美國PTC系統(tǒng)和歐洲ERTMS的差異分析

趙磊 何春明

美國PTC系統(tǒng)和歐洲ERTMS的差異分析

趙磊*何春明＊＊

從系統(tǒng)背景、歷史和當(dāng)前概況等方面，介紹美國PTC(Positive Train Control)系統(tǒng)和歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)(ERTMS:European Railway Traffic Management System)，描述系統(tǒng)主要功能，分析列車定位和信息傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方案，找出2種方案的技術(shù)難點和優(yōu)缺點;最后，分析2種系統(tǒng)的市場發(fā)展前景，以及中國鐵路自動化控制領(lǐng)域的目前概況。

列車控制系統(tǒng);PTC;ERTMS;ETCS

伴隨著全國鐵路第六次大提速和多條高速鐵路的運營通車，鐵路行業(yè)迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在給人們帶來快捷、便利出行條件的同時，高速鐵路的運營環(huán)境和安全問題不容忽視。作為改善運營環(huán)境和防護(hù)安全問題的列車控制系統(tǒng)，其作用相當(dāng)于列車的中樞神經(jīng)和大腦。目前，各國都在大力發(fā)展列車控制技術(shù)，力爭在國際鐵路運輸自動化控制領(lǐng)域占有一席之地。

1 列控系統(tǒng)簡介

1.1 PTC系統(tǒng)

美國國家運輸安全委員會(NTSB)，早在1971年就強(qiáng)烈要求采用更先進(jìn)的技術(shù)措施去防護(hù)鐵路運輸中的人因故障。美國鐵路信號公司自1985年起研發(fā)該項技術(shù)。1994年美國聯(lián)邦鐵路管理局(FRA)在鐵路通信和列車控制方面向國會提交了一份報告，創(chuàng)造了術(shù)語“PTC(Positive Train Comtrol)”，并于2004年向國會撥款委員會提交了一份關(guān)于PTC系統(tǒng)優(yōu)勢和成本的報告，在2005年3月7日，為了促進(jìn)PTC系統(tǒng)的推廣，F(xiàn)RA發(fā)布了一份關(guān)于信號和列車控制系統(tǒng)設(shè)計性能標(biāo)準(zhǔn)的最終規(guī)定。

PTC系統(tǒng)是為控制列車安全、可靠、精確和有效地運行，集行車指揮、控制、通信和信息化等子系統(tǒng)于一體的集成系統(tǒng)。NTSB將PTC系統(tǒng)認(rèn)定為最想要的創(chuàng)新之一。PTC系統(tǒng)的試用版10年前已經(jīng)測試成功，但并沒有在較大范圍內(nèi)使用，其他驗證工程正在籌備和測試，其正式商用有望在最近10年展開。

目前，有些鐵路設(shè)備供應(yīng)商或集成商積極出資，以期從鐵路安全改進(jìn)委員會(RSIA)獲得PTC系統(tǒng)實施計劃，使各自的PTC系統(tǒng)實現(xiàn)最大的互通性。BNSF鐵路公司、聯(lián)合太平洋鐵路(UP)、Norfolk南方鐵路(NS)和CSX運輸公司(CSXT)引導(dǎo)了基于電子列車管理系統(tǒng)(ETMS)技術(shù)的互通性開發(fā)，ETMS使得東北走廊(NEC)外部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了鐵路運輸。為了在NEC地區(qū)的鐵路運輸采用城市速度增強(qiáng)系統(tǒng)(ACSES)，國家客運鐵路公司(Amtrak)也實施了相似的活動。目前有11個不同PTC系統(tǒng)項目在開發(fā)和實施，包括16個州的9條鐵路線路，線路里程超過6400 km。

1.2 ERTMS/ETCS

在歐盟有超過20種鐵路控制系統(tǒng)，每套系統(tǒng)都是獨立的、不兼容的，這為列車在歐洲各國之間安全行駛增加了鐵路控制系統(tǒng)交叉區(qū)域總交接成本，需要高昂的集成成本和繁重的工作。例如: Thalys鐵路在巴黎(法國)—布魯塞爾(比利時)—阿姆斯特丹(荷蘭)—科隆(德國)之間的線路上設(shè)置有7種鐵路控制系統(tǒng)，帶來了相當(dāng)多的支出，限制了歐洲鐵路的競爭力，阻礙了歐洲鐵路運輸發(fā)展。

ERTMS/ETCS作為一個統(tǒng)一的歐洲列車控制系統(tǒng)，設(shè)計為可以在歐洲大陸上逐漸取代現(xiàn)有不兼容系統(tǒng)的列車控制系統(tǒng)，對提高國際貨運和客運的競爭力帶來了相當(dāng)多的益處。另外，ERTMS/ETCS可以說是世界上最高性能的列車控制系統(tǒng)，在節(jié)約維護(hù)成本、增強(qiáng)可靠性、提高正點率和交通運力方面具有顯著優(yōu)勢。ERTMS/ETCS在歐洲以外的國家或地區(qū)同樣獲得了成功，例如中國、印度、中國臺灣地區(qū)、韓國和沙特等。

