中國鐵路列控系統技術及發展趨勢探討

韓利鋒

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

鐵路是我國的重要基礎設施，是屬于大眾化的交通工具，在我國綜合交通運輸體系中處于骨干地位。根據我國鐵路中長期建設計劃，到2020年我國的高速鐵路將達到3萬km，將覆蓋80%常駐人口在100萬以上的城市。我國鐵路建設特別是高速鐵路的發展離不開列控系統提供的安全保障。在高速鐵路建設過程中，我國的列控系統已形成自己的技術體系，成為高速鐵路三大核心技術之一。

1 中國鐵路列控系統的概述

中國鐵路列車控制系統是由眾多子系統組成的車-地協同控制系統，由列控中心、無線閉塞中心、臨時限速服務器、車站聯鎖、調度集中以及車載ATP設備等各個子系統相互配合，共同對列車施行運行控制任務。隨著列車時速的不斷提升，高速鐵路的安全性、可靠性都成為各個國家重視的項目建設之一。在進行高速鐵路相關的建設活動中，對于通信系統的研究和建設投入了巨大的人力物力。同時將自動控制技術、計算機技術、通訊技術和鐵路信號技術共同構建一個高度集成的鐵路列車控制系統。用列控系統來保障鐵路列車的平穩安全運營，同時與地面列控中心的實時通訊，能夠實現對列車的精準調度，有組織的使用鐵路運力，高效整合鐵路資源。

2 幾種列控系統的簡單介紹

2.1 ETCS系統

ETCS系統是歐洲鐵路列車控制系統，解決歐洲各國鐵路相互之間的兼容問題，能夠在歐洲境內實現互通運營，兼顧既有設備和列車控制系統今后的發展趨勢的規范標準。ETCS是鐵路運營的一系列技術、標準規范和概念。也涉及到信號安全系統。ETCS系統規定了功能系統標準、運營模式、設備接口以及通訊協議等，涵蓋了列車運營的各個方面。我國的列車控制系統（CTCS系統）是在ETCS系統基礎上結合我國實際應用需求發展出來的。

2.2 CTCS系統

CTCS級列控系統主要由地面設備、車載設備構成，地面設備的主要由無線閉塞中心、列車控制中心、應答器以及相應的軌道電路等設備構成。車載設備主要由車載專用計算機、無線通訊模塊、軌道電路接收單元、應答器接收模塊、人機交互界面等各種相應的傳感器共同組成。CTCS系統根據功能和需求以及應用線路的不同，目前投入運營的系統分為0至3級。

2.2.1 CTCS-0級列控系統

CTCS-0級列控系統適用于設計時速在160 km以下線路。在 CTCS運營條件不足的線路，或者說是對于復雜的CTCS系統尚不具備安裝條件的線路，這時候時候可以采用列車運行監控裝置和通用機車信號進行有效控制。列車運行監控裝置作為最底層的裝置之一，主要提供的是列車的行駛速度和列車最大的允許速度，采用的測速模式是目標距離式，利用地面信號設備，并且依靠存儲的所有線路數據并靠邏輯推斷和實際線路進行實時比對，結合列車制動性能計算目標距離式制動曲線。

2.2.2 CTCS-1級列控系統

CTCS-1級列控系統在0級系統之上，增強了安全性能保障列車的安全行駛。其中采用的設備是主體機車信號+加強型運行監控裝置，系統設計時速在160 km以下，是在原有的0級設備基礎上進行相應的強化改造，達到機車信號對安全性能的要求要求，同時增加點式設備，監控列車運行各項指標確保其能夠安全行駛。利用軌道電路及時有效的完成列車完整性檢查，能夠持續不斷的向列車發出控制信息。

