李開成 賈 琨 袁煥靖 趙 陽

*北京交通大學(xué) 副教授 (鐵道部 C 3技術(shù)攻關(guān)組成員),100044 北京

**北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院 高級工程師 (鐵道部 C3技術(shù)攻關(guān)組成員),100073 北京

***北京客運(yùn)專線基礎(chǔ)設(shè)施維修基地 高級工程師 (鐵道部 C3技術(shù)攻關(guān)組成員),100086 北京

****中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所 副研究員 (鐵道部C3技術(shù)攻關(guān)組成員),100081 北京

1 引言

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不僅可以指導(dǎo)行業(yè)技術(shù)的健康、快速發(fā)展,也是對行業(yè)技術(shù)加以保護(hù)的措施和自主知識產(chǎn)權(quán)的體現(xiàn)。我國已步入鐵路高速發(fā)展時(shí)期,作為高速鐵路核心系統(tǒng)之一的高速鐵路列控系統(tǒng),是提高鐵路運(yùn)輸效率、保證運(yùn)輸安全的關(guān)鍵裝備。高速鐵路列控系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)復(fù)雜,涉及控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線移動通信技術(shù)、信息安全技術(shù)等多個(gè)方面,構(gòu)筑 CTCS-3級列控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系,對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、施工驗(yàn)收、運(yùn)營維護(hù)等有重要的指導(dǎo)作用。

為推進(jìn)高速鐵路 CTCS-3級列控系統(tǒng)自主集成創(chuàng)新,建立健全 CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合武廣、鄭西和廣深港高速鐵路的建設(shè),我國開展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 CTCS-3級列控系統(tǒng)技術(shù)體系研究。

2 國外列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

國外比較注重標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定,通常是先制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展設(shè)備的研制、生產(chǎn)和運(yùn)用維護(hù)。在列控系統(tǒng)方面也不例外,最典型的國外列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng) (European Train Control System,ETCS)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

在歐洲鐵路網(wǎng)上,各個(gè)國家的鐵路部門使用各自不同的信號制式管理列車運(yùn)營,列車運(yùn)行控制系統(tǒng) (ATP/ATC)多達(dá) 10余種,這些信號和控制系統(tǒng)互不兼容。因此,歐洲列車跨國境運(yùn)行時(shí),列車要么穿過邊境抵達(dá)另一個(gè)國家后,停下來更換機(jī)車;要么根據(jù)運(yùn)行線路的不同,裝備多種不同的控制系統(tǒng),當(dāng)列車跨境后,切換為另一套運(yùn)行控制系統(tǒng)。

表1 ETCS部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的簡要說明

為了實(shí)現(xiàn)跨國境運(yùn)營的列車不受限制地穿越邊界,提高列車運(yùn)行效率,上世紀(jì) 80年代末,歐盟聯(lián)合 UIC(國際鐵路聯(lián)盟),委托 UNISIG組織(6家歐洲主要信號設(shè)備供應(yīng)商)編制歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng) (ETCS)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。ETCS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括功能需求規(guī)范 (FRS)、系統(tǒng)需求規(guī)范 (SRS)、接口規(guī)范 (FIS/FFFIS)、關(guān)鍵設(shè)備規(guī)范和測試規(guī)范等,它們是實(shí)現(xiàn) ETCS功能和技術(shù)互操作性的基礎(chǔ)。因篇幅限制,表 1列出了一部分 ETCS規(guī)范的編號/縮寫、規(guī)范名稱和簡要描述。

3 CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

借鑒 ETCS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),根據(jù) CTCS-3級列控系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)合武廣和鄭西高速鐵路的建設(shè),我國制定并編制了 CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)包括系統(tǒng)規(guī)范、工程設(shè)計(jì)規(guī)范、制造工藝標(biāo)準(zhǔn)、施工驗(yàn)收規(guī)范、運(yùn)用維護(hù)規(guī)則、系統(tǒng)評估辦法等 6個(gè)部分,體系框架如圖1所示。

