論ETCS不同等級和版本的互聯(lián)互通

楊 韜，麻江帆

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

歐洲列車控制系統(tǒng)（Europe Train Control System，ETCS）是歐盟為保證高速列車在歐洲鐵路網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)互通運(yùn)行而制定的強(qiáng)制性技術(shù)規(guī)范。ETCS 的主要目標(biāo)是：互通互用，安全高效，降低成本，擴(kuò)展市場[1]。

由于歐洲國家眾多，導(dǎo)致列車運(yùn)行控制系統(tǒng)種類繁多，各國信號系統(tǒng)制式復(fù)雜、互不兼容，嚴(yán)重影響了歐洲鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行效率。1982 年，歐洲運(yùn)輸部長會議作出決定，就歐洲大陸鐵路互聯(lián)互通中的技術(shù)問題尋找解決方案。2001 年歐盟通過立法形式確定ETCS 成為強(qiáng)制性技術(shù)規(guī)范。

ETCS 系統(tǒng)技術(shù)體系已建立將近30 年，隨著系統(tǒng)的不斷推廣，仍有不少問題亟待解決，本文以此為出發(fā)點(diǎn)，探討ETCS 系統(tǒng)不同等級和不同版本之間如何解決列車互通互用和安全高效運(yùn)行等問題。

1 ETCS等級概述

考慮到長期發(fā)展的需要，歐盟制定了5 個應(yīng)用等級，分別是ETCS-0、ETCS-STM、ETCS-1、ETCS-2、ETCS-3。

1.1 ETCS-0級：ETCS車載設(shè)備+傳統(tǒng)列控系統(tǒng)

在ETCS-0 級，裝備了ETCS 車載設(shè)備的列車可以在未裝備ETCS 地面設(shè)備和未裝備本國信號系統(tǒng)的線路上運(yùn)行。司機(jī)依賴于地面信號機(jī)及其他信號設(shè)備來操控列車。

1.2 ETCS-STM級：ETCS車載設(shè)備+本國信號系統(tǒng)

ETCS-STM 級是為了適配歐洲各國復(fù)雜的本國地面信號而設(shè)定的。從原理上看，專用傳輸模塊（Specific Transmission Module，STM）接口負(fù)責(zé)將從本國地面設(shè)備發(fā)送的信號轉(zhuǎn)換成ETCS 標(biāo)準(zhǔn)的報文傳送給ETCS 車載設(shè)備來處理。針對不同的國家，不需要大規(guī)模更換地面信號設(shè)備，只需對STM 接口設(shè)備進(jìn)行適配開發(fā)，搭配通用的ETCS 車載設(shè)備，極大的降低了ETCS 列車跨國運(yùn)營的成本。

1.3 ETCS-1級：地面信號+應(yīng)答器+軌道電路

ETCS-1 級是典型的駕駛室信號系統(tǒng)，通過來自地面設(shè)備的信號，實(shí)時計(jì)算列車移動授權(quán)、最大運(yùn)行速度、制動曲線等核心數(shù)據(jù)。

該等級的特點(diǎn)在于：1）采用固定追蹤間隔形式；2）由軌道電路或計(jì)軸檢查列車占用情況和列車完整性；3）通過應(yīng)答器傳輸數(shù)據(jù)或發(fā)送命令給列車；4）可安裝Euroloop 或無線注入單元。

該系統(tǒng)主要依賴于應(yīng)答器或Euroloop 的點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸方式，同時通過布置應(yīng)答器的方式覆蓋各國現(xiàn)有的信號系統(tǒng)，因此更高程度上提高了ETCS列車跨國運(yùn)行的互聯(lián)互通性。

1.4 ETCS-2級：GSM-R+應(yīng)答器+軌道電路

在ETCS-2 級中，列車在裝備了無線閉塞中心（Radio Block Center，RBC）的線路上運(yùn)行。車地之間雙向通過GSM-R 進(jìn)行通信，列車定時自動向RBC 發(fā)送位置報告信息，而RBC 則實(shí)時監(jiān)控列車的運(yùn)行，移動授權(quán)、線路數(shù)據(jù)、限速等信息可實(shí)時傳送至列車上。列車依靠應(yīng)答器和感應(yīng)器進(jìn)行列車定位和完整性檢查，通過RBC 的計(jì)算來保證前后各列車的高密度運(yùn)行。

由于在ETCS-2 級中，列車與RBC 建立實(shí)時的通信連接，所有信息的收集和處理都是實(shí)時進(jìn)行的，因此該系統(tǒng)與ETCS-1 級相比，采用基于移動通信的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸方式。

