中国高速铁路的列车运行控制系统：CTCS-2与CTCS-3

中国高速铁路的列车运行控制系统：CTCS-2与CTCS-3

（一）概述

近年来，我国高速铁路发展迅猛，这一轨道交通方式正逐渐而又深刻地改变国民的出行模式。随其进一步发展，越来越多的人开始关注这个“新四大发明”之一。高速铁路与普通铁路相比，最重要的特点就是它的速度。从实验室到实际线路，中国高速铁路的上限速度正不断被刷新。那么，当我们所乘坐的高速铁路的速度快到一定程度时，依靠什么来保证行车组织的安全呢？答案就是中国列车运行控制系统（CTCS）。

本文首先简要介绍CTCS的概念，其次重点介绍当下中国高速铁路所广泛依赖的CTCS-2和CTCS-3。

中国列车运行控制系统，简称CTCS（Chinese Train Control SySTem ）。所谓列车运行控制系统，顾名思义，就是根据列车在线路上的客观运行条件、实际运行状况等，通过列车车载设备和地面设备，对列车运行实施控制、监督和调整的系统，保证行车安全，提高运输能力。后文中，“列车运行控制系统”略称为“列控系统”。

1989开始，在欧盟委员会和国际铁路联盟的推动下，为解决欧洲各国铁路运行兼容问题，提高列车运行的安全性和效率，降低铁路运营成本，铁路信号系统的互联兼容技术标准被制定出来，其中就包括ETCS标准。而我国则借鉴参照了ETCS，并结合我国铁路运输的特点和既有信号设备制式，制定出了符合中国国情的CTCS技术标准。

按照闭塞方式和运行速度等特点，CTCS可划分为5个级别，从低到高分别是CTCS-0、CTCS-1、CTCS-2、CTCS-3和CTCS-4。各级均可通过技术设备实现向下兼容。

下表为各级CTCS的概况。

在传统认知中，列车司机通过肉眼辨识并理解地面信号机所显示的信息来控制列车运行。但是，当列车速度过快时，这种人工瞭望和驾驶便不能保证行车安全。举个例子，当列车速度达到200km/h以上时，制动距离通常会达到2-3km及以上，肉眼将不能及时发现前方的紧急情况，易发生事故。因此，在高速铁路中，装备列控系统的必要性尤为突显。

当下中国的高速铁路，主要是通过CTCS-2与CTCS-3来实现对行车间隔和速度的自动控制。

（二）CTCS-2级

CTCS-2是基于轨道电路和应答器传输列车行车许可信息，并采用目标距离连续速度控制模式监控列车安全运行的列控系统。闭塞方式为准移动闭塞。其系统结构主要包括：轨道电路、应答器、列控中心和车载设备等。

轨道电路、应答器、列控中心与车载设备在CTCS-2中各有其功能，它们之间相互配合，构成了车-地信息传输的完整过程。具体见下：

l 轨道电路：实现列车的区间占用检查；提供列车运行前方空闲闭塞分区数量；提供连续的行车许可（Movement Authority，简称MA）。

l 应答器：有源应答器提供临时限速和进路状态信息；无源应答器提供线路允许速度和闭塞分区长度等信息。

l 车载设备：根据轨道电路和应答器提供的信息，结合列车自身参数，自动生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行。

l 列控中心：实现轨道电路编码、对应答器的实时报文编制和发送、列车运行方向控制等。

CTCS-2的工作模式：

CTCS-2车载设备的控制方式分为设备制动优先和司机制动优先，在此基础之上，车载设备有6种模式。分别是完全监控模式（FS）、部分监控模式（PS）、目视行车模式（OS）、隔离模式（IS）、待机模式（SB）和调车模式（SH）。

• 完全监控模式（FS）：该模式是列车在区间（含车站正线通过和侧进直出）和车站接车作业时的正常运行模式。列车按高于允许速度2km/h报警、5km/h常用制动、10km/h紧急制动设置。列控车载设备根据控车数据自动生成目标距离模式曲线，司机依据人机界面（DMI）显示的列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等控制列车运行。
• 部分监控模式（PS）：当ATP车载设备接收到轨道电路允许列车信息，但线路数据缺损时，ATP车载设备工作于部分监控模式，其产生固定限速，监控列车运行。

（1）连续两组及以上应答器的线路数据丢失时，列车在ATP车载设备已查询到的线路数据末端前触发常用制动，当列车运行速度低于120km/h后，提供允许缓解提示，司机缓解后，ATP车载设备根据线路最不利条件，产生监控速度曲线（最高限制速度120km/h）控制列车运行。

