北美軌道交通市場PTC系統(tǒng)

王開強

（交控科技股份有限公司，北京 100070）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和新技術(shù)元素的推動，世界軌道交通領(lǐng)域飛速發(fā)展，并通過應(yīng)用新技術(shù)元素，來滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行和運輸需求。作為世界主要軌道交通市場，美國的技術(shù)發(fā)展路線和歐洲、亞洲等地區(qū)有明顯的差異性。筆者就其主流的PTC系統(tǒng)的市場概況和技術(shù)特性作簡要陳述。

1 研究背景

主動列車控制(positive train control，PTC)系統(tǒng)在近年內(nèi)的出現(xiàn)和發(fā)展，主要源于北美軌道交通市場對安全運營的深入訴求。2008年，針對美國國內(nèi)出現(xiàn)的軌道交通事故，其主要機構(gòu)，比如聯(lián)邦鐵路局(federal railroad administration，F(xiàn)RA)和交通安全協(xié)會(national transportation safety board，TSB)認為相比傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)，PTC系統(tǒng)能更好地降低人為操作導致的故障，并顯著提高運營安全性能。據(jù)此美國國會推出了軌道安全改善法案(rail safety improvement act，RSIA)，強制要求在全國所有的載人以及部分貨運鐵路上(包括一級貨運鐵路、城際線路、通勤線路以及其他特殊要求的線路等)推行PTC系統(tǒng)，以改善運營的安全性，并設(shè)置截止日期為2015年12月31日。實行過程中，由于在市場投資和技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域遇到眾多難題，此期限被推延直至2018年，另外針對部分區(qū)域鐵路的地方性需求和成本壓力，以及二級三級鐵路的類似困難，順延至2020年[1]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)、功能和產(chǎn)品類型

2.1 PTC系統(tǒng)功能

和IEEE1474之于CBTC系統(tǒng)不同，PTC信號系統(tǒng)并沒有一個架構(gòu)清晰、層級定義、功能接口定義詳細的公認的技術(shù)標準。RSIA法案僅定義了主要的運營需求和功能要求，包括2個方面[2]：

1) 互聯(lián)互通的要求。所有基于 PTC信號系統(tǒng)運營的線路應(yīng)是可互聯(lián)互通的，支持機車跨線運營；

2) 關(guān)鍵功能的要求。PTC信號系統(tǒng)的核心功能至少要保證以下4點：

防止車輛之間的碰撞。線路可以通過配置PTC系統(tǒng)，在聯(lián)鎖進路管理的基礎(chǔ)上，通過PTC系統(tǒng)的速度監(jiān)督功能，預防車輛碰撞。應(yīng)用前提是列車須按照正確的信號或者運營規(guī)則行車。

超速防護。PTC系統(tǒng)應(yīng)基于土建限速、臨時限速以及其他速度限制對列車進行速度監(jiān)督和防護。

對于工作區(qū)和工作人員的防護。PTC系統(tǒng)須能防止在未得到正確的移動授權(quán)，或未從調(diào)度員、線路管理人員獲得確認前，列車禁止進入系統(tǒng)預設(shè)的工作區(qū)。

道岔區(qū)的防護。系統(tǒng)須對道岔進行正確的檢測；當位置未知或錯誤時，系統(tǒng)應(yīng)提供報警信息，并可根據(jù)情況采取安全措施，如：PTC系統(tǒng)可施加適當?shù)乃俣认拗疲籔TC系統(tǒng)可強迫列車停在道岔前。PTC系統(tǒng)須具有道岔位置檢測功能，當列車移動授權(quán)包括道岔時，確保道岔處于正確的位置。

2.2 PTC系統(tǒng)架構(gòu)

PTC信號系統(tǒng)可以作為一個獨立、排他的信號系統(tǒng)，而在具體實施中，更多的是按照可以在既有的信號系統(tǒng)上疊加的系統(tǒng)進行開發(fā)，其基本的系統(tǒng)架構(gòu)主要包括4方面：

1) 調(diào)度及控制中心(back office)，主要包括 PTC系統(tǒng)服務(wù)器和通信服務(wù)器，支持調(diào)度和列車控制相關(guān)的功能；

