中國CTCS-3級列控系統互聯互通的研究與分析

劉人鵬

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

中國CTCS-3級高速鐵路已經相繼建成并投入運營的有武廣線、鄭西線和滬寧線等客運專線，隨即將開通的若干條高速鐵路必將交叉運行，不同高速鐵路間或不同CTCS-3級列控系統設備間的互聯互通已迫在眉睫。中國高速鐵路實現互聯互通，設備層面上，可理解為不同廠家不同類型的列控系統車載設備與其他類型列控系統的地面設備之間能實現通信并互控；從技術層面上，要求各廠家不同類型的列控系統在傳遞消息和報文格式上具有統一的布局，同時要有約定俗成的報文定義，才能相互識別不同系統的機器語言。目前，我國有3種類型的CTCS-3級列控系統，包括從瑞典龐巴迪公司、意大利安薩爾多公司和日本日立公司引進技術消化吸收后，形成各具特色的符合我國國情的3種CTCS-3級列控系統。在最初開通的武廣線和鄭西線高速鐵路上開始只能獨立運行，無法實現互聯互通，這種各自為營的運行方式嚴重制約我國高速鐵路四通八達的運營需求；另一方面從鐵路布局上看，未來幾年中國高速鐵路客運專線將有可能規劃發展成“四縱”與“四橫”交叉的高速鐵路網。因此，互聯互通的最終目的就是實現不同型式的列車可以跨越地域條件和設備條件的限制，運行在高速鐵路網的任何一個位置。

采用CTCS-3級列控系統構建的錯綜復雜的高速鐵路網實現互聯互通，在我國是一個嶄新的課題。目前，已經開始運營的武廣線（武漢至廣州）和鄭西線（鄭州至西安）通過多層次的PDCA循環反復試驗，論證表明已經實現了互聯互通的運營需求。在開展互聯互通的整個過程中，從互聯互通仿真實驗室的布局建設到測試專家的培訓以及測試方法的優化完善，采取了多角度多層次的測試驗證手段。同時借鑒國外在互聯互通方面的先進經驗，在較短時間內首先實現了武廣線與鄭西線間的互聯互通要求。為此，本文在介紹國外互聯互通現狀的同時，引出我國互聯互通的實施方案和實際狀況。

2 歐洲及其他國家高鐵互聯互通

2.1 各國高速鐵路現狀

目前擁有速度300 km/h高速鐵路的國家主要有日本、法國和德國等少數發達國家。其中，日本新干線從1964年運營第一條210 km/h高速鐵路以來，歷經半個多世紀發展到現在，高速鐵路平均運營速度達到300 km/h左右，但日本高速鐵路列控系統的設備制式比較單一，基本上是日本國內制造商提供了所有設備，沒有技術上的引進和差異，也就不存在互聯互通的需求；法國TVM300列控系統和德國的LZB列控系統跟日本大致相似，只在個別控制方式上有所差別，但在本國內也不存在互聯互通的需要。

2.2 歐洲鐵路互聯互通

歐洲發達國家高速鐵路發展比較快，各國國內列控系統制式相對單一，不需要互聯互通，但在各國間所采用的列控系統制式不盡相同。為此，歐洲首先提出了泛歐鐵路網互聯互通的發展戰略，以滿足歐洲各國鐵路能夠互聯互通，實現列車在歐洲跨國界運行時能夠不換司機、不換機車、不用停車等實際應用的需要，并建立了歐洲鐵路運輸管理系統（ERTMS）互聯互通的技術體系框架。其中，ERTMS包括3部分。

1）ETCS：歐洲列車控制系統；

2）ERTML：歐洲鐵路運輸管理層；

3）GSM-R：鐵路綜合數字移動通信系統。

2.2.1 TSI技術標準

TSI（Technical Specification for Interoperability）是在ERTMS基礎上建立滿足歐洲互聯互通技術需求的標準，并要求歐洲各國所有涉及互聯互通的線路和列車都要滿足TSI標準。從結構上劃分，TSI標準可分為基礎設施、能源、命令和控制信號、運輸管理、動車等5個部分，其中與ETCS有關的是“命令和控制信號”；從功能上劃分，TSI標準可分為維護和其他應用兩個部分。TSI標準對ETCS系統的要求主要體現在如下兩條。

