CTCS-4级列车控制系统研发关键点分析

李启翮

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073；2．北京市高速铁路轨道交通运行控制系统工程技术研究中心，北京 100073)



CTCS-4级列车控制系统研发关键点分析

李启翮1，2

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073；
2．北京市高速铁路轨道交通运行控制系统工程技术研究中心，北京 100073)

摘要：CTCS-4级列控系统是中国列车运行控制系统（CTCS）规划中的最高一级，目前尚处于理论研究阶段。针对该系统特点进行分析，归纳总结研发该系统所存在的关键问题及难点，为进一步的系统研发奠定基础。

关键词：中国列车控制系统CTCS-4级；移动闭塞；列车完整性；轨道占用检测

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

列车运行控制系统是高速铁路三大关键技术之一，它根据列车在铁路线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式等进行监控，是保障列车安全运行的关键系统。

我国铁路所规划的列控系统体系称为CTCS （China Train Control System），是参考欧洲列控系统ETCS并结合我国铁路实际所制定的，共分为0～4共5个等级。

1）CTCS-0级列控系统由通用机车信号和运行监控记录装置构成，为既有线现状；

2）CTCS-1级列控系统由主体机车信号和安全型运行监控记录装置组成；

3）CTCS-2级列控系统基于应答器和轨道电路信息传输，凭车载信号行车，已应用于200～250 km/h线路；

4）CTCS-3级列控系统，基于无线信息传输，凭车载信号行车，用于300～350 km/h线路；

5）CTCS-4级列控系统基于无线通信传输平台，取消轨道电路，实现虚拟闭塞或移动闭塞，适用于速度350 km/h以上的线路或特种铁路，目前尚处于研究阶段。

由上述等级说明可以看出，CTCS-2/3系统运用于高速铁路，而CTCS-4（以下简称C4）系统不仅面向高速铁路，也可能用于其他如西部铁路、支线铁路等一些特殊线路，应用范围更广。

目前，CTCS-3（简称C3）系统是我国最先进的列控系统，其标准实际是以欧洲ETCS2（简称E2）系统为基础，并以CTCS-2（简称C2）系统为后备制定而成的，该等级与欧洲的E2并列为当今世界上已经广泛成熟应用的最先进的列控系统。

尽管C3系统已有大量成熟应用，但在实际运营中也暴露出一定的缺点：1）采用了准移动闭塞制式，对于进一步提高列车运行速度，缩短追踪间隔有一定限制；2）地面设备众多，尤其是需要沿线铺设轨道电路，建设运营维护成本较高。

而C4系统规划中的两大新特征（移动闭塞、取消轨道电路）正好可以解决上述缺点，并可以向下兼容C3，具有比C3系统更多的优越性，是未来发展的方向，但目前尚处于理论研究阶段，无实质性的进展，原因之一在于实际研发中尚有一些关键难点需要攻克。本文从C4系统与C3系统的区别入手，分析因系统差异导致的研发关键问题及困难点所在，为进一步的标准制定和系统研发奠定基础。

2　系统分析

根据规划，C4系统与C3系统均采用车地无线通信的方式，其改进之处在于：1）地面取消轨道电路；2）采用移动闭塞或虚拟闭塞（实际上移动闭塞是广义虚拟闭塞的一种，狭义的虚拟闭塞通常指虚拟固定闭塞或虚拟准移动闭塞，移动闭塞是相对于狭义虚拟闭塞更先进的方式，本文后续将集中于移动闭塞，忽略虚拟闭塞）。

与C3相比，C4的主要不同在于上述2点，但这二者（尤其是第1点）将对整个系统的运行带来较大的改变。

2.1功能及安全影响分析

相对于C3采用的准移动闭塞制式，C4采用了更新式的移动闭塞，能够进一步缩短列车追踪间隔。实际中，移动闭塞并非全新的技术，该闭塞方式已经在城轨CBTC系统中被广泛采用，多数列控厂商均具备该技术，因此移动闭塞虽然是C4的关键特征之一，却并非系统研发中所需攻克的难点。

与移动闭塞的引入相比，轨道电路的取消给系统带来更大冲击。在C3系统中，轨道电路担负着重要的职责，主要包括：1）轨道占用检测；2）向C2级列车发码。因此取消轨道电路后，意味着：1）系统中缺少轨道占用检测设备；2）系统无法兼容C2等级列车。这将对进路控制、站内发车、移动授权、等级转换、列车完整性、调车作业、故障处理等多种功能产生影响。

这些功能的变化即为C4系统研究的关键难点，下面将分别进行分析。

2.1.1进路控制

在C3系统中，进路的控制由联锁（CBI）实现。CBI根据轨道电路所检测的轨道占用状态作为控制进路的基础信息，然后将进路的编号、状态等信息发送给无线闭塞中心（RBC）作为控制列车运行的依据之一。