1.5 ETCS-3級：GSM-R+應(yīng)答器

在ETCS-3 級中，靠車載設(shè)備來檢查列車完整性，不再需要軌道電路和信號機(jī)等設(shè)備，可以將線路上的設(shè)備減少到最低程度，僅依賴少量點(diǎn)式設(shè)備和RBC 來保證列車的追蹤間隔。相對于ETCS-2級，ETCS-3 級拋棄了固定間隔，提高了定位信息的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了移動閉塞這一特征，能夠更高效更科學(xué)的控制列車時間間隔。

由于ETCS-2 的廣泛應(yīng)用和改進(jìn)升級還在持續(xù)進(jìn)行中，因此ETCS-3 目前仍屬于開發(fā)階段，尚未實(shí)際應(yīng)用。

2 不同等級之間的互聯(lián)互通

基于各國發(fā)展程度和實(shí)際需求的差異，ETCS-0、ETCS-STM、ETCS-1、ETCS-2 這4 個等級的鐵路運(yùn)營線路長期共存且復(fù)雜交錯。為滿足列車在不同等級線路上運(yùn)營的互聯(lián)互通需求，對于具有多種等級控車功能的列車，需具備在不停車情況下的自動等級轉(zhuǎn)換功能[2]。

為滿足不同等級線路之間的互聯(lián)互通，通常在不同等級線路的邊界處都會設(shè)置等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的設(shè)置中需遵循以下規(guī)則。

1）車載獲得前一等級的移動授權(quán)且延伸過等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

2）車載從ETCS-0、ETCS-STM、ETCS-1 進(jìn)入ETCS-2、ETCS-3，需提前建立車地通信。

3）車載需要提前獲得等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)的信息（離轉(zhuǎn)換點(diǎn)的距離、按優(yōu)先級排序的一個或多個轉(zhuǎn)換點(diǎn)、轉(zhuǎn)換等級的確認(rèn)區(qū)長度），如圖1 所示。

4）車載在通過等級轉(zhuǎn)換點(diǎn)前就要獲得下一等級的移動授權(quán)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

5）列車進(jìn)入新等級區(qū)域時，車速不能超過下一等級的允許速度。

圖1 等級轉(zhuǎn)換區(qū)的常見部署情況示意Fig.1 Schematic diagram ofcommon deployment in level transition area

等級轉(zhuǎn)換作為ETCS 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其成功實(shí)施依賴于：

1）列車性能；

2）地面設(shè)備的設(shè)置布局；

3）地面設(shè)備發(fā)送移動授權(quán)和相關(guān)數(shù)據(jù)的時機(jī)；

4）車載設(shè)備處理移動授權(quán)和相關(guān)數(shù)據(jù)的邏輯；

5）司機(jī)的配合操作。

綜合考慮以上因素，合理設(shè)計(jì)等級轉(zhuǎn)換方案，ETCS 各等級之間可以實(shí)現(xiàn)不同等級線路上不停車運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)不同等級線路的互聯(lián)互通需求。

3 同等級內(nèi)不同版本間的兼容性

ETCS-2 是目前在歐洲甚至全球被廣泛接受的高速鐵路運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，相對于其他等級，ETCS-2 存在多次版本升級，存在B2、B3MR1、B3R2 等多個基線版本。

3.1 版本升級內(nèi)容

2012 年，歐盟正式官方確認(rèn)ETCS 基線3 的合法性，并于2015 年發(fā)布一個規(guī)范集—基線3（B3MR1）。相對于基線2（B2），涉及437 個變更項(xiàng)。

其主要變更的內(nèi)容包括：

1）功能增強(qiáng)，如有限監(jiān)督，門控功能，版本管理，被動調(diào)車，道口限速和停車區(qū)，隧道停車區(qū)，應(yīng)答器虛擬覆蓋，RBC 移交功能完善，增加版本管理功能；

2）接口改進(jìn)，如DMI，STM，TI；

3）關(guān)閉開口項(xiàng)，如制動曲線，DMI 人體工程學(xué)需求；

4）規(guī)范缺陷修復(fù)，如描述漏洞，規(guī)范歧義，互操作缺陷，測試規(guī)范錯誤等。

2016 年，歐 盟正式發(fā)布了ETCS基 線3（B3R2）。相 對 于 基 線3（B3MR1），涉及55 個變更項(xiàng)。

其主要變更的內(nèi)容包括：

1）功能增強(qiáng)，如無線支持分組域，車載制動曲線模型，限速巡航，在線密鑰管理，RBC 檢查車載支持版本，DMI 顯示更多提示內(nèi)容等；

2）接口改進(jìn)，如DMI，STM，JRU，TI；

3）關(guān)閉開口項(xiàng)，如DMI 的安全要求；

4）規(guī)范缺陷修復(fù)，如描述漏洞，規(guī)范歧義，互操作缺陷，測試規(guī)范錯誤等。

3.2 版本兼容原則

ETCS 系統(tǒng)版本是明確定義的ETCS 的強(qiáng)制功能集，為確保ETCS 車載和地面設(shè)備之間的互操作性，用X.Y 表示。第一位X 用于區(qū)別技術(shù)不兼容的版本，第二位Y 用來表示X 可以兼容的版本[3]。例如，1.1 和1.0 可以互相兼容。版本X 升級后，ETCS 車載必須能夠保證正常在兩個以上技術(shù)不兼容的版本上運(yùn)行，不能因?yàn)樾阅芑虬踩缘慕档投绊懙搅熊囆省?/p>