2.2.3 CTCS-2級列控系統

CTCS-2級列控系統適用于設計時速在200～250 km的線路。與CTCS-1級列控系統相比，CTCS-2級列控系統是基于軌道傳輸信息，并采用列車和地面一體化系統設計列控系統。可實現區間-車站一體化、通信-信號一體化以及機電一體化。該系統采取的是目標-距離控制模式。目標-距離控制模式是根據目標的距離、目標的速度及列車本身的各項性能指標來確定列車制動曲線和制動時間，采用一次制動方式來完成制動。

2.2.4 CTCS-3級列控系統

CTCS-3級列控系統適用于設計時速在300～350 km的線路。主要有地面設備調度集中系統（CTC）、無線閉塞中心系統（RBC）、臨時限速服務器（TSRS）、計算機聯鎖系統（CBI）、列控中心（TCC）等各個系統構成的。CTCS-3級列控系統地面設備的核心特征就是使用無線閉塞中心，使整個設備的使用范圍和功能得到一定規模的擴充。無線閉塞中心系統是根據車載子系統、列控（聯鎖）地面子系統等提供列車的基本信息，并產生對列車的控制信息，同時使用GSM-R無線通信系統和給CTCS車載設備進行實時通訊。接收和發送列車的位置信息和列車運行參數等。實現列車的精準定位。同時通過其他各個系統的配合使用，對列車的行駛過程和行駛參數進行有效監督，確保列車的整體運行狀況良好。CTCS-3控車原理,如圖1所示。

3 列控系統未來發展趨勢

隨著我國鐵路建設的高速發展，列控系統的運用逐步成熟，相關技術也逐步完備。同時，隨著LTE無線通訊技術、北斗衛星導航技術等新技術的相繼完善，為我國的鐵路列控系統提供了新的技術支撐和發展方向。隨著“一帶一路”倡議的深化實施，中國高鐵作為國家名片正在實現“走出去”的目標，對列控系統創造了新的機遇和挑戰。

3.1 加強技術轉化，實現自主知識產權

圖1 CTCS-3系統控車原理圖Fig.1 Illustration of train operation under CTCS-3 system

縱觀我國高鐵建設以及列控技術的發展，經歷了從完全引進到消化吸收再到自主創新的歷程。隨著我國高鐵走出去戰略的需求日益迫切以及國際市場競爭的日益激烈，作為高鐵控制系統核心技術的列控系統實現自主知識產權才能成為中國高鐵走出去的有力支撐。

目前，我國擁有自主知識產權的CTCS-3級列控系統地面設備和車載設備正在北京至沈陽客運專線進行高速綜合試驗。試驗完成后標志著我國擁有自主知識產權的CTCS-3級列控系統可以完全滿足時速350 km的高鐵運營要求，也標志著我國的列控地面和車載設備擺脫了對引進廠商的依賴。

3.2 自動駕駛技術，實現高鐵的智能化

我國高速鐵路的“四縱四橫”路網已初具規模，正在向“八縱八橫”邁進。自動駕駛技術在高鐵列車的運用，對于實現智能化管理列車運行、保障運輸秩序的高效執行和快速調整、減輕列車司機勞動強度具有重要意義。2016年，裝載CTCS-2級ATO列控車載設備的珠三角莞惠城際的開通，實現了全球首條在時速200 km的高鐵線路的自動駕駛技術應用。2018年1月，中國鐵路總公司頒布《高速鐵路ATO系統暫行總體技術方案》，對高速鐵路的ATO系統尤其是CTCS-3級ATO系統的總體要求、系統結構、關鍵技術參數等做出具體要求，在該方案的指導下，基于CTCS-3級列控系統的ATO系統已在北京至沈陽客運專線開展高速綜合試驗，并計劃在2020年京張高鐵實現運用。高速鐵路ATO系統結構圖，如圖2所示。

