郭 進，張亞東，王長海，查 志，高 豪

GUO Jin1, ZHANG Ya-dong1, WANG Chang-hai2, ZHA Zhi1, GAO Hao1

（1.西南交通大學 交通信息工程及控制重點實驗室，四川 成都 610031；2.中國鐵路總公司

安全監(jiān)督管理局，北京 100844）

(1.Key Lab of Communication Engineering and Control, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China; 2.Safety Supervision Administration, China Railway, Beijing 100844, China)

我國下一代列車控制系統(tǒng)的展望與思考

郭 進1，張亞東1，王長海2，查 志1，高 豪1

GUO Jin1, ZHANG Ya-dong1, WANG Chang-hai2, ZHA Zhi1, GAO Hao1

（1.西南交通大學 交通信息工程及控制重點實驗室，四川 成都 610031；2.中國鐵路總公司

安全監(jiān)督管理局，北京 100844）

(1.Key Lab of Communication Engineering and Control, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China; 2.Safety Supervision Administration, China Railway, Beijing 100844, China)

為進一步優(yōu)化、簡化列控系統(tǒng)結構、提升列控系統(tǒng)自動化水平、提高不同線路等級間的互聯(lián)互通、縮短列車追蹤間隔，通過分析歐洲下一代列控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和我國列控系統(tǒng)存在的問題，提出我國下一代列控系統(tǒng)的發(fā)展目標，構建下一代列控系統(tǒng)模型。在此基礎上，充分考慮國際標準的適應性，研究我國下一代列控系統(tǒng)若干關鍵技術問題，利用新技術進一步提高鐵路運輸自動化水平和效率，為實現(xiàn)高速鐵路“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略提供技術支撐。

高速鐵路;下一代列車控制系統(tǒng)；系統(tǒng)模型；關鍵技術

隨著列車速度提高、追蹤間隔縮短，特別是高速鐵路的發(fā)展，世界各國相繼研究開發(fā)了列車運行控制系統(tǒng) (簡稱“列控系統(tǒng)”)，完成列車位置的檢查、調整列車運行間隔、控制列車的制動系統(tǒng)等功能，其中高速鐵路列控系統(tǒng)一般由地面設備、車載設備、信息傳輸通道等構成[1]。目前，我國研制的 CTCS-2 級列控系統(tǒng)已經成功應用于 160 km/h 提速線路和 200～250 km/h 客運專線，CTCS-3D 級列控系統(tǒng)應用于京津城際鐵路，CTCS-3級列控系統(tǒng)應用于 300 km/h 以上的高速鐵路[2-3]。由于列車高精度自主定位技術和車-地大容量無線通信技術逐步成熟，基于通信的列車控制系統(tǒng) (Communication Based Train Control System，CBTC) 得到快速發(fā)展，并廣泛應用于城市軌道交通系統(tǒng)。盡管如此，我國鐵路列控系統(tǒng)與歐洲列控系統(tǒng)相比，仍然存在制式不兼容、列車不能轉線作業(yè)、系統(tǒng)結構復雜、軌旁設備過多、建造與運維成本高、維修難度大等問題。針對列控系統(tǒng)普遍存在的問題，結合無線通信、衛(wèi)星定位、自動控制等信息技術在列控系統(tǒng)的應用，國內外學者廣泛開展了下一代列車控制系統(tǒng) (Next Generation Train Control System，NGTCS) 研究[4-7]。

1　歐洲下一代列車控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

從 1980年開始，歐洲率先應用列車高精度定位技術和無線通信技術開發(fā)了 CBTC，具有較高的自動化程度，實現(xiàn)列車自動駕駛。同時，該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)移動閉塞，列車追蹤間隔可以達到90 s，已經逼近理論最小間隔的極限[8]。在鐵路干線方面，歐洲列車控制系統(tǒng) (European Train Control System，ETCS) 在在技術通用性、功能標準化等方面取得成功，形成 ETCS-0 至 ETCS-3 的技術標準，實現(xiàn)了列車與地面信號系統(tǒng)全面的互聯(lián)互通[9]。

