ETCS基線3與基線2差異分析

張友兵，王建敏，于曉娜，鮑鵬宇，朱志承

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

在歐洲，由于列車運行控制系統種類繁多，且各國信號制式復雜、互不兼容，為統一歐洲鐵路網，保證高速列車在歐洲鐵路網內互通運行，提高運輸效率，1989年12月歐洲運輸部長會議做出決定，就歐洲大陸鐵路互聯互通中的技術問題尋找解決方案。1998年，歐洲各大信號公司組建UNISIG組織，共同制定統一的歐洲鐵路運輸管理系統（European Rail Traffic Management System，ERTMS）技術規范。2001年歐盟通過立法形式確定歐洲列車控制系統（European Train Control System，ETCS）成為強制性技術規范。ETCS得到歐洲各國鐵路公司和供貨商的廣泛認可。

2016年，歐盟發布了ETCS基線3版本2，修改前面版本規范存在的缺陷，關閉開口項，優化部分系統功能，并新增一些系統功能，進一步促進列車與軌旁基礎設施之間的互聯互通，為ETCS的應用和推廣奠定堅實基礎。ETCS系統是世界范圍內應用最為廣泛的列車控制系統之一，歐盟正在大力推廣最新版本的ETCS系統。與目前已廣泛使用的ETCS基線2相比，ETCS基線3版本2呈現出許多新特點，對其進行深入研究，有助于開發符合歐盟標準的ETCS系統，拓展海外市場；也有助于借鑒ETCS系統的設計理念和思想，優化中國列車控制系統（Chinese Train Control System，CTCS），促進CTCS系統的發展。

在基線2的基礎上，基線3新增492個變更請求（Change Request，CR），涉及新增功能、接口改進、關閉開口項、規范缺陷修復等類別[1]。本文以ETCS系統功能為中心，闡述ETCS基線3主要的新增系統級功能、新增模式、新增監控功能和優化監控功能，并未完全覆蓋基線3和基線2之間的所有差異。

1 ETCS系統基線3版本2

目前，在歐洲可以同時運行X=1和X=2兩個不兼容的系統版本。歐盟委員會條例EU 2016/919的附錄A給出了1.0、2.0和2.1這3個基線包含的強制性規范列表及版本，如表1所示[2]。其中，使用SUBSET-108對基線2進行修訂，得到基線2增強版。其中，EU 2016/919為歐盟鐵路系統“控制命令和信號（Control-Command and Signalling，CCS）”子系統互聯互通技術規范（Technical Specification for Interoperability，TSI）。

表1 CCS TSI定義的3個基線Tab.1 Three baselines defined in CCS TSI

當前，中國國內運行的CTCS-3級列控系統在功能方面基本符合基線2增強版（系統需求規范V2.3.0d）。但是，隨著中國高速鐵路的快速發展，為了適應中國國情，國內對CTCS-3級列控系統不斷進行適應性修改，所以CTCS-3級和ETCS-2級系統原理相同，但功能存在差異。為了拓展國際市場，中國鐵路通信信號股份有限公司研制了符合ETCS基線3維護版本2（系統需求規范V3.6.0）的ETCS列控系統。

2 新增系統級功能

2.1 系統版本管理

與基線2相比，基線3增加了系統版本功能。每個版本號都遵守X.Y格式，X用于區分不兼容的版本，Y表示版本X內的兼容性。在基線3系統中，存在X=1和X=2兩個不兼容的系統版本。X=1時，存在1.0和1.1兩個兼容的系統版本；X=2時，存在2.0和2.1兩個兼容的系統版本[3-4]。

ERTMS/ETCS車載設備和地面設備可能支持多個系統版本，但是某一時刻只有一個系統版本在運行，即運行的系統版本（Operated System Version）。車載設備運行的系統版本號X由軌旁設備決定，而系統版本號Y是車載設備支持的最高版本號。

基線3車載設備同時支持X=1和X=2系統版本，以便在運行不同系統版本X的軌旁基礎設施上運行，提高了系統的兼容性，在不增加改造成本和不影響安全的前提下，提高系統的運營效率。

