美國PTC系統(tǒng)概述

蔡 亮 趙 磊 何春明

（1．中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2．北京和利時系統(tǒng)工程有限公司，北京 100096）

1 概述

在大約3%～4%鐵路線上，機(jī)車信號和自動速度控制針對單點人因故障提供了防護(hù)措施。自1971年開始，國家運輸安全委員會（NTSB）已經(jīng)強(qiáng)烈要求采用更先進(jìn)的技術(shù)措施來防護(hù)人因故障。鐵路工業(yè)自1985年以來就許諾研發(fā)該項技術(shù)。1994年美國聯(lián)邦鐵路管理局（FRA）在鐵路通信和列車控制方面向國會提交了一份報告，在該報告中創(chuàng)造了術(shù)語“PTC”；2000年，F(xiàn)RA向國會提交了一份關(guān)于PTC系統(tǒng)實施的報告；并于2004年向國會撥款委員會提交了1份關(guān)于PTC系統(tǒng)優(yōu)勢和成本的報告；2005年，F(xiàn)RA為促進(jìn)PTC系統(tǒng)的推廣，發(fā)布了1份關(guān)于信號和列車控制系統(tǒng)設(shè)計性能標(biāo)準(zhǔn)的最終規(guī)定。

PTC系統(tǒng)是為控制列車安全、可靠、精確和有效地運行等而集行車指揮、控制、通信和信息化等子系統(tǒng)于一體的一個集成系統(tǒng)[1]。PTC系統(tǒng)可以通過有效地減少列車相撞的概率、鐵路職工的意外傷亡和設(shè)備損壞以及超速事故的發(fā)生，來提高鐵路運營的安全性。NTSB已經(jīng)把PTC系統(tǒng)認(rèn)定成為了NTSB“最想要”的創(chuàng)新之一[2]。PTC系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)、車載計算機(jī)、駕駛室顯示設(shè)備、機(jī)車制動接口、軌旁設(shè)備接口單元、列車控制中心計算機(jī)及其顯示設(shè)備組成。PTC系統(tǒng)同時具有與調(diào)度員、工作指令記錄系統(tǒng)和列車運行狀態(tài)記錄系統(tǒng)的接口。

PTC系統(tǒng)追蹤列車和軌道維護(hù)車輛的位置，發(fā)送行車許可，并自動延伸行車許可。PTC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程干預(yù)能力可準(zhǔn)許控制中心停止一列機(jī)務(wù)人員無法停下的列車。PTC系統(tǒng)還具有優(yōu)化運行時分、提高正點率、提高資產(chǎn)利用率和線路通行能力的優(yōu)點。PTC系統(tǒng)的試用版本在10年前被成功地測試了，但是該系統(tǒng)并沒有廣泛使用。目前，其他驗證工程正在籌備和測試階段。PTC系統(tǒng)在鐵路上的正式商用有希望在最近10年開展。

2 系統(tǒng)主要功能

PTC系統(tǒng)具有防護(hù)列車相撞、防止超速脫軌、防護(hù)鐵路工人遭受列車撞擊、在許可限制區(qū)防止列車進(jìn)入的能力[3]；同時具有在停車點通過制動防止列車移動的功能。PTC系統(tǒng)不同的復(fù)雜性很大程度上取決于自動化水平和系統(tǒng)實現(xiàn)的功能、所使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)基于何種地面系統(tǒng)（例如無信號、閉塞信號、機(jī)車信號等）和設(shè)定的列車控制等級。

PTC系統(tǒng)適用于貨運鐵路、城際高速鐵路等。該系統(tǒng)具有閉環(huán)控制、使用車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)和使用數(shù)字無線信號傳輸位置報告和行車許可等特征。FRA要求PTC系統(tǒng)具有防止列車相撞、強(qiáng)制速度限制、保護(hù)軌道上工作人員及設(shè)備的功能。除了具備上述功能外，要求其具有更精確的列車跟蹤和運行管理能力，具備縮短列車間隔時間以增加運力、降低工作量、減少軌旁電子設(shè)備等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 數(shù)字無線電

