ETCS 體系發(fā)展技術(shù)分析

耿宏亮，張 超，孫 野，李啟翮，柯長博，劉振玉

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410199）

0 引言

歐洲列車運行控制系統(tǒng)（European train control system, ETCS）體系規(guī)范的基線2（2.3.0d）版本[1]于2008 年正式發(fā)布。隨著工程應(yīng)用范圍的擴大、技術(shù)革新以及互聯(lián)互通要求更加廣泛，該體系規(guī)范也在不斷更新和完善，并于2016 年正式發(fā)布基線3（3.6.0）版本[2]。本文對ETCS 體系規(guī)范的更新進行分析，目的在于：首先，明確技術(shù)要求，以助力產(chǎn)品、系統(tǒng)的研制和資質(zhì)認(rèn)證；其次，歸納技術(shù)革新，以辨識發(fā)展趨勢并進行技術(shù)儲備；最后，廣泛汲取世界先進經(jīng)驗和成果，推動我國相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

1 ETCS 體系發(fā)展概況

由于列車運行控制系統(tǒng)種類繁多且各國信號制式互不兼容，為保證高速列車在歐洲鐵路網(wǎng)內(nèi)互通運行，1982 年12 月在歐洲運輸部長會議上作出決定，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 作為強制性技術(shù)規(guī)范；通過一系列技術(shù)論證、仿真試驗和工程驗證，2008 年正式發(fā)布ETCS 體系規(guī)范基線2（2.3.0d）版本。

隨著需求的增加和技術(shù)的演進，歐洲鐵路工業(yè)協(xié)會工作組（union industry of signaling，UNISIG）通過立項和工程等形式不斷推動ETCS 體系規(guī)范的完善和發(fā)展，具體項目包括TEN-T，NGTC 及Shift2Rail 等。這些項目在將自動駕駛、衛(wèi)星定位及下一代通信等技術(shù)與干線鐵路和城市軌道交通技術(shù)融合等方面不斷推動ETCS 體系規(guī)范向前發(fā)展。圖1 示出ETCS 近期發(fā)展和規(guī)劃。

圖1 ETCS 近期發(fā)展和規(guī)劃Fig.1 Recent development and plan of ETCS

2 ETCS 架構(gòu)的變化

在ETCS 體系規(guī)范定義中，通過對比基線2 和基線3的系統(tǒng)架構(gòu)（圖2）可以看到如下變化：首先是轉(zhuǎn)換了司法記錄單元（juridical recorder unit，JRU）的角色，其次是結(jié)合通信技術(shù)發(fā)展進行調(diào)整，第三是增加了系統(tǒng)內(nèi)容。具體表現(xiàn)為：

（1）JRU 不僅記錄信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而且需要記錄車輛等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)。JRU 記錄部分在基線2 中被定義為ETCS 車載系統(tǒng)的一部分，但在基線3 中已轉(zhuǎn)移至ETCS 系統(tǒng)外。

（2）GSM-R 網(wǎng)絡(luò)在基線2 中被定義采用CS 模式（電路域），但未定義PS 模式（分組域）方式；在基線3 中，其被定義為優(yōu)先采用PS 模式，只有在PS 模式失敗的情況下才被切換到CS 模式。

（3）密鑰管理部分在基線2 中的定義不完整；在基線 3 中，明顯增強了對信息安全的要求，對密鑰管理進行了更明確的定義，包括公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）的定義、與車載和無線閉塞中心（radio block center，RBC）的在線與離線接口協(xié)議以及內(nèi)部接口定義。

圖2 基線2/基線3 系統(tǒng)架構(gòu)比較Fig.2 Comparison between architectures based on Baseline 2 and Baseline 3