圖1 CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)規(guī)范簡要描述

系統(tǒng)規(guī)范對 CTCS-3級列控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的、綜合性的描述,包括運(yùn)營需求規(guī)范、設(shè)備規(guī)范、接口規(guī)范和測試規(guī)范 4個(gè)方面。

1.運(yùn)營需求規(guī)范。綜合描述了 CTCS-3級列控系統(tǒng)的總體功能需求、系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)工作原理、主要工作原則、主要工作模式、主要運(yùn)營場景、應(yīng)答器布置及報(bào)文編制、無線通信報(bào)文應(yīng)用原則、對GSM-R的需求等內(nèi)容,是指導(dǎo) CTCS-3級列控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成的重要文件。運(yùn)營需求規(guī)范的簡要說明如表 2所示。

2.設(shè)備規(guī)范。CTCS-3級列控系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成。地面設(shè)備由無線閉塞中心(RBC)、臨時(shí)限速服務(wù)器、列控中心 (TCC)、應(yīng)答器/軌旁電子單元 (LEU)、ZPW-2000(UM)系統(tǒng)軌道電路等構(gòu)成;車載設(shè)備由車載安全計(jì)算機(jī)、GSM-R無線通信單元、軌道電路信息接收單元、應(yīng)答器信息接收模塊、列車接口單元、人機(jī)界面(DMI)、記錄器、速度傳感器、軌道電路信息接收天線、應(yīng)答器信息接收天線、GSM-R天線等構(gòu)成。

表2 CTCS-3級列控系統(tǒng)運(yùn)營需求規(guī)范的簡要描述

列控中心 (TCC)、應(yīng)答器/軌旁電子單元(LEU)、ZPW-2000(UM)系統(tǒng)軌道電路的產(chǎn)品在CTCS-2級列控系統(tǒng)中已有運(yùn)用業(yè)績,并有相應(yīng)的規(guī)范;RBC和車載設(shè)備是 CTCS-3級列控系統(tǒng)新開發(fā)的核心設(shè)備。設(shè)備規(guī)范描述了 CTCS-3級列控系統(tǒng)的核心設(shè)備 (車載設(shè)備和 RBC設(shè)備)及其他關(guān)鍵設(shè)備 (如人機(jī)界面 DMI)的主要功能、設(shè)備構(gòu)成和工作原理等內(nèi)容,是指導(dǎo)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、測試的重要性文件;設(shè)備規(guī)范也描述了列控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備編號規(guī)則、中繼站箱式機(jī)房內(nèi)信號系統(tǒng)設(shè)備安裝調(diào)試規(guī)范。設(shè)備規(guī)范的簡要說明如表 3所示。

3.接口規(guī)范。CTCS-3級列控系統(tǒng)接口復(fù)雜,不僅有大量的系統(tǒng)內(nèi)部接口,還有大量的系統(tǒng)外部接口。接口規(guī)范規(guī)定了系統(tǒng)內(nèi)部接口、系統(tǒng)外部接口的傳輸協(xié)議,包括傳輸信息、信息編碼、傳輸流程、安全協(xié)議等內(nèi)容,用于指導(dǎo)子系統(tǒng)之間連接和調(diào)試。接口規(guī)范的簡要說明如表 4所示。

4.測試規(guī)范。CTCS-3級列控系統(tǒng)是保證列車行車安全的基礎(chǔ)設(shè)備,系統(tǒng)投入正式運(yùn)用前,必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試,包括實(shí)驗(yàn)室仿真測試、現(xiàn)場測試及聯(lián)調(diào)聯(lián)試,驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足 CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案和系統(tǒng)需求規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能(包括正常功能和故障-安全防護(hù)功能)。

