列控系統體系稱為CTCS （China Train Control System），是參考歐洲列控系統ETCS并結合我國鐵路實際所制定的，共分為0～4共5個等級。

1）CTCS-0級列控系統由通用機車信號和運行監控記錄裝置構成，為既有線現狀；

2）CTCS-1級列控系統由主體機車信號和安全型運行監控記錄裝置組成；

3）CTCS-2級列控系統基于應答器和軌道電路信息傳輸，憑車載信號行車，已應用于200～250 km/h線路；

4）CTCS-3級列控系統，基于無線信息傳輸，憑車載信號行車，用于300～350 km/h線路；

5）CTCS-4級列控系統基于無線通信傳輸平臺，取消軌道電路，實現虛擬閉塞或移動閉塞，適用于速度350 km/h以上的線路或特種鐵路，目前尚處于研究階段。

由上述等級說明可以看出，CTCS-2/3系統運用于高速鐵路，而CTCS-4（以下簡稱C4）系統不僅面向高速鐵路，也可能用于其他如西部鐵路、支線鐵路等一些特殊線路，應用范圍更廣。

目前，CTCS-3（簡稱C3）系統是我國最先進的列控系統，其標準實際是以歐洲ETCS2（簡稱E2）系統為基礎，并以CTCS-2（簡稱C2）系統為后備制定而成的，該等級與歐洲的E2并列為當今世界上已經廣泛成熟應用的最先進的列控系統。

盡管C3系統已有大量成熟應用，但在實際運營中也暴露出一定的缺點：1）采用了準移動閉塞制式，對于進一步提高列車運行速度，縮短追蹤間隔有一定限制；2）地面設備眾多，尤其是需要沿線鋪設軌道電路，建設運營維護成本較高。

而C4系統規劃中的兩大新特征（移動閉塞、取消軌道電路）正好可以解決上述缺點，并可以向下兼容C3，具有比C3系統更多的優越性，是未來發展的方向，但目前尚處于理論研究階段，無實質性的進展，原因之一在于實際研發中尚有一些關鍵難點需要攻克。本文從C4系統與C3系統的區別入手，分析因系統差異導致的研發關鍵問題及困難點所在，為進一步的標準制定和系統研發奠定基礎。

2　系統分析

根據規劃，C4系統與C3系統均采用車地無線通信的方式，其改進之處在于：1）地面取消軌道電路；2）采用移動閉塞或虛擬閉塞（實際上移動閉塞是廣義虛擬閉塞的一種，狹義的虛擬閉塞通常指虛擬固定閉塞或虛擬準移動閉塞，移動閉塞是相對于狹義虛擬閉塞更先進的方式，本文后續將集中于移動閉塞，忽略虛擬閉塞）。

與C3相比，C4的主要不同在于上述2點，但這二者（尤其是第1點）將對整個系統的運行帶來較大的改變。

2.1功能及安全影響分析

相對于C3采用的準移動閉塞制式，C4采用了更新式的移動閉塞，能夠進一步縮短列車追蹤間隔。實際中，移動閉塞并非全新的技術，該閉塞方式已經在城軌CBTC系統中被廣泛采用，多數列控廠商均具備該技術，因此移動閉塞雖然是C4的關鍵特征之一，卻并非系統研發中所需攻克的難點。

與移動閉塞的引入相比，軌道電路的取消給系統帶來更大沖擊。在C3系統中，軌道電路擔負著重要的職責，主要包括：1）軌道占用檢測；2）向C2級列車發碼。因此取消軌道電路后，意味著：1）系統中缺少軌道占用檢測設備；2）系統無法兼容C2等級列車。這將對進路控制、站內發車、移動授權、等級轉換、列車完整性、調車作業、故障處理等多種功能產生影響。

這些功能的變化即為C4系統研究的關鍵難點，下面將分別進行分析。

2.1.1進路控制

在C3系統中，進路的控制由聯鎖（CBI）實現。CBI根據軌道電路所檢測的軌道占用狀態作為控制進路的基礎信息，然后將進路的編號、狀態等信息發送給無線閉塞中心（RBC）作為控制列車運行的依據之一。

取消軌道電路后，CBI無法獲取軌道占用狀態，也就無法控制進路。一種可能的替代方式是由RBC將列車的位置、長度等信息發送給CBI，CBI以此為依據判斷軌道狀態并控制進路，但這種方式有如下難點需要克服。

1）RBC所發送的列車位置有一定滯后（C3系統中，列車每6 s發送一次位置報告）；

2）車地無線通信可能發生故障，無法即時傳送列車信息；

3）列車完整性丟失，也會使列車的長度和位置不再準確；

4）RBC-CBI通信故障會導致CBI無法獲取實時列車信息。

上述難點都會對系統功能安全產生影響，如果沒有解決方案，則進路將無法控制。

2.1.2站內發車

在C3系統中，車載ATP斷電重啟后，可以目視行車模式從站內發車，也可以C2等級發車，并在運行過程中呼叫RBC，按照一定的流程轉為C3等級全監控模式運行。但在C4系統中，這卻是一個可能導致安全風險的關鍵難點。

