CTCS應(yīng)用等級定義與發(fā)展

陳鋒華

(北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073)

CTCS應(yīng)用等級定義與發(fā)展

陳鋒華

(北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073)

通過簡要回顧CTCS應(yīng)用等級定義現(xiàn)狀，從應(yīng)用需求、技術(shù)兼容和體系發(fā)展3個方面探討CTCS應(yīng)用等級的意義。在此基礎(chǔ)上，分析了CTCS應(yīng)用等級在“C0改”系統(tǒng)研究和ATP技術(shù)進一步應(yīng)用過程中遇到的問題，提出時速160 km線路應(yīng)用CTCS系統(tǒng)等級定義以及不同CTCS等級車載設(shè)備兼容性建議。

CTCS；應(yīng)用等級；車載設(shè)備；定義

1 CTCS應(yīng)用等級定義與現(xiàn)狀

2004年原鐵道部發(fā)布了《CTCS技術(shù)規(guī)范總則》（暫行）（以下簡稱《總則》）?！犊倓t》參照ETCS等國外標準，結(jié)合中國鐵路具體情況給出了CTCS的定義、目標和體系框架。CTCS列車運行控制系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)配置按功能劃分為5個應(yīng)用等級，即CTCS-0至CTCS-4級?！犊倓t》系統(tǒng)描述了各應(yīng)用等級的定義、基本配置和基本功能[1]。

在總則指引下，CTCS技術(shù)取得了長足發(fā)展，尤其是CTCS-2和CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)，在我國高速鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，并不斷成熟，相應(yīng)地面設(shè)備運用里程累計超過1萬km，車載設(shè)備安裝數(shù)量累計超過1 200組動車組。與上述兩個應(yīng)用等級相比較，CTCS-1級和CTCS-4級系統(tǒng)尚處于定義和規(guī)劃階段，目前正在研究CTCS-1級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案。

2 CTCS應(yīng)用等級定義的作用和意義

CTCS借鑒ETCS的經(jīng)驗，定義了應(yīng)用等級（Application Level）。本文試圖站在總結(jié)的視角，回望CTCS技術(shù)10年的發(fā)展，從應(yīng)用需求、技術(shù)兼容和體系發(fā)展3個方面探討CTCS應(yīng)用等級定義的作用和意義。

2.1 CTCS應(yīng)用等級定義與應(yīng)用需求

CTCS應(yīng)用等級的定義雖然很大程度上借鑒了ETCS的經(jīng)驗，但是從根本上來說是根植于中國鐵路實際情況，著眼于中國鐵路應(yīng)用需求提出的。

CTCS除了類似ETCS那樣，根據(jù)車－地控制信息的傳輸方式不同，定義了CTCS-2級和CTCS-3級系統(tǒng)；根據(jù)列車定位和完整性檢查所依賴的技術(shù)手段不同，區(qū)分了CTCS-3級和CTCS-4級系統(tǒng)。更重要的是CTCS應(yīng)用等級定義還框定了不同應(yīng)用等級系統(tǒng)所適應(yīng)的鐵路線路速度等級，并隨著CTCS的應(yīng)用實踐不斷明晰，比如：CTCS-2級系統(tǒng)適用于時速200～250 km高速鐵路區(qū)段；CTCS-3級系統(tǒng)適用于時速300 km及以上高速鐵路區(qū)段。

雖然業(yè)界對這種以適用線路速度對CTCS應(yīng)用等級的框定也曾提出質(zhì)疑，但是實踐表明，按適用線路速度進行的CTCS應(yīng)用等級劃分滿足了鐵路運輸和技術(shù)創(chuàng)新的應(yīng)用需求，支撐了中國高速鐵路建設(shè)，并使CTCS技術(shù)走在世界前列發(fā)揮了關(guān)鍵指引作用。