1.1歐洲 NGTCS 項目研究內容

隨著綜合交通運輸客運市場機制的逐漸完善，鐵路干線與城市軌道交通面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)，衍生出鐵路干線提升運輸能力及自動化水平、城市軌道交通與鐵路干線之間的轉線等諸多問題。由于鐵路干線列控系統(tǒng)及 CBTC 的技術差異較大，還產生了各種列控系統(tǒng)軟硬件不兼容、互換困難、市場化競爭不充分等問題。為此，歐洲于 2013年開始啟動 NGTCS 項目研究，由歐洲多家企業(yè) (Alstom，Ansaldo STS，A?D，CAF，Thales，Siemens 及Bombardier) 及專家共同參與。NGTCS 項目研究內容如圖1 所示。

圖1　NGTCS 項目研究內容

歐洲 NGTCS 項目共建立了 9 個任務組，主要研究內容如下。①分析 ETCS 系統(tǒng)與 CBTC 的共同點與差異性，提出一套適用于鐵路干線及城軌的功能需求和技術規(guī)范；②借鑒 CBTC 經驗，研究鐵路干線移動閉塞原則；③研究基于互聯(lián)網協(xié)議 (IP) 的無線通信新技術及在 NGTCS 應用的可行性；④研究衛(wèi)星定位技術及在 NGTCS 應用的可行性，根據鐵路干線和城市軌道交通對列控系統(tǒng)的共同、核心的技術需求，研究 NGTCS 的系統(tǒng)結構、硬件平臺，達到可互操作和互交換的目標；⑤提供鐵路干線、城市軌道交通、市郊鐵路互聯(lián)的解決方案。通過 NGTCS 研究，鐵路干線與城市軌道交通列控系統(tǒng)硬件平臺將在技術上減少差異，趨向一致。鐵路干線與城市軌道交通列控平臺發(fā)展趨勢如圖2 所示。

圖2　鐵路干線與城市軌道交通列控平臺發(fā)展趨勢

1.2歐洲 NGTCS 研究方法

歐洲 NGTCS 項目的目標是減少鐵路干線列控系統(tǒng)與 CBTC 兩者之間技術的差異，形成共同的功能需求規(guī)范；開發(fā)不同設備的標準化結構及接口(包括地面設備及車載設備)，增加設備互換性及互操作性；設計適用范圍更廣的產品，實現(xiàn)鐵路干線與城市軌道交通之間的互聯(lián)互通轉線功能；提高鐵路干線列控系統(tǒng)自動化水平和線路通過能力，降低信號設備安裝、維護成本，提高系統(tǒng)可靠性。因此，歐洲 NGTCS 研究方法如下。

（1）改進 ETCS 信息編碼，使其成為更加標準化的編碼，以便支持更多功能，具備城市軌道與鐵路干線轉線的能力，如縮短追蹤間隔、移動閉塞等。

（2）簡化鐵路干線列控系統(tǒng)結構，提高鐵路線路能力，減少信號安裝及維護成本，提高可靠性及可用性。

（3）采用城市軌道與鐵路干線共同的方法，以城市軌道交通實際經驗為基礎，同時考慮現(xiàn)有ETCS 標準，定義通用移動閉塞概念及原則，以便適應不同類型的鐵路。

（4）分析調查以 IP 為基礎的無線通信不同技術，一是確定城市軌道交通與鐵路干線列控系統(tǒng)以 IP 為基礎無線通信的共同需求；二是利用現(xiàn)有無線通信技術，制定適用于 NGTCS 的無線通信解決方案。

（5）研究衛(wèi)星定位技術取代應答器的可行性，基于 ETCS 應用，主要面向相對簡單的線路布置及具有良好衛(wèi)星接收環(huán)境的低密度線路，研究標準的衛(wèi)星定位功能應用，取消安裝物理定位應答器。

