解讀鐵總企標《CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術規(guī)范》

岳朝鵬

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

1 編制背景

列車運行控制系統(tǒng)是保障列車安全運行，提高運輸效率的重要行車裝備。作為中國列車運行控制系統(tǒng)（CTCS）重要組成部分的 CTCS-3 級列控系統(tǒng)，是國內(nèi)在掌握 CTCS-2 級列控系統(tǒng)基礎上，通過進一步提升技術，構建的高速列車運行控制系統(tǒng)標準體系和技術平臺，可適用于300 km/h 以上高速鐵路，是國內(nèi)目前使用等級最高的列車運行控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)工作原理為：基于 GSM-R 無線通信實現(xiàn)車地信息雙向傳輸，無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，軌道電路實現(xiàn)列車占用檢查，應答器實現(xiàn)列車定位，車載采用目標—距離連續(xù)速度控制模式曲線、設備制動優(yōu)先的方式監(jiān)控列車安全運行，當系統(tǒng)降級時可按CTCS-2 級功能運行。

2007 年底，原鐵道部成立了C3 技術攻關組，依托武廣和鄭西等高速鐵路建設項目，組織開展CTCS-3 級列控系統(tǒng)的攻關研究工作，集中全路主要技術力量，對總體方案搭建、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)評估等內(nèi)容展開了深入研究。2008 年9 月，首次發(fā)布了《CTCS-3 級列控系統(tǒng)總體技術方案》[3]規(guī)范性文件，該文件明確了在系統(tǒng)集成、列控車載設備、地面RBC 軟硬件技術、安全通信技術以及系統(tǒng)仿真和測試技術等5 個方面的技術要求，提出了CTCS-3 級列控系統(tǒng)的標準體系，是指導CTCS-3級列控系統(tǒng)設計、開發(fā)、測試及系統(tǒng)評估工作的重要參考文獻。2009 年 12 月 26 日，武廣客專成為首條按此標準建設開通運營的線路。后續(xù)隨著國內(nèi)高鐵建設的全面鋪開和高鐵列控系統(tǒng)的推廣應用，出現(xiàn)了以京滬高鐵為代表的長大干線鐵路、以哈大客專為代表的高寒鐵路、以及以杭州、武漢等為代表的樞紐多區(qū)域貫通線路等各類高難度鐵路建設和運營領域條件下的列控應用場景。此時，既有的標準體系已經(jīng)較難適應此類場景，需要不斷創(chuàng)新完善。文獻[1]中對國內(nèi)CTCS 標準體系在2013 年底前的發(fā)展過程做了較為詳細的描述，提出制定完整的CTCS 標準體系規(guī)劃，建立技術標準體系長期發(fā)展的組織保障等建議，以推進CTCS 標準體系建設。與此同時，習近平主席在2013 年9 月、10 月先后出訪中亞四國和印尼時提出了“一帶一路”的戰(zhàn)略構想，隨之吹響了中國高鐵“走出去”的號角，由國內(nèi)承建的海外鐵路項目開始逐年增加。

在這些國內(nèi)外高鐵建設的背后，需要一套成熟、先進、有自主知識產(chǎn)權的CTCS 技術標準體系作為重要技術支撐。為此，2013 年12 月，中國鐵路總公司(簡稱鐵總)發(fā)布《中國鐵路總公司2013 年技術標準項目計劃》（鐵總科技函[2013]1072 號），計劃制定《CTCS-3 級列控系統(tǒng)總體技術方案》（項目號13CR036）。然而，當時尚存在一些不利因素，在一定程度上影響了本標準的編制工作，如：既有CTCS-3 級列控系統(tǒng)核心設備尚采用國外引進技術，部分核心器件、核心技術、外圍支持不在技術轉(zhuǎn)讓范圍內(nèi)，造成在部分特定應用中，其擴展性和適用性受限；此外，考慮市場競爭需要，引入了不同廠家研制的設備，雖然各廠商在與控車相關的功能上大致相同，基本能滿足互聯(lián)互通需求，但具體實現(xiàn)方式多樣，實現(xiàn)細節(jié)仍存在一些差異。這些因素都不利于國內(nèi)高速鐵路技術的發(fā)展和“走出去”戰(zhàn)略的實施。

