高速動(dòng)車組CTCS3型列控系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)概述
2015-04-29 00:00:00郭鷂
【摘 要】簡(jiǎn)要介紹中國(guó)CTCS3型列車控制系統(tǒng)構(gòu)成，并從供電線路保護(hù)、設(shè)備冗余設(shè)計(jì)、軟件邏輯保護(hù)等三方面對(duì)CTCS3型列車控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)原理進(jìn)行概述。
【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組；列控系統(tǒng)；安全設(shè)計(jì)
0.引言
目前，鐵路發(fā)展隨著速度和密度的提高，不同速度等級(jí)列車的跨線運(yùn)行，保證高速條件下鐵路運(yùn)輸安全的任務(wù)十分艱巨，對(duì)列控系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維護(hù)性提出了更高的要求。本文就CTCS3型列車控制（ATP）系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
1.概述
武廣線、鄭西線及京滬線等采用由CTCS2和ETCS2構(gòu)成的CTCS3雙模系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)規(guī)范包括：系統(tǒng)功能需求規(guī)范（FRS），系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS），系統(tǒng)接口規(guī)范（FIS/FFFIS）等。
CRH380新一代動(dòng)車組每個(gè)頭車上都安裝一套完整的列車保護(hù)系統(tǒng)。
兩個(gè)頭車上的列車保護(hù)系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行。僅當(dāng)被占用司機(jī)室的方向開(kāi)關(guān)指示“前進(jìn)”或“后退”方向，且被拖拽司機(jī)室的方向開(kāi)關(guān)置于0位時(shí)，該設(shè)備才被激活。
它的主要功能包括：
（1）根據(jù)路面速度要求，輔助司機(jī)控制列車行駛速度，防止列車超速或冒進(jìn)降速。
（2）自動(dòng)過(guò)分相控制。
（3）防止列車到站不停，及記錄列車運(yùn)行位置。
車載ATP系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車上設(shè)備兩大部分。地面設(shè)備由地面感應(yīng)器提供標(biāo)志信號(hào)及路線信息。車上設(shè)備接收來(lái)自地面的信息，并由車上控制系統(tǒng)結(jié)合車輛信息（如載重、制動(dòng)能力、列車長(zhǎng)度等）形成ATP允許的列車行駛速度，顯示在ATP的DMI上。ATP系統(tǒng)在整個(gè)行車過(guò)程中進(jìn)行速度監(jiān)控。
2.ATP系統(tǒng)構(gòu)成
每個(gè)端車各有一套ATP系統(tǒng)，每套ATP系統(tǒng)包括以下部件：
一套車載CTCS3系統(tǒng)。
一個(gè)模擬儀表顯示當(dāng)前速度，例如CTCS3系統(tǒng)的DMI故障，司機(jī)可以通過(guò)模擬儀表觀察列車當(dāng)前速度。
一套車輛系統(tǒng)TCR（軌道電路讀取器）。
一套DMS，無(wú)線傳輸設(shè)備，用于發(fā)送ATP工作狀態(tài)。
另外各頭車還有一套GFX-3A裝置和一套CIR列車無(wú)線電系統(tǒng)。
每輛頭車的CTCS3系統(tǒng)包括以下部件：
1臺(tái)CTCS3主機(jī)。
2臺(tái)速度傳感器，用來(lái)獲取TC02車或TC15車的拖軸速度。
2臺(tái)司機(jī)室人機(jī)界面DMI，用于顯示CTCS3狀態(tài)信息。
2個(gè)BTM天線，用于接收軌道線路信息。
2個(gè)GSM-R天線，通過(guò)GSM-R連續(xù)傳送列車運(yùn)行控制命令，車-地間可雙向通信。
3.ATP系統(tǒng)保護(hù)
ATP系統(tǒng)保護(hù)主要從供電線路保護(hù)、設(shè)備冗余設(shè)計(jì)以及中央控制單元軟件邏輯保護(hù)等幾方面進(jìn)行說(shuō)明。