由于不再兼容C2等級，因此列車只能以目視行車模式發車，這會有3種后果。

1）列車在短時間內與RBC順利建立通信會晤，并在經過站內某組距離列車最近應答器后及時向RBC報告自身位置， RBC可以正常控制列車運行；

2）列車未能與RBC建立通信會晤，以目視模式駛出車站進入區間運行；

3）列車與RBC建立通信會晤后，但沒能向RBC報告自身位置（可能由于應答器丟失），以目視模式駛出車站進入區間。

由于取消軌道電路，后2種情況下會帶來巨大的安全風險：存在RBC不知道位置的列車進入區間運行（區間出現了幽靈車），將可能導致列車追尾的嚴重事故。

2.1.3移動授權

在C3系統中，移動授權的終點總是在閉塞分區（或進路）的分界點處，RBC根據閉塞分區的占用狀態確定移動授權是否能包含該閉塞分區，而該占用狀態則是由軌道電路檢測，這樣，即使有C2列車、無線故障列車和隔離列車在軌道上運行，也不會產生安全風險。

但在C4系統中，移動閉塞要求后車以前車的車尾為跟蹤目標，不再使用閉塞分區的概念；此外，由于軌道電路這個基礎不再存在，線路上的全部占用狀態都必須由RBC自身進行維護，這要求RBC必須確知管轄范圍內所有列車的運行狀態，才能正確控車。當出現車地通信故障，或有“幽靈車”進入RBC管轄范圍，存在安全風險。

2.1.4等級轉換在C3系統中，等級轉換主要發生在兩類情形：1）在C3線路與C2線路的邊界設置等級轉換區，以供列車進行等級轉換；

2）在C3線路上，列車因無線丟失轉為C2等級運行，重新呼叫RBC成功后轉為C3等級。

在C4系統中，第2種場景不再允許存在，僅需考慮第1類轉換場景。

由于取消軌道電路，等級轉換同樣存在安全風險或將對運營效率產生影響，下面以C2線路與C4線路邊界的等級轉換進行說明（當C3列車進入C4區域運行，或C4車載設備也包含C2功能時，會有此等級轉換的場景需求）：

1）處于C2等級列車要進入C4區域運行，可能由于未能及時與RBC建立通信會晤并報告位置，成為“幽靈車”進入C4區域，這會導致安全風險；

2）處于C3/C4等級的列車要駛出C4區域，由于無法獲取邊界外的軌道占用狀態，無法以C2等級所允許的速度通過，而需要在邊界停車，才能以目視模式駛出，這會影響運營效率。

2.1.5列車完整性

由于缺少軌道電路的保障，列車完整性一旦被破壞，就會帶來安全風險，因此，C4系統要求由車載系統確認列車的完整性，這是C4系統需要攻克的一個關鍵點。

實時檢測列車完整性的方法已經被提出了不少，例如：1）采用列尾裝置；2）使用列車總線；3）使用衛星定位確定列車長度等方法，但目前尚無SIL4級的通用型解決方案，需要進一步研究。

2.1.6調車作業

在C3系統中，只要列車處于允許調車區域（站內），經RBC授權即可轉入調車模式，而后RBC與調車模式的列車斷開通信，不干涉調車作業，由于軌道電路的保護，不會影響系統安全。

但在C4系統中，列車一旦與RBC斷開通信，RBC將無法獲取其位置等狀態，由于沒有軌道電路保障，將帶來巨大的安全風險。即使不采用C3的方式，在調車過程中繼續保持車地通信，由于調車過程中車的完整性可能產生變化，同樣存在安全風險。

因此，怎樣在C4系統中完成調車作業是一個需要攻克的難點。

2.1.7故障處理

在C4系統中，由于軌道電路的缺位，數種在C3系統中行之有效的故障處理方式都將不再適用，下面將分別進行分析。

1）車地無線通信故障

在C3系統中，由于有C2系統作為后備，當車地無線丟失導致無線超時后，列車將轉為C2等級，在C2系統的控制下繼續運行，這樣的設定可以降低對運營效率的影響，但是軌道電路必不可少。

對于C4系統，由于無法以C2等級在C4區域內運行，所以在無線丟失后只能制動停車。在列車重新與RBC恢復通信之前，列控系統無法正常控車，在此期間，如何保障線路上列車安全的同時盡量降低對效率的影響，需要重新設計。