2.2 在線密鑰管理

在ETCS列控系統中，車載設備和地面設備在每次建立安全通信時，使用認證密鑰（KMAC）進行身份認證，并基于認證密鑰生成會話密鑰（KSMAC），對車地交互消息進行數據保護，保證雙方交互消息的真實性及完整性[5]。

基線2采用離線密鑰管理方式，各設備廠家線下使用工具生成列車超速防護系統（Automatic Train Protection，ATP）和地面無線閉塞中心（Radio Block Center，RBC）密鑰文件，再人工更新至密鑰實體設備（ATP、RBC等），密鑰的生成、傳遞分發、更新、回收/銷毀均是人工管理、離線實施，密鑰不能動態更新。

除了支持離線密鑰管理功能，基線3新增在線密鑰管理功能，包括密鑰在線生成、管理、傳輸分發、更新、回收/銷毀，提高密鑰管理的自動化、實時性和互聯互通水平。

2.3 分組交換

在ETCS-2級和ETCS-3級中，車載設備與地面設備使用無線通信系統（Radio Communication System，RCS）進行無線數據傳輸。RCS包括安全功能模塊(Safety Functional Module，SFM)和通信功能模塊(Communication Functional Module，CFM)，SFM提供安全相關傳輸系統的功能，CFM提供基于GSM-R/GPRS電路交換/分組交換承載服務的通信系統功能[6]。

與基線2相比，基線3的RCS通信功能模塊增加了分組交換功能。電路交換要在通信雙方之間建立一條被雙方獨占的物理通路。分組交換將一個長報文先分割為若干個較短的分組，然后把這些分組逐個發送出去。電路交換方式的優點是數據傳輸可靠、迅速，數據不會丟失，且保持原來的序列。分組交換方式的優點是不同的數據分組可以在同一條鏈路上以動態共享和復用方式進行傳輸，通信資源利用率高。

3 新增運行模式

與V2.3.0d相比，V3.6.0刪除了歐洲本國系統模式（SE），新增了被動調車模式（Passive Shunting，PS） 和 有 限 監 控 模 式（Limited Supervision，LS）[7]。

3.1 有限監控模式（LS）

對于安裝有軌旁信號但列車不能獲得有些軌旁信號的區域，列車以LS在這些區域運行。在LS下，車載設備對列車進行后臺監控，由于車載設備不能得到所有的軌旁信號，車載設備做不到對列車的完全監控，需要司機注意觀察地面信號。

司機不能選擇LS，車載設備根據軌旁提供的有限監控模式區域，滿足條件時自動轉入LS。

車載設備收到包含LS區域的行車許可（MA），如果LS區域位于列車前方，列車最大安全前端進入確認區且列車速度低于LS速度時，車載設備通過人機界面（Driver Machine Interface，DMI）向司機顯示文本消息“確認有限監控模式”，請求司機確認。司機確認文本消息后，車載設備轉入LS，監控列車運行。

車載設備收到包含LS區域的MA，如果列車最大安全前端已進入LS區域，DMI顯示文本消息“確認有限監控模式”且司機確認文本消息后，車載設備轉入LS，監控列車運行。

3.2 被動調車模式（PS）

為了提高調車效率，增加PS。車載設備只能從調車模式轉入PS。當車載設備處于調車模式時，收到來自列車的“被動調車輸入信號（Passive Shunting Input Signal）”， 司機 激 活“ 關閉 駕駛臺后繼續調車（Continue Shunting on Desk Closure）”功能，關閉駕駛臺，車載設備轉入PS。在PS下，如果車載設備沒有“激活駕駛臺后停止調車（Stop Shunting on Desk Opening）”信息，司機激活駕駛臺后，車載設備轉入調車模式。

