铁路现代化技术系统整理（五）之CTCS

 

    五、中国列车运行控制系统（CTCS）

 

　　CTCS(ChineseTrain Control System)中国列车运行控制系统

　　CTCS系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。

　　地面子系统可由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络（GSM-R）、列车控制中心（TCT）/无线闭塞中心（RBC）。其中GSM-R不属于CTCS设备，但是重要组成部分。

　　应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。

　　轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能，应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。

　　无线通信网络（GSM-R）是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。

　　列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。

　　车载子系统可由以下部分组成：CTCS车载设备、无线系统车载模块。

　　CTCS车载设备是基于安全计算机的控制系统，通过与地面子系统交换信息来控制列车运行。

　　无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。

 

    CTCS应用等级

　　CTCS根据功能要求和设配置划分应用等级分，分为0~4级。

　　CTCS应用等级0(以下简称L0)：由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。

　　CTCS应用等级1(以下简称L1)：由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。

　　CTCS应用等级2(以下简称L2)：是基于轨道传输信息并采用车-地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行指-联锁-列控一体化、区间-车站一体化、通信-信号一体化和机电一体化。

　　CTCS应用等级3(以下简称L3)：是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。点式设备主要传送定位信息。

　　CTCS应用等级4(以下简称L4)：是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取消轨道电路，由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查，实现虚拟闭塞或移动闭塞。

　　同条线路上可以实现多种应用级别，L2、L3和L4可向下兼容。

 

　　CTCS 0级

   CTCS—0 级为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成。

　　为了规范的一致性，将目前干线铁路应用的地面信号设备和车载设备定义为0级。0级由通用机车信号+列车运行监控装置组成，对这一定义，业内尚有不同的看法。0级到底是在等级内还是在等级外不够明确，目前的通用机车信号尚未能成为主体机车信号，列车运行监控装置尚未能被公认为安全系统，所以称列车运行控制系统还是不够格的，但目前确实在运用，并起着保证安全的作用。

　　0级的控制模式也是目标距离式，它在既有地面信号设备的基础上，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。如能在每个进出站口增加点式设备，加强核对地址，就能大大减少逻辑推断地址产生错误的可能性。

　　日本的数字列车运行控制系统I-ATC就是采取车载信号设备贮存电子电图，通过每一轨道区段的地址编码来调取所需的线路数据，这种方式可以使地-车信息传输的信息的需求量减少。在欧洲列车控制系统ETCS规范中也不排斥车载信号设备贮存线路数据的方式。

　　正因为0级尚未成为安全系统，适用于列车最高运行速度为160km/h及以下，一般自动闭塞设计仍按固定闭塞方式进行，采用四显示自动闭塞，信号显示具有分级速度控制的概念，其目标距离式制动曲线可作为参考。应该说这是一个过渡阶段。

 

　　CTCS 1级

　　CTCS 1级由主体机车信号+加强型运行监控装置组成，面向160km/h及以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。利用轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息。

　　1级的控制模式为目标距离式，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。在车站附近增加点式信息设备，传输定位信息，以减少逻辑推断地址产生错误的可能性。

　　1级与0级的差别在于全面提高了系统的安全性，是对0级的全面加强，可称为线路数据全部贮存在车载设备上的列车运行控制系统。

 

　　CTCS 2级

　　CTCS 2级是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控 制系统，面向提速干线和高速新线，适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机。是一种点-连式列车运行控制系统，功能比较齐全和适合国情。地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

　　轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息；点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速成和停车信息。

　　CTCS 2级采取目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）。目标距离控制模式根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线，不设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动方式。

　　CTCS 2级 采取闭塞方式称为准移动闭塞方式，准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用闭塞分区的始端，留有一定的安全距离，而后行列车从最高速开始一次制动曲线的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点相对固定，在同一闭塞分区内不依前行列车的走行而变化，而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的，由于要与移动闭塞相区别，所以称为准移动闭塞。显然其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。

 

　　CTCS 3级

　　CTCS 3级是基于无线通信（如GSM-R）的列车运行控制系统， 它可以叠加在既有干线信号系统上。可以使用卫星定位系统。CTCS—3 级是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统；CTCS—3 级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞，CTCS—3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

　　轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。无线通信系统实现地-车间连续、双向的信息传输，行车许可由地面列控中心产生，通过无线通信系统传送到车上。

　　CTCS 3级与2级一样，采取目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）和准移动闭塞方式。由于其实现了地-车间连续、双向的信息传输，所以功能更丰富些，实时性更强些。CTCS-3级的优势体现在以下几个方面：

   （1）CTCS-3级的车地通信采用无线方式，而且能够实现车和地之间的双向通信。相比较CTCS-2级来说，可以传输的消息量变的非常大，而且CTCS-2级为单向信息传输；

