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CTCS

CTCS是Chinese Train Control System的英文缩写,中文意为中国列车运行控制系统。该系统有两个子系统,即车载子系统和地面子系统。CTCS根据功能要求和设配置划分应用等级,分为0~4级。

地面子系统可由以下部分组成:应答器、轨道电路、无线通信网络(GSM-R)、列车控制中心(TCC)/无线闭塞中心(RBC)。其中GSM-R不属于CTCS设备,但是重要组成部分。

应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备,既可以传送固定信息,也可连接轨旁单元传送可变信息。

轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能,应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。

无线通信网络(GSM-R)是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。

列车控制中心是基于安全计算机的控制系统,它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息,如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令,并通过车地信息传输系统传输给车载子系统,保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。

车载子系统可由以下部分组成:CTCS车载设备、无线系统车载模块。

CTCS车载设备是基于安全计算机的控制系统,通过与地面子系统交换信息来控制列车运行。

无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。

TDCS是铁路调度指挥信息管理系统,主要完成调度指挥信息的记录、分析、车次号校核、自动报点、正晚点统计、运行图自动绘制、调度命令及计划的下达、行车日志自动生成等功能,换句话说就是原来行车调度员和车站值班员需要用笔记下的东西现在都可以由TDCS自动完成。参考欧洲ETCS规范,中国逐步形成了自己的CTCS(Chinese Train Control System)标准体系。如何吸收ETCS规范并结合中国国情更好地再创新,是值得深入研究的课题。

铁路是国民经济的大动脉,是中国社会和经济发展的先行产业,是社会的基础设施,铁路运输部门又是国民经济中的一个重要部门,它肩负着国民经济各种物资运输的重任,对中国社会主义建设事业的发展有着举足轻重的作用。为了满足国民对铁路运输的要求,进入二十一世纪以后,铁路部门致力于高速铁路和客运专线的建设,并取得了骄人的成绩。

为了适应中国高速铁路、客运专线的迅速发展和保证铁路运输安全的需要,原铁道部有关部门研制成功了“CTCS系统”(即:铁路列车控制系统,是Chinese Train Control System的缩写“CTCS”)

由于早期欧洲铁路的列车运行控制系统种类繁多,且各国信号制式复杂、互不兼容,为有效解决各种列车控制系统之间的兼容性问题,保证高速列车在欧洲铁路网内跨线、跨国互通运行,1982年12月欧洲运输部长会议做出决定,就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。

2001年欧盟通过立法形式确定ETCS(European Train Control System)为强制性技术规范。ETCS的主要目标是互通互用、安全高效、降低成本、扩展市场,在规范的设计上融入了欧洲各主要列控系统的功能,制定了比较丰富的互联互通接口。经过长期的发展,ETCS系统目前已经比较成熟,得到了欧洲各国铁路公司和供货商的广泛认可。

中国人口密集,资源紧张,城市化发展非常迅速。一直处于发展中的中国铁路,始终存在着运量与运能之间的突出矛盾。铁路运输至今仍相当程度地制约着国民经济的快速发展,铁路仍是我国国民经济发展中的一个薄弱环节。为了缓解铁路运输的压力,铁路部门先后实行了六次大提速。

与此同时,高速铁路的蓬勃发展,对铁路的中枢神经信号系统也提出了新的技术要求。但由于历史及技术原因,中国铁路存在多种信号系统,严重影响了运输效率。铁路信号系统迫切需要建立统一的技术标准,确立数字化、网络化、智能化、一体化发展方向,国产高速铁路列车运行控制系统标准的制定迫在眉睫。为实现高铁战略,铁道部组织相关专家开始制定适合我国国情的中国列车控制系统CTCS(Chinese Train Control System)。

