淺談列控系統在軌道交通中的應用

鐘竟瑜

（蘭州博文科技學院，甘肅蘭州，730101）

1 緒論

列車運行控制技術是一種根據列車在軌道線路上運行的固定條件與現場實時情況，對列車的行駛速度、制動形式和列車間的追蹤距離等一系列與運行有關的列車實時狀態進行跟蹤監控和及時調整的技術，它是集通信技術、傳感器技術、自動控制技術、網絡技術、裝備制造技術和計算機技術等于一體的綜合技術，搭載這種技術的裝備被稱為列車運行控制系統。列車運行控制系統的出現及發展使得我國高鐵事業發展迅猛，實現了在安全行駛的前提下提高運行速度的目標，極大的提升了軌道交通信號控制系統的自動化水平，同時增加了乘坐的舒適度，也提升了乘客的體驗感。

2 列車運行控制技術體系的形成與發展

20世紀90年代，多種型號的車載列車運行控制設備被研發并上線試運行，雖然一定程度上解決了列車運行中的安全問題，但由于沒有統一的標準，使得全路管理難度增加，不適宜推廣，而JK-2H車載裝置優勢明顯，且其因與我國鐵路管理體制特點吻合而被全路推廣使用，形成了我國第一代LKJ列車運行監控記錄裝置，2000年升級到LKJ2000系統，該系統既能提高列車運行中的安全，又能幫助司機提高操作質量，到目前為止已覆蓋全路所有機車作為機車信息化的基礎設備。

此后，為了形成車—地通信，進一步提高列車在高速行駛中的安全，2002年鐵道部參照歐洲的ETCS系統標準，結合我國國情和鐵路制式以及既有線路的狀況，確定了發展我國列車運行控制系統CTCS的戰略目標，2003年鐵道部制定了CTCS的基本構架和分級，將該系統分為五個等級（CTCS-0級—CTCTS-4級），2004年鐵道部制定了CTCS-2級技術規范，2005年該項目工程開始實施，2006年對該等級系統進行了試驗及測試，次年CTCTS-2級投入了運營，同年8月份啟動了CTCS-3級的技術攻關。

3 CTCS系統的等級劃分

CTCS-0級系統的車載部分由通用機車信號與運行監控記錄裝置（LKJ）組合而成，地面由聯鎖系統和閉塞系統配合一起完成列車的運行控制，160km/h及以下的既有線的列控系統被定義為該等級。

CTCS-1級系統的車載部分升級為主體機車信號和BMT(安全型運行監控記錄裝置)，地面部分在進站和出站位置增加了有源應答器，可作為一種信息傳遞的補充手段，仍然應用在我國160km/h的既有線路上，是CTCS-0級的加強和提升。

CTCS-2級系統是將應答器與軌道電路組合來進行信息的傳輸，軌道電路主要用于進行列車位置的確定及其完整性的檢查，同時又向列車連續的傳送相關的控制信息；應答器用于將列車位置信息、線路及進路的參數、臨時限速和停車的信息等傳送給高速位移的列車。車載部分使用了ATP系統，機車乘務員憑車載的信號來行車，ATP根據這些信息便能生成一次制動模式曲線，控制列車運行、防護行車安全。地面部分增加了列控中心，它取代了原有的電氣集中車站，同時區間在軌道電路的基礎上又增加了無源應答器，目的是為了在區間上進一步精準定位列車。該系統適用于我國200-250km/h的動車線路以及快速鐵路。

CTCS-3級系統使用無線（GSM-R系統）來雙向（車-地）傳輸信息，它是在前一等級的基礎上增加了GSM-R系統（車載部分和地面部分），機車乘務員依然憑車載的信號來行車，同時地面用無線閉塞中心（RBC）取代了列控中心來指揮行車，該等級系統用于300-350km/h的高速鐵路和客運專線線路。

CTCS-4級同樣也使用了無線通信傳輸的平臺來傳輸信息，但它取消了其他等級都有的軌道電路，這樣就可實現虛擬閉塞或移動閉塞，可進一步提高行車速度，它是我國鐵路未來的發展方向。

CTCS系統的等級劃分表明CTCS-2級與CTCS-3級是目前我國高鐵和動車線路的中流砥柱，以下通過CTCS-2級系統來闡述我國的列控系統。

4 CTCS-2級列控系統

如圖1所示，CTCS-2級系統總體上為兩大部分，即車載部分和地面部分。

圖1 CTCS—2級列控系統組成

車載部分的車載安全計算機（EVC）、軌道電路信息接收部分（STM）、應答器信息接收部分（BTM）、人機界面（DMI）位于機車內，且前三者組成了ATP車載設備，除此之外在機車底部還安裝有速度傳感器、應答器天線和軌道電路天線。

