陳鋒華

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

CTCS應用等級定義與發(fā)展

陳鋒華

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

通過簡要回顧CTCS應用等級定義現狀，從應用需求、技術兼容和體系發(fā)展3個方面探討CTCS應用等級的意義。在此基礎上，分析了CTCS應用等級在“C0改”系統(tǒng)研究和ATP技術進一步應用過程中遇到的問題，提出時速160 km線路應用CTCS系統(tǒng)等級定義以及不同CTCS等級車載設備兼容性建議。

CTCS；應用等級；車載設備；定義

1 CTCS應用等級定義與現狀

2004年原鐵道部發(fā)布了《CTCS技術規(guī)范總則》（暫行）（以下簡稱《總則》）?！犊倓t》參照ETCS等國外標準，結合中國鐵路具體情況給出了CTCS的定義、目標和體系框架。CTCS列車運行控制系統(tǒng)包括地面設備和車載設備，根據系統(tǒng)配置按功能劃分為5個應用等級，即CTCS-0至CTCS-4級。《總則》系統(tǒng)描述了各應用等級的定義、基本配置和基本功能[1]。

在總則指引下，CTCS技術取得了長足發(fā)展，尤其是CTCS-2和CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)，在我國高速鐵路建設中得到廣泛應用，并不斷成熟，相應地面設備運用里程累計超過1萬km，車載設備安裝數量累計超過1 200組動車組。與上述兩個應用等級相比較，CTCS-1級和CTCS-4級系統(tǒng)尚處于定義和規(guī)劃階段，目前正在研究CTCS-1級列控系統(tǒng)總體技術方案。

2 CTCS應用等級定義的作用和意義

CTCS借鑒ETCS的經驗，定義了應用等級（Application Level）。本文試圖站在總結的視角，回望CTCS技術10年的發(fā)展，從應用需求、技術兼容和體系發(fā)展3個方面探討CTCS應用等級定義的作用和意義。

2.1 CTCS應用等級定義與應用需求

CTCS應用等級的定義雖然很大程度上借鑒了ETCS的經驗，但是從根本上來說是根植于中國鐵路實際情況，著眼于中國鐵路應用需求提出的。

CTCS除了類似ETCS那樣，根據車－地控制信息的傳輸方式不同，定義了CTCS-2級和CTCS-3級系統(tǒng)；根據列車定位和完整性檢查所依賴的技術手段不同，區(qū)分了CTCS-3級和CTCS-4級系統(tǒng)。更重要的是CTCS應用等級定義還框定了不同應用等級系統(tǒng)所適應的鐵路線路速度等級，并隨著CTCS的應用實踐不斷明晰，比如：CTCS-2級系統(tǒng)適用于時速200～250 km高速鐵路區(qū)段；CTCS-3級系統(tǒng)適用于時速300 km及以上高速鐵路區(qū)段。

雖然業(yè)界對這種以適用線路速度對CTCS應用等級的框定也曾提出質疑，但是實踐表明，按適用線路速度進行的CTCS應用等級劃分滿足了鐵路運輸和技術創(chuàng)新的應用需求，支撐了中國高速鐵路建設，并使CTCS技術走在世界前列發(fā)揮了關鍵指引作用。

2.2 CTCS應用等級定義與技術兼容

CTCS應用等級的定義從系統(tǒng)層面解決ATP技術兼容性問題，使CTCS的發(fā)展和應用具有更強的生命力。

首先通過CTCS等級定義系統(tǒng)解決了車－地控制信息互聯互通的問題。CTCS系統(tǒng)通過對軌道電路低頻碼信息定義與分配，實現低頻碼信息含義的唯一性和一致性。另一方面通過引進ETCS語言和信息包，確定了線路速度、線路坡度等線路信息定義，同時根據CTCS要求擴展了軌道電路區(qū)段信息定義。CTCS系統(tǒng)對車－地控制信息的定義具有跨等級的特征，它使得從CTCS-0級系統(tǒng)發(fā)展起來的軌道電路低頻信息定義和從CTCS-2級系統(tǒng)發(fā)展起來的應答器信息包定義跨越了應用等級的限制，成為CTCS不同等級共同遵循的車－地信息交互“語言”，為車地設備和功能互聯互通奠定了技術基礎。