1）安全性：即該系統應使列車按照總體系統分配給它的安全水平運行。

2）技術互操作性：包含兩層含義。一是地面基礎設施及列車須滿足“命令和控制信號”系統的要求。二是在司機室安裝的“命令和控制信號”系統在規定的條件下，須許可司機進行常規的操作。

2.2.2 歐洲ETCS中影響互聯互通的具體指標要求

1）響應時間。包括應答器和無線網絡兩方面的響應。

*應答器：車載ATP從收到應答器消息到開始建立通信會話的時延小于1.5 s；從接受應答器消息和實施緊急制動之間的時延小于1 s；從收到應答器消息（如EOA更新、級間轉換、模式轉換）開始到報告由此所導致的車載狀態變化為止的時延小于1.5 s。

*無線網絡：車載ATP從開始通過無線（既包括從RBC又包括從無線注入單元）收到MA開始到更新車載EOA為止的時延小于1.5 s；從收到來自歐洲環線的MA開始到車載EOA更新為止的時延小于1.5 s；從收到緊急消息到車載對此開始實施反應措施為止的時延小于1 s(制動時)或小于1.5 s（僅顯示給司機時）；從收到無線消息到開始建立通信會話為止的時延小于1 s以及位置報告周期大于5 s。

2）準確度。車載位置精度滿足所有距離間隔誤差將小于或等于5 m+V×0.05 s（V：車速，單位為m/s）；車載獲得的速度精度滿足速度低于30 km/h時為±2 km/h，依線性增長到500 km/h時為±12 km/h。

3）其他因素。歐洲的互聯互通不只依賴于ERTMS，還與多種因素有關。如列車檢測設備響應時間，GSM-R網絡消息延遲時間，ERTMS設備采用信息的準確性，如參數精度等都做出了明確的規范描述和說明。

2.3 中國高速鐵路

我國高速鐵路具備幅員遼闊、里程較長以及線路起止點較多等特征；同時，CTCS-3級列控系統采用了多種類型的設備制式，為此，同一制式不同廠家設備間的CTCS-3級列控系統只有實現互聯互通，才能確保列車在不同高速鐵路上運營；否則，就會出現裝配不同車載設備的列車只能運營在安裝了與之呼應地面設備的線路上，這將極大影響列車運輸效率和鐵路線路利用率。為此，需要開展CTCS-3級列控系統互聯互通工作，實現裝載不同制式車載設備的列車可以在不同制式地面設備的控制下暢通無阻地運行。下面是根據CTCS-3級列控系統互聯互通工作開展的實際需要，制定的一系列基本框架原則和工作流程。

2.3.1 改車不改地

在推進互聯互通過程中發現差異性問題，尤其是軟件方面，要求修改車載軟件能解決問題，原則上不要求修改地面設備軟件，除非遇到僅修改車載軟件仍不能解決的問題，再來商討修改地面設備軟件；每次修改時要確定軟件的修改范圍，在盡可能小的范圍內完成，以能實現互聯互通不影響既有定型內容為目的，避免較大改動影響其他相關設備的控制。

2.3.2 細化標準

在互聯互通中遇到而在既有標準中沒有詳加說明的問題，經多方討論獲得最佳解決方案的細則要盡快在CTCS-3級標準體系中確定下來；對于標準中既有內容涉及互聯互通有多種選擇方式時，需詳加說明防止在互聯互通過程中出現歧義理解；對于多種方式均可采用時要增加或項說明。

2.3.3 未定事項

我國的互聯互通還處于試驗驗證階段，個別問題一時難以敲定又不影響互聯互通進展的，可以暫緩以尋求更好的解決辦法，待多家設備列控系統互聯互通明確下來之后在標準中詳加說明。

