自主化CTCS-3級列控車載設備的主要功能特點

張友兵 王建敏 陳志強 于曉娜

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

由于涉及到知識產權問題，中國高鐵要想“走出去”，必須擁有具有完全自主知識產權的高鐵裝備和技術。為響應自主創新和高鐵“走出去”的國家號召，中國通號于2013年底抽調精兵強將，組建自主化CTCS-3級列控系統創新團隊，開始研發具有完全自主知識產權的CTCS-3級列控系統。

1 自主化列控車載設備簡介

CTCS-3級列車運行控制系統是保障列車安全運行和提高運輸效率的關鍵技術裝備，由地面設備和車載設備組成。地面設備負責根據列車占用情況及進路狀態向所管轄列車發出行車許可和列車控制信息。車載設備負責對列車運行控制信息進行綜合處理，生成目標—距離模式曲線，控制列車按命令運行。

車載設備主要包括車載安全計算機（VC）、車載電臺（MT）、應答器傳輸模塊（BTM）、軌道電路信息讀取器（TCR）、測速測距單元（SDU）、人機交互單元（DMI）及司法記錄單元（JRU）等。車載安全計算機是車載設備的核心處理單元，綜合列車數據、線路描述、行車許可、臨時限速信息生成動態速度監控曲線，并根據速度監控曲線自動監控列車運行，必要時向列車輸出制動命令，確保行車安全。車載電臺是車載設備與地面核心設備無線閉塞中心（RBC）進行消息雙向傳輸的通道，列車以CTCS-3級運行時，通過無線傳輸單元，車載設備將列車的速度、位置、運行狀態等信息傳遞給RBC，RBC將行車許可等控制信息傳遞給車載設備。應答器傳輸模塊通過安裝在車底的應答器天線接收布置在線路上的應答器里包含的線路信息，并將應答器信息報告給車載安全計算機。軌道電路信息讀取器通過TCR天線接收軌道電路信息，并將解調出的軌道電路載頻、低頻及絕緣節信息傳送給車載安全計算機。測速測距單元根據速度傳感器和雷達的測量數據計算出列車的運行速度、走行距離和運行方向，并提供給車載安全計算機。車載安全計算機向DMI實時傳遞列車的位置、速度、等級、模式等信息，DMI以圖形、文字等形式實時顯示列車的各種運行狀態信息。此外，司機操作DMI設備按鍵時，DMI把按鍵信息及時傳遞給車載安全計算機，達到調整列車運行狀態的目的。司法記錄單元類似飛機上的黑匣子，記錄車載設備的運行數據。

下面介紹自主化CTCS-3級（簡稱C3）列控車載設備的系統結構特點、主要軟件功能和新增軟件功能。

2 系統結構特點

2.1 C2/C3主控單元一體化

原有的車載設備，C3主機軟件和CTCS-2級（簡稱C2）主機軟件獨立運行在兩個不同的主控板上，通過總線（Profibus）進行通信。自主化車載設備采用統一的C3/C2主控單元，相對獨立的C3、C2軟件模塊。C3主機軟件和C2主機軟件編譯成一個軟件，運行在一個主控板上，通過虛擬的軟件通道進行通信。

2.2 采用熱備結構

目前，國內外主流的車載設備均采用冷備結構設計，當主系發生故障時，車載設備施加制動，列車停車后，司機手動將車載設備切換至備系，降低了列車運營效率。

原有的車載設備雖然采用冗余結構，但車載主機、BTM和TCR均是單系上電工作。當正在工作的一系發生故障，需停車后由司機進行冷切換。

自主化車載設備突破了全系統/功能無縫切換技術，車載主機、BTM、TCR等設備故障后，均可在不停車情況下自動切換到另一系，提升了系統可靠性，且對運營效率無任何影響。

