列車完整性讓ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)成為可能

雖然ETCS-1級(jí)和ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的項(xiàng)目正在整個(gè)歐洲，乃至全世界實(shí)施，但是許多鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理公司仍然認(rèn)為，ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)才是互聯(lián)互通列控系統(tǒng)的最終解決方案。

應(yīng)用ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步減少地面信號(hào)設(shè)備。列車能夠自行確定自身位置和完整性，并且發(fā)送自身位置和完整性信息，因此傳統(tǒng)的列車檢測(cè)系統(tǒng)，比如軌道電路和計(jì)軸器，將會(huì)變得過時(shí)。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理公司可以擺脫這些當(dāng)下需要進(jìn)行大量維護(hù)工作、導(dǎo)致多達(dá)50％信號(hào)系統(tǒng)干擾和故障的地面列車檢測(cè)系統(tǒng)。

現(xiàn)今依靠軌道電路進(jìn)行斷軌檢查的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理公司，將需要采用新的程序和設(shè)備進(jìn)行軌道狀況監(jiān)測(cè)。

取消地面列車檢測(cè)系統(tǒng)之后，更多的鐵路安全運(yùn)營(yíng)責(zé)任將會(huì)從鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理公司轉(zhuǎn)移到鐵路運(yùn)輸公司。鐵路運(yùn)輸公司必須通過安全的車載技術(shù)設(shè)備和安全的運(yùn)行流程，在整個(gè)列車運(yùn)行過程中確保列車完整性。任何一輛脫鉤或者丟失的車輛都將會(huì)成為軌道上探測(cè)不到的障礙物，威脅其他列車的運(yùn)行安全。與地面列車檢測(cè)系統(tǒng)一樣，車載列車完整性檢測(cè)系統(tǒng)也需要達(dá)到最高的安全完善度等級(jí)（SIL）。在高速鐵路和列車運(yùn)行間隔較短的線路上，這些系統(tǒng)需要在檢測(cè)列車完整性缺失或者系統(tǒng)故障方面具有較高的性能，必須在幾秒鐘內(nèi)將上述檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給地面控制中心。

現(xiàn)在信號(hào)工程師從事的專業(yè)領(lǐng)域，只有很少幾個(gè)能夠注意到的有關(guān)列車完整性的活動(dòng)。整個(gè)行業(yè)的焦點(diǎn)都放在歐洲列車控制系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范3.0.0（ETCS?SRS?3.0.0）的定稿上。上述規(guī)范應(yīng)關(guān)閉現(xiàn)行各個(gè)版本中的重要開口項(xiàng)，包括協(xié)調(diào)制動(dòng)曲線的計(jì)算、平交道口的處理等問題。泛歐鐵路網(wǎng)絡(luò)（TEN）各條走廊都需要這些功能。事實(shí)上，整個(gè)歐洲范圍的鐵路網(wǎng)絡(luò)都正在裝備ETCS-1級(jí)和ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)。

現(xiàn)在正在通過國(guó)際鐵路聯(lián)盟的歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)區(qū)域（ERTMS?Regional）項(xiàng)目和在一條瑞典鐵路上開展的試點(diǎn)項(xiàng)目，推動(dòng)ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)發(fā)展。然而，ERTMS?Regional并沒有解決車載列車完整性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這個(gè)問題。上述試點(diǎn)項(xiàng)目依賴既有地面列車檢測(cè)設(shè)備和運(yùn)行流程，即依賴人工檢查列車完整性，對(duì)于運(yùn)輸量低的地區(qū)性線路而言，人們認(rèn)為這種方式足以滿足需要。

2000年10月，原來的歐洲經(jīng)濟(jì)利益集團(tuán)（EEIG）ERTMS用戶集團(tuán)下屬的列車完整性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作組（TIMS?WG）完成列車完整性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能需求規(guī)范（FRS）的制定工作。關(guān)注一下這個(gè)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)情況可以發(fā)現(xiàn)，1999年至2001年，申請(qǐng)達(dá)到高峰，但是近幾年，只有少量申請(qǐng)。

列車完整性的技術(shù)解決方案，在很大程度上取決于列車是否擁有一套完整的電氣設(shè)備，或者空氣制動(dòng)管是否是車輛之間除機(jī)械連接以外的唯一連接。

現(xiàn)代的客運(yùn)列車裝備總線系統(tǒng)，用于牽引和車輛控制功能；傳統(tǒng)的干線列車則使用UIC電纜，具有可以用于建設(shè)列車總線系統(tǒng)的芯線。在這些列車上，可以通過合理的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用TIMS系統(tǒng)，主要的挑戰(zhàn)在于，較之非安全的列車控制功能，上述功能的安全性要求很高。一些國(guó)家的客運(yùn)和貨運(yùn)列車，都裝備自動(dòng)車鉤或者電空制動(dòng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的電氣設(shè)備同樣可以成為TIMS系統(tǒng)的骨干。

列車完整性監(jiān)測(cè)的最大困難在于，貨運(yùn)列車沒有沿著車身安裝電氣設(shè)備。這一問題是上述領(lǐng)域大多數(shù)專利申請(qǐng)關(guān)注的焦點(diǎn)。分析這些專利可以發(fā)現(xiàn)，各種解決方案可分為三大類。

1）?基于列尾裝置的系統(tǒng)

通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)列車首端和尾端位置。通過無線通信將列尾裝置的位置發(fā)送給安裝在首輛車輛上的評(píng)價(jià)單元。由于衛(wèi)星信號(hào)在建筑物、特殊地形和隧道引起的遮蔽區(qū)域內(nèi)形成不連續(xù)覆蓋，基于衛(wèi)星的系統(tǒng)需要另外一套不同的系統(tǒng)作為補(bǔ)充。