其次是通過CTCS等級定義系統(tǒng)解決了車地設備配置和兼容的問題。CTCS技術總則將列控系統(tǒng)分為地面設備和車載設備兩大部分，并簡要定義和描述了軌道電路、點式信息設備、列控中心、無線閉塞中心、無線通信地面設備；以及車載安全計算機、人機接口等車載設備，并確定了不同CTCS等級的設備配置，以及系統(tǒng)車載設備向下兼容的CTCS級間關系。

CTCS-3級系統(tǒng)沒有照搬ETCS2級系統(tǒng)定義和設備配置，而是將CTCS-2級系統(tǒng)中的列控中心設備及軌道電路編碼原則，以及應答器報文定義和運用原則引入CTCS-3級列控系統(tǒng)中，不論是地面設備還是車載設備均能夠兼容CTCS-2級功能，實現了故障條件下，車載設備可以不停車由CTCS-3級降級進入CTCS-2級后備模式運行。實踐表明，CTCS應用等級定義的創(chuàng)新，為CTCS-3級列控系統(tǒng)在時速300 km及以上高速鐵路上成功應用發(fā)揮了關鍵作用。

另外，為系統(tǒng)解決我國鐵路復雜的線路臨時限速運輸需求，在CTCS基本設備配置的基礎上，創(chuàng)新性地提出設置臨時限速服務器（TSRS）設備的解決方案，應用于CTCS-2和CTCS-3級系統(tǒng)，實現兩個應用等級列控系統(tǒng)臨時限速功能和設備配置的一致性與兼容性。

2.3 CTCS應用等級定義與體系發(fā)展

CTCS應用等級定義不僅滿足鐵路運輸和工程建設需求，同時還成為CTCS重要的技術構架設計之一，從系統(tǒng)層面把握住技術兼容和互聯互通的難題。

CTCS應用等級定義的另一方面的重要意義還在于它系統(tǒng)規(guī)劃了中國列車控制系統(tǒng)的發(fā)展框架和技術路徑，使得我國鐵路列車自動防護（ATP）技術的發(fā)展避免了歐洲國家走過的彎路，將我國鐵路信號技術的發(fā)展直接提升到以實現列車自動安全防護為目標，全方面、系統(tǒng)化、成體系的系統(tǒng)技術高度。

上述轉變體現在CTCS應用等級定義對技術標準體系的影響上。在CTCS技術總則及等級定義基礎上，在工程建設需求和實踐經驗總結的驅動下，形成了包括：通用、系統(tǒng)、設備、接口、工程實施、運用維護、測試評估等7大類40多個技術規(guī)范文件，這些技術規(guī)范形成具有內在聯系、科學的系統(tǒng)，使CTCS技術標準體成為中國高速鐵路標準體系的重要組成部分[2]。

上述轉變還體現在CTCS等級定義對信號技術發(fā)展的影響上。在初步完成CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng)研發(fā)和應用后，業(yè)界能夠統(tǒng)一思想，集中力量研究CTCS-1和CTCS-4級列控系統(tǒng)和發(fā)展路徑。

3 CTCS應用等級定義面臨的新問題

CTCS應用等級定義有力推動了我國高速鐵路列控系統(tǒng)發(fā)展，但是在CTCS技術總則發(fā)布10年后，CTCS應用等級定義面臨新的問題。第一是根據2013年發(fā)布的最新鐵路技術政策要求，發(fā)展基于應答器提供基礎數據的列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)技術[3]，即“C0改”系統(tǒng)研究的問題；第二是ATP技術擴大應用，實現既有干線鐵路客貨列車裝備車載ATP設備，進而實現CTCS技術平臺化，即ATP技術進一步發(fā)展應用的問題。

3.1 “C0改”系統(tǒng)研究的問題

CTCS-0級列車運行監(jiān)控記錄設備（LKJ）采用車載設備集中存儲數據的方式，使得走行線路上任何一處線路參數的變化，均需要進行LKJ數據更新和機車車載設備數據換裝。在目前我國鐵路機車長交路大面積運用，機車調配頻繁、既有線路施工改造多，出現大量的LKJ數據變化，頻繁的跨路局數據傳遞和LKJ設備芯片數據換裝。

為解決上述問題，開展了應答器提供LKJ基礎數據總體技術方案的研究，總體技術方案的主要內容是：在保持既有LKJ設備操作方式、控制模式、顯示界面基本不變的情況下，通過在車站進、出站端一定距離范圍內設置無源應答器設備，通過應答器報文描述LKJ基礎數據。上述技術方案研究在相關科研課題支持下，完成現場初步試驗，驗證了總體技術方案的可行性。但是，如何將應答器提供LKJ基礎數據方案納入到CTCS應用等級定義中來，進一步完善CTCS應用等級定義，成為當前CTCS發(fā)展需要研究的問題之一。