互聯互通工作流程，如圖1所示。其中，鐵道部基礎部和C3攻關組負責互聯互通整體工作的組織協調、問題討論、過程跟蹤和標準制定與落實，逐階段組織各廠家討論分析問題的解決方法。圖1中只畫了廠家自測與第三方測試兩條線的參與活動，而實際操作中，廠家互測、專家組測試和現場測試3個過程都要參與；各個廠家在每一個過程中分別完成不同層次的測試、分析、修改和復測的反復過程，通過廠家自測、廠家互測、專家組測試和現場測試，再加上第三方認證測試，形成各階段測試報告。在分析解決各階段報告問題后，最終提交綜合測試報告。圖1中可見，未互聯互通時，300T、300S和300H車載設備分別對應著各自平臺運行，經過一系列不同層次的試驗驗證實現互聯互通后，3套車載設備可以在3個平臺上不受任何限制地運行。圖中表明，通過多方討論形成最終綜合報告，從而確認車載與平臺之間是否滿足互聯互通的要求。

3 中國高速鐵路互聯互通

3.1 搭建仿真模擬實驗室

仿真模擬實驗室設備組成結構如圖2所示。仿真測試系統(ATE-C3)是模擬列車運行時所需地面設備環境狀態構建出的硬件模擬器，分別由列控中心（TCC）接口I/F、聯鎖（CBI）接口I/F、線路地理模型、仿真測試支撐系統、ATP實物接口平臺I/F（BTM接口I/F、TCR接口I/F）以及聯鎖子系統CBI1～n、列控中心子系統TCC1～n和TCC中繼站模型組成；另外，還配有調度集中子系統CTC1～n、臨時限速服務器（TSRS）以及通過通用接口適配器VIA連到安全數據網的RBC子系統等組成。所有CTC共用一類LAN網，所有RBC共用一類信號安全數據網，兩類網絡通過VIA通用接口適配器連接在一起交互信息；其他子系統如TCC、CBI分別連接在這兩類網絡上，而TSRS只連接在RBC網絡，通過單獨總線與CTC連接。如圖2所示，在ATP左側接入車載設備ATP的仿真模擬信息，包括繼電信息、應答器信息和軌道電路信息等；在ATP右側經MT口接入GSM-R無線網絡與地面設備無線閉塞中心雙向傳輸的控制與狀態信息，通過DMI司機可以觀察列車的運行情況并執行相應操作。通過多家廠商的相互探討，各家對這個系統結構配置進行了一系列的優化后形成。根據圖2可以搭建出完整的互聯互通仿真模擬試驗平臺，快速進入試驗階段。

3.2 互聯互通仿真試驗

3.2.1 硬件互聯互通

在硬件搭建過程中，不同廠商的RBC與車載設備連接時會出現連接不通問題，其中，300S車載設備與ATE-C3之間連接時，就多次出現連接不成功現象：如車載ATP自檢無法通過是因為300S ATP對兩種制動反饋信息EB和B7是正反饋還是負反饋的要求不同，并且兩種反饋獨立配回線，不能共用相同回線；再如對應答器報文的處理要求也大不相同，300S ATP車載設備在模擬環境下要求對應答器報文的采集類似現場的情形是漸變的過程，如同實際列車運行時收到應答器報文由不全的亂碼到所需代碼再到亂碼的漸變過程一樣，而不是模擬環境下忽然就收到所需報文的突變過程。在硬件的互聯互通中，還包括不同硬件設備間的響應時間以及硬件設備的各種技術參數和安裝規格等內容。

3.2.2 軟件互聯互通

在不同廠家的硬件實現互聯互通后，開始著手開展軟件的互聯互通。CTCS-3級列控系統是通過軟件智能控制各子系統分工合作、閉環反饋的工作過程。當列車車載ATP跟模擬環境下的諸多硬件子系統實現互聯互通后，就要進行軟件互聯互通試驗，檢驗各廠家軟件在編制過程中的差異性能否滿足互聯互通，為此編制了滿足互聯互通需求的全覆蓋測試案例，再量化成詳細的測試序列來驗證預設測試案例的正確性。

首先，測試序列嚴謹周詳。在測試過程中，如果測試的現象跟預期結果相符，說明達到了預想測試效果，如果不符或遇到意料之外的問題，就要進行詳細的記錄、比對、分析甚至反復多次試驗，直到找出問題的原因所在，再來判斷這些問題是否影響互聯互通。如果影響互聯互通，就要考慮先通過修改車載軟件解決問題。如果只修改車載軟件仍不能解決問題，還需修改地面RBC軟件時，就要慎重考慮、周全策劃再做修改，以免帶來不必要的其他影響。同時，軟件修改完之后，需要重新進行相關的試驗，以確保軟件修改之后沒有帶出其他相關問題。