為解決上述問題，2014 年，鐵總組織啟動了CTCS-3 級列控系統(tǒng)設備自主化技術研究的重點課題，支持國內(nèi)各廠商開展自主化 CTCS-3 級列控系統(tǒng)的研發(fā)。同時，考慮到本標準是CTCS 標準體系的一項頂層設計規(guī)范，屬于涉及面廣泛的系統(tǒng)級方案，需要結合工程實踐及各子系統(tǒng)裝備的自主化發(fā)展成熟度來對標準內(nèi)容進行不斷地優(yōu)化完善。為保證標準質(zhì)量，直至2016 年在大西客專完成自主化 CTCS-3 級列控系統(tǒng)現(xiàn)場試驗，具備制定本標準的成熟條件后，編制組通過總結既有國產(chǎn)化設備工程應用和自主化設備簡統(tǒng)化創(chuàng)新的兩方面經(jīng)驗基礎上，于2017 年底完成本標準報批稿編制工作。2018 年5 月，在京沈綜合試驗段再次對自主化CTCS-3 級列控系統(tǒng)進行了現(xiàn)場補充試驗，以重點檢驗大西線上未能驗證的長時間持續(xù)高速運行、多車追蹤及互連互通等技術的成熟性。在本次驗證過程中，系統(tǒng)安全可靠，隨后于2018 年11 月，由鐵總批準發(fā)布了本標準，最終形成《CTCS-3 級列控系統(tǒng)總體技術規(guī)范》(QCR661-2018)。該標準用于指導 CTCS-3 級列控系統(tǒng)設計及運用，成為 CTCS-3 級列控系統(tǒng)技術標準體系的重要組成部分。

2 主要技術內(nèi)容

標準(QCR661-2018)規(guī)定CTCS-3 級列控系統(tǒng)術語和定義、總體需求、技術要求、車載設備工作模式定義與轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)運營場景、系統(tǒng)接口要求和系統(tǒng)性能要求。相比原規(guī)范文件[3]，在形式上，本標準遵從GB/T1.1-2009 標準要求編制，文件條款更加簡潔明了；在內(nèi)容上，經(jīng)體系規(guī)劃梳理后，本標準定位更加明確，專注于引領CTCS-3 級列控系統(tǒng)研發(fā)設計上，故所規(guī)定的內(nèi)容有所縮小，刪除了有關系統(tǒng)評估、標準體系規(guī)劃等管理性過程內(nèi)容，將純CTCS-2 級相關的技術內(nèi)容改納入《CTCS-2 級總體技術規(guī)范》，將偏向工程設計的內(nèi)容改納入《鐵路信號設計規(guī)范》；在層次上，本標準屬于上層規(guī)范，故文件條款選擇概括性強、邊界性廣的內(nèi)容，將設備級的技術細節(jié)要求改納入相關設備產(chǎn)品的二級規(guī)范內(nèi)。

除上述規(guī)定范圍的差異外，著重解讀新標準相對原規(guī)范的主要技術變更點如下。

1）新標準規(guī)定“CTCS-3 級列控系統(tǒng)應滿足最高允許速度不低于350 km/h 的需求?！?2017 年6 月25 日，具有完全自主知識產(chǎn)權的中國標準動車組“復興號”在京滬高鐵首發(fā)，試驗速度可達400 km/h 及以上，因而對信號系統(tǒng)及線路等各專業(yè)提出適應性分析及運用需求。文獻[9]對此分析給出“列車運行速度提升至400 km/h 后，信號專業(yè)的 CTCS-3 級列控系統(tǒng)總體上能夠適應相關運營需求” 的結論。但現(xiàn)階段按400 km/h 及以上設計建造和運營維護的成本較高，性價比低，尚未推廣應用，故標準暫規(guī)定為不低于350 km/h。此外，考慮到實際列車追蹤間隔能力是受線路坡道、限速、站場布局、動車組運行參數(shù)、停站時間及列車運行計劃組織等多專業(yè)多因素綜合影響，而不是列控系統(tǒng)單一因素決定的，故刪除了原規(guī)范中“最小追蹤間隔3 min”的說法，改由具體工程設計實現(xiàn)相應線路所需的追蹤間隔目標。