3.3 引入衛星定位技術與LTE通信技術，實現更高速度與更短追蹤間隔

中國列車運行控制系統（CTCS） 規 劃 的CTCS-4級列車運行控制系統將采用衛星定位技術，因此，將我國自主研發的北斗導航技術應用到鐵路列車列控系統中是中國鐵路在未來的發展方向。北斗導航系統能夠提供的定位、授時、短報文通信等功能，基于這點北斗導航系統能夠提供穩定的運行環境。在列車定位和自動控制方面有著廣闊的應用前景。在CTCS-3級列控系統基礎上，引入衛星定位技術，利用地面差分站系統可實現去除部分實體應答器，車載設備兼備虛擬應答器和實體應答器接收功能，并通過無線通信傳輸獲取地面差分信息，實現列車連續精確定位，升級為基于虛擬應答器的列控系統。

目前的CTCS-3級列控系統車地無線通信采用的是GSM-R網絡，隨著CTCS-3級列車開行密度的加大，GSM-R網絡在帶寬、通信速率、無線超時后的恢復時間等指標方面已逐漸無法滿足運營需求，所以基于LTE-R的4G無線通信平臺來承載列控系統車地間無線通信已成為必然趨勢。與傳統GSM-R相比，LTE-R具有設備少、帶寬高、容量大、建立連接和恢復連接耗時短以及維護成本低等優點，能夠更好地滿足列控系統車地無線通信需求。采用LTE-R無線通信網絡平臺后，車載設備接口、地面RBC設備接口需做相應的升級。采用了衛星定位技術與LTE通信技術的列控系統，為滿足高鐵400 km/h的運營速度與3 min追蹤間隔奠定基礎。

3.4 建立標準化統一平臺

圖2 高速鐵路ATO系統結構圖Fig.2 ATO system structure for high-speed railways

在CTCS-3級列控系統的基礎之上。通過我國鐵路系統的自主研發和技術轉化，發展擁有知識產權的列控系統。與各個信息產業進行深度融合，利用先進的智能化設備實現列控系統的智能化、實時化。并且制定出適用全國的統一標準平臺，對全國的在軌運營的列車進行統一管理。并建立全國鐵路交通智能化調度監控平臺，對各個鐵路實現全面的監督與監控，避免可能出現的安全隱患。同時與各大計算機中心進行深度合作，利用相應算法，實現鐵路調度的優化。最終實現鐵路列控系統的智能化、標準化。方便統一管理。

例如動車組“復興號”大量采用中國國家標準、行業標準、中國鐵路總公司企業標準等技術標準，同時采用了國際上先進各項標準，具有良好的兼容性能。在254項重要標準中，中國標準占總數的84%。最重要的是中國標準動車組整體設計以及車體、轉向架、牽引、制動、網絡等關鍵技術都是我國自主研發，具有完全自主知識產權。“復興號”的安全性能更高、乘坐體驗良好、車體空氣阻力更低體現了我國列車制造的高超技術。

3.5 適配不同區域市場，布局“走出去”戰略

我國的列控系統技術是在參考歐洲ETCS標準并結合我國實際后形成的CTCS系統，中國高鐵作為一張國家名片在“一帶一路”建設中發揮著重要作用，“走出去”已經成為中國高鐵發展的重要戰略部署，也就意味著中國列控系統同樣需要布局“走出去”戰略。世界主要地區鐵路發展概況，如表1所示。

表1 世界主要地區鐵路發展概況Tab.1 Overview of railway development in some regions of the world

在我國技術標準尚未得到世界廣泛認可之前，在我國標準與國際標準進行等同對待前，為使我國列控系統能夠“走出去”，必須首先解決信號技術標準在海外工程中的適應性問題。需要進行CTCS體系標準在海外工程的適應性研究，CTCS系統與目標國信號系統的兼容性研究以及CTCS列控系統產品適應性改進技術研究，因地制宜的選擇合適技術以符合當地的發展要求。

4 總結

我國鐵路的高速發展離不開列控技術的成熟運用，只有打破國外的技術壁壘實現完全自主知識產權，才能切實為鐵路發展打下良好的基礎。與此同時，要積極響應國家的“一帶一路”建設步伐，將我國自主研發的鐵路列控系統推廣出去，搶占國際市場，亮出中國高鐵的亮麗名片。