其次，采取安全可靠的信息傳遞機制。車與地的每一個交互動作，都有地面子系統RBC發出控制指令MA，通過GSM-R無線網絡傳遞給車載ATP指揮列車運行，同時車載ATP也會連續向地面RBC反饋其列車狀態信息，構成一個嚴謹安全的閉環控制過程。

3.3 互聯互通專家組測試

互聯互通的測試過程是逐級遞升、交互測試。在經過廠家自測和廠家互測之后，通過提交問題報告、分析問題、解決問題的反復過程，影響互聯互通的問題已基本解決，下面重點介紹專家組測試過程。

首先，專家組是由全國運輸系統高校相關教授和相關企業列控專業技術骨干組成。其次，專家組測試采用覆蓋與互聯互通有關的所有測試案例并適用不同廠商所提供列控系統的通用測試序列。測試序列由專家組在綜合各廠商提供的互聯互通測試序列基礎上編寫，同時，根據互聯互通的特點把測試案例分類區別對待，按重要、一般和無關分成3類，其中與互聯互通有關的測試案例共有237個。

3.4 互聯互通現場測試

經過多層次多側重面實驗室仿真模擬測試之后，綜合專家組提供的測試報告結論和廠家測試報告的問題分析、解決方案的影響程度，決定是否可以進行現場互聯互通帶車實測。現場測試也以相應的序列為基準，依據現場的特征編制有針對性的測試序列，同時在序列中還要詳盡地說明測試內容以及配合單位的工作內容，尤其是需要設置故障點時需要提前通知配合單位工作人員做好準備。現場測試是驗證列控系統設備裝車之后互聯互通的可行性。

3.5 互聯互通報告

每個測試階段的測試報告是確定互聯互通測試效果的依據，要求參測人員做好每一個測試序列的測試記錄，根據記錄匯總撰寫每階段測試報告，圖1中可以看出，整個互聯互通的測試過程分5個階段形成5份測試報告。每個層次的每個階段測試完畢也要匯總報告，根據報告分析問題解決問題，形成每個層次的最終報告，每層最終報告中問題解決后傳至下一個層次的測試中去。其中，主要問題在最終報告1和最終報告2中由廠家根據測試結果并依據修改軟件原則完成修改，在最終報告的第三到五中問題已經很少。不同層次和不同階段的測試報告由相關測試小組編寫完成，首先提交給鐵道部基礎部和C3攻關組審閱，再由C3攻關組組織相關廠家技術人員分析討論問題，尋找解決問題的方案，把達成一致的問題解決方案形成互聯互通相關標準。其中，以最終綜合報告為基準來確定各車載設備與不同地面設備間是否實現了互聯互通，如果確認能夠實現互聯互通，則如圖1中最右側的變化狀態，就是原本各自獨立的車載設備與地面設備經過一系列的嚴謹測試與報告分析，逐級篩減問題，最終，把所有影響互聯互通的問題在綜合報告之前全部解決，形成詳盡的有說服力的互聯互通綜合報告，以此來確定成套獨立的車載設備與地面設備相互間實現了互聯互通，可以滿足在國內任何高速鐵路上運營的需求。

4 結束語

我國CTCS-3級列控系統有武廣、鄭西和廣深港3個不同形式的平臺，通過一系列不同層次的互聯互通試驗驗證，已在各高速鐵路線上實現了互聯互通需求，實現了跨平臺行車的可能。同時，通過三個平臺的引進也增加了不同平臺之間車載設備的品質競爭和技術改進，有利于我國高速列車的進一步優化完善和快速平穩發展；而且，也形成了與互聯互通相關的一系列嚴謹周詳的標準規范，為今后引進新型車載設備時，有標準規范可依，全面滿足互聯互通的要求，也為我國高速列車搭載國產化車載設備走出國門創造了有利的條件；另外，需要進一步梳理與互聯互通有關的試驗標準，不斷地完善優化相關的標準規范，形成更高層次的國際標準，為未來實現跨國界互聯互通奠定堅實的基礎。

[1] 鐵道部科技運函[2004]14號 中國列車運行控制系統CTCS技術規范總則（暫行）[S].

[2] C3-BZ-009 CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范[S].