（2）侧线发车时，ATP车载设备根据股道轨道电路信息（根据道岔限速发送UU码或UUS码），形成并保持固定限制速度80km/h（至出站口）控制列车运行。

（3）引导接车时，ATP车载设备收到接近区段的轨道电路信息（HB码），形成并保持固定限制速度（20km/h）控制列车运行。

• 目视行车模式（OS）：当ATP车载设备显示禁止信号时，ATP处于目视行车模式。此时列车停车后，根据行车管理办法(含调度命令)，ATP生成固定限制速度(20km/h)，列车在ATP监控下运行，司机对安全负责。每运行一段距离（100－200m）或一段时间，司机应重复按压按钮，否则设备制动停车。接收到HU或者H以外的有信号码，该模式自动地结束。
• 隔离模式（IS）：当ATP车载设备故障，触发制动停车后，根据故障提示，司机经特殊操作，ATP车载控制功能停用，在该模式下司机按调度命令行车。若仅BTM失效，ATP车载设备提供机车信号，可人工转换为LKJ控制列车。
• 待机模式（SB）：若预先选择了CTCS-2级，启动电源后，系统就直接转入待机模式。在本模式下ATP车载装置的接收轨道电路信息、接收应答器信息等功能有效。但不进行速度比较等控制，同时，无条件地输出制动。在待机模式下，不进行临时限速控制。在待机模式下不存在机控优先和人控优先的差别，制动输出方法相同。
• 调车模式（SH）：当车列进行调车作业时，司机经过特殊操作后，转为调车模式，ATP生成调车限制速度，控制列车运行。牵引运行时，限制速度40km/h。推进运行时，限制速度30km/h。

（三）CTCS-3级

CTCS-3是基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输，无线闭塞中心（Radio Block Center，简称RBC）生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位，并采用目标距离连续速度控制模式监控列车安全运行的列控系统。闭塞方式为准移动闭塞。其系统结构主要包括：轨道电路、应答器、列控中心、车载设备、RBC、GSM-R网络等。

与CTCS-2类似，RBC、GSM-R网络、轨道电路、应答器与车载设备等在CTCS-3中各有其功能，具体见下：

l 无线闭塞中心(RBC)：根据从联锁设备获得的进路信息，从车载设备获得的列车位置信息等生成行车许可（MA）；通过GSM-R将行车许可、线路参数和临时限速等信息传输给车载设备。

l GSM-R网络：用于实现车载设备与地面设备之间连续、双向、大容量信息传输。

l 轨道电路：实现列车的区间占用检查；提供列车运行前方空闲闭塞分区数量信息。

l 应答器：提供定位及列控等级转换信息。

l 车载设备：根据轨道电路和应答器提供的信息，结合列车自身参数，自动生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行。

CTCS-3的工作模式：

CTCS-3车载设备（含CTCS-2功能）有9种主要的工作模式，除去在（二）中介绍的6种，还有引导模式（CO）、休眠模式（SL）和机车信号模式（CS）。CTCS-3车载设备工作模式中，仅适用于CTCS-2的模式有部分监控模式和机车信号模式。

• 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）时，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。
• 目视行车模式（OS）：当地面设备故障、列控车载设备显示禁止信号且列车停车后需继续运行时，根据行车管理办法，经司机操作，列控车载设备按固定限制速度40km/h监控列车运行，列车每运行一定距离（300米）或一定时间（60秒）司机需确认一次。
• 引导模式（CO）：当开放引导信号，或出站信号机开放且列车前端距离出站信号机较远（大于250米）发车时，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，车载设备按固定限制速度40km/h监控列车运行，司机负责在列车运行时检查轨道占用情况。
• 调车模式（SH）：当进行调车作业时，司机按压调车按钮，列控车载设备按固定限制速度40km/h（顶棚）监控车列前进或折返运行。当工作在CTCS-3级时，经RBC同意，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）后再重新与RBC连接。
• 隔离模式（IS）：当列控车载设备停用时，需在停车情况下，经操作隔离列控车载设备的制动功能。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。
• 待机模式（SB）：当列控车载设备上电时，执行自检和外部设备测试正确后自动处于待机模式，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投入正常工作。
• 休眠模式（SL）：该模式用于非本务端列控车载设备。在该模式下，列控车载设备仍执行列车定位、测速测距、记录等级转换及RBC切换信息等功能。
• 部分监控模式（PS）：该模式仅用于CTCS-2级控车。在CTCS-2级，当车载设备接收到轨道电路允许行车信息，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）：该模式仅用于CTCS-2级控车。当列车运行到地面设备配置未装备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时触发紧急制动。

