自主化CTCS-3級列控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新及裝備研制

江 明 王建敏

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070 2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 現(xiàn)狀及背景

我國自2007年開展CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)攻關(guān)以來，在原鐵道部的統(tǒng)一部署下，確定了“引進(jìn)消化吸收”的技術(shù)路線，取得了一系列的技術(shù)創(chuàng)新成果。從2009年第一條采用CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的武漢-廣州客運(yùn)專線開通至今，已建成CTCS-3級線路上萬公里。但由于部分核心部件、核心技術(shù)仍然被國外廠商壟斷，導(dǎo)致目前的列控系統(tǒng)存在如下問題，不利于我國高鐵建設(shè)及高鐵技術(shù)發(fā)展。

1）在工程建設(shè)支撐方面，部分關(guān)鍵器件采購受外方限制，影響成套設(shè)備供貨能力；復(fù)雜樞紐設(shè)計受既有設(shè)備功能和規(guī)格制約，影響中國路網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程；不同廠家設(shè)備規(guī)格存在較多差異，相互替代困難。

2）在運(yùn)營維護(hù)方面，故障率到達(dá)一定水平后難以進(jìn)一步降低，導(dǎo)致長期運(yùn)營維護(hù)壓力大；故障后不能快速解決，導(dǎo)致運(yùn)營維護(hù)響應(yīng)速度慢；核心器材更新?lián)Q代仍需外方確認(rèn)，導(dǎo)致備品備件、設(shè)備全生命周期維護(hù)困難。

3）在系統(tǒng)優(yōu)化升級方面，未轉(zhuǎn)讓技術(shù)的優(yōu)化升級由外方負(fù)責(zé)，不能嚴(yán)格按照中方需求實(shí)施，并且修改可能會引入非預(yù)期問題；軟硬件變更后的系統(tǒng)安全評估仍需外方實(shí)施，系統(tǒng)級安全掌控能力差。

4）在信息安全方面，車地?zé)o線通信加解密算法由外方設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，存在被破解的風(fēng)險。

此外，全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求繼續(xù)增大，預(yù)計“十三五”期間，我國將新增鐵路3萬km，累計投資總額4萬億以上。國家大力實(shí)施“一帶一路”和鐵路“走出去”戰(zhàn)略，帶動了世界各國高鐵建設(shè)熱情，高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的市場空間巨大。但是，由于當(dāng)前CTCS-3級列控系統(tǒng)中的個別設(shè)備并非完全自主知識產(chǎn)權(quán)，可能影響我國的高鐵“走出去”戰(zhàn)略。

為解決上述問題，進(jìn)一步促進(jìn)我國列控技術(shù)發(fā)展，研究開發(fā)完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是緊迫的、必要的。鐵路總公司2014年下達(dá)科技研究開發(fā)重點(diǎn)課題“鐵路列控關(guān)鍵技術(shù)深化研究—列車運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)備自主化技術(shù)研究”，支持中國鐵路通信信號集團(tuán)公司、中國鐵道科學(xué)研究院、北京和利時系統(tǒng)工程有限公司開展自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研發(fā)；2016年鐵路總公司安排在大同-西安客運(yùn)專線綜合試驗段開展了自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)現(xiàn)場試驗，并計劃于2018年在北京-沈陽客運(yùn)專線安排進(jìn)一步的綜合試驗。

2 CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，是我國在掌握了CTCS-2級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)進(jìn)一步提升構(gòu)建的高速列車運(yùn)行控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)平臺。它采用GSM-R無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面與列車之間控制信息雙向?qū)崟r傳輸，滿足我國高速鐵路高速度、高密度及不同速度等級動車組跨線運(yùn)行的要求。

CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是高速鐵路三大關(guān)鍵技術(shù)之一，是保障列車安全運(yùn)行和提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵技術(shù)裝備，由地面設(shè)備與車載設(shè)備組成。地面設(shè)備主要包括無線閉塞中心（RBC）、列控中心（TCC）及臨時限速服務(wù)器（TSRS），滿足200～350 km/h動車組不停車跨線運(yùn)行的互聯(lián)互通和兼容性要求。地面設(shè)備負(fù)責(zé)根據(jù)列車占用情況及進(jìn)路狀態(tài)向所管轄列車發(fā)出行車許可和列車控制信息。車載設(shè)備主要包括車載安全計算機(jī)（VC）、車載電臺（MT）、應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）、軌道電路信息讀取器（TCR）、測速測距單元（SDU）、人機(jī)交互單元（DMI）及記錄單元（JRU）等，兼容CTCS-2級列控車載功能。車載設(shè)備負(fù)責(zé)對列車運(yùn)行控制信息進(jìn)行綜合處理，生成目標(biāo)距離模式曲線，控制列車按命令運(yùn)行。

CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)滿足運(yùn)行速度350 km/h、 最小追蹤間隔3 min的要求，其技術(shù)特點(diǎn)包括[1]：

1）基于 GSM-R無線通信實(shí)現(xiàn)車地信息雙向傳輸；

2）RBC生成行車許可；

3）軌道電路實(shí)現(xiàn)列車占用檢查；

(5)投擲角度、高度過低，球沒有空間“飛行”，落地過快。糾正方法：運(yùn)用“過高繩練習(xí)法”和“遠(yuǎn)度+高繩練習(xí)法”反復(fù)練習(xí)。

4）應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)列車定位；

5）具備CTCS-2級功能。

CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的基本功能包括：

1）向司機(jī)提供安全駕駛列車的必要信息；

2）監(jiān)控列車及調(diào)車運(yùn)行；

3）采用GSM-R無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車地信息雙向傳輸；

4）具備自動過分相功能；

5）滿足跨線運(yùn)行的運(yùn)營要求；

6）具有軌道占用檢查功能；

8）具有設(shè)備制動優(yōu)先和司機(jī)制動優(yōu)先兩種控制方式，且一般采用設(shè)備制動優(yōu)先控制方式；

9）具有常用制動和緊急制動兩種制動模式；

10）具備臨時限速功能；

11）兼容 CTCS-2級列控系統(tǒng)功能。

3 自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)研制策略

CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是保障列車行車安全的核心裝備，自主化裝備的研制策略既要保證其安全性、創(chuàng)新性、自主性，又要借鑒既有列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的寶貴經(jīng)驗。研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列控車載設(shè)備、RBC等核心設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)裝備的自主化，滿足國內(nèi)鐵路運(yùn)用技術(shù)提升及高鐵走向國際的需求。

自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)吸收繼承了既有系統(tǒng)大量安全可靠的運(yùn)用經(jīng)驗，在解決自主知識產(chǎn)權(quán)問題的基礎(chǔ)上，依據(jù)中國列控標(biāo)準(zhǔn)，面向未來發(fā)展需要，重點(diǎn)考慮了系統(tǒng)裝備的標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)先進(jìn)性，以支撐當(dāng)前在用設(shè)備的長期運(yùn)用維護(hù)，支撐新建高鐵自主化列控系統(tǒng)的應(yīng)用，支撐高鐵技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化主要體現(xiàn)在三個方面，一是自主化裝備對既有裝備的可替換性，二是不同廠家設(shè)備接口和功能的統(tǒng)一性，三是與歐洲ETCS標(biāo)準(zhǔn)的鐵路互聯(lián)互通性。技術(shù)先進(jìn)性方面，通過模塊化、一體化的方式優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，采用高性能安全計算機(jī)平臺和冗余結(jié)構(gòu)提升系統(tǒng)性能和可靠性，采用先進(jìn)的通信技術(shù)和高可信密碼技術(shù)提升系統(tǒng)整體信息安全水平，采用標(biāo)準(zhǔn)化、可配置的接口技術(shù)和芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和智能化，徹底根治既有設(shè)備運(yùn)營與維護(hù)中遇到的難以突破的問題，提升中國列控裝備的國際競爭力和信息安全等級，實(shí)現(xiàn)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、自主可控的目標(biāo)。