地面部分在車站信號樓內有列控中心TCC以及車務終端、CTC/TDCS分機，聯鎖CBI、LEU。在軌旁設置有ZPW2000軌道電路、信號機、道岔和有源與無源應答器組合。

■4.1 車載部分

EVC負責將速度傳感器檢測到的速度信息、BTM接收到的前方地面固有信息和臨時限速信息、STM接收到的前方列車行車位置和速度信息集中起來進行分析運算，生成一次制動模式曲線并將其顯示在DMI上，同時若ATP為設備優先時，當列車超速時，由ATP控制列車的制動系統，采取相應的制動措施，如常用制動、緊急制動和停車。而LKJ和數據記錄器則進行全程的記錄。若為人控優先時，當列車超速，則由機車乘務員通過DMI發出相應制動的命令。EVC相當于列車的大腦，因此通常設置為冗余結構以保證結果的正確性，以CSEE公司的CTCS2級設備為例，EVC同時使用了2個CPU，這種形式采用了兩個不同的CPU去同時執行相同的計算軟件，并采用檢測裝置對它們的輸出進行對比。若輸出結果一樣，則運算結果由檢測裝置送出；若不完全相同，則檢測器將自身的輸出設置為限制狀態。此外還可以采用3取2表決的結構或2乘2取2冗余方式來確保EVC輸出結果的正確性和安全性。

BTM模塊包含電源板、接收板、傳輸板和接口板。BTM采用2取2冗余技術來達到故障—安全的目的。電源板用來提供該模塊所需電源，接收板通過應答器天線接收地面有源和無源應答器的信息，并通過一個專用信息接口（接口板）與EVC進行同步達到時效性。同時還提供了列車通過當前應答器的精確時間，能夠讓ATP車載部分在厘米級別的范圍內進行列車定位和校準，傳輸板用于將接收到的信息傳送給EVC。應答器天線用于在列車行駛過程中發射具有高能量的頻率信號，當途徑地面應答器時，會利用該能量將地面應答器從休眠中喚醒，使地面應答器將相關信息發送至應答器天線。應答器提供的信息有線路長度、坡度、固定限速、臨時限速和列車定位等。

STM模塊可接收ZPW2000軌道電路的移頻信息，包括行車許可、空閑閉塞分區的數量和道岔限速等，該類信息由軌道電路天線進行采集并送入STM，STM接著將該信息進行解調后送給EVC和LKJ。

DMI用于完成人機交互，顯示當前設備的狀態和發送司機下達的命令。

DRU數據記錄器用于設備狀態和故障信息等各種事件的記錄。其中包括司機對ATP設備的操作、軌道電路信息、ATP與機車的信息交換等。維修人員可通過專用電腦或IC卡等進行數據下載。

速度傳感器用于檢測列車的實時速度，同時也可用于檢查列車位置、與應答器配合完成列車定位以及位置校準。

當車載部分具備列控系統必需的數據（軌道電路信息、應答器信息、列車自身數據）時，ATP的車載部分會生成目標距離模式曲線，并通過DMI顯示列車當前速度、允許速度、目標速度和目標距離來控制列車的安全行駛。

■4.2 地面部分

列控中心負責向車載ATP部分提供控車的相關信息，如軌道電路碼序，應答器報文的編碼發送（實時），臨時限速、區間閉塞、區間方向控制、通過信號機顯示等信息。

CTC/TDCS分機接收調度中心下達的命令，并下達該調度命令給列控中心TCC，同時控制聯鎖系統檢查進路建立的相關條件，控制相關道岔轉換到正確位置上，最終控制信號機開放信號；列控中心根據以上聯鎖條件將相關信息下達至軌旁的應答器設備，當列車經過應答器時收到相關信息進行列車的自動防護，同時ZPW2000軌道電路發送CTCS-2級系統的行車許可給列車。

應答器分為有源和無源，區別是有源設備連接了位于信號樓內的LEU，可實時接收列控中心發送的臨時限速等信息，即信息可變，而無源設備未連接LEU，只能存儲提前設置好的相關信息，即信息固定。