3 主要優化軟件功能

3.1 人控/機控

車載設備在非完全監控模式下一般采用司機制動優先（人控優先），完全監控模式下一般采用設備制動優先（機控優先）。完全監控模式下，在目標速度監控區，當目標速度為0，允許速度低于40 km/h時，車載設備采用司機制動優先（人控優先）。人控優先時，DMI顯示“人控”。機控優先時，DMI顯示“機控”。

人控優先方式下，列車速度超過最大常用制動速度時，車載設備觸發最大常用制動，當列車速度低于允許速度時，車載設備通過DMI提示司機允許緩解制動，司機確認緩解制動，車載設備緩解最大常用制動。

機控優先方式下，在頂棚速度監控區，列車速度超過最大常用制動速度時，車載設備觸發最大常用制動。當列車速度低于允許速度時，車載設備自動緩解最大常用制動。

機控優先方式下，在目標速度監控區，存在弱常用制動（1級制動）、中等常用制動（4級制動）和最大常用制動（7級制動）三層防護。當列車速度超過弱常用制動速度時，車載設備觸發弱常用制動。列車速度繼續升高，超過中等常用制動速度時，車載設備觸發中等常用制動。列車速度繼續升高，超過最大常用制動速度時，車載設備觸發最大常用制動。施加最大常用制動后，列車速度降低，低于最大常用制動速度時，車載設備觸發中等常用制動。施加中等常用制動后，列車速度繼續降低，低于中等常用制動速度時，車載設備觸發弱常用制動。施加弱常用制動后，列車速度繼續降低，低于弱常用制動速度時，車載設備自動緩解弱常用制動。

人控下施加最大常用制動，在轉入機控后，如果該最大常用制動仍施加著，當列車速度低于允許速度時，車載設備將自動緩解最大常用制動。

機控下施加最大常用制動，在轉入人控后，如果該最大常用制動仍施加著，當列車速度低于允許速度時，車載設備提示司機緩解制動，司機確認后，車載設備緩解最大常用制動。

機控下施加弱常用制動或中等常用制動，當轉入人控時，車載設備應緩解掉機控下施加的弱常用制動或中等常用制動。

3.2 車尾保持

列車轉入完全監控模式時，允許速度提高，如果立即提高列車的實際運行速度，可能會帶來危險。為安全起見，待整列列車全部進入完全監控模式區域時，再提高列車的允許速度。即進入完全監控模式后，將列車允許速度提高的地點推延一個列車長度。

原有的車載設備在從目視模式轉入完全監控模式時，并不具備車尾保持功能，而是通過文本“進入完全監控模式請注意車尾保持”提示司機應注意車尾保持。自主化車載設備新增車尾保持功能，進入完全監控模式時，允許速度的變化點推延了一個列車長度。在進入完全監控模式時，如果線路數據不能覆蓋整個列車，通過文本“進入完全監控模式”提示司機；如果線路數據覆蓋整個列車，不向司機提示文本。

3.3 前方軌道空閑

列車在線路上運行時，RBC向車載設備發送無線消息M34（前方軌道空閑請求），DMI向司機顯示文本“確認前方軌道空閑”，提示司機觀察前方軌道是否空閑。如果司機發現從列車前端到下一個信號機之間空閑，確認文本“確認前方軌道空閑”，車載設備將向RBC發送無線消息M149（前方軌道空閑確認），RBC將向車載設備發送行車許可，車載設備收到行車許可后，將轉入完全監控模式。

文本“確認前方軌道空閑”具有開始位置和結束位置。列車經過開始位置，DMI開始顯示該文本，在到達結束位置之前，司機應及時確認該文本。如果超過結束位置，該文本自動消失，司機將失去確認該文本的機會。