3 ETCS 的廣泛互聯(lián)

ETCS 技術(shù)體系可以支持不同線路、不同國家、不同等級、不同生產(chǎn)廠家系統(tǒng)的高度互聯(lián)互通，互聯(lián)互通是其突出特點和優(yōu)點之一。隨著用戶要求的升級、技術(shù)水平的發(fā)展以及市場競爭的推動，ETCS 技術(shù)體系的互聯(lián)互通也在不斷發(fā)展，其技術(shù)內(nèi)涵也增加了基線版本、人機接口（driver- machine interface，DMI）、JRU 接口、密鑰接口、自動駕駛標(biāo)準(zhǔn)等方面互聯(lián)互通的內(nèi)容。

3.1 基線版本的互聯(lián)互通

基線版本已從基線2 發(fā)展到了基線3。為了實現(xiàn)對既有線路的互聯(lián)互通，基線3 被要求能夠?qū)崿F(xiàn)對基線2的向前兼容。一方面表現(xiàn)為車載系統(tǒng)對地面的基線2 版本規(guī)范的兼容，要求車載系統(tǒng)能夠識別地面基線版本，并動態(tài)執(zhí)行版本的切換：在基線3 的地面區(qū)域，車載系統(tǒng)按照基線3 規(guī)范執(zhí)行；而進入基線2 的地面區(qū)域，車載系統(tǒng)能自動切換到基線2 規(guī)范執(zhí)行。另一方面表現(xiàn)為RBC 對既有RBC 基線2 的兼容，也就是說，基線3 的RBC 需要既能夠采用基線3 接口規(guī)范與相鄰基線3 的RBC 互聯(lián)，也能夠采用基線2 接口規(guī)范與相鄰基線2的RBC 互聯(lián)。

3.2 DMI 接口的互聯(lián)互通

在ETCS 技術(shù)規(guī)范ERA_ERTMS_015560 中定義了DMI 的顯示要求等。尚未正式發(fā)布的EVC-DMI 接口規(guī)范約定了車載安全計算機（European vital computer ，EVC）和DMI 之間的接口邏輯及接口協(xié)議。該接口的互聯(lián)互通意味著未來DMI 將可以作為完全獨立的TSI IC部件形式存在，評測機構(gòu)可以針對該接口進行第三方獨立測試，TSI 評估可以針對DMI 進行獨立認(rèn)證，車載系統(tǒng)的EVC 和DMI 未來也可以來自不同供應(yīng)商。這進一步擴大了廣泛互聯(lián)互通的內(nèi)涵。

3.3 JRU 接口的互聯(lián)互通

在ETCS 技術(shù)規(guī)范Subset-027 中定義了車載系統(tǒng)司法記錄的數(shù)據(jù)格式，而且JRU 已經(jīng)被轉(zhuǎn)移至ETCS 系統(tǒng)外。車載系統(tǒng)的EVC 和JRU 可以來自不同供應(yīng)商，也是系統(tǒng)廣泛互聯(lián)互通的一部分。隨著JRU 接口內(nèi)容愈加豐富、功能愈加強大，其既可以被作為列車全系統(tǒng)（含信號、牽引、網(wǎng)絡(luò)等）的綜合記錄平臺，也可以被作為整體列控系統(tǒng)綜合運維平臺的一部分，因此具有更為廣泛互聯(lián)的發(fā)展條件。

3.4 密鑰接口的互聯(lián)互通

ETCS 技術(shù)規(guī)范Subset-038, Subset-114 和Subset-137定義了密鑰管理中心與車載ATP、地面RBC/RIU 的在線和離線接口邏輯以及接口協(xié)議。在信息安全方面，首先確定了車載EVC 和地面RBC/RIU 的密鑰接口；其次，明確了密鑰管理中心之間的密鑰接口；最后，也明確了密鑰管理中心的技術(shù)規(guī)格。該系列技術(shù)規(guī)范是在傳統(tǒng)信號安全技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上的外延和拓展，確定了信息安全的內(nèi)容，進一步擴大了廣泛互聯(lián)互通的內(nèi)涵。