根據(jù)圖1所示，PTC系統(tǒng)中列車運行重要信息和保證列車安全行駛過程的主要信息均使用數(shù)字無線電網(wǎng)絡(luò)傳輸。數(shù)字無線電網(wǎng)絡(luò)的性能和安全性直接關(guān)系著PTC系統(tǒng)能否成功對列車進(jìn)行自動運行控制。為了應(yīng)付目前復(fù)雜鐵路運輸?shù)男枨?，要求?shù)字無線電網(wǎng)絡(luò)具有足夠的通信信道和大數(shù)據(jù)吞吐量。

3.2 高精度全球定位系統(tǒng)

在PTC系統(tǒng)中，列車定位功能依靠全球定位系統(tǒng)(GPS)完成。列車位置信息對制動曲線生成、列車安全行駛和調(diào)度起著至關(guān)重要的作用。

圖2給出利用GPS來實現(xiàn)列車定位的具體過程。首先，通過GPS接收器接收列車的地球坐標(biāo)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)；同時獲得由加速度計、光纖陀螺和轉(zhuǎn)速計測量出的列車加速度數(shù)據(jù)、橫向加速度數(shù)據(jù)以及列車速度數(shù)據(jù)；經(jīng)過卡爾曼濾波去除噪聲后，得到真實加速度和速度信息；結(jié)合線路信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對后，最終得到列車實際位置信息。

3.3 車載設(shè)備

車載設(shè)備在PTC系統(tǒng)中主要功能是向PTC系統(tǒng)服務(wù)器報告列車位置、強(qiáng)制執(zhí)行行車許可和限速指令。其他功能主要有在通過限速區(qū)域時，警告列車全體工作人員；警告經(jīng)許可在軌道上的工作人員；在列車上顯示行車許可和速度限制等功能。

3.4 PTC服務(wù)器

PTC服務(wù)器通過數(shù)字無線電接收列車的位置信息，實時跟蹤列車。通過接收到的站場條件信息，實時監(jiān)控軌道電路、道岔和故障探測器。同時，PTC服務(wù)器計算行車停止點，向列車傳送行車許可和速度限制信息。

3.5 計算機(jī)輔助調(diào)度系統(tǒng)

計算機(jī)輔助調(diào)度系統(tǒng)主要完成人為干預(yù)列車運行的功能，人為啟動和停止列車。該控制信息通過PTC服務(wù)器發(fā)送給列車，實現(xiàn)對列車運行的人為控制。

3.6 PTC系統(tǒng)激活的鐵路交叉路口

在鐵路交叉路口的所有防護(hù)措施（如護(hù)欄、指示燈等）均通過數(shù)字無線電與列車建立通信連接。當(dāng)有列車即將駛過交叉路口時，列車向交叉路口發(fā)送無線電信息，通知交叉路口的各設(shè)備，采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

3.7 線路施工負(fù)責(zé)人手持便攜終端

線路施工負(fù)責(zé)人手持便攜終端(EIC PRT)是1個便攜計算機(jī)終端，該設(shè)備是給需要在施工區(qū)域內(nèi)建立軌道安全區(qū)域的工作人員或給自己建立保護(hù)區(qū)域的單獨工作人員使用。該設(shè)備基本功能是使線路施工負(fù)責(zé)人能夠準(zhǔn)許列車駛?cè)胧┕^(qū)域、在線路維護(hù)區(qū)段設(shè)置列車限制速度。圖3給出了PTC系統(tǒng)框圖，其中虛線部分是EIC PRT。

4 主要研究內(nèi)容

4.1 可靠的制動算法

由于列車制動設(shè)備信息不充分，PTC系統(tǒng)中現(xiàn)存的制動算法效率低，不能滿足現(xiàn)在的需要。一種自適應(yīng)制動算法正在被研究，該算法通過反饋和閉環(huán)算法，使得制動傳輸率、列車重量、制動效率更加接近于真實值。該算法的優(yōu)點：可以將列車停在離理想停車點盡可能近的地方，與此同時，給了列車員更充足的空間去操縱列車，而不是迫使他們過早地實施制動。