2)新標準規(guī)定“CTCS-3 級列控系統(tǒng)應具備CTCS-2 級功能。” 考慮到國內(nèi)鐵路運輸?shù)膹碗s運營需求及場景，CTCS 系統(tǒng)在設計之初就將具備跨線運行及降級運行能力作為系統(tǒng)重要技術原則之一。故最初在構建CTCS-3 級列控系統(tǒng)時，就考慮到GSM-R 無線通信不穩(wěn)定會對緊追蹤的列車運行秩序影響較大，所以需要能夠降級為CTCS-2 級后備系統(tǒng)來保障運行效率。后來結合實際運用中存在因無線通信超時造成不能及時更新行車許可的安全問題，以及車地無線通信基于開放式信息傳輸所引入的潛在信息安全和網(wǎng)絡安全風險等，在新標準中規(guī)定“CTCS-3 級列控系統(tǒng)應考慮對網(wǎng)絡攻擊的防護措施，以保證系統(tǒng)信息安全?！币虼?，對CTCS-3 級系統(tǒng)頂層設計做出重大變更，將CTCS-2 級列控系統(tǒng)功能作為CTCS-3 級列控系統(tǒng)的一個重要組成部分，不再是獨立的后備系統(tǒng)。由此，通過充分整合既有資源，在未增加任何設備投資基礎上，加強了CTCS-3 對CTCS-2 系統(tǒng)的深度集成，并基于兩者間列控信息融合產(chǎn)生了多項自主創(chuàng)新技術，進一步提升了列控系統(tǒng)安全性和行車效率。

3）新標準規(guī)定“車載設備應具備RBC 發(fā)送的行車許可與軌道電路信息相結合的功能?！边@是C3與C2 信息融合創(chuàng)新的一項重要技術措施，通過對兩種不同形式的行車許可進行安全比較，進一步提高系統(tǒng)安全性，同時因C2 軌道電路信息是經(jīng)由軌旁電纜、鋼軌傳輸?shù)?，屬于專用信息網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，進一步加強列控的信息安全保障。該措施在正常追蹤運行情況（L5、L4 及側向碼）下，仍直接使用C3 下行車許可來保障高速運行；在列車降速接近行車許可終點情況下（L3、L2、L、LU、U、HU碼），則須與C2 行車許可校核后取安全側來雙重保障列車不會越過危險點；若發(fā)生緊急停車或列車冒進情況（H 碼或HU 掉碼）下，則即使C3 車地無線通信故障，也可通過C2 行車許可觸發(fā)C3 車載立即制動。有關該方案的詳細說明可參見《CTCS-3級ATP 行車許可結合軌道電路信息暫行技術條件》（鐵總工電[2018]18 號）文件。

4）新標準規(guī)定“當收到RBC 發(fā)送的TAF 請求時，車載設備應能根據(jù)TCR 接收到的地面信息進行TAF 自動確認或提示司機進行人工確認?！边@是C3 與C2 信息融合創(chuàng)新的第二項重要技術措施，通過在區(qū)段末端有限范圍（即TAF 窗口）內(nèi)結合當前C2 發(fā)碼許可信息自動觸發(fā)TAF 交互確認機制，以提高系統(tǒng)安全性和自動化程度。該措施主要用于RBC 向處于目視行車或引導模式的車載設備首次發(fā)送完全監(jiān)控模式下的行車許可（MA）或引導授權延伸時，須先確認列車車頭至MA 終點全部空閑，但目前RBC 僅能通過聯(lián)鎖獲知列車前方閉塞分區(qū)的空閑狀態(tài)，卻無法獲知列車當前占用區(qū)段內(nèi)車頭前方至區(qū)段終點之間是否空閑，故向車載設備發(fā)送TAF 請求消息。車載設備接收到TAF 請求消息且列車前端進入TAF 窗口，則使用TCR 的允許信息自動向RBC 回復TAF 確認信息，完成車頭前方區(qū)域空閑的確認。若TCR 未收到允許信息時，則在DMI 上顯示TAF 請求信息，由司機人工確認后向RBC 回復TAF 確認信息。新標準還在行車許可運營場景中重點展示了基于該機制的典型應用示例。