2）RBC與CBI通信斷開

當RBC與CBI通信斷開，C3系統采用的方式是讓RBC停止與列車通信，主動制造無線丟失場景，使列車轉為C2等級運行，由C2系統保障安全。

而在C4系統中，確保車地通信是重中之重，因此必須重新研究相應的故障處置方案。

3）RBC故障重啟

在C3系統中， RBC重啟并不會對整個運輸造成太過嚴重的影響，但在C4系統中卻會導致最為嚴重的沖擊。

當RBC發生故障導致宕機，它將失去與管轄范圍內所有列車的聯系。重啟完成后，RBC無法確認管轄范圍內列車數量、各列車的狀態，因此無法正常控車。

怎樣讓RBC重啟之后確認管轄范圍內所有列車的狀態信息，以繼續正常控車，是C4系統設計的一個重要關鍵點。

4） 列車完整性丟失

在C3系統中，列車完整性丟失不會造成安全風險，原因在于軌道電路能保障RBC確認軌道占用狀態。

此外，由于C3線路上僅動車組運營，由動車組自身確保完整性，而無需車載ATP進行檢測，而C4系統除高速線路外，也可能用于各類特種鐵路對普通客車、貨車進行控制，這就需要由車載ATP對列車完整性進行實時檢測，并在完整性丟失后采取安全措施。

5） RBC-RBC移交故障

正常情況下，C4系統的RBC移交功能與C3系統相同，但在以下情況下，既有的方式將無法保障安全：

RBC之間因通信斷開或其他故障使得移交被取消，列車的移動授權因此被縮回移交邊界，而列車因距離邊界太近，導致冒進闖入接收RBC管轄范圍，此時列車若已經與接收RBC斷開通信，則會有類似“幽靈車”進入接收RBC管轄范圍的安全風險；

移交列車未能及時與接收RBC建立通信會晤，例如車載雙電臺中一臺故障（含單電臺列車移交），在進入接收RBC管轄范圍后無法及時成功呼叫接收RBC，同樣帶來“幽靈車”風險。

上述兩種安全風險在C3系統中并不存在，但C4系統由于缺少軌道電路，必須考慮應對措施以防范風險。

2.2系統影響分析

2.2.1系統組成影響

C3系統以C2系統為后備，系統組成包括車載和地面兩部分。車載子系統主要包括車載ATP、GSM-R車載通信裝置，地面子系統主要包括RBC、臨時限速服務器（TSRS）、列控中心（TCC）、軌道電路、應答器、地面電子單元（LEU）等，此外還需要CBI、調度集中系統（CTC）與列控系統緊密配合共同保障列車運營。

C4級系統由于規劃不再配置軌道電路，導致系統組成有一定的變化。

1）地面部分

由于軌道電路的取消，不再需要TCC、LEU以及有源應答器，由于采用了移動閉塞技術，區間信號機也不再配置。線路建設中，不再需要建設中繼站。其余如RBC、TSRS、以及CBI、CTC和無源應答器需要保留（也可將部分設備合并，但相應的功能依然存在）。

2）車載部分

除車載ATP保留之外，還需要增加列車完整性自檢測裝置，例如列尾裝置。

2.2.2建設成本影響

由于車載部分的投資成本與線路建設無關，僅考慮地面信號系統部分，以C3級線路投資概算上減去軌道電路、信號機、LEU、TCC、有源應答器等設備考慮（其余RBC、TSRS、CBI等投資暫定于C3相同）。

以當前高鐵線路信號建設投資數據為參考進行估算、對比可發現，減少的部分（包括設備、建筑、安裝費用）可以使每公里建設成本降低約55%。

除建設成本外，相關維護費用同時省下，由此可見C4系統相對于C3線路具有明顯的成本優勢。

2.3兼容性影響分析

C4級系統作為CTCS規劃中的最高等級，應當具備針對較低等級的系統向下兼容能力，然而，由于軌道電路的取消，必然導致C4與C2系統無法兼容。而C4系統與C3系統均采用車地無線通信的方式，具備保持兼容性的基礎。為此，在系統研發過程中，應當預先考慮兼容性設計，主要包括如下兼容性條件。

1）C4系統應當采用與C3系統兼容的車地通信協議；

2）C4等級列車應當能在C3線路上正常行駛（轉為C2等級功能除外）；

3）C3等級列車應當能在C4線路上正常行駛（需額外考慮列車完整性處理）；

4）C3級RBC應當能與C4級RBC正常通信實現移交；

5）若C4管轄區域內有C3等級列車即將通過C4/C2級線路邊界進入C2區域，列車應能正常轉換為C2等級；反之，處于C2等級邊界的C3列車通過C4/C2邊界應能正常轉為C3等級運行。