不同版本之間的兼容性通常需滿足3 點(diǎn)[4]：

1）低版本列車可以在低版本地面設(shè)備支持下正常運(yùn)行；

2）高版本列車可以在低版本地面設(shè)備支持下正常運(yùn)行；

3）低版本列車可以在高版本地面設(shè)備（執(zhí)行版本X=1）支持下正常運(yùn)行。

如圖2 所示，高等級版本地面只有在執(zhí)行系統(tǒng)版本X=1 時，可以完全監(jiān)控低版本的列車行駛。

圖2 ETCS-2級各版本間的兼容性Fig.2 Compatibility between various versions of ETC-2 level

3.3 版本兼容報告

針對ETCS-2 級內(nèi)部的不同版本之間的兼容性問題，EUG（ERTMS Users Group)發(fā)布了兩份基線兼容性分析報告(Baseline Compatibility Assessment, BCA)，分 別 就B2 與B3MR1、B3MR1 與B3R2 之間的兼容性問題進(jìn)行了分析，提出潛在的版本兼容性問題及緩解措施供項(xiàng)目集成方參考。

根據(jù)BCA 報告的分析，B3R2 相對于B3MR1的55 個變更項(xiàng)中僅有5 個變更項(xiàng)有潛在的版本兼容問題[5]。在針對版本兼容問題實(shí)施緩解措施后，B3R2 是完全向下兼容B3MR1 的。

B3R2 版本的列車向下兼容B3MR1 地面設(shè)備，B3R2 地面設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)版本X=1（即B3R2 地面設(shè)備只使用B3MR1 的功能）時可與B3MR1 的列車兼容。

同樣，根據(jù)BCA 報告[6]，B3MR1 相對于B2在采取類似的兼容問題緩解措施后，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的版本兼容性要求。

因此，當(dāng)路網(wǎng)中同時存在不同版本的系統(tǒng)時，各版本之間的兼容性可以保證性能和安全性有差異的情況下不降低列車效率。

4 互聯(lián)互通工程實(shí)踐

早在2014 年，西門子鐵路自動化公司宣布，對ETCS 基線3 車載軟件的功能和向下兼容進(jìn)行了測試，證明ETCS-2 級列控系統(tǒng)和ETCS-1 級有限監(jiān)督系統(tǒng)可以在既有網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，同時證明基線3車載系統(tǒng)和基線2 地面設(shè)備之間的向下兼容性。根據(jù)西門子的報告，這次測試“幾乎所有”的場景都經(jīng)過了瑞士聯(lián)邦鐵路公司的考核，只有“微小的變更需要采取緩解措施”。這是列車第一次使用基于基線3 的系統(tǒng)在商用運(yùn)營線路上運(yùn)行，充分證明了基線3 車載軟件與基線2 軌道的向下兼容性[7]。

隨著歐盟鐵路局在未來五年內(nèi)逐步停止部署基線2，在未來至少十年內(nèi)持續(xù)部署基線3 的規(guī)劃，ETCS 基線3 成為目前國際社會主流認(rèn)可和接受的高鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。2018 年，中國鐵路通信信號股份有限公司自主研發(fā)的RBC 產(chǎn)品獲得ETCS 基線3（B3R2）的TSI 認(rèn)證證書[8]。2019 年，再次獲得了ETCS 基線3（B3MR1）的TSI 認(rèn)證證書。上述證書的獲得，為高鐵“走出去”戰(zhàn)略提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也將印證采用高等級高版本的自主化ETCS 地面設(shè)備可以與其他等級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，且完全向下兼容低等級列車。

5 結(jié)束語

歐盟在ETCS 標(biāo)準(zhǔn)的頂層設(shè)計(jì)中兼顧了不同等級之間的互聯(lián)互通和不同版本之間的兼容性問題，在具體工程實(shí)踐中ETCS 不同等級和版本的互聯(lián)互通也經(jīng)過了驗(yàn)證，助力ETCS 標(biāo)準(zhǔn)成為全球性認(rèn)可的高鐵標(biāo)準(zhǔn)。