取消轨道电路后，CBI无法获取轨道占用状态，也就无法控制进路。一种可能的替代方式是由RBC将列车的位置、长度等信息发送给CBI，CBI以此为依据判断轨道状态并控制进路，但这种方式有如下难点需要克服。

1）RBC所发送的列车位置有一定滞后（C3系统中，列车每6 s发送一次位置报告）；

2）车地无线通信可能发生故障，无法即时传送列车信息；

3）列车完整性丢失，也会使列车的长度和位置不再准确；

4）RBC-CBI通信故障会导致CBI无法获取实时列车信息。

上述难点都会对系统功能安全产生影响，如果没有解决方案，则进路将无法控制。

2.1.2站内发车

在C3系统中，车载ATP断电重启后，可以目视行车模式从站内发车，也可以C2等级发车，并在运行过程中呼叫RBC，按照一定的流程转为C3等级全监控模式运行。但在C4系统中，这却是一个可能导致安全风险的关键难点。

由于不再兼容C2等级，因此列车只能以目视行车模式发车，这会有3种后果。

1）列车在短时间内与RBC顺利建立通信会晤，并在经过站内某组距离列车最近应答器后及时向RBC报告自身位置， RBC可以正常控制列车运行；

2）列车未能与RBC建立通信会晤，以目视模式驶出车站进入区间运行；

3）列车与RBC建立通信会晤后，但没能向RBC报告自身位置（可能由于应答器丢失），以目视模式驶出车站进入区间。

由于取消轨道电路，后2种情况下会带来巨大的安全风险：存在RBC不知道位置的列车进入区间运行（区间出现了幽灵车），将可能导致列车追尾的严重事故。

2.1.3移动授权

在C3系统中，移动授权的终点总是在闭塞分区（或进路）的分界点处，RBC根据闭塞分区的占用状态确定移动授权是否能包含该闭塞分区，而该占用状态则是由轨道电路检测，这样，即使有C2列车、无线故障列车和隔离列车在轨道上运行，也不会产生安全风险。

但在C4系统中，移动闭塞要求后车以前车的车尾为跟踪目标，不再使用闭塞分区的概念；此外，由于轨道电路这个基础不再存在，线路上的全部占用状态都必须由RBC自身进行维护，这要求RBC必须确知管辖范围内所有列车的运行状态，才能正确控车。当出现车地通信故障，或有“幽灵车”进入RBC管辖范围，存在安全风险。

2.1.4等级转换在C3系统中，等级转换主要发生在两类情形：1）在C3线路与C2线路的边界设置等级转换区，以供列车进行等级转换；

2）在C3线路上，列车因无线丢失转为C2等级运行，重新呼叫RBC成功后转为C3等级。

在C4系统中，第2种场景不再允许存在，仅需考虑第1类转换场景。

由于取消轨道电路，等级转换同样存在安全风险或将对运营效率产生影响，下面以C2线路与C4线路边界的等级转换进行说明（当C3列车进入C4区域运行，或C4车载设备也包含C2功能时，会有此等级转换的场景需求）：

1）处于C2等级列车要进入C4区域运行，可能由于未能及时与RBC建立通信会晤并报告位置，成为“幽灵车”进入C4区域，这会导致安全风险；

2）处于C3/C4等级的列车要驶出C4区域，由于无法获取边界外的轨道占用状态，无法以C2等级所允许的速度通过，而需要在边界停车，才能以目视模式驶出，这会影响运营效率。

2.1.5列车完整性

由于缺少轨道电路的保障，列车完整性一旦被破坏，就会带来安全风险，因此，C4系统要求由车载系统确认列车的完整性，这是C4系统需要攻克的一个关键点。

实时检测列车完整性的方法已经被提出了不少，例如：1）采用列尾装置；2）使用列车总线；3）使用卫星定位确定列车长度等方法，但目前尚无SIL4级的通用型解决方案，需要进一步研究。

2.1.6调车作业

在C3系统中，只要列车处于允许调车区域（站内），经RBC授权即可转入调车模式，而后RBC与调车模式的列车断开通信，不干涉调车作业，由于轨道电路的保护，不会影响系统安全。

但在C4系统中，列车一旦与RBC断开通信，RBC将无法获取其位置等状态，由于没有轨道电路保障，将带来巨大的安全风险。即使不采用C3的方式，在调车过程中继续保持车地通信，由于调车过程中车的完整性可能产生变化，同样存在安全风险。

因此，怎样在C4系统中完成调车作业是一个需要攻克的难点。

2.1.7故障处理

在C4系统中，由于轨道电路的缺位，数种在C3系统中行之有效的故障处理方式都将不再适用，下面将分别进行分析。

1）车地无线通信故障

在C3系统中，由于有C2系统作为后备，当车地无线丢失导致无线超时后，列车将转为C2等级，在C2系统的控制下继续运行，这样的设定可以降低对运营效率的影响，但是轨道电路必不可少。