為提高車載設備的自動化程度，自主化車載設備對前方軌道空閑功能進行優化：車載設備從RBC收到無線消息M34（確認前方軌道空閑），如果當前軌道碼是允許碼，車載設備向RBC回復無線消息M149（前方軌道空閑確認），自動確認前方軌道空閑；如果當前軌道碼不是允許碼，車載設備通過DMI向司機顯示文本“確認前方軌道空閑”，要求司機人工確認前方軌道空閑。進入前方軌道空閑確認區，如果地面為紅碼，車載設備不向DMI發送無線消息M34（確認前方軌道空閑）。否則，司機確認文本“確認前方軌道空閑”，車載設備收到行車許可轉入C3完全監控模式，又因地面紅碼觸發冒進防護，轉入冒進模式。

3.4 無線超時降級C2等級

原有的車載設備無線超時后，如果沒有收到新的有效無線消息，車載設備施加最大常用制動，當列車速度降低到C2的允許速度時，車載設備通過DMI顯示需要司機確認的文本“進入CTCS-2級”。司機確認該文本后，車載設備轉入C2等級控車并斷開與RBC的無線連接。如果司機不確認該文本，車載設備將保持C3等級，一直施加最大常用制動直到列車停車。如果發生無線超時，車載設備對列車施加制動，并提示司機確認文本“進入CTCS-2級”，司機未能及時確認該文本，車載設備將一直施加最大常用制動，必然會降低列車的運營效率。

自主化車載設備對此功能進行了優化：無線超時后，如果一直未收到新的有效無線消息，當列車制動10 s或列車速度低于160 km/h后，如果此時列車速度已低于C2級的允許速度，車載設備自動轉入C2等級控車并斷開與RBC的無線連接。

3.5 固定點自動等級轉換

在固定點執行C2 轉C3或C3轉C2的等級轉換，列車越過級間轉換點后，轉入新的等級，并提示司機確認文本提示信息。如果司機在規定時間內不確認該文本，車載設備將一直施加最大常用制動，直到司機確認該文本，影響行車效率。

自主化車載設備優化了該功能：列車越過級間轉換點后，車載設備自動轉入新的等級，并通過DMI向司機顯示不需要確認的文本提示信息，提示司機車載設備已經轉入新的等級。

3.6 無線超時降級C2后主動斷開通信連接

原有的車載設備在無線超時降級C2等級后，不主動斷開無線連接。在鄭西線運行時，車載設備無線超時降級C2等級運行，又與RBC重新建立通信連接，RBC不向車載設備發送斷開通信連接的命令。只有當列車駛出該RBC管轄范圍或車載設備與RBC斷開通信連接后，RBC才會將發生無線超時位置的進路釋放掉。如果列車發生無線超時的位置距離RBC邊界較遠，進路將被保留較長時間，影響RBC給后面的列車及時延伸行車許可，影響列車運營效率。

自主化車載設備優化了該功能：在無線超時降級C2等級后，如果一直未收到RBC斷開無線連接的命令，車載設備向RBC發送三次位置報告后，主動與RBC斷開無線連接。

3.7 固定點C2轉C3時若無線超時保持C2等級運行

原有車載設備從地面設備收到C2轉C3的等級轉換命令后，列車越過級間切換點時，車載設備轉入C3等級控車。如果此時已發生無線超時，車載設備又會因為無線超時降級C2等級運行，影響運營效率。

自主化車載設備優化了該功能：收到地面的C2轉C3等級轉換命令，在列車越過級間切換點時，車載設備判斷此時此刻是否發生無線超時，如果已經發生無線超時，車載設備不執行C2轉C3的級間切換命令，繼續維持C2等級運行。

3.8 后臺工作的C3主控單元對應答器消息一致性錯誤的處理

C2等級控車時，C2主控單元在前臺控車，后臺工作的C3主控單元處于SN模式。C3主控單元檢測到應答器信息一致性錯誤，在后臺輸出最大常用制動。C2等級控車時，應答器信息的一致性檢查由C2主控單元負責，C3主控單元在后臺不使用鏈接信息，當檢測到應答器信息一致性錯誤時，在后臺施加制動，影響C2等級下列車的運營效率。