（6）研究 NGTCS 與 ETCS 及 CBTC 標準的兼容性，減少設備改造費用。

（7）在 ETCS 與 CBTC 一致性和差異分析基礎上，開發(fā)共同的系統(tǒng)結構、功能分配與接口。

2　我國下一代列控系統(tǒng)研究

2.1現(xiàn)狀

為了適應我國高速鐵路建設發(fā)展需要，我國高速鐵路列控技術借鑒 ETCS 成功經驗，從無到有取得了飛躍發(fā)展。2003年 10月，原鐵道部發(fā)布了《中國列車運行控制系統(tǒng) CTCS 技術規(guī)范總則 (暫行)》；2008年 4月，基于軌道電路和應答器的CTCS-2 級列控系統(tǒng)在合寧客運專線應用后，又大規(guī)模應用于提速干線及 200～250 km/h 高速鐵路；2008年 8月1日，CTCS-3D 型列控系統(tǒng)在京津城際應用，可以為最高速度 350 km/h 的高速鐵路列車運行提供支持；基于無線通信的 CTCS-3 級列控系統(tǒng)成功應用于武廣 (武漢—廣州)、鄭西 (鄭州—西安)、京滬 (北京—上海) 等 300～350 km/h 高速鐵路。在此基礎上，針對我國 NGTCS 的研究，主要考慮列控系統(tǒng)應采用新技術精簡和優(yōu)化列控系統(tǒng)結構、減少投資與維護成本等因素，為各種形式的軌道交通提供互聯(lián)互通條件，為方便旅客出行提供技術支持。因此，我國 NGTCS 應考慮解決以下主要問題。

（1）列車在不同線路轉線運行缺乏標準化。主要包括 CTCS-3 與 CTCS-2、CTCS-2 與既有線、CTCS-3 與既有線、鐵路干線與城際鐵路、鐵路干線與城市軌道交通相互轉線問題。

（2）列控系統(tǒng)設備不合理冗余。目前，我國鐵路干線存在 CTCS-3 車載設備冗余 CTCS-2 車載設備、CTCS-2 車載設備冗余 LKJ 車載設備、CTCS-3 地面設備冗余 CTCS-2 地面設備等不合理冗余設置問題，導致建設與運營維護成本高、維護難度大等。

（3）軌旁設備過多。現(xiàn)有列控系統(tǒng)軌旁設備包括大量軌道電路、有源、無源應答器及其他設備，加大了建設安裝成本，使得維修、養(yǎng)護工作量增加。

（4）地面設備系統(tǒng)復雜。由于功能分配不盡合理，現(xiàn)有列控系統(tǒng)地面設備系統(tǒng)比較復雜，包括聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控中心、無線閉塞中心、臨時限速服務器、信號安全數(shù)據網等，導致設備相互間協(xié)調較為復雜。

（5）自動化級別低?，F(xiàn)有列控系統(tǒng)主要完成列車超速防護功能，還不能實現(xiàn)列車自動駕駛等高級自動化功能，列車優(yōu)化駕駛等功能亦無法實現(xiàn)。

（6）移動閉塞還未實現(xiàn)?，F(xiàn)有列控系統(tǒng)采用準移動閉塞技術，追蹤間隔受到限制，導致不能進一步縮短追蹤間隔，影響運輸效率的提高。

2.2發(fā)展目標

（1）研發(fā)國際化通用、標準化的報文編碼、結構及接口模塊及列控車載設備，增強設備的互換性及互操作性，減少冗余，支持列車在不同 CTCS 級別的高速鐵路 (客運專線)、既有線、城際及城市軌道交通線路上進行轉線運行，實現(xiàn)高速鐵路走出去戰(zhàn)略。