5 CTCS-2級系統的應用

■5.1 列控中心發碼應用

以中國通號設計的LKD2-T2列控中心為例，在區間的軌道區段上，列控中心要依據前方區段的空閑情況和接車信號是否開放的情況依照追蹤碼序來發碼，如L5-L5-L4-L3-L2-L-LU-U-HU（前車所在區段）-(L5-L5…)。

若閉塞分區為空閑情況，這時要求同一個閉塞分區內所有軌道區段上的發碼相同；隨著列車前移，列車所在的同一個閉塞分區內，本區段及運行前方區段發正常碼L4，后方個區段發檢測碼JC。

在接車進路中，進站信號開放后，列控中心控制接車進路的所有區段根據出站信號機的情況來發碼，接車進路與股道發碼必須相同。若出站信號機為紅燈，那么接車進路上的各區段碼序依次為HU-HU-HU，接近區段為U碼。

當開放的接車信號是經12#及以下道岔側向時，列控中心控制該接車進路的接近區段發UU碼，接車進路根據出站信號機的情況來發碼。若出站信號機為紅燈，則接車進路的碼序為HU-HU-HU。

在正線車站上，當18#為側向的接車進路上的最小號時，當開放該信號后，且有進路的速度不低于80km/h時，進站的接近區段發UUS，接車進路碼序同上。

引導信號開放后，列車進路中本區段與后方區段都發送檢測碼，而前方區段會發送HU碼，接近區段則為HB碼。

反向接車時，一離去和二離去均發送U碼，接車進路碼序為HU-HU-HU。

發車進路時，發車股道根據出站信號機狀態和一離去區段狀態發碼，發車進路與一離去發碼一致。當出站信號機為綠燈時，發車股道發L5碼，發車進路和一離去碼序都為L4。

經12號及以下道岔側向發車時，發車股道發UU碼，發車進路和一離去碼序一致都為L5。

經18號及以上道岔側向發車且限度不低于80km/h時，發車股道發UUS，發車進路與一離去一致都為L5碼。

經18號及以上道岔側向發車且限度不低于80km/h，當一離去有車占用發HU/HB/B/UU碼時，發車股道發UU碼，發車進路發HU碼，表示不能發車。

引導發車后，發車股道為HB碼，發車進路發檢測碼JC，此時出站信號機顯示HB。

列車建立進路后，如圖2所示，進路中前方區段IIG占用或本區段8DG解鎖，8DG發送檢測碼JC。

圖2 列車進站后發碼情況

在無配線車站，其站內進路按區間的發碼規則由最近的TCC控制碼序，具體如下：

當進站、出站信號機（并置）都關閉時，進路及其接近區段發HU碼，離去區段發L5碼。

當進站信號機開放、出站信號機關閉，進路發HU碼，接近區段為U碼，離去區段為L5碼。

當進、出站信號機均開放，進路及其接近區段與離去區段均為L5碼。

當為引導接車且信號開放后，進路為HU碼，接近區段為HB碼，離去區段為L5碼。

當為引導發車且信號開放后，進路為HB碼，接近區段為HU碼，離去區段為L5碼。

當列車進入無配線車站進路后，進路若為兩個區段組成，則當列車進入前方區段后，后方區段改發檢測碼JC，若只有一個區段，則發HU碼。

■5.2 CTCS-2級系統的應用

我國自主研發的CTCS-2級列控系統已在全國各客運專線和城際鐵路上投入使用，如已經建成并運營的城際鐵路蘭州-中川機場段（該段可在蘭州西站下車直接換乘地鐵），還有正在規劃啟動建設中的蘭州-合作快速鐵路段（該段屬于客貨混用且含有既有線部分），這都表明CTCS-2級系統極強的向下兼容性，可與既有線鐵路使用的0級、1級系統接軌，實現軌道交通的聯通聯運。

同時列控技術可在CTCS-2級的基礎上延伸出城際鐵路和市域鐵路的CTCS-2+ATO模式、CTCS-2+CBTC模式等，可解決未來將城際鐵路與市域鐵路接入快速鐵路的要求，實現城市軌道交通的一體化建設，以提高列車通過能力、解決城市軌道交通線路無法接入國家鐵路線路，以及將國鐵、城際鐵路和市域鐵路銜接在一起的問題。

6 結束語

相比CTCS-3級系統可使列車行駛速度更快的特點，CTCS-2級更是兼顧了線路建設和運營的低成本和列車運行的高度度優勢，且在此基礎上可拓展實現城市軌道交通一體化的構想。