2) 軌旁信號設(shè)備(wayside equipment)，主要包括接口單元(wayside interface units，WIU)、信號機和轉(zhuǎn)轍機等基礎(chǔ)線路設(shè)備；

3) 車載部分(locomotive)，主要包括車載主機、顯示器，事件記錄器以及車輛的接口設(shè)備等；

4) 維護中心(maintenance of way)，員工手持無線終端設(shè)備以及相關(guān)支持設(shè)備等。

基本工作原理和數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 System architecture

2.3 PTC系統(tǒng)產(chǎn)品類型

基于 FRA定義的需求，目前北美市場關(guān)于 PTC主要的產(chǎn)品類型有多種，如Amtrak主導的基于應(yīng)答器的ACSES(advanced civil speed enforcement system)系統(tǒng)和ITCS (incremental train control system)系統(tǒng)，BNSF公司主導的基于GPS和無線通信的ETMS (electronic train management system)系統(tǒng)，以及 CSX，NS，UP等鐵路公司主導的可互聯(lián)互通的I-ETMS系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都在 FRA通過了相應(yīng)的形式測驗并獲得市場應(yīng)用業(yè)績。目前看來市場占用率較高且影響較大的是Amtrak主導的 ACSES系統(tǒng)和 BNSF等公司主導的I-ETMS 系統(tǒng)[3]。

ACSES系統(tǒng)由Amtrak主導，并由Alstom等信號設(shè)備公司實施的系統(tǒng)，主要應(yīng)用在美國東北部區(qū)域鐵路(NEC Corridor)，支持城際高速鐵路和通勤列車的運營，最高支持時速達240 km。其技術(shù)上最大的特點是采用軌道上安裝的應(yīng)答器進行精確定位。ACSES系統(tǒng)的雛形出現(xiàn)于20世紀的瑞典，作為一種基于應(yīng)答器的點式系統(tǒng)開始應(yīng)用。Amtrak在21世紀初被引入，并基于既有的ATC信號系統(tǒng)，陸續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)和提升性能(比如加入臨時限速管理功能，提升運營線路長度和車輛數(shù)量等)，已成為第一個FRA批準的PTC系統(tǒng)在美國東北部應(yīng)用。最新版本為ACSES II系統(tǒng)，由阿爾斯通公司研發(fā)，可在既有的ATC系統(tǒng)上疊加。

ACSES系統(tǒng)初期通過900 MHz無線通道進行信息交換，在隨后的升級版本中，出于互聯(lián)互通的需求，逐步切換到220 MHz頻段作為主要無線通信頻段。例如新澤西路網(wǎng)，其在二期建設(shè)中采用的是基于900 MHz的阿爾斯通產(chǎn)品，在三期建設(shè)規(guī)劃中，則重點考慮不同頻段無線通信的兼容問題[4，5]。

I-ETMS系統(tǒng)由若干鐵路公司聯(lián)合應(yīng)用，基本上全面滿足了RSIA的需求，并得到包括BNSF、UP、NS和CSX等眾多主流運營商的支持。與Alstom方案不同，其系統(tǒng)主要采用增強 GPS系統(tǒng)實現(xiàn)車輛定位功能。

I-ETMS系統(tǒng)主要包括 4個子系統(tǒng)，分為控制管理中心、軌旁設(shè)備、通信子系統(tǒng)、車載信號。控制管理中心作為信息接收和分發(fā)的渠道，負責與通信子系統(tǒng)、車載信號以及其他控制管理中心的接口，并不執(zhí)行任何安全功能。數(shù)據(jù)傳輸中潛在風險由車載信號等安全子系統(tǒng)防范。通信子系統(tǒng)包括有線和無線網(wǎng)絡(luò)，用來承擔各系統(tǒng)間的通信，出于互聯(lián)互通的目的，定義 220 MHz無線網(wǎng)絡(luò)為各方鐵路公司共同選擇的頻段標準[6]。