自主化車載設備優化了該功能：C2等級控車時，C3主控單元在后臺檢測到應答器信息一致性錯誤時，不再輸出制動和告警信息。如果非鏈接應答器出現信息一致性錯誤，車載設備仍輸出最大常用制動。

3.9 C3等級調車轉入冒進后提示司機輸入列車數據

車載設備轉入調車模式，會刪除列車數據。如果車載設備又從調車模式進入冒進模式，司機確認冒進模式，車載設備轉入冒后模式。在冒后模式下，車載設備沒有有效的列車數據，如果司機沒有重新輸入有效的列車數據，那么司機不能選擇目視模式，也不能按壓“啟動”鍵。

自主化車載設備優化了該功能：車載設備從調車模式轉入冒進模式，司機確認冒進模式，車載設備轉入冒后模式。此時，為指導司機進行正確的操作，車載設備將通過DMI顯示文本“請輸入列車數據”，提示司機重新輸入列車數據。

3.10 未建立通信會話時選擇調車后提示“未發送調車請求”

原有的車載設備在C3等級控車時，未與RBC建立無線連接。如果司機選擇調車模式，車載設備提示司機確認文本“確認調車”，司機確認該文本，車載設備將向RBC發送無線消息M130（請求調車），并等待RBC回復無線消息M27（拒絕調車）或M28（允許調車）。由于車載設備未與RBC建立無線連接，無法得到RBC的調車授權，車載設備無法轉入調車模式。當司機發起的調車流程超過規定時間后，車載設備通過DMI顯示文本“調車請求超時”，提示司機車載不能轉入調車模式。

自主化車載設備優化了該功能：在C3等級控車時，未與RBC建立無線連接，司機選擇調車模式，車載主機發現未與RBC建立通信會話，則終止司機觸發的調車流程，并通過DMI顯示文本“未發送調車請求”，提示司機由于未建立通信會話，車載設備不能轉入調車模式。

3.11 無線不可用情況下不執行呼叫命令

原有的車載設備關閉MT電源，車載設備上電，以C3級目視模式發車，列車通過應答器接收到信息包P42（通信會話管理），DMI顯示正在呼叫RBC的圖標。由于MT未上電，車載設備無法與RBC建立連接。

自主化車載設備優化了該功能：在這種情況下，自主化車載設備收到來自地面的呼叫RBC命令時，判斷車載設備未與RBC建立連接，將忽略來自地面的呼叫命令，不去嘗試呼叫RBC。

3.12 提前按壓警惕鍵重新開始計算走行距離和時間

原有的車載設備在C3級目視模式下，如果走行超過200 m或50 s，車載設備輸出一次“目視警惕”語音，并向司機顯示需要確認的文本“警惕確認”。司機確認該文本后，走行距離和時間從0開始重新計算。車載設備未顯示文本“警惕確認”，“警惕”鍵始終無效，即使司機提前按壓“警惕”鍵，走行距離和時間也不會從0開始重新計算。

自主化車載設備優化了該功能：C3等級目視模式下，列車走行尚未超過200 m或50 s，車載設備未顯示文本“警惕確認”，如果司機提前按壓“警惕”鍵，走行距離和時間將從0開始重新計算。

3.13 公里標信息

原有的車載設備，無論是C2等級控車，還是C3等級控車，均使用C2主控單元的公里標信息。如果C2主控單元故障，DMI將無法顯示公里標信息。

自主化車載設備優化了該功能：C3等級控車時， DMI顯示C3主控單元送來的公里標信息；C2等級控車時，DMI顯示C2主控單元送來的公里標信息。

3.14 車載主動結束通信會話的處理邏輯

原有的車載設備向RBC發送無線消息M156（通信會話結束），當接收到無線消息M39（通信會話結束確認）時，車載設備認為通信會話已經終止，并請求釋放與RBC的安全連接。