3.1供電線路保護(hù)
ATP系統(tǒng)電源由本牽引單元的BN直流110V提供。由BN1供電的負(fù)載包括：
CTCS3主機(jī)。
DMI顯示器。
動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)。
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)。
數(shù)據(jù)記錄單元和過(guò)分相設(shè)備由BN1/BD直流110V供電，主要是為了保證BN1線路故障情況下，BD可以繼續(xù)為設(shè)備進(jìn)行供電。
每個(gè)負(fù)載設(shè)備均設(shè)有空氣斷路器進(jìn)行過(guò)載、過(guò)流及缺相保護(hù)功能。
3.2 ATP系統(tǒng)設(shè)備冗余設(shè)計(jì)
ATP系統(tǒng)為了保證列車安全運(yùn)行，因此增加冗余性能：
兩個(gè)速度傳感器（=44-B01和=44-B02）。
兩個(gè)應(yīng)答器主機(jī)（=44-T01和=44-T02）。
兩個(gè)GSM-R天線（=44-T03和=44-T04）。
兩個(gè)CTCS雷達(dá)（=44-A02和=44-A03）。
兩個(gè)ATP顯示器（=44-K24和=44-K25）。
兩個(gè)應(yīng)答器主機(jī)（=44-T11和=44-T12）。
兩個(gè)TCR天線（=44-T11和=44-T12）。
四個(gè)GFX-3A天線（=44-T31，=44-T32，=44-T33，=44-T34）。
在任意一個(gè)設(shè)備故障情況下，剩下的一個(gè)都可以繼續(xù)工作。
3.3中央控制單元軟件邏輯保護(hù)
3.3.1 CTCS3主機(jī)共有3種工作狀態(tài)：分別是運(yùn)行、待機(jī)、休眠
當(dāng)CTCS3供電空開(kāi)閉合后，隔離開(kāi)關(guān)打到正常位時(shí)，CTCS3主機(jī)會(huì)向TCMS輸入DI信號(hào)“ISOL_CTCS_BYPAS_1L=1”且“ISOL_CTCS_BYPAS_2H=0”（ISOL_CTCS_BYPAS_1L=0”且“ISOL_CTCS_BYPAS_2H=1”是CTCS3隔離狀態(tài)，“ISOL_CTCS_BYPAS_1L=1”且“ISOL_CTCS_BYPAS_2H=1”或者ISOL_CTCS_BYPAS_1L=0”且“ISOL_CTCS_BYPAS_2H=0”是CTCS3系統(tǒng)故障狀態(tài)，MMI將產(chǎn)生診斷信息“CTCS3系統(tǒng)故障”，并且屏蔽CTCS3主機(jī)輸出的所有信號(hào)），CTCS3主機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)其中一端啟用司機(jī)室鑰匙，并且方向開(kāi)關(guān)移出0位，此時(shí)CTCS3主機(jī)進(jìn)入運(yùn)行工作狀態(tài)，另外一端非占用司機(jī)室處于休眠狀態(tài)。
在司機(jī)換端過(guò)程中，兩端CTCS3主機(jī)均處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)司機(jī)換端成功后，占用司機(jī)室端CTCS3主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，另一端處于休眠狀態(tài)。
只有在蓄電池接通的情況下，CTCS3主機(jī)才能夠工作。如果CTCS3系統(tǒng)發(fā)生故障，可以通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)將主機(jī)輸出DI信號(hào)屏蔽掉（即CTCS_Valid Signal=0、 CTCS_Section Order=0），也可以通過(guò)NFB讓CTCS3斷電。
3.3.2安全制動(dòng)保護(hù)