对于C4系统，由于无法以C2等级在C4区域内运行，所以在无线丢失后只能制动停车。在列车重新与RBC恢复通信之前，列控系统无法正常控车，在此期间，如何保障线路上列车安全的同时尽量降低对效率的影响，需要重新设计。

2）RBC与CBI通信断开

当RBC与CBI通信断开，C3系统采用的方式是让RBC停止与列车通信，主动制造无线丢失场景，使列车转为C2等级运行，由C2系统保障安全。

而在C4系统中，确保车地通信是重中之重，因此必须重新研究相应的故障处置方案。

3）RBC故障重启

在C3系统中， RBC重启并不会对整个运输造成太过严重的影响，但在C4系统中却会导致最为严重的冲击。

当RBC发生故障导致宕机，它将失去与管辖范围内所有列车的联系。重启完成后，RBC无法确认管辖范围内列车数量、各列车的状态，因此无法正常控车。

怎样让RBC重启之后确认管辖范围内所有列车的状态信息，以继续正常控车，是C4系统设计的一个重要关键点。

4） 列车完整性丢失

在C3系统中，列车完整性丢失不会造成安全风险，原因在于轨道电路能保障RBC确认轨道占用状态。

此外，由于C3线路上仅动车组运营，由动车组自身确保完整性，而无需车载ATP进行检测，而C4系统除高速线路外，也可能用于各类特种铁路对普通客车、货车进行控制，这就需要由车载ATP对列车完整性进行实时检测，并在完整性丢失后采取安全措施。

5） RBC-RBC移交故障

正常情况下，C4系统的RBC移交功能与C3系统相同，但在以下情况下，既有的方式将无法保障安全：

RBC之间因通信断开或其他故障使得移交被取消，列车的移动授权因此被缩回移交边界，而列车因距离边界太近，导致冒进闯入接收RBC管辖范围，此时列车若已经与接收RBC断开通信，则会有类似“幽灵车”进入接收RBC管辖范围的安全风险；

移交列车未能及时与接收RBC建立通信会晤，例如车载双电台中一台故障（含单电台列车移交），在进入接收RBC管辖范围后无法及时成功呼叫接收RBC，同样带来“幽灵车”风险。

上述两种安全风险在C3系统中并不存在，但C4系统由于缺少轨道电路，必须考虑应对措施以防范风险。

2.2系统影响分析

2.2.1系统组成影响

C3系统以C2系统为后备，系统组成包括车载和地面两部分。车载子系统主要包括车载ATP、GSM-R车载通信装置，地面子系统主要包括RBC、临时限速服务器（TSRS）、列控中心（TCC）、轨道电路、应答器、地面电子单元（LEU）等，此外还需要CBI、调度集中系统（CTC）与列控系统紧密配合共同保障列车运营。

C4级系统由于规划不再配置轨道电路，导致系统组成有一定的变化。

1）地面部分

由于轨道电路的取消，不再需要TCC、LEU以及有源应答器，由于采用了移动闭塞技术，区间信号机也不再配置。线路建设中，不再需要建设中继站。其余如RBC、TSRS、以及CBI、CTC和无源应答器需要保留（也可将部分设备合并，但相应的功能依然存在）。

2）车载部分

除车载ATP保留之外，还需要增加列车完整性自检测装置，例如列尾装置。

2.2.2建设成本影响

由于车载部分的投资成本与线路建设无关，仅考虑地面信号系统部分，以C3级线路投资概算上减去轨道电路、信号机、LEU、TCC、有源应答器等设备考虑（其余RBC、TSRS、CBI等投资暂定于C3相同）。

以当前高铁线路信号建设投资数据为参考进行估算、对比可发现，减少的部分（包括设备、建筑、安装费用）可以使每公里建设成本降低约55%。

除建设成本外，相关维护费用同时省下，由此可见C4系统相对于C3线路具有明显的成本优势。

2.3兼容性影响分析

C4级系统作为CTCS规划中的最高等级，应当具备针对较低等级的系统向下兼容能力，然而，由于轨道电路的取消，必然导致C4与C2系统无法兼容。而C4系统与C3系统均采用车地无线通信的方式，具备保持兼容性的基础。为此，在系统研发过程中，应当预先考虑兼容性设计，主要包括如下兼容性条件。

1）C4系统应当采用与C3系统兼容的车地通信协议；

2）C4等级列车应当能在C3线路上正常行驶（转为C2等级功能除外）；

3）C3等级列车应当能在C4线路上正常行驶（需额外考虑列车完整性处理）；

4）C3级RBC应当能与C4级RBC正常通信实现移交；

5）若C4管辖区域内有C3等级列车即将通过C4/C2级线路边界进入C2区域，列车应能正常转换为C2等级；反之，处于C2等级边界的C3列车通过C4/C2边界应能正常转为C3等级运行。