在CTCS 技术规范中,根据系统配置CTCS按功能可划分为5 级。为满足客运专线和高速铁路建设需求,通过对ETCS标准的引进、消化、吸收,并结合成功应用的CTCS-2级列车运行控制系统的建设和运营经验,我国构建了具有自主知识产权的CTCS-3级列控系统标准。CTCS-3级列车运行控制系统是基于GSM-R无线通信的重要技术装备,是中国铁路技术体系和装备现代化的重要组成部分,是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一。

CTCS应用等级0(以下简称L0):由通用机车信号+列车运行监控装置组成,为既有系统。

CTCS应用等级1(以下简称L1):由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成,点式信息作为连续信息的补充,可实现点连式超速防护功能。

CTCS应用等级2(以下简称L2):是基于轨道传输信息并采用车-地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行指-联锁-列控一体化、区间-车站一体化、通信-信号一体化和机电一体化。

CTCS应用等级3(以下简称L3):是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。点式设备主要传送定位信息。

CTCS应用等级4(以下简称L4):是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取消轨道电路,由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查,实现虚拟闭塞或移动闭塞。

同条线路上可以实现多种应用级别,L2、L3和L4可向下兼容。

CTCS 0级

为了规范的一致性,将目前干线铁路应用的地面信号设备和车载设备定义为0级。0级由通用机车信号+列车运行监控装置组成,对这一定义,业内尚有不同的看法。0级到底是在等级内还是在等级外不够明确,目前的通用机车信号尚未能成为主体机车信号,列车运行监控装置尚未能被公认为安全系统,所以称列车运行控制系统还是不够格的,但目前确实在运用,并起着保证安全的作用。

0级 的控制模式也是目标距离式,它在既有地面信号设备的基础上,采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中,靠逻辑推断地址调取所需的线路数据,结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。如能在每个进出站口增加点式设备,加强核对地址,就能大大减少逻辑推断地址产生错误的可能性。

日本的数字列车运行控制系统I-ATC就是采取车载信号设备贮存电子电图,通过每一轨道区段的地址编码来调取所需的线路数据,这种方式可以使地-车信息传输的信息的需求量减少。在欧洲列车控制系统ETCS规范中也不排斥车载信号设备贮存线路数据的方式。

正因为0级尚未成为安全系统,适用于列车最高运行速度为160km/h及以下,一般自动闭塞设计仍按固定闭塞方式进行,采用四显示自动闭塞,信号显示具有分级速度控制的概念,其目标距离式制动曲线可作为参考。应该说这是一个过渡阶段。

CTCS 1级

CTCS 1级由主体机车信号+加强型运行监控装置组成,面向160km/h及以下的区段,在既有设备基础上强化改造,达到机车信号主体化要求,增加点式设备,实现列车运行安全监控功能。利用轨道电路完成列车占用检测及完整性检查,连续向列车传送控制信息。

1级的控制模式为目标距离式,采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中,靠逻辑推断地址调取所需的线路数据,结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。在车站附近增加点式信息设备,传输定位信息,以减少逻辑推断地址产生错误的可能性。

1级与0级的差别在于全面提高了系统的安全性,是对0级的全面加强,可称为线路数据全部贮存在车载设备上的列车运行控制系统。

CTCS 2级

CTCS 2级是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控 制系统,面向提速干线和高速新线,适用于各种限速区段,地面可不设通过信号机。是一种点-连式列车运行控制系统,功能比较齐全和适合国情。

轨道电路完成列车占用检测及完整性检查,连续向列车传送控制信息;点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速成和停车信息。

CTCS 2级采取目标距离控制模式(又称连续式一次速度控制)。目标距离控制模式根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线,不设定每个闭塞分区速度等级,采用一次制动方式。

CTCS 2级 采取闭塞方式称为准移动闭塞方式,准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用闭塞分区的始端,留有一定的安全距离,而后行列车从最高速开始一次制动曲线的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点相对固定,在同一闭塞分区内不依前行列车的走行而变化,而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的,由于要与移动闭塞相区别,所以称为准移动闭塞。显然其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。