3.5 自動駕駛標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通

歐盟范圍通過TEN-T、NGTC、Shift2Rail 等項目逐步建立了覆蓋多等級的自動駕駛標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)雖然尚未被正式發(fā)布，但已編制了相關(guān)規(guī)范，并通過試驗線進行了驗證，正處于優(yōu)化和完善階段。該系列規(guī)范繼承了ETCS 體系互聯(lián)互通特性，結(jié)合NGTC 項目在ETCS和CBTC 方面技術(shù)統(tǒng)一的成果，致力于自動駕駛技術(shù)范疇的互聯(lián)互通，包括自動駕駛需求規(guī)范、自動駕駛外部接口規(guī)范（車輛、車載EVC、司法記錄及調(diào)度管理等）等。在NGTC 和Shift2Rail 項目背景下，ETCS 技術(shù)體系中增加自動駕駛各層面技術(shù)規(guī)范具有重大意義，是廣泛互聯(lián)互通的又一重大里程碑。

4 ETCS 功能變化

在ETCS 體系規(guī)范中，基線3 相比于基線2 進行了功能完善，主要包括既有功能的優(yōu)化、新增功能的定義及功能兼容性等方面。

4.1 既有功能的優(yōu)化

4.1.1 車輛參數(shù)和制動模型

基線3 致力于提升列車控制效率[3]，在規(guī)范中明確了lambda 和gamma 這兩種制動模型及其對應(yīng)的各種列車參數(shù)。

首先，列車參數(shù)可以有多種更新途徑，包括：列車參數(shù)可作為配置數(shù)據(jù)離線設(shè)置在車載系統(tǒng)內(nèi)默認(rèn)使用；司機可以通過人機界面更新列車參數(shù)，提高應(yīng)急處理的靈活性；車輛系統(tǒng)可以通過總線接口向車載系統(tǒng)更新列車參數(shù)，以便根據(jù)車輛變化情況及時更新參數(shù)；地面信號系統(tǒng)可以通過國家參數(shù)的方式向車載系統(tǒng)更新列車參數(shù)，以便更適用于該地面區(qū)域。

其次，lambda 和gamma 這兩種制動模型具有不同的控制效果。相對而言，gamma 制動模型更加精確、效率更高，但也需要更加精確的列車參數(shù)。兩種模型的選擇需要綜合考慮車輛特性和地面線路情況。

最后，地面信號系統(tǒng)可以向車載系統(tǒng)發(fā)送不同車型（按照NC_CDDIFF 和NC_DIFF 區(qū)分）的線路速度限制信息；車載系統(tǒng)結(jié)合自身列車參數(shù)來確定所采用的線路速度限制，實現(xiàn)不同車型的不同限速，從而提升綜合運行效率。

4.1.2 無線通信方式

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，不同通信制式，如3GPP 長期演進技術(shù)（long term evolution, LTE），已經(jīng)在城市軌道交通系統(tǒng)中得到商業(yè)運用并取得了很好的效果，基于分組交換的無線通信方式也得到了驗證。因此，基線3針對GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的通信要求也相應(yīng)發(fā)生了變化。

4.2 新增功能的定義

4.2.1 道口控制

針對鐵路道口，基線3 增加了相關(guān)技術(shù)條款；同時考慮到道口的復(fù)雜情況、工程改造要求和不同國家的投資條件，定義了3 種不同的控制表現(xiàn)方式：

（1）道口系統(tǒng)接入信號系統(tǒng)方式。在列車接近道口時，信號系統(tǒng)通知道口系統(tǒng)進行防護操作，此時信號系統(tǒng)行車許可被限制在道口入口防護點；當(dāng)?shù)揽谙到y(tǒng)完成防護操作并成功通知信號系統(tǒng)后，信號系統(tǒng)確保安全條件完全滿足并延伸行車許可通過道口區(qū)域，從而實現(xiàn)道口的安全防護。