圖4是一組制動曲線，該曲線表示在同樣的測試環(huán)境(列車重量，速度及其他環(huán)境因素)、不同已知參數(shù)條件下所得的制動點概率密度分布圖。從圖4可以看出，在制動傳輸時間、列車重量和制動效率均未知的情況下，制動點分布距離目標(biāo)制動點偏差較大，平均偏差約為520 m左右。而在已知制動效率的情況下，制動效果最理想，制動點分布距離目標(biāo)制動點平均偏差約為100 m左右。因此，制動效率是影響最終制動效果的重要因素。

4.2 互通性的能力

PTC系統(tǒng)是個龐大的列車自動控制系統(tǒng)，需要多個廠商和研發(fā)機(jī)構(gòu)共同參與開發(fā)工作，并要求各個廠商和研發(fā)機(jī)構(gòu)所開發(fā)的產(chǎn)品具有互通性能力。

互通性要求在使用各個廠家的車載設(shè)備和所有其他制造商的地面設(shè)備集成時，均符合相應(yīng)的兼容要求。

4.3 實際風(fēng)險評估方法

PTC系統(tǒng)的風(fēng)險評估工作從基于風(fēng)險容忍度等級（TRL）的基事件開始，對新系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險分析，在系統(tǒng)設(shè)計過程中實行多次重復(fù)（迭代），直至TRL被接受；PTC系統(tǒng)風(fēng)險評估過程的研究結(jié)果和詳細(xì)報告已經(jīng)被審核。

5 PTC系統(tǒng)實際應(yīng)用

目前，全部有影響力的鐵路設(shè)備供應(yīng)商或集成商都在積極出資以從鐵路安全改進(jìn)委員會（RSIA）獲得PTC系統(tǒng)實施計劃，并使各自的PTC系統(tǒng)實現(xiàn)最大的互通性。

FRA支持所有鐵路承包商安裝PTC系統(tǒng)，這些承包商均有官方報告和安裝需求。鐵路承包商正在通過監(jiān)管改革、項目安全監(jiān)督、技術(shù)開發(fā)和經(jīng)濟(jì)資助等組合手段，自愿地裝備PTC系統(tǒng)。

目前，有11個不同PTC系統(tǒng)項目在不同階段進(jìn)行開發(fā)和實施，包括至少16個州的9條不同鐵路線路，超過6 400 km的鐵路[4]。表1給出了美國正在進(jìn)行的主要PTC系統(tǒng)實施項目。

表1 美國主要PTC系統(tǒng)項目表

續(xù)表

[1] Lindsey. R. Positive train control in North America[J]. Vehicular Technology Magazine, IEEE, 2009, 4(4): 22-26.

[2] Terry Tse. Positive Train Control [EB/OL]．（2008-08-16）[2010-03-04] http://www.fra.dot.gov/Pages/1941.shtml.

[3] Terry Tse. Positive Train Control Overview [EB/OL].（2008-11-06）[2010-03-04] http://www.fra.dot.gov/us/content/1265.shtml.

[4] Terry Tse. PTC Development [EB/OL]．（2008-09-06）[2010-03-04] http://www.fra.dot.gov/Pages/1947.shtml.

[5] Joe Drapa，et al. PTC Starts to Roll Out Across the USA[J]. Railway Gazette Intl，2007， 163(5): 285-289.

[6] Jana Price and James A. Southworth，Positive Train Control Systems[J]. J. of Accident Investigation，2006，2(1)：75-79.

[7] Sam Alibrahim. North American Joint Positive Train Control System Four- Quadrant Gate Reliability Assessment[R]．Washington DC: FederRal ailroad Administration, 2008：1-4.