CTCS 3级

CTCS 3级是基于无线通信(如GSM-R)的列车运行控制系统, 它可以叠加在既有干线信号系统上。

轨道电路完成列车占用检测及完整性检查,点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。无线通信系统实现地-车间连续、双向的信息传输,行车许可由地面列控中心产生,通过无线通信系统传送到车上。

CTCS 3级与2级一样,采取目标距离控制模式(又称连续式一次速度控制)和准移动闭塞方式。由于其实现了地-车间连续、双向的信息传输,所以功能更丰富些,实时性更强些。

CTCS 4级

CTCS 4级是完全基于无线通信(如GSM-R)的列车运行控制系统。由地面无线闭塞中心(RBC)和车载设备完成列车占用检测及完整性检查,点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。

CTCS 4级采取目标距离控制模式,列车按移动闭塞或虚拟闭塞方式运行。

虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式,它不设轨道占用检查设备,采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能,闭塞分区是以计算机技术虚拟设定的。

移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部,留有一定的安全距离,后行列车从最高速开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点是前行列车的尾部,与前行列车的走行和速度有关,是随时变化的,而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的,所以称为移动闭塞。其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。

等级对照

分析CTCS的应用等级划分,发现有以下两个特点:

① 各应用等级均采用目标距离控制模式,采取连续一次制动方式。

这是由于我国的列控系统的应用起步晚,起点高,因此一步就瞄准了比较先进的控制模式。在我国阶梯式和曲线式分级速度控制都用过,取得了经验,好在并未形成规模,CTCS推荐采用目标距离控制模式是适宜的,符合国际列控系统的发展趋势。由于列控系统的控制模式是其主要特征和性能之一,控制模式决定了闭塞方式和列车运行间隔,从而决定了运输能力,所以说除移动闭塞外,各应用等级的主要功能几乎是一样的。

② 各应用等级是根据设备配置来划分的,其主要差别在于地对车信息传输的方式和线路数据的来源。

基于国情多信息轨道电路(UM系列18信息)比较成熟,达到国产化程度,所以以它为基础设备之一;欧标应答器通用性强,供货厂商多,也作为基础设备之一;轨道电缆和计轴器不准备推广;数字轨道电路国际上唯有日本用它实现了目标距离控制模式,国内研制尚未成熟,暂不于确定,数字轨道电路的生命力将取决于其国产化程度和进度;无线通信(如GSM-R)欧洲推广,能实现地-车间连续、双向的大信息量传输,有发展趋势,用于高等级列控系统。

线 路数据大贮存于车载数据库靠逻辑推算来提取相应数据的方式,用于较低等级列控系统;点式信息设备传输线路数据的方式,增加了线路数据的实时性,用于中等级列控系统,至于采用贮存电子地图和点式信息设备提供闭塞区段地址码的方式将在技术发展中比选;无线通信连续、双向信息传输,有大信息量和实时性的优势,用于高等级列控系统。

为便于对照,用以下简表归纳

应用等级

L0

L1

L2

L3

L4

控制模式

目标距离

目标距离

目标距离

目标距离

目标距离

闭塞方式

固定闭塞或准移动闭塞

准移动闭塞

准移动闭塞

准移动闭塞

移动闭塞或虚拟闭塞

制动方式

分级式

分级式

一次连续

一次连续

一次连续

轨道占用检查

轨道电路

轨道电路

轨道电路

轨道电路

无线定位,应答器校正

地对车信息传输

多信息轨道电路+点式设备

多信息轨道电路+点式设备

多信息轨道电路+点式设备;或数字轨道电路

无线通信双向信息传输

无线通信双向通信传输

列车运行间隔

按固定闭塞运行,大于L

设为对照值L

L

L

小于L

线路数据来源

大贮存于车载数据库

大贮存于车载数据库

应答器提供;或由数字轨道电路提供

无线通信提供

无线通信提供

对应ETCS级

ETCS1级

ETCS2级

ETCS3级

CTCS 列控系统是为了保证列车安全运行,并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。CTCS 系统包括地面设备和车载设备,根据系统配置按功能划分为以下5 级:

