CTCS-3级列控系统发展历程及技术创新

江 明

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

列车运行控制系统（简称列控系统）是保障列车安全运行，提高运输效率的重要行车装备，根据列车在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状态进行监督、控制和调整。我国铁路系统坚持自主创新，瞄准世界一流标准，发挥后发优势，在研究借鉴国外铁路列控技术体系和关键技术应用的基础上，结合我国国情和路情，大力开展中国列车运行控制系统（Chinese Train Control System，CTCS）的研究与建设。

CTCS-3 级列控系统是CTCS 系统的重要组成部分，是我国在掌握CTCS-2 级列控系统的基础上，通过技术进一步提升构建的高速列车运行控制系统标准体系和技术平台。它基于GSM-R 无线通信实现车—地信息双向传输，无线闭塞中心（RBC）生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位，满足动车组运营速度350 km/h 和最小追踪间隔3 min 的要求，并具备CTCS-2 级列控系统功能，满足200 ～250 km/h 动车组跨线运行要求。十年来，CTCS-3 级列控系统从无到有，以市场需求为导向，依托产学研创新平台，在标准体系的先行指引下，以自主集成创新的方式构建，并对部分关键设备采取了从引进消化吸收再创新到自主创新的创新路径，形成覆盖产品设计、研发、生产、施工、运维、认证全生命周期的完整产业链。

2009 年12 月26 日，我国首条装备CTCS-3 级列控系统的武汉—广州客运专线开通运营，标志着我国CTCS-3 级列控系统正式面世。经过近十年的快速发展，截止到2019 年5 月，CTCS-3 级列控系统已装备11 788 km 高铁，成功实现高寒、酷热、戈壁风沙、海风高盐等不同的运营环境以及高强度、大密度、多环境下的运营实践，成为我国时速250 km 以上高速铁路的标准配置。通过十年的技术攻关，已实现CTCS-3 级列控核心技术自主化，包括系统平台及关键技术100%自主化、核心软件100%自主化、成套列控装备100%自主化，能够对国外引进的技术和装备进行全面替代。与此同时，我国自主研制的CTCS-3 级列控核心装备陆续通过欧盟引进的互联互通（TSI）认证，产品已经具备出口海外的条件，适用于采用欧洲ETCS-2 级列控系统标准建设的高铁线路。

2 CTCS-3级列控系统发展历程

2007 年原中华人民共和国铁道部成立C3 攻关组开展C3 技术攻关工作，中国通号作为技术牵头单位，对内联合国内相关企业开展系统和部分装备的自主创新工作，对外联合国外合作方开展部分核心装备的引进消化吸收工作，投入大量的人力、财力和物力，于2009 年完成CTCS-3 级列控系统成套装备研制，并成功开通全球第一条时速350 km 的长大干线—武广客专。此后，2011 年开通一次建设里程最长、标准最高的高速铁路—京沪高铁，2012 年开通第一条穿越高寒地区的长大高速铁路—哈大高铁，随后CTCS-3 级列控系统在我国高速铁路快速大面积推广应用。

2007 年至2012 年，借鉴ETCS 标准规范的发展经验，根据CTCS-3 级列控系统的特点，结合武广和郑西客运专线的建设，我国制定并编制了CTCS-3 级列控系统标准规范体系。在武广C3 系统研发和实施过程中，逐步建立了囊括设计、研发、生产、施工、维护、认证等各个环节的标准规范，形成一套完整的C3 系统技术标准体系，以此为准则指导整个系统研发、集成和工程建设。

根据技术来源不同，我国CTCS-3 级列控系统有武广、郑西和广深港3 个不同形式的平台。在系统发展的初期，各平台之间不能实现互联互通，严重制约我国高速铁路四通八达的运营需求。为此，我国开展了CTCS-3 级列控系统互联互通工作，以实现不同制式车载设备和不同制式地面设备的协同工作。2010 年，实现不同厂家地面设备—车载设备之间的互联互通。2010 年发布列控系统RBC 接口规范，统一RBC 接口技术条件，满足互联互通要求，并于2011 年实现武广平台—郑西平台地面设备间的互联互通，2012 年实现武广平台—广深港平台地面设备间的互联互通。