表3 CTCS-3級列控系統(tǒng)設(shè)備規(guī)范的簡要描述

表4 CTCS-3級列控系統(tǒng)接口規(guī)范的簡要描述

CTCS-3級列控系統(tǒng)測試規(guī)范描述了根據(jù)CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案和系統(tǒng)需求規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)提取功能特征的方法、測試案例的生成方法、測試序列的生成方法。CTCS-3級列控系統(tǒng)測試案例包含了 470個(gè) CTCS-3級測試案例,是編制 CTCS-3級列控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室仿真測試序列、現(xiàn)場測試序列及聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試序列的基礎(chǔ)性文件,改進(jìn)了傳統(tǒng)的鐵路列控系統(tǒng)的試驗(yàn)方法,提高了試驗(yàn)方式的科學(xué)性、試驗(yàn)內(nèi)容的完整性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論的嚴(yán)密性。

3.3 其他規(guī)范簡要描述

1.系統(tǒng)評估辦法。國外對安全相關(guān)設(shè)備通常進(jìn)行安全評估,確定其安全等級。安全評估需要相關(guān)的評估標(biāo)準(zhǔn)、第三方的有資質(zhì)的評估人員和評估機(jī)構(gòu)。借鑒國外安全評估方法,結(jié)合我國鐵路實(shí)際情況和特點(diǎn),制定了 CTCS-3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)評估辦法。該辦法規(guī)定了系統(tǒng)評估的目的、原則和評估實(shí)施過程、需要提交的評估材料等內(nèi)容。CTCS-3級列控系統(tǒng)的系統(tǒng)評估過程如圖 2所示。

圖2 CTCS-3級列控系統(tǒng)的系統(tǒng)評估過程

2.運(yùn)用維護(hù)規(guī)則。為了便于維護(hù)人員掌握、分析 CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備運(yùn)用過程中設(shè)備狀態(tài),以及發(fā)生故障后分析故障原因,運(yùn)用維護(hù)規(guī)則針對車載設(shè)備的司法記錄器紀(jì)錄數(shù)據(jù),采用圖形方式重現(xiàn)列車的運(yùn)行過程,根據(jù)列車的速度和位置顯示車-地之間交互的信息、制動輸出及原因、司機(jī)響應(yīng)及動作等。圖形化顯示界面之一如圖 3所示。

3.制造工藝標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)良的制造工藝是確保CTCS-3級列控系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)可靠、穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。根據(jù) CTCS-3級列控系統(tǒng)設(shè)備制造和加工工藝的特點(diǎn),參照相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)制定了 18項(xiàng)制造工藝標(biāo)準(zhǔn),包括元器件的存儲周轉(zhuǎn)工藝、貼裝工藝、焊接工藝和裝配工藝等,用于指導(dǎo) CTCS-3級列控系統(tǒng)的設(shè)備制造和加工,提高 CTCS-3級列控系統(tǒng)設(shè)備的制造質(zhì)量。

圖3 列控系統(tǒng)運(yùn)行過程圖形化示例

4.工程設(shè)計(jì)和驗(yàn)收規(guī)范。工程設(shè)計(jì)規(guī)范包括列車運(yùn)行控制系統(tǒng) (CTCS)設(shè)計(jì)規(guī)定等內(nèi)容;施工驗(yàn)收規(guī)范包括客運(yùn)專線鐵路信號工程施工技術(shù)指南等內(nèi)容。這些規(guī)范是指導(dǎo) CTCS-3級列控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備施工、驗(yàn)收的重要文件。

4 結(jié)束語

CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在武廣、鄭西高速鐵路列控系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮了重要的指導(dǎo)性作用。武廣、鄭西高速鐵路已分別于2009年 12月 26日和 2010年 2月6日投入商業(yè)運(yùn)營,CTCS-3級列控系統(tǒng)的攻關(guān)工作在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、車載和 RBC等關(guān)鍵設(shè)備、CTCS-3級列控系統(tǒng)的測試驗(yàn)證、系統(tǒng)評估、GSMR系統(tǒng)承載列控信息傳輸?shù)确矫嫒〉昧艘淮笈鷦?chuàng)新成果,初步建成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列控系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著我國高速鐵路建設(shè)的不斷推進(jìn),CTCS-3級列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也需要不斷的完善和補(bǔ)充。

[1］ 張曙光.CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[2］ 李開成,卜長堃.國外鐵路通信信號新技術(shù)縱覽[M].北京:中國鐵道出版社,2005.