1、CTCS0 级为既有线的现状,由通用机车信号和运行监控记录装置构成。

2、CTCS1 级由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成,面向160 km/h以下的区段,在既有设备基础上强化改造,达到机车信号主体化要求,增加点式设备,实现列车运行安全监控功能。

3、CTCS2 级是基于轨道传输信息的列车运行控制系统,CTCS2 级面向提速干线和高速新线,采用车地一体化计,CTCS2 级适用于各种限速区段,地面可不设通过信号机,机车乘务员凭车载信号行车。

4、CTCS3 级是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统;CTCS3 级面向提速干线、高速新线或特殊线路,基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞,CTCS3级适用于各种限速区段,地面可不设通过信号机,机车乘务员凭车载信号行车。

5、CTCS4 级是基于无线传输信息的列车运行控制系统,CTCS4 级面向高速新线或特殊线路,基于无线通信传输平台,可实现虚拟闭塞或移动闭塞,CTCS4 级由RBC 和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查,CTCS4 级地面不设通过信号机,机车乘务员凭车载信号行车。中国新建200 km/h~250 km/h,客运专线采用CTCS2 级列控系统,300 km/h~350 km/h客运专线的列控系统采用CTCS3级功能,兼容CTCS2级功能。

客运专线的CTCS3列控系统包含了CTCS2列控系统的全部设备,并在CTCS2的基础上增加了铁路专用全球移动通信系统(GSMR)系统设备。

新型列车控制系统的核心是通信技术的应用,铁路通信是专门的通信系统,历史上是有线通信,后来是有线和无线结合,现在是先进的无线通信是GSM-R。

符合CTCS规范的列车超速防护系统应能满足一套车载设备全程控制的运用要求

系统车载设备向下兼容

系统级间转换应自动完成

系统地面,车载配置如具备条件,在系统故障的条件下应允许降级使用

系统级间转换应不影响列车正常运行

首先是系统的开放性。ETCS技术规范是得到欧洲联盟和国际铁路联盟承认的标准,所有ETCS的设备供应商都可以按照该标准来生产ETCS设备。

其次是互可操作性与互用性。由于所有ETCS设备均按照统一的技术规范生产,所以不同厂家的设备可以很好地组合甚至互换使用,互联互通非常方便。

第三是兼容性。ETCS系统中5个应用等级的机车,尽管其车载设备不同,但机车可以在不同等级的线路上互通运营。

最后是可升级性。ETCS的低等级系统在原有设备的基础上,通过增加一些新的设备(模块)就能方便地升级到更高的等级,原有的列控车载设备可以在高等级的系统中继续使用。

完全监控模式(FS):当车载设备具备列控所需的全部基本数据(包括列车数据,行车许可和线路数据等),列控车载设备生成目标距离连续速度控制模式曲线,并通过人机界面(DMI)显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等信息,监控列车安全运行。

调车模式(SH):当进行调车作业时,司机按下调车按钮,列控车载设备按固定限制速度40km/h(顶棚)监控列车前进或折返运行。当工作在CTCS-3级时,需要RBC(无线闭塞中心)给出授权,列控车载设备转入调车模式(SH)后与RBC断开连接,退出调车模式(SH)后,再与RBC重新连接。

休眠模式(SL):该模式用于非本务端列控车载设备。在这种模式下,列控车载设备仍执行列车定位,测速测距,记录等级转换机及RBC切换信息等功能。列车立折,非本务端升为本务端后,车载设备可自动进入正常工作状态。