在列車首段和尾端上安裝無線裝置，評(píng)估首輛車輛的信號(hào)傳輸時(shí)間。

檢測(cè)最后一輛車輛的空氣制動(dòng)管壓力減小幅度，將狀態(tài)信息通過無線通信傳輸給首輛車輛的評(píng)價(jià)單元。

列尾裝置將聲波發(fā)送到空氣制動(dòng)管內(nèi)，在首輛車廂上進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2）?無需列尾裝置的系統(tǒng)

將超聲波信號(hào)發(fā)送到首輛車輛車輪所在鋼軌內(nèi)，通過評(píng)價(jià)后續(xù)車輛車輪產(chǎn)生的反射，確定車輪的間距和數(shù)量。

監(jiān)測(cè)首輛車輛空氣制動(dòng)管的幾個(gè)參數(shù)，比如壓力或者氣流量。

系統(tǒng)向首輛車輛的制動(dòng)氣管內(nèi)發(fā)送音頻信號(hào)，評(píng)價(jià)信號(hào)的反射。

3）?基于車載設(shè)備和地面設(shè)備的系統(tǒng)

將列車首端和末端信號(hào)傳輸給地面設(shè)備，然后回傳給車載設(shè)備。

比較車載設(shè)備已知的車軸數(shù)量與地面設(shè)備統(tǒng)計(jì)的車軸數(shù)量。

如今，基于列尾設(shè)備和GPS系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，并且已經(jīng)作為主要在沒有安裝地面設(shè)備的“黑暗”區(qū)域內(nèi)的貨運(yùn)鐵路的車載信號(hào)系統(tǒng)的一部分投入使用。

由于當(dāng)車輛脫鉤時(shí)，空氣制動(dòng)管的壓力降低存在延遲，氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能無法滿足列車運(yùn)行間隔較短的歐洲干線鐵路的性能需求。

除了衛(wèi)星覆蓋和空氣制動(dòng)管性能這兩個(gè)實(shí)際約束引發(fā)的上述系統(tǒng)的技術(shù)局限以外，需要安裝列尾裝置是另外一個(gè)影響列車運(yùn)行的難題。需要建立各種流程，并且投入人力確保，所有編組完畢列車的末端車輛都安裝合適的列尾裝置。上述列車運(yùn)行局限不能滿足高性能鐵路的物流要求。

從列車運(yùn)行的角度而言，不依靠列尾裝置的系統(tǒng)更加具有吸引力。然而，這些系統(tǒng)不得不面對(duì)更加難以解決的實(shí)際約束。幾乎不可能在本務(wù)機(jī)車上，在較短的延遲內(nèi)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)列車某個(gè)位置的制動(dòng)管漏氣。德國(guó)鐵路股份公司進(jìn)行的試驗(yàn)已經(jīng)表明，發(fā)送到空氣制動(dòng)管內(nèi)的聲波頻率越高，反射和衰耗就越明顯。適用的頻率在10～20?Hz之間。然而，在這個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)，列車運(yùn)行，特別是當(dāng)實(shí)施制動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪聲，將會(huì)產(chǎn)生出嚴(yán)重的干擾。

從經(jīng)濟(jì)效益來說，需要使用地面設(shè)備的解決方案吸引力較小，因?yàn)檫@種解決方案需要與當(dāng)下正在使用的軌道電路和計(jì)軸器相似的投資和維護(hù)。

鐵路運(yùn)輸公司負(fù)責(zé)列車完整性這個(gè)問題，還需要從政治和經(jīng)濟(jì)上來看。一部分信號(hào)系統(tǒng)的生命周期成本從基礎(chǔ)設(shè)施管理公司轉(zhuǎn)移到鐵路運(yùn)輸公司。雖然大部分鐵路的地面設(shè)備受到政府部門補(bǔ)貼，越來越多的私營(yíng)鐵路運(yùn)輸公司進(jìn)入客運(yùn)及貨運(yùn)領(lǐng)域。這些私營(yíng)鐵路運(yùn)輸公司不得不在沒有補(bǔ)貼的情況下與公路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸公司競(jìng)爭(zhēng)。任何成本增加都會(huì)進(jìn)一步降低這些企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在TEN網(wǎng)絡(luò)的自由進(jìn)入規(guī)則的背景下，某一地區(qū)應(yīng)用ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，可能會(huì)對(duì)眾多在TEN走廊上運(yùn)營(yíng)列車的鐵路運(yùn)輸公司造成很大的經(jīng)濟(jì)影響。因?yàn)椋@些公司不得不將列車升級(jí)，使用ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)。

讓ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)成為可能，不僅取決于找到車載列車完整性監(jiān)測(cè)的適當(dāng)解決方案，還需要從經(jīng)濟(jì)和政治角度來看。在沒有電氣設(shè)備的列車上提供實(shí)用、可靠、安全的列車完整性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)似乎非常困難。因此，現(xiàn)在暫且可以將ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的應(yīng)用，限制在客運(yùn)專線或者裝備列車總線系統(tǒng)、支持列車完整性監(jiān)測(cè)的貨運(yùn)列車運(yùn)行的鐵路走廊。

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司翻譯室 楊碩譯自國(guó)際鐵路信號(hào)工程師協(xié)會(huì)（IRSE））

來源：http://www.irse.org/knowledge/publicdocuments/20