當列車具備兩個駕駛臺和一套車載設備，駕駛臺A和駕駛臺B分別位于列車兩端，均與車載設備相連，司機使用調車模式和PS執行調車任務的過程如下：

1）車載設備處于調車模式，司機在駕駛臺A操作列車執行調車任務；

2）停車后，車載設備可以收到列車的“被動調車輸入信號”，司機激活 “關閉駕駛臺后繼續調車”功能，關閉駕駛臺A，車載設備轉入PS；

3）司機來到駕駛臺B，車載設備沒有“激活駕駛臺后停止調車”信息，司機激活駕駛臺B，車載設備轉入調車模式，司機在駕駛臺B操作列車繼續執行調車任務。

當列車具備兩個駕駛臺A和B，分別位于列車兩端，且列車兩端分別裝備有各自的車載設備，兩套車載設備之間沒有信息交互，司機使用調車模式和PS執行調車任務的過程如下：

1）假設A端的車載設備處于調車模式， B端的車載設備處于PS，司機在A端操作列車執行調車任務；

2）停車后，A端車載設備可以收到A端的“被動調車輸入信號”，司機激活 “關閉駕駛臺后繼續調車”功能，關閉駕駛臺，A端車載設備轉入PS；

3）司機來到B端，B端車載設備沒有“激活駕駛臺后停車調車”信息，司機激活駕駛臺，B端車載設備轉入調車模式，司機在B端操作列車繼續執行調車任務。

4 新增監控功能

4.1 平交道口

在完全監控模式（Full Supervision，FS）、LS和目視模式（On Sight，OS）下，如果平交道口不受保護，車載設備需要先將平交道口起點臨時當作行車許可終點（End of Authority，EOA）和監控點（Supervised Location，SVL）進行監控[8]。

如果需要在平交道口前停車，列車停車后，如果列車估計前端位于平交道口前的停車區域，車載設備停止將平交道口起點作為EOA和SVL進行監控，而是從列車估計前端所在位置開始，將平交道口限制速度納入最限制速度曲線（Most Restrictive Speed Profile，MRSP）。

如果不需要在平交道口前停車，當列車常用制動干預速度（Service Brake Intervention，SBI）降到平交道口限制速度時，車載設備停止將平交道口起點作為EOA和SVL進行監控，而是從列車估計前端或列車最大安全前端所在位置開始，將平交道口限制速度納入MRSP。

車載設備將平交道口限速納入MRSP后，保證列車以不超過平交道口限速的速度通過平交道口。直到列車完全越過平交道口后，停止將平交道口限速納入MRSP，即停止對該平交道口的安全監控。

4.2 允許制動距離（PBD）

地面設備向車載設備提供允許制動距離（Permitted Braking Distance，PBD）信息，收到PBD信息后，車載設備根據PBD計算對應的允許速度。在PBD信息指定的區域內，車載設備以PBD計算得到的允許速度監控列車運行。使用相同的PBD，車載設備為不同制動性能的列車計算出不同的允許速度，不同列車以各自的允許速度安全運行，既保證了安全行車，又提高了運行效率。

4.3 虛擬應答器蓋（VBC）

新舊線路的重疊區或過渡區同時安裝有支持新舊線路的應答器組，使用虛擬應答器蓋（Virtual Balise Cover，VBC），車載設備可以自動屏蔽不期望收到的應答器組信息，在保證安全的前提下，可以提高運行效率，減少防護人員和管理人員。

可以通過應答器設置或刪除VBC。

在啟機過程中，司機可以通過DMI設置或刪除一個VBC。

當車載設備存儲一個VBC，如果收到的應答器報文包含P0包，且P0包的NID_VBCMK和NID_C與車載設備存儲的一個VBC相同，車載設備忽略這組應答器報文。如果這組應答器的剩余部分讀取失敗，車載設備也不觸發鏈接反應。

如果車載設備從應答器組或司機收到新的VBC，新的VBC的NID_VBCMK與車載設備存儲的VBC的NID_VBCMK相同，車載設備使用新的VBC替代舊的VBC。

當車載設備下電后，車載設備保存VBC。當車載設備上電后，存儲的VBC依舊可用。

從地面設備收到刪除命令，或VBC的有效期到期，或啟機過程中司機刪除VBC，或VBC的NID_C與車載設備收到的新應答器組的NID_C不同時，車載設備刪除存儲的VBC。