（2）優(yōu)化列控地面設備系統(tǒng)結構，突破原有調度、列控、聯(lián)鎖等系統(tǒng)相互獨立的限制，實現(xiàn)以列控車載設備為主體的優(yōu)化精簡的系統(tǒng)結構。

（3）實現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的列車定位，減少軌旁應答器數(shù)量，逐步減少直至取消區(qū)間軌道電路。

（4）實現(xiàn)高速鐵路列車自動駕駛和智能駕駛，提升列控系統(tǒng)的自動化水平。

（5）鐵路干線應用移動閉塞技術，進一步縮短追蹤間隔，提高運輸效率。

（6）應用無線通信新技術，如 LTE-R、以 IP為基礎的無線通信技術等，提高列控系統(tǒng)車-地通信的傳輸帶寬及傳輸可靠性指標。

2.3NGTCS 模型

根據我國 NGTCS 的發(fā)展目標，我國下一代列控系統(tǒng)模型如圖3 所示。

圖3　我國下一代列控系統(tǒng)結構模型

2.3.1車載設備組成及功能

車載設備包括車載安全計算機、無線通信模塊、衛(wèi)星定位模塊。

（1）車載安全計算機。完成車載列車自動防護(ATP)、列車自動駕駛 (ATO) 的功能，在原有 ATP 的基礎上增加 ATO 功能，實現(xiàn)列車自動駕駛；在不增加搭載冗余設備的基礎上，支持列車在不同 CTCS 級別、既有線、城際及城市軌道交通線路上進行轉線運行；采用移動閉塞技術，實現(xiàn)移動閉塞。

（2）無線通信模塊。用于與地面設備進行連續(xù)大容量雙向無線通信，交互移動授權和列車運行參數(shù)等數(shù)據。在原有 GSM-R 接收模塊基礎上，增加LTE、WLAN 等可選擇的標準化接口模塊，便于列車根據不同地面無線通信設備進行自動選擇。另外，應當具備基于 IP 技術無線通信方式。

（3）衛(wèi)星定位模塊。車載部分增加基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星定位模塊，采用衛(wèi)星定位及應答器定位相結合的方式，在衛(wèi)星定位條件比較好的地方盡量減少安裝定位應答器，減少軌旁設備。

2.3.2地面設備組成及功能

地面設備包括無線閉塞中心、車站聯(lián)鎖設備、下一代無線通信系統(tǒng)。

（1）無線閉塞中心。負責移動授權計算、臨時限速管理等功能，將移動閉塞技術應用于鐵路干線，進一步縮短追蹤間隔，提高運輸效率。

（2）車站聯(lián)鎖設備。根據調度集中指令，實現(xiàn)道岔及信號控制。

（3）下一代無線通信系統(tǒng)。采用基于IP的 4G 或 5G 無線通信技術，實現(xiàn)車-地之間大容量雙向無線通信，提高車-地通信的傳輸帶寬及傳輸可靠性指標。

2.4關鍵技術問題

2.4.1設計適用范圍廣的系統(tǒng)結構

軌道交通按照用途可以分為客運專線、客貨混跑、貨運鐵路、城際鐵路及城軌交通；按照速度可以分為普速鐵路、提速干線，200～250 km/h、300～350 km/h高速鐵路。目前，我國存在多種列控系統(tǒng)制式及技術標準，鐵路干線列控系統(tǒng)分為 CTCS-0、CTCS-1、CTCS-2、CTCS-3，城市軌道交通多為不同類型的 CBTC。多種列控系統(tǒng)功能大同小異，但系統(tǒng)結構差異較大，既影響列車跨線運營，也不利于技術發(fā)展和市場化競爭。因此，應認真分析不同軌道交通形式對列控系統(tǒng)不同的功能需求和技術規(guī)范，識別一致性和差異性，確認共同的、核心的功能需求，在此基礎上，設計適用范圍廣的我國 NGTCS 的系統(tǒng)結構，減少不同線路列控系統(tǒng)技術的差異，形成共同適用的功能需求規(guī)范。然而，由于環(huán)境與需求差別，也不可能追求完全統(tǒng)一的列控系統(tǒng)結構。例如，城市軌道交通可以使用信標定位方式，接收條件好的地方可以使用衛(wèi)星定位方式，但只要核心的功能需求相同，通過可選擇定位模塊設計技術，仍然可以適應下一代列控系統(tǒng)總體框架。另外，也可以通過選擇不同車-地通信模塊設計技術，選擇不同的車-地通信方式，滿足適應列控系統(tǒng)總體框架的需求。與此同時，應根據共同適用的功能需求規(guī)范，整合原有車站聯(lián)鎖 (CBI)、列控中心 (TCC)、無線閉塞中心 (RBC) 等子系統(tǒng)功能，設計適用范圍廣的系統(tǒng)結構、基本相同的系統(tǒng)邏輯模型及可選擇的標準化接口模塊，以適應不同軌道交通的特殊需求。