3　关键点解决方向初探

3.1欧洲发展方向

C4级列控系统的规划实际是参考欧洲的ETCS 3（以下简称E3）级系统规划制定，因此E3的发展可以作为C4系统研究的重要参考。E3系统规划向下兼容E2，具备移动闭塞、取消轨道占用检测设备两大特征，能以更低的成本保障相同甚至更高的运营速度，但在实际发展中，尽管ETCS已经有20余年的发展历史，E3系统研究依然进展缓慢。

2005年，国际铁路联盟（UIC）与瑞典铁路局（BV）共同启动一个新项目ERTMS Regional（简称ER），由Bombardier公司承接，旨在研发一种兼容于ERTMS/ETCS且适合于地方性的低密度低速线路信号系统改造升级的低成本系统，并为E3研究打下基础。该系统实质上是E3系统的一个变体，具备E3系统的两个重要特征，目前该系统已经在瑞典完成一条试验线路（Repbäcken – Malung线的信号系统升级改造），并向国际推广，拿下了哈萨克斯坦、赞比亚等多条既有线路的改造升级合同。

按照ER系统的方案[3]，系统在设备之外，增设了一个称为“控制员（Controller）”的人工角色，用于解决本文上一节所分析的多数问题。所谓的“控制员”在系统中有着最高的权限，一切设备无法处理的问题，均由控制员接手。例如RBC故障重启后，由控制员对管辖范围内的列车信息、线路状态进行确认，经其允许后RBC可以开始控车；车地通信断开后，由控制员确认该车是否已经离开RBC管辖范围；列车误入区间或遇到其他故障，应及时报告控制员并根据其命令操作。

根据参考文献[3]的描述，几乎所有因缺少轨道占用检测装置带来的问题，ER系统均可采用人工干预的方式解决。之所以该方式可行，是因为ER系统仅用于特定类型的线路：1）日发车数量少，发车间隔长（通常不小于0.5 h）；2）列车行驶速度低（不高于120 km/h）；3）线路简单（车站股道少，甚至多为单线铁路）。Bombardier在瑞典所完成的试验线路就符合上述特征：每天10列车，最高时速80（货车）～120 km（客车），是20世纪初修建的单线铁路。在这类被欧洲称为Regional型的线路上，当出现设备无法解决的问题后，由人工接手并不会对效率带来太大影响，而控制员的工作强度也不大，因此该方案可以实施。此外，Bombardier还保留了站内轨道电路，仅取消区间轨道电路，于是进路控制问题也得到了妥善的解决。

3.2C4研究方向

与ER系统主要应用于老旧线路改造相比，C4系统最大不同在于系统的应用目标首先是中国的各种新建线路（高铁新线和特种线路），由于中国人口密度大、发车间隔短、线路繁忙，因此，纯人工解决方案仅适合于一些边远地区的特种线路（例如部分人烟稀少的西部地区）。否则，不仅巨大工作强度会将控制员压垮，还会对运营效率造成严重影响。

另一种研究思路则是以Bombardier保留站内轨道电路的做法为启发，考虑在系统内增加部分额外的设备。当系统发生故障时，这些额外的设备可以保障系统安全、降低对效率的影响，从而减少控制员人工确认的工作量。但是增加的设备势必会增加成本。

根据上述分析，“增加部分设备+人工确认”是C4标准发展的一个重点可能方向。但是具体增加何种设备、应增加的数量以及保留多少人工处理的部分都需要进一步的深入研究，以期在功能、效率和成本上均取得满意的效果。

4　总结

列车运行控制系统是保障列车安全运行的基石，我国制定了CTCS系统的5级规划，并实现了当今在线正式运营最先进的列控系统之一的C3级系统。然而各轨道交通发达的国家仍然在进行持续的研究发展（例如日本的ATACS系统、美国的PTC系统、欧洲的ETCS3系统），为了确保我国已经赶上世界先进水平的列控技术不再次落后，需要尽快对更先进的C4级列控系统进行研究。

本文从C4级系统规划的两大新增特征对既有系统带来的影响入手，对C4级系统的研发所需要解决的关键问题及难点进行分析，分别从系统功能及安全的影响方面、系统的组成及成本方面以及向下兼容性方面进行探讨，并初步提出一个解决这些问题的可能方向，从而为进一步的研究奠定了基础。

参考文献

[1]科技运[2008]34号 客运专线CTCS-3级列控系统总体技术方案[S].

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

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

[4]科技运[2008]127号 CTCS-3级列控系统系统需求规范（SRS）[S].

收稿日期：（2015-11-20）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.001