4.4 禁用來自應答器的可撤銷臨時限速

對正在施工的區域設置臨時限速，保證行車安全。對于車載設備存儲的可以撤銷的臨時限速，可以使用包含相同臨時限速編號的臨時限速撤銷命令撤銷車載設備存儲的臨時限速。在等級2/3，RBC可以命令車載設備拒絕來自應答器的可撤銷臨時限速，即車載設備收到來自RBC的“禁用來自應答器的可撤銷臨時限速命令”后，該命令立即有效，車載設備將拒絕使用來自應答器且可撤銷的臨時限速信息。

4.5 軌道條件

與基線2相比，基線3增加了隧道停車區（Tunnel Stopping Area）、鳴笛（Sound Horn）、改變當前允許的電流（Change of Allowed Current Consumption）、 站 臺（Station Platform ）、 關閉用于緊急制動的渦流制動（Switch off Eddy Current Brake for Emergency Brake）共5種軌道條件（Track Condition）[9]，如表2所示。

表2 新增的軌道條件Tab.2 New track conditions

車載設備從地面收到軌道條件后，需要將軌道條件信息通過DMI顯示給司機，指導司機人工執行軌道條件對應的操作。同時，車載設備將軌道條件信息發送給車輛，支持車輛自動執行軌道條件對應的操作。

當軌道條件位于列車前方時，車載設備通過DMI顯示軌道條件預告信息，向司機預告前方的軌道條件。當列車進入和退出軌道條件區域時，車載設備需要通過DMI顯示軌道條件指示信息，指導司機人工執行軌道條件對應的操作。

從地面收到軌道條件信息后，車載設備實時監控列車與軌道條件的相對位置，并將列車與軌道條件的距離信息發送給車輛，如果車輛具備自動執行功能，車輛將在指定位置自動執行軌道條件對應的動作。

4.6 冷移動檢測

斷電后，車載設備能夠監測和記錄至少72 h內車載設備是否發生移動。如果沒有發生冷移動，車載設備存儲的一些信息從無效狀態變為有效狀態，例如環線結束標記信息（End Of Loop Marker，EOLM）、列車位置、等級、軌旁支持等級列表、RBC編號及電話號碼。如果發生冷移動，車載設備存儲的一些信息從無效狀態變為未知狀態，例如EOLM信息和軌旁支持等級列表。

增加冷移動檢測（Cold Movement Detection，CMD）功能后，車載設備重新上電后，檢查車載設備在斷電期間，列車未發生冷移動，列車位置從未知狀態變為有效狀態?；谟行У牧熊囄恢?，RBC可以向列車發送MA，提高運營效率。

5 優化監控功能

5.1 通用制動曲線模型

基線2沒有對列車制動曲線計算做出統一規定，各個設備供應商的列車制動曲線算法不同，相同列車出現不同的制動距離，導致ETCS軌旁設計不僅依賴于列車制動性能，還依賴于車載設備供應商。對于跨國列車，由于各國鐵路法規存在差異，車載設備需實現不同國家的制動曲線，對軟件設計、系統實驗、參數設定等造成很大困擾。為了降低系統復雜度，進而降低系統成本，提高系統運行效率，基線3給出了統一的列車制動曲線的計算方法。

5.2 文本消息處理

在ETCS系統中，地面設備向車載設備發送文本消息，車載設備通過DMI將文本消息顯示給司機，起到提醒司機的目的。文本消息分為純文本消息和固定文本消息，每一條文本消息的顯示包括開始條件和結束條件，當開始條件滿足時，DMI開始顯示文本消息；當結束條件滿足時，DMI停止顯示文本消息。

基線3對文本消息的處理進行了優化。

對于需要確認的文本消息，增加“文本確認與文本顯示結束的限定符”和“報告司機確認文本限定符”。

當“文本確認與文本顯示結束的限定符”為假，表示只要司機確認文本消息，就停止文本顯示；當“文本確認與文本顯示結束的限定符”為真，表示司機確認文本消息只是停止文本顯示的一個條件，只有當其他所有結束條件都滿足了，才停止文本顯示。