2 系統(tǒng)主要功能

列車控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)列車在鐵路線上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式進(jìn)行監(jiān)督、控制和調(diào)整，起保證行車安全、提高運輸效率、節(jié)省能源、改善員工勞動條件的作用。從技術(shù)發(fā)展的趨勢看，系統(tǒng)向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化與智能化的方向發(fā)展。

2.1 PTC系統(tǒng)

PTC系統(tǒng)具有防護(hù)列車相撞、防止超速脫軌、保護(hù)鐵路人員(線路養(yǎng)護(hù)、橋梁和信號維護(hù))生命安全，以及在限制區(qū)防止列車進(jìn)入，在列車停車點防止列車移動等功能。PTC系統(tǒng)的復(fù)雜性很大程度上取決于自動化水平、實現(xiàn)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、地面系統(tǒng)(如無信號、閉塞信號、機(jī)車信號等)和列車控制等級。

PTC系統(tǒng)適用于貨運鐵路、城際高速鐵路，具有閉環(huán)控制、車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線傳輸位置報告和行車許可等特征。FRA要求PTC系統(tǒng)除了具有防止列車相撞、強(qiáng)制速度限制、保護(hù)軌道上工作人員及設(shè)備安全等功能外，還要具有更精確的列車跟蹤和運行管理能力，以期縮短列車間隔時間、增加運力、降低工作量、減少軌旁電子設(shè)備。

2.2 ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS主要完成監(jiān)控列車運行速度、傳輸控車信息、列車定位和執(zhí)行行車許可等功能。在不同的使用條件下，ERTMS/ETCS可以分為不同的等級，具有不同的子系統(tǒng)或設(shè)備。ERTMS/ ETCS-2級是一個基于數(shù)字無線通信的列車防護(hù)系統(tǒng)，機(jī)車上除了指示儀表盤，還顯示行車許可和線路信息，可以免去軌旁的信號系統(tǒng)，但是軌道占用順序邏輯檢查和列車完整性檢查仍然要保留軌旁設(shè)備。

圖1 美國PTC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，所有列車需自動地向無線閉塞中心(RBC)定期報告精確位置和行進(jìn)方向。RBC實時監(jiān)控列車的移動信息。行車許可通過GSM-R不斷地向列車發(fā)送，同時還傳送速度信息和線路數(shù)據(jù)。在這個等級中，歐洲應(yīng)答器被當(dāng)做一個被動的定位信標(biāo)，稱之為“電子公里標(biāo)”，列車在2個定位信標(biāo)之間通過傳感器(軸端速度傳感器、加速度計和雷達(dá))判別自身的位置，定位信標(biāo)被用作校正距離測量誤差的參考點。車載計算機(jī)可實時監(jiān)控傳送的數(shù)據(jù)和允許速度。

圖2 ERTMS/ETCS-2級示意圖

這2個系統(tǒng)在主要功能上差異不大，但其實現(xiàn)方法有較大不同，主要體現(xiàn)在列車定位和控車信息傳輸功能實現(xiàn)上，故需對這2種功能進(jìn)行分析。

3 列車定位功能

列車定位功能可實時判定列車的精確位置信息，能為列車安全運行、運行自動化和調(diào)度提供重要的信息。

3.1 PTC系統(tǒng)

PTC系統(tǒng)通過GPS獲取列車位置的地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)并與線路地理數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而得出該時刻的列車位置信息。然而，從GPS獲取的列車經(jīng)緯度信息會有一定的偏差，這對于列車精確控制系統(tǒng)而言，足以對列車安全行駛和制動曲線的精確性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需要對位置信息進(jìn)行修正。故PTC系統(tǒng)在判定列車位置之前，使用加速度計、光纖陀螺和轉(zhuǎn)速計探測出列車加速度數(shù)據(jù)、橫向加速度數(shù)據(jù)及列車速度數(shù)據(jù)，經(jīng)卡爾曼濾波去除噪聲后得到真實加速度和速度信息，再結(jié)合線路信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，最后得到列車實際位置信息(如圖3所示)。

圖3 列車定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理示意圖

該方案主要依賴于GPS的精度和實時性，加速度計、光纖陀螺和轉(zhuǎn)速計作為輔助設(shè)備同樣對列車精確位置判定起著重要作用。使用衛(wèi)星對列車位置進(jìn)行定位，不需要在軌道上安裝軌旁設(shè)備，方案實現(xiàn)簡單;但是衛(wèi)星資源有限，需要確保列車運行過程中GPS可靠地向列車傳送經(jīng)緯度信息，因此GPS的定位精度和定位時間是主要考慮的問題。