3.2 ATP技術進一步發(fā)展應用的問題

我國鐵路ATP技術應用發(fā)展經歷兩個重要階段。第一是20世紀90年代初期引進法國的UM71和TVM300系統(tǒng)，先后在京廣線鄭武段和廣深線實施，實現按“階梯式”速度控制曲線對列車進行超速防護；第二是21世紀初期開始借鑒歐洲ETCS技術，研究發(fā)展CTCS技術體系，并通過技術引進和集成創(chuàng)新在我國高速鐵路上實施，實現了按“連續(xù)式”速度控制曲線對列車的超速防護。

回顧ATP技術發(fā)展歷程，結合當前鐵路運輸及CTCS技術體系發(fā)展需求，我國鐵路ATP技術的未來發(fā)展可能有兩個方向。第一是在既有或新建時速160 km鐵路上推廣應用ATP技術，在機車上裝備ATP車載設備，實現客貨列車超速防護，進一步提升既有線運輸安全技術保障水平；第二是推進CTCS關鍵技術裝備發(fā)展，在集成創(chuàng)新的基礎上實現原始創(chuàng)新，特別是車載設備的原始創(chuàng)新，實現技術裝備平臺化，進而推進CTCS技術體系的可持續(xù)發(fā)展。

上述兩個ATP技術發(fā)展方向可以獨立進行，也可以結合開展，但無論是哪一個發(fā)展方向，均需要進一步研究CTCS應用等級定義，使之能夠指導并規(guī)范我國ATP技術的發(fā)展。

4 CTCS應用等級發(fā)展建議

4.1 ETCS應用等級定義的啟示

ETCS最早于1996年提出，以解決歐洲高速鐵路互聯互通問題，2004年互聯互通概念及需求擴展至常規(guī)鐵路（Conventional Railway），目前已成為歐洲鐵路的法定強制規(guī)范，要求所有新建、提速（升級）和改造的線路及車載設備必須滿足ETCS要求。ETCS分為0～3級共4個應用等級，應用等級定義并不是一成不變的，而是根據歐洲鐵路運輸和建設的需求，進行不斷的修改和完善，最典型的是在ETCS1級的基礎上發(fā)展了ETCS L1LS（Limited Supervision，有限監(jiān)控）模式和ETCS3級的變種：區(qū)域ERTMS。

與常規(guī)的完全監(jiān)控模式相比較，ETCS L1LS模式下，車載設備可以不依賴應答器傳輸的移動授權信息，而使用其他系統(tǒng)提供的行車許可命令。由于設計了ETCS L1LS模式，使得既有鐵路進行ETCS1級改造時，可以繼續(xù)使用既有的地面設備生成并傳輸移動授權，所以僅需要增加少量的E1地面設備，就能完成線路改造升級[4]。ETCS L1LS模式最先由法國鐵路于2004年正式提出，并于2012年被正式納入ETCS技術互聯規(guī)范（TSI）V3.0.0版本中。有研究表明在保證相同的運輸能力情況下，與單純的ETCS1級系統(tǒng)相比較，ETCS L1LS僅需要一半的建設成本。德國鐵路已經宣布至少在10條既有線路上采用ETCS L1LS。

區(qū)域ERTMS是ETCS3級的一個變種，對于運行速度較低和運輸密度較小的線路，由于區(qū)間落車導致沖突的概率和影響有限，因此區(qū)域ERTMS沒有設計ETCS3級規(guī)定的列車完整性檢查功能，也沒有采用移動閉塞，僅采用ETCS3級系統(tǒng)所規(guī)定的基本原理和體系結構，比如不需要復雜的地面信號設備，因此，區(qū)域ERTMS建設成本非常低，它適用于尚未裝備ATP系統(tǒng)的低密度運輸線路。2012年在瑞典西部正式開通一條區(qū)域ERTMS試驗線。

4.2 CTCS應用等級定義的建議

結合CTCS應用等級定義的作用和意義，以及所面臨的新問題，參考ETCS發(fā)展帶來的啟示，從CTCS系統(tǒng)的現狀和發(fā)展出發(fā)，本文對CTCS應用等級定義提出兩點建議。