2.2 CTCS應(yīng)用等級定義與技術(shù)兼容

CTCS應(yīng)用等級的定義從系統(tǒng)層面解決ATP技術(shù)兼容性問題，使CTCS的發(fā)展和應(yīng)用具有更強的生命力。

首先通過CTCS等級定義系統(tǒng)解決了車－地控制信息互聯(lián)互通的問題。CTCS系統(tǒng)通過對軌道電路低頻碼信息定義與分配，實現(xiàn)低頻碼信息含義的唯一性和一致性。另一方面通過引進ETCS語言和信息包，確定了線路速度、線路坡度等線路信息定義，同時根據(jù)CTCS要求擴展了軌道電路區(qū)段信息定義。CTCS系統(tǒng)對車－地控制信息的定義具有跨等級的特征，它使得從CTCS-0級系統(tǒng)發(fā)展起來的軌道電路低頻信息定義和從CTCS-2級系統(tǒng)發(fā)展起來的應(yīng)答器信息包定義跨越了應(yīng)用等級的限制，成為CTCS不同等級共同遵循的車－地信息交互“語言”，為車地設(shè)備和功能互聯(lián)互通奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

其次是通過CTCS等級定義系統(tǒng)解決了車地設(shè)備配置和兼容的問題。CTCS技術(shù)總則將列控系統(tǒng)分為地面設(shè)備和車載設(shè)備兩大部分，并簡要定義和描述了軌道電路、點式信息設(shè)備、列控中心、無線閉塞中心、無線通信地面設(shè)備；以及車載安全計算機、人機接口等車載設(shè)備，并確定了不同CTCS等級的設(shè)備配置，以及系統(tǒng)車載設(shè)備向下兼容的CTCS級間關(guān)系。

CTCS-3級系統(tǒng)沒有照搬ETCS2級系統(tǒng)定義和設(shè)備配置，而是將CTCS-2級系統(tǒng)中的列控中心設(shè)備及軌道電路編碼原則，以及應(yīng)答器報文定義和運用原則引入CTCS-3級列控系統(tǒng)中，不論是地面設(shè)備還是車載設(shè)備均能夠兼容CTCS-2級功能，實現(xiàn)了故障條件下，車載設(shè)備可以不停車由CTCS-3級降級進入CTCS-2級后備模式運行。實踐表明，CTCS應(yīng)用等級定義的創(chuàng)新，為CTCS-3級列控系統(tǒng)在時速300 km及以上高速鐵路上成功應(yīng)用發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

另外，為系統(tǒng)解決我國鐵路復(fù)雜的線路臨時限速運輸需求，在CTCS基本設(shè)備配置的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出設(shè)置臨時限速服務(wù)器（TSRS）設(shè)備的解決方案，應(yīng)用于CTCS-2和CTCS-3級系統(tǒng)，實現(xiàn)兩個應(yīng)用等級列控系統(tǒng)臨時限速功能和設(shè)備配置的一致性與兼容性。

2.3 CTCS應(yīng)用等級定義與體系發(fā)展

CTCS應(yīng)用等級定義不僅滿足鐵路運輸和工程建設(shè)需求，同時還成為CTCS重要的技術(shù)構(gòu)架設(shè)計之一，從系統(tǒng)層面把握住技術(shù)兼容和互聯(lián)互通的難題。

CTCS應(yīng)用等級定義的另一方面的重要意義還在于它系統(tǒng)規(guī)劃了中國列車控制系統(tǒng)的發(fā)展框架和技術(shù)路徑，使得我國鐵路列車自動防護（ATP）技術(shù)的發(fā)展避免了歐洲國家走過的彎路，將我國鐵路信號技術(shù)的發(fā)展直接提升到以實現(xiàn)列車自動安全防護為目標，全方面、系統(tǒng)化、成體系的系統(tǒng)技術(shù)高度。

上述轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在CTCS應(yīng)用等級定義對技術(shù)標準體系的影響上。在CTCS技術(shù)總則及等級定義基礎(chǔ)上，在工程建設(shè)需求和實踐經(jīng)驗總結(jié)的驅(qū)動下，形成了包括：通用、系統(tǒng)、設(shè)備、接口、工程實施、運用維護、測試評估等7大類40多個技術(shù)規(guī)范文件，這些技術(shù)規(guī)范形成具有內(nèi)在聯(lián)系、科學(xué)的系統(tǒng)，使CTCS技術(shù)標準體成為中國高速鐵路標準體系的重要組成部分[2]。