（2）道口系統(tǒng)不接入信號系統(tǒng)，采用停車后通過方式。在列車接近道口時，地面信號系統(tǒng)通知車載系統(tǒng)前方道口區(qū)域位置并要求列車必須在道口入口防護點前停車，人工確認(rèn)安全后方可通過道口區(qū)域，從而實現(xiàn)道口的安全防護。該方案實施簡單，但需要人工確保道口安全，此外列車無條件停車會影響行車效率。

（3）道口系統(tǒng)不接入信號系統(tǒng)，采用限速通過方式。在列車接近道口時，地面信號系統(tǒng)通知車載系統(tǒng)前方道口區(qū)域位置并要求列車限速通過道口區(qū)域，從而實現(xiàn)道口的安全防護。該方案實施簡單，但需要人工確保道口安全；相比方式(2)，其無需停車，可以提高行車效率，但同時也增加了安全責(zé)任。

綜上，需要結(jié)合具體項目條件來選擇道口防護的實施方案。

4.2.2 線路條件

社會意識形態(tài)、現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展是形成并傳播當(dāng)代大學(xué)生流行語的基本條件。當(dāng)代社會生活節(jié)奏、文化交流速度不斷加快，政府政策、生活方式不斷轉(zhuǎn)變，節(jié)奏、交流、政策、方式等方面的變化在大學(xué)生流行語中留下了相應(yīng)的痕跡。大學(xué)生流行語的改變體現(xiàn)著現(xiàn)代社會發(fā)展的同時，也折射出當(dāng)代國民社會文化價值觀念，透露出社會各個層次的生活心態(tài)?？梢?，當(dāng)代大學(xué)生流行語與現(xiàn)代社會之間相互依賴并相互依存。

基線3 為了進一步提升控制效果、互聯(lián)互通能力及列車控制系統(tǒng)自動化水平，線路條件部分增加了很多技術(shù)條款，包括：

（1）電耗條件，用于描述列車前方不同位置的線路電耗限制條件；

（2）牽引類型，用于描述列車前方不同位置牽引類型的變化情況（基線2 有類似信息，但基線3 的更為明確）；

（3）站臺條件，用于描述前方站臺在列車哪一側(cè)以及站臺與鐵軌的高度差，列車可以據(jù)此調(diào)整旅客乘降裝置；

（4）精確位置，通過車載系統(tǒng)與車輛的總線接口，車載系統(tǒng)可以將各種線路條件的相對位置信息發(fā)送給車輛系統(tǒng)，車輛系統(tǒng)據(jù)此進行調(diào)節(jié)控制。

4.3 兼容性功能

為了保持ETCS 體系的互聯(lián)互通，基線3 需要實現(xiàn)對基線2 的向下兼容，主要體現(xiàn)為：

（1）車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)間。車載系統(tǒng)在基線3的地面系統(tǒng)配置下按照基線3 的技術(shù)規(guī)范要求執(zhí)行；在運行到基線2 的地面配置時，需要自動兼容為基線2 的技術(shù)規(guī)范要求，并將接收、發(fā)送的消息和信息包進行不同基線要求的格式與內(nèi)容轉(zhuǎn)換。

（2）相鄰地面系統(tǒng)間。地面系統(tǒng)在與相鄰地面系統(tǒng)接口時，也會遇到基線兼容性問題?；€3 的地面系統(tǒng)需要兼容基線2 的地面系統(tǒng)接口，以便實現(xiàn)對既有線路的基線兼容，即基線3 的地面系統(tǒng)需要同時支持多個不同基線接口，例如同時與兩個基線3 的相鄰地面系統(tǒng)和兩個基線2 的相鄰地面系統(tǒng)接口時，前者采用基線3接口互聯(lián)，后者采用基線2 接口互聯(lián)。