自主化車載設備優化了該功能：車載設備發送完消息M156后，若收到RBC回復的消息M39，車載設備斷開與RBC的安全連接。若車載設備未收到消息M39，則重復發送兩次消息M156后，在此期間一直未收到消息M39，車載設備斷開與RBC的安全連接。

3.15 無線超時后重新呼叫RBC的處理邏輯

原有的車載設備無線超時后，嘗試重新建立三次安全連接。若超過三次均未成功建立安全連接，車載設備將停止嘗試，并結束通信會話。

自主化車載設備優化了該功能：車載設備無線超時后，在90 s內不斷嘗試建立新的安全連接。若超過90 s仍未建立安全連接，車載設備將停止嘗試，并結束通信會話。

4 主要新增軟件功能

4.1 C3行車許可融合軌道電路信息

在自主化車載設備的完全監控模式下，C3主控單元根據閉塞分區平均長度、軌道電路信息所定義的空閑閉塞分區數量及控制余量，計算軌道電路信息許可，并根據列車當前位置確定軌道電路信息許可終點。如果C3級的行車許可終點位置（EOA）大于軌道電路信息許可終點，并持續5 s，則自主化車載設備將行車許可終點位置（EOA）縮短至軌道電路信息許可終點處，并通過DMI播放提示語音“注意運行”，向RBC發送無線消息M132（行車許可請求）。但是，當C2模塊故障時，自主化車載設備將停用C3級行車許可與軌道電路信息相結合的防護功能[1]。

4.2 JRU校時

原有車載設備各主要模塊分別使用自己的系統時鐘，未進行時鐘同步，當運行一段時間后，各模塊的系統時間會存在一些偏差，且在進行時間校正時，需要對各個模塊進行手動修改。由于各模塊使用自己的系統時鐘，當不同模塊的系統時間出現偏差后，影響問題分析，且手動修改各模塊的系統時間，不方便設備的維護。

自主化車載設備使用JRU給車載設備的各個主要模塊進行校時，保證各模塊的系統時間保持同步，便于問題分析和設備維護。

5 總結

自主化C3級列車運行控制系統具有完全自主知識產權。2016年7月到8月，自主化C3列控系統在大西客專試驗段開展現場試驗。2017年4月，自主化車載設備獲得歐盟TSI認證證書，成為我國首個獲得歐洲權威測試機構認可并通過歐盟TSI認證的列控車載產品。自主化車載設備不但符合中國高鐵標準，而且設備功能滿足歐洲ETCS 1級和ETCS 2級列控系統需求，產品設計和生產滿足歐盟TSI要求，獲得了走向海外的“通行證”，為中國高鐵“走出去”奠定堅實的技術基礎，推動“中國智造”走向世界。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2012]211號CTCS-3級列控車載設備技術規范（暫行）[S].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]國家鐵路局.CTCS-3級列車運行控制系統系統需求規范[S].北京：中國鐵道出版社，2016.

[3]中國鐵路總公司.鐵總運[2014]327號 CTCS-3級列控車載設備補充技術規范（暫行）[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[4]張友兵，劉嶺，崔俊鋒，牛道恒.ETCS DMI與CTCS DMI的對比分析[J].鐵路通信信號工程技術, 2017，14 (2) :9-13.

[5]潘圣浩.兼容多個CTCS等級運行功能要求的列控車載設備實現方案的探討[J].鐵路通信信號工程技術, 2017，14 (1) :5-8.

[6]章慧，張勇.CTCS3級列控系統車載設備測試方法研究[J].鐵路計算機應用，2008，17（4）：23-27.

[7]李偉,王海峰.CTCS-3級列控系統車載設備測試序列的優化[J].北京交通大學學報，2010，34（2）：75-78.

[8]黃衛中，季學勝，劉嶺，等.CTCS-3級列控車載設備高速適應性關鍵技術[J].中國鐵道科學,2010，31（3）：87-92.