“報告司機確認文本限定符”為假，表示車載設備不需要向RBC報告司機確認了文本消息；“報告司機確認文本限定符”為真，表示車載設備需要向RBC報告司機確認了文本消息。

對于需要確認的文本消息，收到文本消息時，如果結束顯示條件已經滿足，則不顯示該文本消息。

對于需要確認的文本消息，在結束顯示條件滿足時，司機還未確認該文本消息，車載設備應施加常用制動或緊急制動。

對于一條需要確認但尚未確認的文本消息，車載設備將拒絕需要確認且編號相同的文本消息。

5.3 協同縮短MA

在ETCS系統中，地面設備向車載設備發送行車許可（Movement Authority，MA），車載設備在MA范圍內控制列車安全運行。

在基線2中，車載設備收到“縮短MA請求”，如果判斷可以在縮短MA的EOA前停車而不觸發制動，則接受縮短MA請求，否則拒絕縮短MA請求。

在基線3中，車載設備收到“縮短MA請求”，判斷列車未超過使用縮短MA的EOA計算得到的指示曲線，則接受縮短MA請求，否則拒絕縮短MA請求。從不超過制動曲線修改為不超過指示曲線，接受縮短MA請求的條件更加嚴格，即DMI界面上顯示給司機的指示信息也不能受到影響。

5.4 MA請求和使用

在基線3中，車載設備向RBC發送MA請求中攜帶請求MA的原因。

在使用MA時，當末區段定時器沒有啟動，車載設備收到一個新的MA，且列車最大安全前端已經越過新MA的末區段定時器的開始位置，車載設備認為末區段定時器已經超時，將EOA/LOA縮短到列車當前位置。因為列車最大安全前端已經越過新MA的末區段定時器的開始位置，車載設備不能確定末區段的有效時間還剩多少，所以認為末區段定時器已經超時，更有利于行車安全。

當末區段定時器已經啟動，車載設備收到一個新的MA，且列車最大安全前端已經越過新MA的末區段定時器的開始位置，車載設備保持末區段定時器繼續運行，但使用新MA的末區段超時時間代替舊的末區段超時時間。

同樣，在使用MA時，當保護區段定時器沒有啟動時，車載設備收到一個新的MA，且列車最大安全前端已經越過新MA的保護區段定時器的開始位置，車載設備認為保護區段定時器已經超時，將EOA/LOA縮短到列車當前位置。

當保護區段定時器已經啟動，車載設備收到一個新的MA，且列車最大安全前端已經越過新MA的保護區段定時器的開始位置，車載設備保持保護區段定時器繼續運行，但使用新MA的保護區段超時時間代替舊的保護區段超時時間。

5.5 選擇注冊網絡

車載設備查詢和獲取允許網絡列表。當司機通過DMI選擇無線網絡時，車載設備將允許網絡列表發送給DMI，通過DMI向司機顯示所有允許網絡。司機選擇其中一個網絡并報告給車載設備，車載設備將注冊到司機選擇的網絡。

5.6 列車數據輸入類型

列車數據包含固定、靈活和可轉換3種輸入類型。

固定的列車數據輸入是指在列車數據輸入窗口顯示列車類型列表，每一種列車類型對應一組確定的列車數據。司機選擇一種列車類型，車載設備將使用這種列車類型對應的所有列車數據，不需要司機逐個輸入列車數據。

靈活的列車數據輸入是指在列車數據輸入窗口顯示所有需要司機輸入的列車數據，需要司機逐一輸入每一個列車數據。在車載設備使用的所有列車數據中，并不是所有列車數據需要司機輸入，部分列車數據可能來自配置數據或由外部設備（車輛）提供。