上述轉(zhuǎn)變還體現(xiàn)在CTCS等級定義對信號技術(shù)發(fā)展的影響上。在初步完成CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用后，業(yè)界能夠統(tǒng)一思想，集中力量研究CTCS-1和CTCS-4級列控系統(tǒng)和發(fā)展路徑。

3 CTCS應(yīng)用等級定義面臨的新問題

CTCS應(yīng)用等級定義有力推動了我國高速鐵路列控系統(tǒng)發(fā)展，但是在CTCS技術(shù)總則發(fā)布10年后，CTCS應(yīng)用等級定義面臨新的問題。第一是根據(jù)2013年發(fā)布的最新鐵路技術(shù)政策要求，發(fā)展基于應(yīng)答器提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)技術(shù)[3]，即“C0改”系統(tǒng)研究的問題；第二是ATP技術(shù)擴大應(yīng)用，實現(xiàn)既有干線鐵路客貨列車裝備車載ATP設(shè)備，進而實現(xiàn)CTCS技術(shù)平臺化，即ATP技術(shù)進一步發(fā)展應(yīng)用的問題。

3.1 “C0改”系統(tǒng)研究的問題

CTCS-0級列車運行監(jiān)控記錄設(shè)備（LKJ）采用車載設(shè)備集中存儲數(shù)據(jù)的方式，使得走行線路上任何一處線路參數(shù)的變化，均需要進行LKJ數(shù)據(jù)更新和機車車載設(shè)備數(shù)據(jù)換裝。在目前我國鐵路機車長交路大面積運用，機車調(diào)配頻繁、既有線路施工改造多，出現(xiàn)大量的LKJ數(shù)據(jù)變化，頻繁的跨路局數(shù)據(jù)傳遞和LKJ設(shè)備芯片數(shù)據(jù)換裝。

為解決上述問題，開展了應(yīng)答器提供LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)總體技術(shù)方案的研究，總體技術(shù)方案的主要內(nèi)容是：在保持既有LKJ設(shè)備操作方式、控制模式、顯示界面基本不變的情況下，通過在車站進、出站端一定距離范圍內(nèi)設(shè)置無源應(yīng)答器設(shè)備，通過應(yīng)答器報文描述LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。上述技術(shù)方案研究在相關(guān)科研課題支持下，完成現(xiàn)場初步試驗，驗證了總體技術(shù)方案的可行性。但是，如何將應(yīng)答器提供LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方案納入到CTCS應(yīng)用等級定義中來，進一步完善CTCS應(yīng)用等級定義，成為當前CTCS發(fā)展需要研究的問題之一。

3.2 ATP技術(shù)進一步發(fā)展應(yīng)用的問題

我國鐵路ATP技術(shù)應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷兩個重要階段。第一是20世紀90年代初期引進法國的UM71和TVM300系統(tǒng)，先后在京廣線鄭武段和廣深線實施，實現(xiàn)按“階梯式”速度控制曲線對列車進行超速防護；第二是21世紀初期開始借鑒歐洲ETCS技術(shù)，研究發(fā)展CTCS技術(shù)體系，并通過技術(shù)引進和集成創(chuàng)新在我國高速鐵路上實施，實現(xiàn)了按“連續(xù)式”速度控制曲線對列車的超速防護。

回顧ATP技術(shù)發(fā)展歷程，結(jié)合當前鐵路運輸及CTCS技術(shù)體系發(fā)展需求，我國鐵路ATP技術(shù)的未來發(fā)展可能有兩個方向。第一是在既有或新建時速160 km鐵路上推廣應(yīng)用ATP技術(shù)，在機車上裝備ATP車載設(shè)備，實現(xiàn)客貨列車超速防護，進一步提升既有線運輸安全技術(shù)保障水平；第二是推進CTCS關(guān)鍵技術(shù)裝備發(fā)展，在集成創(chuàng)新的基礎(chǔ)上實現(xiàn)原始創(chuàng)新，特別是車載設(shè)備的原始創(chuàng)新，實現(xiàn)技術(shù)裝備平臺化，進而推進CTCS技術(shù)體系的可持續(xù)發(fā)展。