4 自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

1）簡統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)制定

中國高鐵經(jīng)過十余年的高速發(fā)展，在既有CTCS-3級列控設(shè)備應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。例如，不同廠家的車載設(shè)備不能互換，在動車組裝備的車載設(shè)備型號未知情況下，動車組無法完成車載設(shè)備的相關(guān)布線及出廠；不同廠家車載設(shè)備啟機(jī)流程不同；不同廠家車載設(shè)備對部分功能設(shè)計不同等。為解決上述長期存在的問題，我國制定了簡統(tǒng)化系列規(guī)范，包括自主化RBC技術(shù)條件、自主化CTCS-3級列控車載設(shè)備技術(shù)條件、自主化CTCS-3級列控車載設(shè)備啟機(jī)操作流程、自主化CTCS-3級列控車載柜外設(shè)備接口等，提高了系統(tǒng)可維護(hù)性、兼容性及不同廠家設(shè)備的可互換性。

2）自主安全計算機(jī)平臺技術(shù)突破

為滿足鐵路信號列車運(yùn)行控制領(lǐng)域的高安全性與高可靠性要求，針對安全計算機(jī)平臺的安全采集、安全計算、安全通信、安全驅(qū)動以及智能檢測維護(hù)等方面，攻克了安全操作系統(tǒng)驟停及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、雙CPU信號ns級同步技術(shù)、基于有限空間狀態(tài)機(jī)輪轉(zhuǎn)的互檢測比較技術(shù)、基于光纖的高速安全通信技術(shù)、獨(dú)立多鏈路組合檢測的安全采集技術(shù)和多級動態(tài)驅(qū)動安全輸出技術(shù)，開展了系統(tǒng)關(guān)鍵信息自記錄與自診斷研究。在上述關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，研制了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的安全計算機(jī)平臺，提升了系統(tǒng)安全性和可靠性。

3）自主專用芯片技術(shù)突破

針對鐵路信號系統(tǒng)的應(yīng)用場景與需求，攻克了功能安全芯片設(shè)計技術(shù)、低功耗片上系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和先進(jìn)封裝技術(shù)，同時攻克了列控專用通信總線的片上快速實(shí)時編解碼技術(shù)，成功研制符合國際IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的專用通信芯片，并在列控裝備中獲得成功應(yīng)用，提升了中國列控裝備的國際競爭力。

4）國密算法首次使用

首次在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)安全相關(guān)設(shè)備中采用國密局推薦的國密算法，具有更高安全性和實(shí)時性，能夠有效規(guī)避車地?zé)o線通信被破解的風(fēng)險，提高了列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息安全等級。

5）RBC數(shù)據(jù)、密鑰分離

實(shí)現(xiàn)了RBC軟件與數(shù)據(jù)的分離、車地密鑰分離，減少了由于不同線路工程數(shù)據(jù)不同導(dǎo)致的軟件頻繁編譯，提高了產(chǎn)品的通用性，在僅涉及工程數(shù)據(jù)修改時，業(yè)主可以自行實(shí)施，降低了工程實(shí)施和運(yùn)營管理的風(fēng)險和難度。

6）車載全功能無縫切換技術(shù)突破

目前國內(nèi)外主流車載設(shè)備均采用冷備結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)主系發(fā)生故障時，需司機(jī)在停車情況下手動切換至備系，會對運(yùn)營效率產(chǎn)生一定影響。自主化CTCS-3級列控車載設(shè)備突破了全系統(tǒng)/功能無縫切換技術(shù)，主機(jī)、BTM、TCR等設(shè)備故障后均可在不停車情況下自動切換到另一系，提升系統(tǒng)可靠性，且對運(yùn)營效率無任何影響。

7）測速測距技術(shù)突破

由于不同列車對測速測距的傳感器安裝限制條件不同，提出了傳感器可配置的多信息融合算法，針對車載設(shè)備對速度距離信息的高安全性需求，提出了多源安全誤差容限算法和自適應(yīng)空轉(zhuǎn)打滑補(bǔ)償算法，并在自主化CTCS-3級列控車載設(shè)備成功應(yīng)用，既保證了使用的靈活性，又能有效提高測速測距的精度和安全性。

5 結(jié)束語

自主化CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，該系統(tǒng)的成功研制填補(bǔ)了國內(nèi)空白，擺脫了列車運(yùn)行控制系統(tǒng)核心設(shè)備長期受制于人的不利局面，保障了我國高速鐵路健康和可持續(xù)發(fā)展，提升了我國企業(yè)的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，同時為我國高鐵“走出去”奠定了必備基礎(chǔ)。

[1]莫志松，鄭升.高速鐵路列車運(yùn)行控制技術(shù)——CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社，2016.