通過上述兼容性要求可以看到，車載系統(tǒng)可以在不同基線之間動態(tài)切換，從而實現(xiàn)列車在不同基線的互聯(lián)互通；但仔細(xì)分析會發(fā)現(xiàn)，基線2 車載系統(tǒng)無法在基線3 地面運行，這在一定程度上也會影響鐵路網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通應(yīng)用，既有列車在不進行車載系統(tǒng)升級的情況下無法在新建線路上運行。地面系統(tǒng)基線動態(tài)調(diào)整（即針對基線2 的車載系統(tǒng)，基線3 的地面系統(tǒng)動態(tài)切換為基線2 進行控制）可以解決該問題，但會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度，這是ETCS 體系未來需要解決的問題，以便實現(xiàn)更好的互聯(lián)互通和工程化推廣。

4.4 其他變化

除了上述功能變化之外，基線3 在Euroloop 和RIU消息、地理位置信息顯示、有條件緊急停車（conditional emergency message，CEM）確認(rèn)消息、行車許可申請、人工（staff responsibility，SR）模式冒進、文本消息確認(rèn)機制以及列車車次號等諸多方面也進行了優(yōu)化調(diào)整，同時還增加了車載有限監(jiān)控模式與被動調(diào)車模式以及虛擬應(yīng)答器覆蓋（virtual balise cover，VBC）、允許制動距離（permitted braking distance，PBD）等新功能。

5 ETCS 自動化等級

IEC 62290-2014Railway applications-Urban guided transport management and command/control systems提出了自動化等級（GoA）概念。根據(jù)運營人員和系統(tǒng)所承擔(dān)的列車運行基本功能的責(zé)任劃分，列車運行的自動化水平可被分為5 個等級，即目視列車運行（TOS）、非自動化列車運行（NTO）、半自動列車運行（STO）、無人駕駛列車運行（DTO）及無人干預(yù)列車運行（UTO）。

在ETCS 體系規(guī)范建立時，沒有考慮自動駕駛內(nèi)容。為了提供基于ETCS 體系的具有自動化等級的列車運行控制系統(tǒng)，需要在ETCS 體系基礎(chǔ)上建立自動化等級技術(shù)規(guī)范。

自動化運行是技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，具有迫切的運營需求，需求包括縮短司機反應(yīng)時間、提升控制效率（縮短追蹤間隔）、提高舒適度以及降低能耗等。

基于上述情況，在ETCS 技術(shù)體系上增加列車自動駕駛(automatic train operation, ATO)內(nèi)容[4]并將其列入歐盟S2R 項目中，建立了技術(shù)架構(gòu)（圖3）。其中，Subset-125 定義了ATO 功能，Subset-126 定義了與軌旁ATO 子系統(tǒng)的接口，Subset-130 定義了與ETCS車載系統(tǒng)的接口，Subset-131 定義了與TMS 系統(tǒng)的接口，Subset-132 定義了軌旁ATO 子系統(tǒng)之間接口，Subset-139 定義了與車輛的接口，Subset-140 定義了JRU 日志接口。

圖3 ETCS 體系下GoA 架構(gòu)Fig.3 GoA architecture under ETCS

2018 年3 月，第一條按照上述標(biāo)準(zhǔn)體系實施的具備ATO 功能的ETCS 線路在英國倫敦投入商業(yè)運營，其具有重大的里程碑意義。

6 結(jié)語

ETCS 體系因具有高度的互聯(lián)互通特性而在世界范圍內(nèi)被廣泛接受和應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，其體系規(guī)范在定義系統(tǒng)架構(gòu)、完善和拓展互聯(lián)互通內(nèi)涵、優(yōu)化和擴展系統(tǒng)功能、實現(xiàn)體系規(guī)范向前兼容、支持不同自動化等級方面仍在不斷完善中。本文在分析ETCS 體系近年來變化的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了其發(fā)展成果。鑒于中國列車運行控制系統(tǒng)(Chinese train control system, CTCS)技術(shù)體系來源于ETCS 體系，希望本文的分析對我國CTCS技術(shù)體系發(fā)展以及CTCS 和ETCS 互聯(lián)互通提供一定的借鑒。