   （2）CTCS-3级列控系统可以实现3分钟的时间间隔，而CTCS-2级的时间间隔一般在5分钟以上，因此，CTCS-3级使效率提高了；

   （3）由于采用了无线传输方式，使得地面设备的数量大大减少，因此，信号设备的投资成本可以降低。

   （4）由于CTCS-3级采用无线通信技术，因此，列车的速度可以达到很高而能够保证安全。CTCS-2级目前的最高允许速度为300km/h，而ctcs-3级的最高允许速度可以达到350km/h及以上，目前实现过的最高速度为实验线时达到过400km/h以上。

 

 

 

　　CTCS 4级

　　CTCS 4级是完全基于无线通信（如GSM-R）的列车运行控制系统。由地面无线闭塞中心（RBC）和车载设备完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。

　　CTCS 4级采取目标距离控制模式，列车按移动闭塞或虚拟闭塞方式运行。

　　虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式，它不设轨道占用检查设备，采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能，闭塞分区是以计算机技术虚拟设定的。

　　移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部，留有一定的安全距离，后行列车从最高速开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点是前行列车的尾部，与前行列车的走行和速度有关，是随时变化的，而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的，所以称为移动闭塞。其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。

 

    CTCS工作模式

　　完全监控模式：车载设备正常获取列车数据、线路数据、移动授权的情况下，由车载设备自动应用的控车模式。此时车载设备监控动态速度曲线，通过人机界面（DMI）显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等信息，监控列车安全运行。

　　调车模式：调车作业时使用的模式，列控车载设备按固定限制速度40km/h监控列车前进或折返运行。CTCS-3和ETCS-2等级下需要RBC（无线闭塞中心）给出授权，车载设备监控调车限速，也可同时监控调车区域。

　　休眠模式：非本务端（驾驶室没有激活）使用的模式。在这种模式下，车载设备不执行列车移动监控功能，执行列车位置功能、无线会话管理功能。

　　待机模式：车载设备上电并完成自检后自动进入的模式。此时车载设备禁止列车移动。　　隔离模式：当列控车载设备停用时，司机停车并操作隔离开关隔离车载设备。在该模式下，车载设备不具备安全监控功能。

　　部分监控模式（PS）：该模式仅用于CTCS-2级列车运行控制系统。在CTCS-2级中，当车载设备接收到轨道电路允许行车的信息，而缺少应答器提供的线路数据时，列控车载设备产生一定范围内的固定限制速度，监控列车运行。

　　机车信号模式（CS）：该模式同样仅用于CTCS-2级列车运行控制系统。当列车运行到地面设备未装备CTCS-3/CTCS-2级列控系统的区段时，根据行车管理办法（含调度命令），经司机操作后，列控车载设备按固定限制速度80km/h监控列车运行，并显示机车信号。 　　引导模式（CO）：当引导信号机或出站信号机开放且列车前端距离出站信号机较远发车时，车载设备按照固定限速40km/h监控列车运行，由司机负责检查轨道占用情况.

 

　　等级对照

　　分析CTCS的应用等级划分，发现有以下两个特点：

　　① 各应用等级均采用目标距离控制模式，采取连续一次制动方式。

　　这是由于我国的列控系统的应用起步晚，起点高，因此一步就瞄准了比较先进的控制模式。在我国阶梯式和曲线式分级速度控制都用过，取得了经验，好在并未形成规模，CTCS推荐采用目标距离控制模式是适宜的，符合国际列控系统的发展趋势。由于列控系统的控制模式是其主要特征和性能之一，控制模式决定了闭塞方式和列车运行间隔，从而决定了运输能力，所以说除移动闭塞外，各应用等级的主要功能几乎是一样的。

　　② 各应用等级是根据设备配置来划分的，其主要差别在于地对车信息传输的方式和线路数据的来源。

　　基于国情多信息轨道电路（UM系列18信息）比较成熟，达到国产化程度，所以以它为基础设备之一；欧标应答器通用性强，供货厂商多，也作为基础设备之一；轨道电缆和计轴器不准备推广；数字轨道电路国际上唯有日本用它实现了目标距离控制模式，国内研制尚未成熟，暂不于确定，数字轨道电路的生命力将取决于其国产化程度和进度；无线通信（如GSM-R）欧洲推广，能实现地-车间连续、双向的大信息量传输，有发展趋势，用于高等级列控系统。

　　线路数据大贮存于车载数据库靠逻辑推算来提取相应数据的方式，用于较低等级列控系统；点式信息设备传输线路数据的方式，增加了线路数据的实时性，用于中等级列控系统，至于采用贮存电子地图和点式信息设备提供闭塞区段地址码的方式将在技术发展中比选；无线通信连续、双向信息传输，有大信息量和实时性的优势，用于高等级列控系统。