3 市場趨勢

在起初RSIA法案覆蓋范圍內(nèi)，估算的市場份額極其龐大，其改造內(nèi)容覆蓋全美一級鐵路運營范圍內(nèi)至少71%的機車編組和78%的軌旁設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，線路總長度達約52 000 km，市場份額多達130億美元。截至2017年9月30日，部分鐵路公司已經(jīng)初步完成大部分的設(shè)備安裝和系統(tǒng)改造，比如Amtrak、UP等鐵路公司，但是仍有部分鐵路公司的計劃工作沒有完成，甚至完全沒有啟動。圖2為截至2017年9月底的PTC系統(tǒng)實施狀態(tài)統(tǒng)計，分別從車載、無線、軌旁設(shè)備和培訓等幾個維度統(tǒng)計了實施狀況[7-8]。

圖2 PTC實施狀況總覽Fig.2 PTC market overview

目前北美市場內(nèi)的主流PTC系統(tǒng)供貨商眾多，且大多都有開發(fā)完畢的信號系統(tǒng)或者通信系統(tǒng)，主要包括以下6家：

Wabtec公司：提供基于ETMS的軌旁、車載等設(shè)備，其產(chǎn)品線覆蓋面廣，技術(shù)成熟，且應(yīng)用業(yè)績眾多；

MeteorComm公司：目前北美市場內(nèi)的主流無線系統(tǒng)供應(yīng)商，擁有眾多技術(shù)專利和核心技術(shù)；

GE公司：其主導的信號系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)在北美市場應(yīng)用廣泛，并在海外市場也有應(yīng)用；

Alstom公司：其提供的ACSES系統(tǒng)進入市場較早，并能很好地疊加到既有的信號系統(tǒng)上，目前主要是和Amtrack合作項目較多；

Ansaldo公司：主要提供信號產(chǎn)品，在北美局部地區(qū)市場有應(yīng)用；

ARINC公司：主要提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并為 Wabtec等公司提供基于貨運鐵路的技術(shù)服務(wù)。另外，還有其他一系列公司也在提供部分產(chǎn)品，在此不再羅列。

4 PTC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的對比和產(chǎn)品實現(xiàn)思路

作為軌道交通世界市場中的一個重要技術(shù)分類，PTC系統(tǒng)和其他主流技術(shù)標準有眾多區(qū)別，表1就一些重要技術(shù)特點，針對ETCS和CBTC系統(tǒng)進行簡單的對比[9-10]。

PTC系統(tǒng)和ETCS，CBTC等產(chǎn)品相似性遠遠大于差異性，從產(chǎn)品開發(fā)投資策略和商業(yè)應(yīng)用的角度，可以考慮基于一個通用的平臺分別開發(fā)針對 PTC、ETCS和 CBTC的產(chǎn)品。西門子的車載產(chǎn)品 OBU(Onboard Unit)是一個很好的例證，基于通用的 SIL4的安全硬件平臺，西門子分別開發(fā)出針對鐵路市場的Trainguard ETCS產(chǎn)品系列和針對城市軌道交通的Trainguard MT產(chǎn)品系列，以及針對美國市場的Trainguard PTC產(chǎn)品。這對于國內(nèi)信號廠商的產(chǎn)品投資策略有一定的參考性。

表1 PTC、CBTC和ETCS系統(tǒng)的對比Tab.1 Comparison among PTC， CBTC and ETCS

北美市場對于PTC系統(tǒng)的產(chǎn)品認證是由FRA根據(jù)一些強制性要求進行檢測后給出認證結(jié)果，具體可參見FRA標準“49 CFR Part 236，Subpart I”。

5 結(jié)語

盡管PTC系統(tǒng)已經(jīng)在部分市場部署完畢，但是剩余的空白市場仍然十分巨大，值得關(guān)注。從技術(shù)實現(xiàn)的角度看，相比CBTC等系統(tǒng)，其技術(shù)開發(fā)復雜度沒有太大的瓶頸和限制，但是由于美國市場的特殊性，各地方市場包括私營鐵路公司都具有本地域內(nèi)的特殊技術(shù)需求，增加了產(chǎn)品開發(fā)難度。另外由于PTC系統(tǒng)是政府通過法律形式強制推行，系統(tǒng)性能競爭力不強，進一步限制了業(yè)主的投資意愿，而這也是對產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用最大的挑戰(zhàn)。