2.4.2通用的車載設備

目前，由于列控設備不能兼容，CTCS-3 級線路必須安裝 CTCS-2 級地面設備，如軌道電路、應答器、列控中心等，CTCS-3 級列車也必須裝備 CTCS-2 級車載列控設備才能實現(xiàn) CTCS-3 級與CTCS-2 級的轉線運行，CTCS-2 級列車也必須裝備 LKJ 設備才能實現(xiàn) CTCS-2 級向既有線的轉線運行。但是，由于 CTCS-3 級線路地面不安裝信號機，既有線列車甚至不能從既有線向 CTCS-3 級轉線運行；鐵路干線與城市軌道交通完全不能實現(xiàn)相互轉線運行。因此，我國 NGTCS 應積極開發(fā)靈活、標準化的列控車載設備，支持列車在不同CTCS 級別的高速鐵路 (客運專線)、既有線、城際及城市軌道交通線路上進行轉線運行，實現(xiàn)各種鐵路干線及城軌之間的互聯(lián)互通轉線功能；根據共同適用的功能需求規(guī)范，設計適用范圍廣的車載安全計算機系統(tǒng)，具備適應不同 CTCS 級別的高速鐵路 (客運專線)、既有線、城際及城市軌道交通CBTC 的核心列車控制功能；能夠根據地面列控系統(tǒng)變化，自動識別、切換列控系統(tǒng)模式；能夠根據列控系統(tǒng)軌旁設備的變化，在可選擇的標準化接口模塊中進行自動選擇，以適應不同軌旁設備。例如，既有線在 CTCS-2 級區(qū)段開啟軌道電路接收模塊，在 CTCS-3 級區(qū)段開啟 GSM-R 雙向通信模塊，在衛(wèi)星定位區(qū)段開啟衛(wèi)星定位接收模塊。

2.4.3移動閉塞

我國鐵路干線一般采用以固定閉塞為基礎的閉塞方式，列控系統(tǒng)無法知道列車在分區(qū)內的具體位置，因而列車制動的起點和終點總在某一分區(qū)的邊界。CTCS-2、CTCS-3 采用的準移動閉塞在控制列車的安全間隔上對固定閉塞進行了優(yōu)化，后續(xù)列車制動的起點可以延伸至保證其安全制動的地點，但目標制動點仍然應在先行列車占用分區(qū)的外方，并沒有完全突破軌道電路的限制。

目前城市軌道交通 CBTC 基本采用了移動閉塞，移動閉塞目標點示意圖如圖4 所示，移動閉塞的線路取消了物理層次上的分區(qū)劃分，通過車載設備和軌旁設備不間斷的雙向通信，控制中心可以根據列車實時的速度和位置動態(tài)計算列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離并在列車后方加上一定的防護距離，組成了一個與列車同步移動的虛擬分區(qū)。由于保證了列車前后的安全距離，2 個相鄰的列車可以保證安全的間隔，以較高的速度和較小的間隔運行，從而提高運營效率。