待机模式(SB):车载设备上电,执行自检和外部设备测试正确后自动进入的模式。此时车载设备禁止列车移动。当司机开启驾驶台后,列控车载设备中的DMI投入正常使用。

隔离模式(IS):当列控车载设备停用时,司机停车并操作隔离开关隔离车载设备。在该模式下,车载设备不具备安全监控功能。列控车载设备应能够监测隔离开关状态。

部分监控模式(PS):该模式仅用于CTCS-2级列车运行控制系统。在CTCS-2级中,当车载设备接收到轨道电路允许行车的信息,而缺少应答器提供的线路数据时,列控车载设备产生一定范围内的固定限制速度,监控列车运行。

机车信号模式(CS):该模式同样仅用于CTCS-2级列车运行控制系统。当列车运行到地面设备未装备CTCS-3/CTCS-2级列控系统的区段时,根据行车管理办法(含调度命令),经司机操作后,列控车载设备按固定限制速度80km/h监控列车运行,并显示机车信号。当列车越过禁止信号后触发紧急制动。

引导模式(CO):当引导信号机或出站信号机开放且列车前端距离出站信号机较远(大于250m)发车时,列控车载设备生成目标距离连续速度控制曲线,并通过DMI显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等。车载设备按照固定限速40km/h监控列车运行,由司机负责检查轨道占用情况.。

在DMIS 基础上,调度集中应具备列车运行计划人工、自动调整、实际运行图自动描绘,行车日志自动生成、储存、打印,调度命令传送,车次号校核等功能。 在 DMIS 基础上,调度中心具备向车站、机务段调度、乘务室等部门发布调度命令以及经调度命令无线传送系统向司机下达调度命令(含许可证、调车作业通知单等)的功能。 系统依据列车运行调整计划,《技规》、《行规》、《站细》等规定,以及相关联锁技术条件对列车、调车作业进行分散自律安全控制(汉分散自律控制模式下的中心、车站人工直接操作)。

对违反分散自律安全条件的人工操作,系统应能进行安全提示。 系统对于影响正常运用的故障,如信号故障关闭(或灭灯及灯丝断丝)时应具有报警、提示、记录等功能。 与调度命令无线传送系统配合具有解车进路信息自动预告功能。 进行调车作业时不需要控制权转换。 不影响既有的平面调车区集中联锁功能。 具有部分非正常条件下接发列车功能以及降级处理措施。 具有本站及相邻各两个车站的列车运行调整计划显示功能。 具有本站及相邻各两个车站的站间透明功能。 具有人工办理排进路功能,为进路指令的执行做好准备。 具有自我诊断、运行日志保存、查询和打印等功能,并逐步实现系统维护智能化。 对所有的人工操作具有完整的记录、查询、回放和打印功能。实时监控电源状态,停电时应自动保存列车、调车作业等重要信息。

在保证网络安全的条件下可与其他相关系统联网,实现数据资源共享。 列车作业 调度集中控制范围内的列车作业,以列车运行调整计划自动控制为基本方式,以调度中心人工控制为辅助方式。 列车计划管理 日班计划 调度集中应具有接收日班计划或者单独制定日班计划的功能。系统可按要求时间将日班计划以运行图或车次时刻表的方式提供给调度员,同时以调度命令的方式下达到有关站段。 调度集中应具有以日班计划为依据,人工和自动调整列车运行计划以及中间站甩挂调车作业计划的功能,经批准后实施下达到车站自律机执行。

调整列车运行计划应遵循单一指挥,按图行车,确保重点等原则,正确合理地使用车站正线、到发线,组织和完成列车在车站的到开、会让、越行、通过等性车作业。 调整列车运行计划应根据运行图,通过压缩停站时间、调整列车区间运行时分、变更越行站和会让站等方法完成。 对于有特殊要求的列车由调度员依照相关管理规定特别设置(超限列车、专列等特殊列车应有明显的标记),并产生相应的列车运行调整计划。 调度员可随时查询、调整列车运行调整计划的内容(含计划使用股道信息);车站值班员可随时查询计划和进路内容。 系统在列车调整计划下达前必须通过合法性、时效性、完整性和无冲突性的检查。


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