CTCS3可以輸出4級(jí)制動(dòng)指令，分別是1、4、7級(jí)常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。其中1、4、7級(jí)常用制動(dòng)指令由CTCS3主機(jī)用硬線與繼電器連接，再通過(guò)電觸點(diǎn)信號(hào)與端車BCU單元的相應(yīng)制動(dòng)接口連接，制動(dòng)力大小由BCU計(jì)算得出并施加；緊急制動(dòng)指令，是通過(guò)斷開(kāi)CTCS3主機(jī)中的電觸點(diǎn)來(lái)控制緊急制動(dòng)安全環(huán)路EBL斷開(kāi)，從而施加緊急制動(dòng)。7級(jí)常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)用于控制動(dòng)車組在加速過(guò)程中超速，1級(jí)和4級(jí)常用制動(dòng)用于控制動(dòng)車組在減速過(guò)程中撞線。
在列車停止時(shí)，CTCS3主機(jī)會(huì)檢測(cè)制動(dòng)手柄及牽引手柄位置信號(hào)，如果牽引手柄在“0位”且制動(dòng)手柄在“REL位”，那么CTCS3將通過(guò)7級(jí)制動(dòng)硬線信號(hào)使制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施最大常用制動(dòng)。其他手柄位置組合信號(hào)，不會(huì)觸發(fā)制動(dòng)指令。
施加1、4、7級(jí)常用制動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)DI信號(hào)CTCS_BRAKE_LEVEL1_H=1、CTCS_BRAKE_LEVEL4_H=1、CTCS_BRAKE_LEVEL7_L=0。用于中央單元區(qū)分手柄制動(dòng)指令，并進(jìn)行異常檢測(cè)。
3.3.3信息安全處理
CTCS3通過(guò)BTM天線將運(yùn)行信息（例如：速度限制，位置調(diào)整，前進(jìn)許可）傳輸傳送到CTCS3主機(jī)上。應(yīng)用這些信息，CTCS3主機(jī)為前面的運(yùn)行計(jì)算路線-速度圖。路線-速度圖反映了可接受的最大速度，它是基于軌道特征的函數(shù)。它把路線的速度輪廓和制動(dòng)曲線都計(jì)算在內(nèi)。速度輪廓（當(dāng)?shù)刈畲笏俣龋┌趹?yīng)答器傳送的軌道信息內(nèi)。CTCS3主機(jī)從軌道數(shù)據(jù)（例如有關(guān)冒險(xiǎn)和停止點(diǎn)的信息——這些信息通過(guò)應(yīng)答器傳輸）和列車數(shù)據(jù)中（制動(dòng)起始次數(shù)，常用制動(dòng)減速度——這些信息存儲(chǔ)在CTCS3主機(jī)中）計(jì)算制動(dòng)曲線。
CTCS3通過(guò)比較實(shí)際速度和路線-速度圖持續(xù)監(jiān)測(cè)可允許速度。一旦車輛的速度超過(guò)路線-速度圖，CTCS3主機(jī)首先通過(guò)DMI 給司機(jī)發(fā)出一個(gè)視聽(tīng)信號(hào)進(jìn)行警告。盡管有警告提示，如果司機(jī)仍然不減速，分級(jí)制動(dòng)就會(huì)通過(guò)硬線啟動(dòng)（常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)）。
CTCS3主機(jī)與DMI交換的信息包括：對(duì)于DMI 的有關(guān)實(shí)際速度、參考速度、與目的地距離的信息； DMI 輸出聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)警告的請(qǐng)求；通過(guò)DMI 向CTCS3主機(jī)下載數(shù)據(jù)；對(duì)CTCS3 執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試的請(qǐng)求。
3.3.4過(guò)分相區(qū)
只要CTCS3主機(jī)無(wú)故障，將會(huì)向CCU一直輸出分相有效信號(hào)“Valid Signal=1”。當(dāng)通過(guò)BTM天線檢測(cè)到將要通過(guò)分相區(qū)時(shí)，主機(jī)將計(jì)算即將通過(guò)分相區(qū)的整個(gè)信號(hào)輸出節(jié)點(diǎn)：無(wú)電區(qū)前將向TCMS輸出一個(gè)信號(hào)——分相指令信號(hào)“Section order=1”；當(dāng)離開(kāi)分相區(qū)后，同樣通過(guò)主機(jī)向TCMS輸出一個(gè)信號(hào)“Section order=0”。這兩個(gè)信號(hào)均為繼電器觸點(diǎn)信號(hào)（觸點(diǎn)閉合表示邏輯“真”或“有效”，觸點(diǎn)斷開(kāi)表示邏輯“假”或“無(wú)效”）。