上述兩個ATP技術(shù)發(fā)展方向可以獨立進行，也可以結(jié)合開展，但無論是哪一個發(fā)展方向，均需要進一步研究CTCS應(yīng)用等級定義，使之能夠指導(dǎo)并規(guī)范我國ATP技術(shù)的發(fā)展。

4 CTCS應(yīng)用等級發(fā)展建議

4.1 ETCS應(yīng)用等級定義的啟示

ETCS最早于1996年提出，以解決歐洲高速鐵路互聯(lián)互通問題，2004年互聯(lián)互通概念及需求擴展至常規(guī)鐵路（Conventional Railway），目前已成為歐洲鐵路的法定強制規(guī)范，要求所有新建、提速（升級）和改造的線路及車載設(shè)備必須滿足ETCS要求。ETCS分為0～3級共4個應(yīng)用等級，應(yīng)用等級定義并不是一成不變的，而是根據(jù)歐洲鐵路運輸和建設(shè)的需求，進行不斷的修改和完善，最典型的是在ETCS1級的基礎(chǔ)上發(fā)展了ETCS L1LS（Limited Supervision，有限監(jiān)控）模式和ETCS3級的變種：區(qū)域ERTMS。

與常規(guī)的完全監(jiān)控模式相比較，ETCS L1LS模式下，車載設(shè)備可以不依賴應(yīng)答器傳輸?shù)囊苿邮跈?quán)信息，而使用其他系統(tǒng)提供的行車許可命令。由于設(shè)計了ETCS L1LS模式，使得既有鐵路進行ETCS1級改造時，可以繼續(xù)使用既有的地面設(shè)備生成并傳輸移動授權(quán)，所以僅需要增加少量的E1地面設(shè)備，就能完成線路改造升級[4]。ETCS L1LS模式最先由法國鐵路于2004年正式提出，并于2012年被正式納入ETCS技術(shù)互聯(lián)規(guī)范（TSI）V3.0.0版本中。有研究表明在保證相同的運輸能力情況下，與單純的ETCS1級系統(tǒng)相比較，ETCS L1LS僅需要一半的建設(shè)成本。德國鐵路已經(jīng)宣布至少在10條既有線路上采用ETCS L1LS。

區(qū)域ERTMS是ETCS3級的一個變種，對于運行速度較低和運輸密度較小的線路，由于區(qū)間落車導(dǎo)致沖突的概率和影響有限，因此區(qū)域ERTMS沒有設(shè)計ETCS3級規(guī)定的列車完整性檢查功能，也沒有采用移動閉塞，僅采用ETCS3級系統(tǒng)所規(guī)定的基本原理和體系結(jié)構(gòu)，比如不需要復(fù)雜的地面信號設(shè)備，因此，區(qū)域ERTMS建設(shè)成本非常低，它適用于尚未裝備ATP系統(tǒng)的低密度運輸線路。2012年在瑞典西部正式開通一條區(qū)域ERTMS試驗線。

4.2 CTCS應(yīng)用等級定義的建議

結(jié)合CTCS應(yīng)用等級定義的作用和意義，以及所面臨的新問題，參考ETCS發(fā)展帶來的啟示，從CTCS系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展出發(fā)，本文對CTCS應(yīng)用等級定義提出兩點建議。

第一，應(yīng)盡快確定CTCS技術(shù)在既有和新建時速160 km線路上的應(yīng)用等級。

從目前的研究來看，在上述線路上應(yīng)繼續(xù)采用以軌道電路和應(yīng)答器作為主要車－地控制信息傳輸手段的“點連式”控制系統(tǒng)方案。因此，可以充分借鑒CTCS-2級列控系統(tǒng)技術(shù)方案，通過優(yōu)化功能需求，一方面適應(yīng)時速160 km線路自動閉塞、半自動閉塞和站間閉塞等多種閉塞制式要求，另一方面又能簡化CTCS系統(tǒng)地面設(shè)備配置，便于既有線路改造實施，并獲得較低的綜合造價。

從技術(shù)角度看，上述系統(tǒng)可以作為CTCS-2級列控系統(tǒng)的一個分支，定義為CTCS-2（CR）等級，稱作CTCS-2既有線等級或CTCS-2常規(guī)鐵路等級。相應(yīng)地，現(xiàn)有CTCS-2級系統(tǒng)可以稱為CTCS-2高速鐵路等級，即CTCS-2（HS）等級。