3.2 ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS使用軌旁設(shè)備對列車進(jìn)行定位，應(yīng)答器滿足ERTMS/ETCS各個級別列車定位的基本功能。應(yīng)答器在軌道上每隔一段距離安裝1個，其中存有線路數(shù)據(jù)信息和其他信息。列車經(jīng)過時，該設(shè)備向列車發(fā)送信息，列車通過判斷得出自身的位置信息。在2個應(yīng)答器之間區(qū)段，車載設(shè)備還可借助其他設(shè)備進(jìn)行判定。在ERTMS/ETCS-2級中，列車使用軸端速度傳感器、加速度計和雷達(dá)等傳感器判定自身的位置信息。歐洲應(yīng)答器通常被用來作為校正距離測量誤差的參考點。

該方案主要依靠歐洲應(yīng)答器來實現(xiàn)列車定位功能。同時在ERTMS/ETCS-2級中，軸端速度傳感器、加速度計和雷達(dá)等傳感器作為主要設(shè)備，在列車定位中也發(fā)揮重要作用。其優(yōu)點是使用軌旁設(shè)備可以可靠地實現(xiàn)列車定位;但隨著大量軌旁設(shè)備的使用，也給工程設(shè)計和施工帶來了負(fù)面影響，增加了系統(tǒng)成本。

2種方案均能實現(xiàn)高速鐵路的列車定位功能。PTC系統(tǒng)的GPS解決方案可以將軌旁設(shè)備數(shù)量降到最低。但由于GPS為美國獨有技術(shù)，對于其他國家或地區(qū)而言，衛(wèi)星資源分配問題成為了該技術(shù)作為列車定位功能解決方案的主要瓶頸之一。使用應(yīng)答器和其他設(shè)備作為列車定位功能解決方案，則成為了最佳通用解決方案，然而其高昂的系統(tǒng)成本，又成為鐵路運營商不得不考慮的因素之一。

4 控車信息傳輸功能

控車信息包括列車位置、行車許可、速度限制、調(diào)車和其他等信息，是列車控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)信息，其準(zhǔn)確性和實時性保證了列車在線路上安全運行。

4.1 PTC系統(tǒng)

PTC系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息傳輸功能使用無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)來完成，如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性直接關(guān)系著PTC系統(tǒng)能否成功地對列車進(jìn)行自動運行控制。為了應(yīng)付目前復(fù)雜鐵路運輸?shù)男枨螅髷?shù)字無線網(wǎng)絡(luò)具有足夠的通信信道和大數(shù)據(jù)吞吐量。

使用該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于技術(shù)成熟，可兼容目前常見的無線網(wǎng)絡(luò);缺點是缺乏保證開放式無線網(wǎng)絡(luò)安全性的技術(shù)手段。同時，為了滿足鐵路運輸中越來越龐大的數(shù)據(jù)交互信息，無線數(shù)據(jù)通信信道的合理分配和大數(shù)據(jù)吞吐量也是需要解決的問題。

4.2 ERTMS/ETCS

在ERTMS/ETCS中，列車的行車控制判斷主要由車載設(shè)備完成。在ERTMS/ETCS-1級中，列車控制中心通過軌旁電子單元，將行車信息數(shù)據(jù)發(fā)送給歐洲應(yīng)答器，當(dāng)有車經(jīng)過該應(yīng)答器時，應(yīng)答器向車載設(shè)備發(fā)送該應(yīng)答器管轄線路范圍內(nèi)的行車數(shù)據(jù)信息。在該ERTMS/ETCS等級下，行車信息通過有線傳輸給歐洲應(yīng)答器，而后在列車經(jīng)過該應(yīng)答器時，通過電磁信號將行車信息傳送給列車。在ERTMS/ETCS-2和ERTMS/ETCS-3級中，行車許可和其他重要行車信息交由RBC統(tǒng)一管理和發(fā)送。通過在鐵路沿線架設(shè)全球移動通信系統(tǒng)(GSM)天線，將車載設(shè)備和RBC通過GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈接，行車信息通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在該級別下，歐洲應(yīng)答器只提供固定點的線路信息和限速信息。

2種系統(tǒng)使用了2種不同的解決方案完成了控車信息傳輸功能。PTC系統(tǒng)使用數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)，在信息通信方面十分成熟，保證了控車信息傳輸過程中的可靠性。但控車信息內(nèi)容多、用戶數(shù)據(jù)隨時更改的特性，使得在制定控車信息通信協(xié)議時需要考慮合理性和擴(kuò)展性。同時，通信協(xié)議需要考慮在開放式網(wǎng)站中傳輸信息的安全性。在ERTMS/ETCS中，使用多種通信方法和設(shè)備進(jìn)行控車信息數(shù)據(jù)交互，各設(shè)備管轄控車信息范圍清晰，通信協(xié)議簡單。但使用過多設(shè)備進(jìn)行控車信息傳輸，就使得通信管理變得復(fù)雜。