CTCS3主機(jī)也可以通過(guò)地面應(yīng)答器進(jìn)入CTCS2控車等級(jí)，當(dāng)主機(jī)進(jìn)入CTCS2級(jí)別時(shí)，將不會(huì)向網(wǎng)絡(luò)一直輸出分相有效信號(hào)“Valid Signal=1”，而是在即將進(jìn)入分相區(qū)前，通過(guò)接收地面應(yīng)答器信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)“Valid Signal=1”，直到動(dòng)車組通過(guò)分相區(qū)后，輸出低電平信號(hào)“Valid Signal=0”。
車輛應(yīng)根據(jù)CTCS3主機(jī)輸出的分相有效信號(hào)“Valid Signal”來(lái)判斷過(guò)分相由CTCS3主機(jī)控制還是由車輛自身控制（GFX-3A過(guò)分相系統(tǒng)）。如果主機(jī)輸出“Valid Signal=1”信號(hào)，則由CTCS3控制過(guò)分相區(qū)；如果主機(jī)輸出“Valid Signal=0”，網(wǎng)絡(luò)將忽略信號(hào)“Section order”，由車載GFX-3A過(guò)分相系統(tǒng)控制動(dòng)車組通過(guò)分相區(qū)。
CTCS3與GFX-3A的信號(hào)切換：列車正常運(yùn)行時(shí)，占用司機(jī)端CTCS3與GFX-3A系統(tǒng)同時(shí)工作，但是在CTCS3主機(jī)正常的情況下，網(wǎng)絡(luò)將默認(rèn)GFX-3A系統(tǒng)輸入的DI信號(hào)為無(wú)效，利用CTCS3信號(hào)通過(guò)分相區(qū)。那么，兩系統(tǒng)將存在以下切換條件：
當(dāng)CTCS3故障開(kāi)關(guān)打到隔離位時(shí)，即ISOL_CTCS_BYPAS_1L=0、ISOL_CTCS_BYPAS_2H=1，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)復(fù)位對(duì)GFX-3A系統(tǒng)輸入DI信號(hào)的屏蔽，使用GFX-3A系統(tǒng)通過(guò)分相區(qū)。如果出現(xiàn)“SOL_CTCS_BYPAS_1L=1”且“ISOL_CTCS_BYPAS_2H=1”或者ISOL_CTCS_BYPAS_1L=0”且“ISOL_CTCS_BYPAS_2H=0”，那么網(wǎng)絡(luò)也將認(rèn)為CTCS3故障，同樣將自動(dòng)復(fù)位對(duì)GFX-3A系統(tǒng)輸入DI信號(hào)的屏蔽，通過(guò)GFX-3A系統(tǒng)控制動(dòng)車組通過(guò)分相區(qū)。
當(dāng)CTCS主機(jī)采用3級(jí)或者2級(jí)系統(tǒng)正常工作時(shí)，如果“Valid Signal=1”信號(hào)優(yōu)先于GFX_WARNING_RESET脈沖信號(hào)與GFX_HSCB_OFF脈沖信號(hào)（參考“過(guò)分相功能規(guī)范”），那么網(wǎng)絡(luò)將忽略GFX-3A系統(tǒng)輸出的GFX_WARNING_RESET脈沖信號(hào)與GFX_HSCB_OFF脈沖信號(hào)，利用“Section order=1”命令通過(guò)分相區(qū)。反之，利用GFX_WARNING_RESET脈沖信號(hào)與GFX_HSCB_OFF脈沖信號(hào)通過(guò)分相區(qū)。
4.結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上述安全設(shè)計(jì)的原理介紹，可大致了解CTCS3型ATP系統(tǒng)與動(dòng)車組之間的安全設(shè)計(jì)關(guān)系，為優(yōu)化ATP系統(tǒng)與動(dòng)車組之間安全接口提供參考。信號(hào)系統(tǒng)中的任一關(guān)鍵設(shè)備都依據(jù)故障導(dǎo)向安全的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到IEC61508中規(guī)定的安全級(jí)別4級(jí)。