可轉換的列車數據輸入是指列車數據輸入方式可以在固定的列車數據輸入方式和靈活的列車數據輸入方式之間進行切換。

5.7 根據列車類型選擇靜態速度曲線

司機通過DMI輸入列車類型（Train Category），車載設備將列車類型對應到其他國際列車類型（NC_TRAIN）和超高不足列車類型（NC_CDTRAIN）。

車載設備根據NC_TRAIN在靜態限速曲線中查找匹配的NC_DIFF，并使用NC_DIFF對應的靜態速度。同時，車載設備根據NC_CDTRAIN在靜態速度曲線中查找匹配的NC_CDDIFF，并使用NC_CDDIFF對應的靜態速度。

5.8 DMI顯示

與基線2 DMI相比，基線3 DMI增加或修改了一些功能[10-11]。

基線3增加了VBC，DMI增加了“設置VBC窗口”、“設置VBC確認窗口”、“刪除VBC窗口”和“刪除VBC確認窗口”，司機通過這些窗口可以設置和刪除車載設備存儲的VBC。

增加了“系統版本窗口”，通過該窗口可以查看車載設備運行的系統版本。

增加了“無線數據窗口”，在該窗口，司機可以選擇連接上一個RBC、使用短號碼、輸入RBC數據或輸入無線網絡編號。

在LS下，當滿足顯示“行車許可范圍內的最低監控速度（Lowest Supervised Speed within the MA，LSSMA）” 條 件 時， 在 DMI界 面 A1區顯示帶有速度限值的LS圖標，表示這是LS的“MA范圍內的最低監控速度”，且不能代替司機對線路側信號的觀察。

增加了指示時間（Time To Indication，TTI）。監控點的指示曲線與估計速度交點的位置為監控點的指示位置。從列車估計前端或最大安全前端到監控點指示位置的距離為監控點指示位置的剩余距離。列車前方所有監控點中，剩余距離最小的監控點指示位置為第一指示位置。列車處于頂棚速度監控區（Ceiling Speed Monitoring， CSM）時，車載設備計算列車前端到第一指示位置的剩余距離。以估計速度運行，列車估計前端或最大安全前端到第一指示位置所需時間為TTI。當TTI小于規定值，車載設備通過DMI通知司機TTI。

當車載設備收到隧道停車區時，接近隧道停車區時，在DMI的C2區顯示隧道停車區預告圖標，同時在C3和C4區顯示列車前端距隧道停車區起點的距離。當列車前端進入隧道停車區后，C2區顯示隧道停車區圖標，C3和C4區不再顯示列車前端距隧道停車區起點的距離。當隧道發生危險，司機需要在隧道里停車時，隧道停車區預告和指示信息可以指導司機將列車停在隧道停車區，為乘客提供安全、快速的逃生通道。

車載設備收到平交道口信息后，如果平交道口不受保護，當平交道口起點臨時當作EOA和SVL進行監控，或將平交道口限制速度納入MRSP進行速度監控時，在B3/B4/B5區顯示“平交道口不受保護”圖標。當車載設備收到“平交道口受保護”信息，或列車最小安全前端越過平交道口終點，在B3/B4/B5區不再顯示“平交道口不受保護”圖標。

司機選擇車輛的巡航功能，車輛將以選擇巡航功能時的列車速度進行巡航，車輛通過MVB總線將巡航速度（設置速度）發送給車載設備，DMI將在B0區顯示設置速度，向司機顯示列車當前的巡航速度。

6 總結

目前，國內主要鐵路信號裝備企業都在積極研究ETCS系統，為拓展海外市場做準備。ETCS系統不斷發展演變，也在不斷走向成熟和完善。歐盟正在努力推廣最新版本的ETCS系統——基線3版本2 ETCS系統。本文對ETCS基線2和基線3進行對比分析，介紹了ETCS基線3新增系統級功能、新增運行模式、新增監控功能和優化監控功能，旨在使國內鐵路從業者對基線3 ETCS系統有比較全面深刻的認識和理解，更好地“走出去”，開拓國際市場。同時，對ETCS系統進行深入研究，將好的ETCS系統設計理念和思想借鑒到CTCS系統，有助于促進CTCS系統更好發展。