列车完整性让ETCS-3级列控系统成为可能

虽然ETCS-1级和ETCS-2级列控系统的项目正在整个欧洲，乃至全世界实施，但是许多铁路基础设施管理公司仍然认为，ETCS-3级列控系统才是互联互通列控系统的最终解决方案。

应用ETCS-3级列控系统，能够进一步减少地面信号设备。列车能够自行确定自身位置和完整性，并且发送自身位置和完整性信息，因此传统的列车检测系统，比如轨道电路和计轴器，将会变得过时。铁路基础设施管理公司可以摆脱这些当下需要进行大量维护工作、导致多达50％信号系统干扰和故障的地面列车检测系统。

现今依靠轨道电路进行断轨检查的铁路基础设施管理公司，将需要采用新的程序和设备进行轨道状况监测。

取消地面列车检测系统之后，更多的铁路安全运营责任将会从铁路基础设施管理公司转移到铁路运输公司。铁路运输公司必须通过安全的车载技术设备和安全的运行流程，在整个列车运行过程中确保列车完整性。任何一辆脱钩或者丢失的车辆都将会成为轨道上探测不到的障碍物，威胁其他列车的运行安全。与地面列车检测系统一样，车载列车完整性检测系统也需要达到最高的安全完善度等级（SIL）。在高速铁路和列车运行间隔较短的线路上，这些系统需要在检测列车完整性缺失或者系统故障方面具有较高的性能，必须在几秒钟内将上述检测结果发送给地面控制中心。

现在信号工程师从事的专业领域，只有很少几个能够注意到的有关列车完整性的活动。整个行业的焦点都放在欧洲列车控制系统系统需求规范3.0.0（ETCS SRS 3.0.0）的定稿上。上述规范应关闭现行各个版本中的重要开口项，包括协调制动曲线的计算、平交道口的处理等问题。泛欧铁路网络（TEN）各条走廊都需要这些功能。事实上，整个欧洲范围的铁路网络都正在装备ETCS-1级和ETCS-2级列控系统。

现在正在通过国际铁路联盟的欧洲铁路运输管理系统区域（ERTMS Regional）项目和在一条瑞典铁路上开展的试点项目，推动ETCS-3级列控系统发展。然而，ERTMS Regional并没有解决车载列车完整性监测系统这个问题。上述试点项目依赖既有地面列车检测设备和运行流程，即依赖人工检查列车完整性，对于运输量低的地区性线路而言，人们认为这种方式足以满足需要。

2000年10月，原来的欧洲经济利益集团（EEIG）ERTMS用户集团下属的列车完整性监测系统工作组（TIMS WG）完成列车完整性监测系统功能需求规范（FRS）的制定工作。关注一下这个领域专利申请情况可以发现，1999年至2001年，申请达到高峰，但是近几年，只有少量申请。

列车完整性的技术解决方案，在很大程度上取决于列车是否拥有一套完整的电气设备，或者空气制动管是否是车辆之间除机械连接以外的唯一连接。

现代的客运列车装备总线系统，用于牵引和车辆控制功能；传统的干线列车则使用UIC电缆，具有可以用于建设列车总线系统的芯线。在这些列车上，可以通过合理的工程设计应用TIMS系统，主要的挑战在于，较之非安全的列车控制功能，上述功能的安全性要求很高。一些国家的客运和货运列车，都装备自动车钩或者电空制动系统。这些系统的电气设备同样可以成为TIMS系统的骨干。

列车完整性监测的最大困难在于，货运列车没有沿着车身安装电气设备。这一问题是上述领域大多数专利申请关注的焦点。分析这些专利可以发现，各种解决方案可分为三大类。

1） 基于列尾装置的系统

通过卫星定位系统监测列车首端和尾端位置。通过无线通信将列尾装置的位置发送给安装在首辆车辆上的评价单元。由于卫星信号在建筑物、特殊地形和隧道引起的遮蔽区域内形成不连续覆盖，基于卫星的系统需要另外一套不同的系统作为补充。

在列车首段和尾端上安装无线装置，评估首辆车辆的信号传输时间。

检测最后一辆车辆的空气制动管压力减小幅度，将状态信息通过无线通信传输给首辆车辆的评价单元。

列尾装置将声波发送到空气制动管内，在首辆车厢上进行评价。

2） 无需列尾装置的系统

将超声波信号发送到首辆车辆车轮所在钢轨内，通过评价后续车辆车轮产生的反射，确定车轮的间距和数量。

监测首辆车辆空气制动管的几个参数，比如压力或者气流量。

系统向首辆车辆的制动气管内发送音频信号，评价信号的反射。

3） 基于车载设备和地面设备的系统

将列车首端和末端信号传输给地面设备，然后回传给车载设备。

比较车载设备已知的车轴数量与地面设备统计的车轴数量。

如今，基于列尾设备和GPS系统的产品已经进入市场，并且已经作为主要在没有安装地面设备的“黑暗”区域内的货运铁路的车载信号系统的一部分投入使用。

由于当车辆脱钩时，空气制动管的压力降低存在延迟，气动制动系统的监测系统可能无法满足列车运行间隔较短的欧洲干线铁路的性能需求。

除了卫星覆盖和空气制动管性能这两个实际约束引发的上述系统的技术局限以外，需要安装列尾装置是另外一个影响列车运行的难题。需要建立各种流程，并且投入人力确保，所有编组完毕列车的末端车辆都安装合适的列尾装置。上述列车运行局限不能满足高性能铁路的物流要求。

从列车运行的角度而言，不依靠列尾装置的系统更加具有吸引力。然而，这些系统不得不面对更加难以解决的实际约束。几乎不可能在本务机车上，在较短的延迟内，准确监测列车某个位置的制动管漏气。德国铁路股份公司进行的试验已经表明，发送到空气制动管内的声波频率越高，反射和衰耗就越明显。适用的频率在10～20 Hz之间。然而，在这个频率区间内，列车运行，特别是当实施制动时发出的噪声，将会产生出严重的干扰。

从经济效益来说，需要使用地面设备的解决方案吸引力较小，因为这种解决方案需要与当下正在使用的轨道电路和计轴器相似的投资和维护。

铁路运输公司负责列车完整性这个问题，还需要从政治和经济上来看。一部分信号系统的生命周期成本从基础设施管理公司转移到铁路运输公司。虽然大部分铁路的地面设备受到政府部门补贴，越来越多的私营铁路运输公司进入客运及货运领域。这些私营铁路运输公司不得不在没有补贴的情况下与公路运输和航空运输公司竞争。任何成本增加都会进一步降低这些企业的竞争力。在TEN网络的自由进入规则的背景下，某一地区应用ETCS-3级列控系统，可能会对众多在TEN走廊上运营列车的铁路运输公司造成很大的经济影响。因为，这些公司不得不将列车升级，使用ETCS-3级列控系统。

让ETCS-3级列控系统成为可能，不仅取决于找到车载列车完整性监测的适当解决方案，还需要从经济和政治角度来看。在没有电气设备的列车上提供实用、可靠、安全的列车完整性监测系统似乎非常困难。因此，现在暂且可以将ETCS-3级列控系统的应用，限制在客运专线或者装备列车总线系统、支持列车完整性监测的货运列车运行的铁路走廊。

（北京全路通信信号研究设计院有限公司翻译室 杨硕译自国际铁路信号工程师协会（IRSE））

来源：http://www.irse.org/knowledge/publicdocuments/20