CTCS-3 级列控系统在保障列车高速安全运营方面开展了大量工作。2009 ～2011 年，中国有包括武广、沪宁在内的4 条装备CTCS-3 级列控系统的客专按照350 km/h 的最高速度运营。2011年，在京沪高铁成功完成时速380 km 的综合试验，CTCS-3 级列控系统满足高速列车以时速380 km持续运行的需求。但在京沪高铁开通前后，中国高铁踩下“急刹车”，装备CTCS-3 级列控系统的高速铁路从350 km 时速降至300 km 时速。2017 年9 月21 日，中国标准动车组“复兴号”在京沪高铁正式运营，装备CTCS-3 级列控系统的高铁重回350 km 时速，速度再次领跑全世界。

在2015 年之前，受制于国外公司技术转让的限制，我国对于高铁在线运营的部分关键设备的核心技术尚未完全实现自主化，导致在线运营设备在故障分析、维修服务和信息安全等多方面受制于外方，不利于我国高铁建设及高铁技术发展。同时，由于知识产权的限制，既有的部分高铁列控技术装备无法向海外市场输出，难以支撑国家高铁“走出去”战略。为摆脱列车运行控制系统核心技术受制于人的不利局面，保障我国高速铁路健康和可持续发展，支撑我国高铁“走出去”的发展战略规划，在国家铁路局和中国铁路总公司的领导下，在国家发改委关键技术产业化项目的支持下，我国于2015年成功研制了具有自主知识产权的CTCS-3 级列控系统全套核心设备，2016 年在大同—西安客专综合试验段完成350 km 时速的现场测试，2018 年对系统增加350 km 时速的智能驾驶功能并在北京—沈阳客专综合试验段完成现场试验，实现了列控系统装备的自主化、智能化和产业化，能够满足国内高铁运用技术提升及高铁走向国际的需求。

2017 年，我国自主研发的C3 列控系统核心装备无线闭塞中心（RBC）、列车自动防护设备（ATP）、地面电子单元（LEU）和应答器相继获得欧盟互联互通（TSI）认证证书，拿到海外市场的“通行证”，适用于采用欧洲ETCS-2 级列控系统标准建设的高铁线路。2019 年6 月，为欧洲匈塞铁路量身打造的匈塞铁路ETCS-2 级列控系统实验室在贝尔格莱德落成，成为我国企业在海外建成的首个高铁列控系统实验室，为采用ETCS-2 级列控系统标准建设的匈牙利—塞尔维亚铁路提供核心技术支撑。

CTCS-3 级列控系统在既有高铁改造方面开展卓有成效的工作。2018 年6 月，京津城际铁路完成了全球首例在运营的高速铁路全线进行信号系统改造，在三十余小时的短暂天窗内，成功将原列控系统升级为CTCS-3 级列控系统，零问题一次开通，安全优质地实现了复兴号350 km/h 运营。

3 CTCS-3级列控系统创新成果

十年来，CTCS-3 级列控系统技术不断完善，成功实现大范围推广应用。截止到2019 年5月，CTCS-3 级列控系统已装备线路32 条，共计11 788 km，车载设备装车1 645 列。创新实现了时速350 km 的高速列车在长大干线上基于无线通信方式的安全可靠控制；创新实现了CTCS-3 级/CTCS-2级不同列车运行控制等级在枢纽车站的深度集成；创新实现了城际铁路与干线铁路的互联互通，实现不同等级线路运行状态下的不停车动态平滑切换；构建了不同制式平台的互联互通模式，满足全路“一张网”规划下的不同运行等级的线路跨线运行要求。先后覆盖东北高寒地带、南方炎热高湿地带、西北高海拔以及沙漠地带，成功实现高寒、酷热、戈壁风沙、海风高盐等不同的运营环境以及高强度、大密度、多环境下的运营实践。在设备数量快速增长的同时，设备故障率持续下降，ATP 故障率始终控制在1 件/百万公里以下，达到国际先进水平。