第一，應盡快確定CTCS技術在既有和新建時速160 km線路上的應用等級。

從目前的研究來看，在上述線路上應繼續(xù)采用以軌道電路和應答器作為主要車－地控制信息傳輸手段的“點連式”控制系統(tǒng)方案。因此，可以充分借鑒CTCS-2級列控系統(tǒng)技術方案，通過優(yōu)化功能需求，一方面適應時速160 km線路自動閉塞、半自動閉塞和站間閉塞等多種閉塞制式要求，另一方面又能簡化CTCS系統(tǒng)地面設備配置，便于既有線路改造實施，并獲得較低的綜合造價。

從技術角度看，上述系統(tǒng)可以作為CTCS-2級列控系統(tǒng)的一個分支，定義為CTCS-2（CR）等級，稱作CTCS-2既有線等級或CTCS-2常規(guī)鐵路等級。相應地，現有CTCS-2級系統(tǒng)可以稱為CTCS-2高速鐵路等級，即CTCS-2（HS）等級。

從應用角度看，上述系統(tǒng)可以直接定義為CTCS-1級列控系統(tǒng)，按速度等級應用于既有或新建時速160 km及以下線路上，與CTCS-2級應用于時速200～250 km高速鐵路區(qū)段；CTCS-3級應用于時速300 km及以上高速鐵路區(qū)段形成承接關系，使得CTCS系統(tǒng)ATP技術完整覆蓋我國鐵路主要干線區(qū)段，形成統(tǒng)一制式。另外，將上述系統(tǒng)直接定義為CTCS-1應用等級，也可以明確方向、減少爭論，進一步促進CTCS技術發(fā)展。

第二，應盡快確定CTCS各應用等級車載設備功能兼容性需求。在實施總則提出的CTCS車載設備向下兼容的基礎上，應明確車載設備是跨一個等級還是跨多個等級向下兼容。跨一個等級向下兼容，即類似目前CTCS-3級列控車載設備，它跨一個等級向下兼容CTCS-2級線路運行需求，但不能再向下兼容CTCS-0級線路運行需求?？缍鄠€等級向下兼容，即CTCS高等級車載設備可以滿足后續(xù)全部低等級CTCS運行功能要求，如CTCS-3級車載設備可以運行于CTCS-3、2、1、0級線路，相應的CTCS-2級車載設備可以運行于CTCS-2、1、0級線路。

建議車載設備功能應跨多個等級兼容，以滿足我國鐵路對動車組、機車的靈活調配和長交路運行需求，增強CTCS系統(tǒng)的適應性。在滿足車載設備功能兼容設計的基礎上，可以考慮設備配置的靈活性。比如裝備CTCS-3級車載設備的動車組，如果僅需兼容運行于CTCS-2級線路，不需要運行于CTCS-1和CTCS-0級線路，則可以不配置與CTCS-1、0等級相關的軟、硬件模塊，以降低車載設備造價。同時在有需求時，又可以方便地進行車載功能調整和擴展配置。

5 結論

CTCS應用等級定義是CTCS系統(tǒng)設計的關鍵內容之一，是CTCS技術發(fā)展的重要指引。CTCS技術經過10年發(fā)展，面臨新的機遇和挑戰(zhàn)，特別是如何發(fā)展CTCS-1級系統(tǒng)，如何擴大應用ATP技術，已經成為CTCS發(fā)展需要解決的兩個緊迫問題，應盡快完善CTCS應用等級定義，同時明確車載設備兼容性原則，為CTCS技術的進一步發(fā)展奠定基礎。

[1] TJ/DW074-2004 中國列車運行控制系統(tǒng)CTCS技術規(guī)范總則（暫行）[S].北京：鐵道部科學技術司，2004.

[2]張海豐.高速鐵路CTCS技術標準體系現狀與發(fā)展[J].鐵路通信信號工程技術.2014，11（3）：91-96.

[3]中華人民共和國鐵道部 鐵路主要技術政策[S].2013.

[4] European Train Control System.[online]：www.wikipedia.org.2014.

Through the review of the present situation of СTСS level defi nition, the paper discusses the signifi cance of СTСS levels from three aspects such as application demands, technical compatibility and system development. Furthermore, it analyzes the problems in the research on "СTСS-0 reconstruction solution" and the further application of ATP system, and puts forward the defi nition of the СTСS level applied to 160km/h lines and the suggestion about the onboard equipment compatibility among different СTСS levels.

СTСS; application level; onboard equipment; defi nition

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.025

2014-11-23)