5）原規(guī)范在C3 系統(tǒng)設計之初就已提出了不停車等級切換的自主創(chuàng)新方案，并獲得顯著效益。但后來經(jīng)廠家內(nèi)部安全排查分析，發(fā)現(xiàn)RBC 邊界的軌道占用信息在不利條件下，要經(jīng)由若干TCC 和CBI 依次轉(zhuǎn)發(fā)后才能到達RBC 處，造成多環(huán)節(jié)傳輸累積延遲而出現(xiàn)“飛車”的情況下，從而導致RBC會出現(xiàn)短時錯誤延長MA 的問題。為規(guī)避這一風險，在新標準中補充規(guī)定了當?shù)燃夀D(zhuǎn)換執(zhí)行點列車運行前方第一個閉塞分區(qū)由空閑狀態(tài)變成占用狀態(tài)時，RBC 開始計時并根據(jù)計時結果和列車位置報告的關系進行相應安全操作。

除上述主要技術變更外，在C3 系統(tǒng)運營場景方面，新標準相對原規(guī)范也做了一些其他重要修改。

新標準中刪除了原規(guī)范中的“重聯(lián)與摘解”場景。一方面，現(xiàn)高速鐵路已成為旅客出行首選的交通工具，深受人們所喜愛，重聯(lián)車組已難以滿足高鐵客流的持續(xù)增長需要，超長版“復興號”應運而生，故對重聯(lián)車組的摘解已成為非主流運營場景；另一方面，重聯(lián)與摘解場景主要通過調(diào)車作業(yè)完成，本質(zhì)上也是調(diào)車運行場景。

新標準中簡化了原規(guī)范中的“臨時限速”場景，僅側重從車地一體化設計角度上展示臨時限速的應用特征，而將有關臨時限速設置流程及設置規(guī)則納入《列控系統(tǒng)臨時限速技術規(guī)范》中。安全靈活的臨時限速設置技術也是國內(nèi)列控系統(tǒng)獨創(chuàng)的一項重要技術解決方案，采用臨時限速服務器實現(xiàn)臨時限速命令的集中管理。現(xiàn)標準與原規(guī)范不同的是，將臨時限速操作終端與CTC 終端合并，便于調(diào)度員操作顯示。

3 結語

標準（QCR661-2018）源于對國內(nèi)CTCS-3 級列控系統(tǒng)成熟運用多年的實踐經(jīng)驗和自主創(chuàng)新的總結，服務于國內(nèi)高速鐵路技術標準“走出去”的戰(zhàn)略需要。QCR661-2018 的發(fā)布與實施，向世界高速鐵路行業(yè)展示了一套具有技術先進、安全可靠、獨立自主的中國高速鐵路列控技術體系。

與ETCS 系統(tǒng)體系相比，在標準化程度上，CTCS-3 級列控系統(tǒng)所提供的方案更加完整、更加具體、更加簡統(tǒng)化，不僅包括列控車載地面核心設備，還涵蓋了所有相關的外圍設備接口及應用要求；在技術水平上，CTCS-3 級列控系統(tǒng)創(chuàng)新了基于TCR 信息的自動TAF 確認和行車許可比較、不停車等級切換、不停車降級運行、自動過分相及安全靈活限速設置等先進技術，極大提高了系統(tǒng)安全性和自動化程度，為現(xiàn)有世界最高350 km/h 運營線路提供了安全高效運輸?shù)目煽拷鉀Q方案。

后續(xù)隨著智能京張高鐵的建設推進，國內(nèi)將建成世界上第一條智能化高速鐵路，率先實現(xiàn)高速鐵路自動駕駛、北斗定位、信息安全、智能運維等先進控制技術，進一步提升列控系統(tǒng)的自動化、信息化程度。因而，隨著國內(nèi)高速鐵路建設的不斷推進，CTCS-3 級列控系統(tǒng)標準規(guī)范仍然需要不斷跟進完善和補充。