3　關鍵點解決方向初探

3.1歐洲發展方向

C4級列控系統的規劃實際是參考歐洲的ETCS 3（以下簡稱E3）級系統規劃制定，因此E3的發展可以作為C4系統研究的重要參考。E3系統規劃向下兼容E2，具備移動閉塞、取消軌道占用檢測設備兩大特征，能以更低的成本保障相同甚至更高的運營速度，但在實際發展中，盡管ETCS已經有20余年的發展歷史，E3系統研究依然進展緩慢。

2005年，國際鐵路聯盟（UIC）與瑞典鐵路局（BV）共同啟動一個新項目ERTMS Regional（簡稱ER），由Bombardier公司承接，旨在研發一種兼容于ERTMS/ETCS且適合于地方性的低密度低速線路信號系統改造升級的低成本系統，并為E3研究打下基礎。該系統實質上是E3系統的一個變體，具備E3系統的兩個重要特征，目前該系統已經在瑞典完成一條試驗線路（Repb?cken – Malung線的信號系統升級改造），并向國際推廣，拿下了哈薩克斯坦、贊比亞等多條既有線路的改造升級合同。

按照ER系統的方案[3]，系統在設備之外，增設了一個稱為“控制員（Controller）”的人工角色，用于解決本文上一節所分析的多數問題。所謂的“控制員”在系統中有著最高的權限，一切設備無法處理的問題，均由控制員接手。例如RBC故障重啟后，由控制員對管轄范圍內的列車信息、線路狀態進行確認，經其允許后RBC可以開始控車；車地通信斷開后，由控制員確認該車是否已經離開RBC管轄范圍；列車誤入區間或遇到其他故障，應及時報告控制員并根據其命令操作。

根據參考文獻[3]的描述，幾乎所有因缺少軌道占用檢測裝置帶來的問題，ER系統均可采用人工干預的方式解決。之所以該方式可行，是因為ER系統僅用于特定類型的線路：1）日發車數量少，發車間隔長（通常不小于0.5 h）；2）列車行駛速度低（不高于120 km/h）；3）線路簡單（車站股道少，甚至多為單線鐵路）。Bombardier在瑞典所完成的試驗線路就符合上述特征：每天10列車，最高時速80（貨車）～120 km（客車），是20世紀初修建的單線鐵路。在這類被歐洲稱為Regional型的線路上，當出現設備無法解決的問題后，由人工接手并不會對效率帶來太大影響，而控制員的工作強度也不大，因此該方案可以實施。此外，Bombardier還保留了站內軌道電路，僅取消區間軌道電路，于是進路控制問題也得到了妥善的解決。

3.2C4研究方向

與ER系統主要應用于老舊線路改造相比，C4系統最大不同在于系統的應用目標首先是中國的各種新建線路（高鐵新線和特種線路），由于中國人口密度大、發車間隔短、線路繁忙，因此，純人工解決方案僅適合于一些邊遠地區的特種線路（例如部分人煙稀少的西部地區）。否則，不僅巨大工作強度會將控制員壓垮，還會對運營效率造成嚴重影響。

另一種研究思路則是以Bombardier保留站內軌道電路的做法為啟發，考慮在系統內增加部分額外的設備。當系統發生故障時，這些額外的設備可以保障系統安全、降低對效率的影響，從而減少控制員人工確認的工作量。但是增加的設備勢必會增加成本。

根據上述分析，“增加部分設備+人工確認”是C4標準發展的一個重點可能方向。但是具體增加何種設備、應增加的數量以及保留多少人工處理的部分都需要進一步的深入研究，以期在功能、效率和成本上均取得滿意的效果。

4　總結

列車運行控制系統是保障列車安全運行的基石，我國制定了CTCS系統的5級規劃，并實現了當今在線正式運營最先進的列控系統之一的C3級系統。然而各軌道交通發達的國家仍然在進行持續的研究發展（例如日本的ATACS系統、美國的PTC系統、歐洲的ETCS3系統），為了確保我國已經趕上世界先進水平的列控技術不再次落后，需要盡快對更先進的C4級列控系統進行研究。

本文從C4級系統規劃的兩大新增特征對既有系統帶來的影響入手，對C4級系統的研發所需要解決的關鍵問題及難點進行分析，分別從系統功能及安全的影響方面、系統的組成及成本方面以及向下兼容性方面進行探討，并初步提出一個解決這些問題的可能方向，從而為進一步的研究奠定了基礎。

參考文獻

[1]科技運[2008]34號 客運專線CTCS-3級列控系統總體技術方案[S].

[2] ERTMS/ETCS System Requirement Specification Subset-026 v2.3.0[S].

[3] ERTMS Regional functional requirement specification v3.08[S].

[4]科技運[2008]127號 CTCS-3級列控系統系統需求規范（SRS）[S].

收稿日期：（2015-11-20）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.001