從應(yīng)用角度看，上述系統(tǒng)可以直接定義為CTCS-1級列控系統(tǒng)，按速度等級應(yīng)用于既有或新建時速160 km及以下線路上，與CTCS-2級應(yīng)用于時速200～250 km高速鐵路區(qū)段；CTCS-3級應(yīng)用于時速300 km及以上高速鐵路區(qū)段形成承接關(guān)系，使得CTCS系統(tǒng)ATP技術(shù)完整覆蓋我國鐵路主要干線區(qū)段，形成統(tǒng)一制式。另外，將上述系統(tǒng)直接定義為CTCS-1應(yīng)用等級，也可以明確方向、減少爭論，進一步促進CTCS技術(shù)發(fā)展。

第二，應(yīng)盡快確定CTCS各應(yīng)用等級車載設(shè)備功能兼容性需求。在實施總則提出的CTCS車載設(shè)備向下兼容的基礎(chǔ)上，應(yīng)明確車載設(shè)備是跨一個等級還是跨多個等級向下兼容?？缫粋€等級向下兼容，即類似目前CTCS-3級列控車載設(shè)備，它跨一個等級向下兼容CTCS-2級線路運行需求，但不能再向下兼容CTCS-0級線路運行需求。跨多個等級向下兼容，即CTCS高等級車載設(shè)備可以滿足后續(xù)全部低等級CTCS運行功能要求，如CTCS-3級車載設(shè)備可以運行于CTCS-3、2、1、0級線路，相應(yīng)的CTCS-2級車載設(shè)備可以運行于CTCS-2、1、0級線路。

建議車載設(shè)備功能應(yīng)跨多個等級兼容，以滿足我國鐵路對動車組、機車的靈活調(diào)配和長交路運行需求，增強CTCS系統(tǒng)的適應(yīng)性。在滿足車載設(shè)備功能兼容設(shè)計的基礎(chǔ)上，可以考慮設(shè)備配置的靈活性。比如裝備CTCS-3級車載設(shè)備的動車組，如果僅需兼容運行于CTCS-2級線路，不需要運行于CTCS-1和CTCS-0級線路，則可以不配置與CTCS-1、0等級相關(guān)的軟、硬件模塊，以降低車載設(shè)備造價。同時在有需求時，又可以方便地進行車載功能調(diào)整和擴展配置。

5 結(jié)論

CTCS應(yīng)用等級定義是CTCS系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一，是CTCS技術(shù)發(fā)展的重要指引。CTCS技術(shù)經(jīng)過10年發(fā)展，面臨新的機遇和挑戰(zhàn)，特別是如何發(fā)展CTCS-1級系統(tǒng)，如何擴大應(yīng)用ATP技術(shù)，已經(jīng)成為CTCS發(fā)展需要解決的兩個緊迫問題，應(yīng)盡快完善CTCS應(yīng)用等級定義，同時明確車載設(shè)備兼容性原則，為CTCS技術(shù)的進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

[1] TJ/DW074-2004 中國列車運行控制系統(tǒng)CTCS技術(shù)規(guī)范總則（暫行）[S].北京：鐵道部科學(xué)技術(shù)司，2004.

[2]張海豐.高速鐵路CTCS技術(shù)標準體系現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鐵路通信信號工程技術(shù).2014，11（3）：91-96.

[3]中華人民共和國鐵道部 鐵路主要技術(shù)政策[S].2013.

[4] European Train Control System.[online]：www.wikipedia.org.2014.

Through the review of the present situation of СTСS level defi nition, the paper discusses the signifi cance of СTСS levels from three aspects such as application demands, technical compatibility and system development. Furthermore, it analyzes the problems in the research on "СTСS-0 reconstruction solution" and the further application of ATP system, and puts forward the defi nition of the СTСS level applied to 160km/h lines and the suggestion about the onboard equipment compatibility among different СTСS levels.

СTСS; application level; onboard equipment; defi nition

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.025

2014-11-23)