十年来，CTCS-3 级列控系统标准体系逐步完善。按照我国CTCS 技术总则，在C3 总体技术方案指导下，自主创新了符合中国国情、路情，全路统一、互联互通、国际领先的高速铁路列控技术体系，建立了涵盖系统规范、工程设计规范、制造工艺标准、施工验收规范、运用维护规则、安全评估办法6大方面的标准规范，满足高速铁路与提速、既有铁路间跨线运行的需求，满足未来向CTCS 更高等级发展的要求，有利于提高我国铁路的安全高效运营、节能降耗水平。编制了以《CTCS-3 级列车运行控制系统系统需求规范》、《无线闭塞中心技术规范》、《CTCS-3 级列控车载设备技术条件》为代表的30 多项行业技术规范。在行业规范的基础上，CTCS-3 级列控系统进行多次完善，使之简统化程度不断提高、功能更完善、安全性更高、适应性更强。2015 年发布《列控中心区间占用逻辑检查暂行技术条件》，增加区间占用逻辑检查功能，解决区间轨道电路失去分路的安全隐患；2016 年发布《C2/C3 级列控系统增加站台信息提示功能技术规范》和《列控系统相关规范补充规定》，对UUS 码发送原则、正线出站有源应答器报文发送原则、站台侧提示信息等进行规定；2017 年发布《ZPW-2000 系列轨道电路调谐区纳入列控中心区间轨道区段检查暂行技术条件》，增加小轨道检查功能，解决ZPW-2000 轨道电路调谐区断轨检查问题；2018 年发布《CTCS-3 级ATP 行车许可结合轨道电路信息暂行技术条件》，对CTCS-3 级行车许可与轨道电路信息相结合功能进行规定和完善。2018 年发布《自主化CTCS-3 级列控车载设备暂行技术条件》和《自主化无线闭塞中心暂行技术条件》，对自主化CTCS-3 级列控车载设备和RBC 设备的组成、功能、性能、运用环境指标及技术指标等进行规定，尤其是进行简统化完善。

十年来，CTCS-3 级列控系统知识产权成果丰硕。出版《CTCS-3 级列控系统总体技术方案》、《CTCS-3 级列车运行控制系统》等专著十余本，涵盖CTCS-3 级列控系统原理和应用、设计与验证、关键技术等；发表期刊、会议、学位论文七百余篇，涵盖安全性分析、信息安全、规范形式化建模和验证、集成技术、EMC 技术、测试技术、故障诊断技术、联调联试技术、互联互通技术、安全评估技术等；获得国家发明专利授权近百项。

十年来，CTCS-3 级列控系统关键技术被逐项攻克，并完成全套装备的自主化。自主化CTCS-3 级列控系统吸收继承了既有系统大量安全可靠的运用经验，在系统的架构、性能、冗余度和一体化、小型化、智能化等方面取得了重大的技术突破，在设备简统化技术、自主安全计算机平台技术、车载全功能无缝切换技术、测速测距技术、国密算法技术等方面实现重大的技术突破，自主化设备安全完整性等级均达到国际上的最高等级SIL4 级，提升中国列控装备的国际竞争力和信息安全等级，实现了安全可靠、技术先进、自主可控的目标。同时，自主化CTCS-3 级列控系统在标准化方面做了大量工作，实现了自主化装备对既有装备的可替换性，实现了不同厂家设备接口和功能的统一性，实现了与欧洲ETCS-2 级列控系统标准铁路的互联互通性。此外，攻克了专用芯片核心技术，自主研制了4 款专用芯片，能够实现对复杂、极端环境的适应性，实现专用芯片的自主替代。

十年来，CTCS-3 级列控系统应用维护技术不断提高。随着智能综合巡检列车、智能运维系统、接口监测系统、动态监测系统（DMS）等监测和维护设备投入应用，故障诊断智能化程度大大提高，能够更好地对设备的运行状态、健康程度进行监控和评估，对设备的智能诊断和维修给出合理的建议，降低在轨产品的运行风险，减少传统维护方式带来的人力物力等方面的开销，提高运营维护的效率。

十年来，CTCS-3 级列控系统工程化效率不断提高，工程设计、数据配置等方面自动化程度不断增强。工程设计方面，研制了CTCS-3 级列控系统工程数据编制辅助设计软件和CTCS-3 级列控系统工程设计数字化试验、验证平台，为工程化的设计方案提供分析与测试平台，为工程设计提供重要的技术数据和实验验证测试结果，对于缩短设计周期、提高设计质量等方面提供重要的依据。数据配置方面，研制了CTCS-3 级列控系统一体化数据配置系统，采用数据图形化展现、基于规则引擎的配置平台、基于数据仓库技术的综合数据平台等技术，实现列控设备数据的自动化生成。