5 其他功能或設(shè)備

除了上述2種主要功能的實現(xiàn)方法有很大區(qū)別外，2種列車控制系統(tǒng)中制動曲線的計算和生成也在不同的設(shè)備中實現(xiàn)。PTC系統(tǒng)中，車載設(shè)備將自身狀態(tài)和位置信息通過數(shù)字無線通信網(wǎng)絡(luò)傳給PTC系統(tǒng)服務(wù)器，由系統(tǒng)服務(wù)器根據(jù)行車信息數(shù)據(jù)和列車調(diào)度系統(tǒng)得到的控車信息，計算列車的制動曲線，通過數(shù)字無線通信網(wǎng)絡(luò)傳回車載設(shè)備，車載設(shè)備根據(jù)該制動曲線對列車運行進(jìn)行監(jiān)控。而在ERTMS/ETCS中，根據(jù)從RBC獲得的行車許可、列車位置信息和限速信息等，車載設(shè)備計算制動曲線，可獨立完成制動曲線生成功能。

除此之外，PTC系統(tǒng)規(guī)定為鐵路線路施工和維護(hù)人員開發(fā)一種手持便攜終端，如圖4所示。通過該設(shè)備為施工和維護(hù)人員建立一個安全的工作區(qū)，防止其他列車和軌道車突然闖入發(fā)生事故。ERTMS/ETCS的系統(tǒng)需求中，暫無此項功能需求。

6 結(jié)論

通過對2種列車控制系統(tǒng)的描述和不同點的分析，可以更加深入地了解這2種列車控制系統(tǒng)的基本功能和原理。它們都是以行車安全為首要目標(biāo)，通過各種技術(shù)手段防止危險事故的發(fā)生，均有自己的安全管理體系和風(fēng)險控制方法。

圖4 手持便攜終端(圖中虛線部分)

2種列車控制系統(tǒng)在列車運行控制方面都具有較高的技術(shù)水平，實現(xiàn)了列車運行無人干預(yù)化功能。除了少數(shù)臨時線路維護(hù)或限速條件，系統(tǒng)可實現(xiàn)列車安全監(jiān)控功能。

美國PTC系統(tǒng)目前處于研究或測試階段，在美國本土只有極少數(shù)試用段使用該系統(tǒng)作為鐵路運輸管理系統(tǒng)。而ERTMS/ETCS在歐洲及其他國家均有應(yīng)用，經(jīng)過市場考驗和實際工程應(yīng)用，ERTMS/ETCS證明了其在鐵路運輸自動化控制領(lǐng)域的優(yōu)勢和地位。由于全球定位系統(tǒng)為美國獨有技術(shù)，因此PTC系統(tǒng)在其他國家或地區(qū)使用存在一定的風(fēng)險。而且在美國本土，由于空中交通運輸行業(yè)較為發(fā)達(dá)，鐵路運輸行業(yè)整體低迷，因此PTC系統(tǒng)能否在美國得到廣泛發(fā)展存在疑問。

目前鐵路運輸管理系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，我國已有了自主研發(fā)的列車運行控制系統(tǒng)(CTCS)。而且，隨著中國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)商用化進(jìn)程的啟動，我國鐵路運輸管理系統(tǒng)/列車控制系統(tǒng)的列車定位有了更多的選擇。在我國經(jīng)濟(jì)利好、技術(shù)水平提高的前提下，必將會研究出具有國際先進(jìn)水平的鐵路運輸管理系統(tǒng)/列車控制系統(tǒng)，并必將走出國門，在國際列車控制自動化領(lǐng)域占有一席之地。

［1］Lindsey．R，Positive train control in North America［J］．Vehicular Technology Magazine，IEEE，2009，Vol4(4): 22－26．

［2］William C．Vantuono，BNSF Starts Positive Train Control Trial［J］．Intl．Railway J．a(chǎn)nd Rapid Transit Rev．2004，Vol44(3):12．

［3］Federal Railroad Administration，North American Joint Positive Train Control System Four－Quadrant Gate Reliability Assessment［J］．Research Results RR08－10，October 2008．

This paper introduces Positive Train Control system and European Railway Traffic Management System in terms of system background，development history and present outlines．The system functions are described and the implementation methods of train location and data transmission functions are analyzed together with a comparison of the technical difficulties，advantages and disadvantages of those methods in the two system．Finally，the prospects of marketing development of the two systems are analyzed and a survey of automatic control technologies in Chinese railway is presented．

Train control system;Positive train control，European railway traffic management system; European train control system

北京和利時系統(tǒng)工程有限公司100176北京

*博士＊＊高級工程師

2011-07-27

(責(zé)任編輯:諸紅)