（四）CTCS-2与CTCS-3之间的转换及比较

A.二者间的转换

正常的等级转换在等级边界（转换区域）自动进行。

等级转换区域内的转换命令由RBC/应答器提供。在转换点前方适当距离设置“等级预告应答器组”；在转换点处设置“等级转换执行应答器组”。

1) 转换点设置

l GSM-R连接点（GRE）：在GSM-R覆盖区域，当列车前端通过该点时，车载设备根据应答器信息与GSM-R建立连接并注册。

l RBC连接点（RE）：当列车前端通过该点时，车载设备根据应答器信息呼叫RBC并进行注册。

l 转换预告点（LTA）：在至转换点唯一进路入口处设置该点，当列车前端通过该点时，车载设备将向RBC报告所在位置，RBC判断为唯一进路时向车载设备提供行车许可及转换命令。

l 转换执行点（LTO）：当列车前端通过LTO点时，本务端的车载设备执行CTCS-2级至CTCS-3级或CTCS-3级至CTCS-2级的控车转换，非本务端处于休眠模式（SL）的车载设备记录等级转换信息。

2) 确认区设置

在距等级转换边界前一定距离（列车以最高速度运行至转换边界约5秒时间）和转换后列车运行5秒的区域为等级转换确认区，列车在区域内运行司机应根据车载设备提示对CTCS-2级转换到CTCS-3级或CTCS-3级转换到CTCS-2级转换进行确认。

司机可在等级转换前/后确认。如果在规定时间内司机未确认，则实施最大常用制动。

3）C2至C3转换的时间需求分析

从GSM-R车载电台开始注册GSM-R网络至具备等级转换条件的时间由以下因素决定：GSM-R网络注册时间（40秒）；RBC连接时间（10秒/次）；数据传输时间（15～20秒）；司机确认时间 5秒。上述时间总计为70～75秒。大致可取80秒。

4）CTCS-3转换为CTCS-2

列车通过等级转换预告应答器后，车载设备从RBC/应答器接收到转换预告信息，做好CTCS-2级控车准备；一旦列车前端通过分界处的切换应答器，车载设备则切换到CTCS-2级方式控车，并终止与RBC的通信会话。

5）CTCS-2转换为CTCS-3

列控车载设备从应答器接收到呼叫RBC命令，与RBC建立通信会话，并从RBC接收CTCS-3级区段的行车许可等信息；一旦列车前端通过分界处的切换应答器，则车载设备切换到CTCS-3级方式控车。

B.二者间的比较

与CTCS-2比较，CTCS-3的不同之处/特点在主要在于：

①地面设备增加无线闭塞中心RBC、GSM-R无线通信网络。

②车载设备增加GSM-R无线通信单元及天线。

③由RBC向列车提供行车许可。

④车-地实现连续、双向、大容量信息传输。

具体来讲，CTCS-3的行车许可由地面设备RBC生成，行车命令由GSM-R网络传输，轨道电路只实现列车的区间占用检查和发送空闲闭塞分区信息功能，应答器只实现列车定位和列控等级转换的功能。而在CTCS-2中，轨道电路还需承担向车载设备发送行车许可的功能，应答器还需承担发送进路信息、临时限速和线路参数的功能。即是说，从CTCS-2到CTCS-3,轨道电路和应答器所承载的功能越来越少。如（一）概述中所述，在CTCS-4中，取消了轨道电路，其功能将全部交由RBC和车载设备等实现，这是未来列控系统发展的趋势。

另外值得一提的是，在城市轨道交通中，基于通信的列控系统（CBTC）亦可以通过GSM-R的方式实现车载设备与地面设备之间连续、双向、大容量的信息传输。关于城轨的CBTC，详见：舟编：城市轨道交通的CBTC系统。

最后，CTCS-2和CTCS-3行车许可生成的过程也有区别。

• CTCS-2行车许可 ：

1）应答器、轨道电路共同完成车地通信；

2）轨道电路码序反映行车前方空闲闭塞分区；

3）应答器传送闭塞分区长度、允许速度数据；

4）车载ATP计算行车许可，获取授权。

• CTCS-3行车许可 ：

1）地面RBC接收联锁设备和车载设备传输的信息，计算行车许可，组织好数据包；

2）GSM-R车-地通信传输行车许可数据包；

3）车载ATP获取移动授权；

（根据西南交通大学公开之讲义整理而成）