十年来，CTCS-3 级列控系统测试技术不断进步。仿真测试方面，创新构建了全线、全景、全速综合仿真平台，通过列控系统实物与半实物仿真相结合的方式，构建了全球最大规模工程验证平台，支持从产品测试、线路数据试验到列控系统的安全确认，为持续创新提供平台支撑；建立了完整的从子系统专项测试、实验室集成测试、现场集成测试到联调联试、试运行的完整测试验证流程，100%覆盖系统场景，大大提高测试的全面性和可信度；采用实验室测试与现场试验相结合的方式，有效保证系统的各项设计指标达到设计要求。此外，我国CTCS-3 级列控系统的测试案例已累计突破3 万个，成为中国高铁列车运行控制系统的突出优势和宝贵财富。现场测试方面，形成了联调联试和验收评价技术体系。联调联试作为新建、改建线路列控系统功能验证的重要手段已经成为高速铁路建设中的重要一环。我国制定了《CTCS-3 级列控系统测试案例》和《客运专线CTCS-3 级列控系统综合试验试验大纲》，为CTCS-3 级列控系统综合试验和联调联试提供了重要依据，在此基础上可完成列控工程数据的验证、行车许可数据的验证、数据一致性的测试、接口关系及边界条件的测试，并形成验收评价。

十年来，CTCS-3 级列控系统产业化效率不断提高。成功打造国际先进的产业化基地，具备生产制造全系列CTCS 列控系统设备的实力，拥有完整CTCS 列控系统设备的调试检测生产线及相应产品的实验、检测系统设备，形成了列车运行控制领域齐全的产品结构，完善了生产制造、检验、操作以及测试的相关规范；提升了产品加工的综合能力、工艺技术人员的技术水平以及工艺创新能力、工厂产品质量过程控制和质量体系持续改进能力，产品产业化生产效能也得到较大幅度的提升与改进。

十年来，CTCS-3 级列控系统认证体系不断完善。形成了完整的列控系统认证体系，制定了从系统研发直到系统现场测试运营全过程需遵循的国家及铁路行业认证标准。明晰了系统准入要求，达到相关要求才能从事高速铁路列控系统的开发研究。系统在商业运行之前还要满足空载运行公里数的要求，确保系统安全可靠。

十年来，CTCS-3 级列控系统随着我国高铁的大规模建设不断发展，相关研究成果获得二十余项省部级以上的科技奖励。其中，“京沪高速铁道工程”荣获2015 年度国家科技进步奖特等奖，“复杂路网条件下高速铁路列控系统互操作和可靠运用关键技术及应用”项目荣获2017 年度国家科技进步二等奖，“CTCS-3 级列控系统研究与应用”获得2012 年度中国铁道学会科学技术奖特等奖。此外，“CTCS-3 级列控系统综合试验及关键技术研究”、“京沪高速铁路通信、信号、信息化系统设计及集成”、“哈大客专通信信号系统集成”、“CTCS-3级列控系统互联互通测试验证关键技术及应用”、“C3 列控系统车载设备关键技术深化研究及应用”、“CTCS-3 级列控无线信道监测系统”等多个项目获得中国铁道学会科学技术奖一等奖。

4 结束语

CTCS-3 级列控系统十年来的发展历程，是集设计开发和工程实践于一体的技术创新过程。依托武广客运专线工程建设，形成了CTCS-3 级列控系统的技术体系和成套装备，并在京沪高铁综合实验段完成380 km 时速的综合试验。依托大西客专和京沈客专建设，完成了自主知识产权的CTCS-3 级列控系统全套装备研制，并在全球首次实现350 km时速的智能驾驶功能。

十年来，随着我国“八纵八横”高速铁路网络建设的快速推进，以京广、京沪、哈大、沪昆等为代表的一大批高速铁路已经投入运营，CTCS-3 级列控系统随之不断完善、优化，以更好地适应中国铁路复杂的运用环境；同时，CTCS-3 级列控系统支持与欧洲ETCS-2 级列控系统的互联互通，为我国积极实施“走出去”战略提供了有力的技术支撑。可以预见，在下一个十年的发展历程中，CTCS-3级列控系统必将在国际化的道路上越走越远，为“一带一路”倡议的顺利实施保驾护航。