圖4　移動閉塞目標點示意圖

因此，我國鐵路干線 NGTCS 應當突破移動閉塞核心技術，在鐵路干線實現(xiàn)移動閉塞。盡管移動閉塞技術在 CBTC 取得許多成功經驗，但移動閉塞技術直接應用于鐵路干線還存在以下難題。

（1）我國鐵路干線是以軌道電路為基礎的固定分區(qū)閉塞方式，要實現(xiàn)移動閉塞，需要取消以軌道電路為基礎的固定分區(qū)，實現(xiàn)以通信為基礎無固定分區(qū)的閉塞方式。

（2）我國高速鐵路最高運行速度可以達到 350 km/h，城市軌道列車運行速度一般不超過 120 km/h，高速度對移動閉塞系統(tǒng)提出更高的時間要求，列車位置、速度測量精度要求及控制精度要求。

（3）我國鐵路干線列車包括動車組列車、普通旅客列車和貨物列車，列車載重、長度、制動、牽引特性差別較大，針對不同列車特性會產生不同的制動距離、安全間隔需求，控制策略也會產生較大變化。

（4）我國鐵路干線線路一般比較復雜，坡道、彎道、橋梁、隧道不僅影響目標距離曲線計算，許多地方甚至限制列車運行速度，如貨物列車在長大坡道、橋梁不能停車，分相區(qū)內不能停車等。

（5）我國鐵路干線車站作業(yè)復雜，既可以進行列車接車、發(fā)車、通過作業(yè)，也可以進行各種調車作業(yè)，因而移動閉塞在車站各種場景的適應性還需要進行深入研究。

2.4.4列車自動駕駛

目前鐵路干線列控系統(tǒng)主要具備超速防護功能，但還不能實現(xiàn)列車自動駕駛、優(yōu)化駕駛等功能，主要應解決以下問題。

（1）在 CTCS-3 級列控車載設備 (含 CTCS-2級功能) 主要工作模式基礎上，重新定義車載設備工作模式，以便于適應列車自動駕駛。

（2）研究鐵路干線列車能耗優(yōu)化策略及模型，實現(xiàn)列車優(yōu)化運行；研究不同車-地通信方式下，列車自動駕駛運行計劃信息的獲取方式與控制方法等。

3　結束語

發(fā)展 NGTCS 已經成為各國的共識，也是未來鐵路信號必然的發(fā)展趨勢。我國 NGTCS 不只是追求高的技術指標，更要利用新技術優(yōu)化、簡化系統(tǒng)結構，降低建造成本和運維成本，提高系統(tǒng)可靠性和安全性；采用新技術統(tǒng)一規(guī)劃、設計以適用于不同軌道交通，綜合化軌道交通更好地實現(xiàn)，為方便旅客出行提供便捷的服務。因此，我國 NGTCS 還應充分考慮國際標準的適應性，利用新技術進一步提高鐵路運輸自動化水平和效率，降低鐵路能源消耗，實現(xiàn)高效綠色運輸，為實現(xiàn)高速鐵路“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略提供技術支撐。

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責任編輯：趙 娟

Outlook and Thoughts on Next Generation Train Control System in China

In order to further simplify and optimize the structure of train control system, increase automation level of the system and interoperability between lines of different grade and shorten the tracking interval of trains, through analyzing present situation of next generation train control system in Europe and problems existing in train control system in China, this paper puts forward the development goal of next generation train control system and the establishment of the system model. Based on the above-mentioned, the paper studies some key technologies of the train control system, and takes full consideration on adaptability of international standards, and puts forward that the automation level and efficiency of railway transportation should be further increased by using new technologies, so as to provide technical support of realizing “go global” development strategy of high-speed railway.

High-speed Railway; Next Generation Train Control System; System Model; Key Technology

1003-1421(2016)06-0023-06

U283

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.05

2016-03-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2682014BR059)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重大課題(2014X008-A)