美国PTC系统概述

蔡 亮 赵 磊 何春明

（1．中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2．北京和利时系统工程有限公司，北京 100096）

1 概述

在大约3%～4%铁路线上，机车信号和自动速度控制针对单点人因故障提供了防护措施。自1971年开始，国家运输安全委员会（NTSB）已经强烈要求采用更先进的技术措施来防护人因故障。铁路工业自1985年以来就许诺研发该项技术。1994年美国联邦铁路管理局（FRA）在铁路通信和列车控制方面向国会提交了一份报告，在该报告中创造了术语“PTC”；2000年，FRA向国会提交了一份关于PTC系统实施的报告；并于2004年向国会拨款委员会提交了1份关于PTC系统优势和成本的报告；2005年，FRA为促进PTC系统的推广，发布了1份关于信号和列车控制系统设计性能标准的最终规定。

PTC系统是为控制列车安全、可靠、精确和有效地运行等而集行车指挥、控制、通信和信息化等子系统于一体的一个集成系统[1]。PTC系统可以通过有效地减少列车相撞的概率、铁路职工的意外伤亡和设备损坏以及超速事故的发生，来提高铁路运营的安全性。NTSB已经把PTC系统认定成为了NTSB“最想要”的创新之一[2]。PTC系统是由数据通信网络、全球定位系统、车载计算机、驾驶室显示设备、机车制动接口、轨旁设备接口单元、列车控制中心计算机及其显示设备组成。PTC系统同时具有与调度员、工作指令记录系统和列车运行状态记录系统的接口。

PTC系统追踪列车和轨道维护车辆的位置，发送行车许可，并自动延伸行车许可。PTC系统的远程干预能力可准许控制中心停止一列机务人员无法停下的列车。PTC系统还具有优化运行时分、提高正点率、提高资产利用率和线路通行能力的优点。PTC系统的试用版本在10年前被成功地测试了，但是该系统并没有广泛使用。目前，其他验证工程正在筹备和测试阶段。PTC系统在铁路上的正式商用有希望在最近10年开展。

2 系统主要功能

PTC系统具有防护列车相撞、防止超速脱轨、防护铁路工人遭受列车撞击、在许可限制区防止列车进入的能力[3]；同时具有在停车点通过制动防止列车移动的功能。PTC系统不同的复杂性很大程度上取决于自动化水平和系统实现的功能、所使用的系统结构、系统基于何种地面系统（例如无信号、闭塞信号、机车信号等）和设定的列车控制等级。

PTC系统适用于货运铁路、城际高速铁路等。该系统具有闭环控制、使用车载卫星定位系统和使用数字无线信号传输位置报告和行车许可等特征。FRA要求PTC系统具有防止列车相撞、强制速度限制、保护轨道上工作人员及设备的功能。除了具备上述功能外，要求其具有更精确的列车跟踪和运行管理能力，具备缩短列车间隔时间以增加运力、降低工作量、减少轨旁电子设备等优点。

3 系统构成

3.1 数字无线电

根据图1所示，PTC系统中列车运行重要信息和保证列车安全行驶过程的主要信息均使用数字无线电网络传输。数字无线电网络的性能和安全性直接关系着PTC系统能否成功对列车进行自动运行控制。为了应付目前复杂铁路运输的需求，要求数字无线电网络具有足够的通信信道和大数据吞吐量。

3.2 高精度全球定位系统

在PTC系统中，列车定位功能依靠全球定位系统(GPS)完成。列车位置信息对制动曲线生成、列车安全行驶和调度起着至关重要的作用。

图2给出利用GPS来实现列车定位的具体过程。首先，通过GPS接收器接收列车的地球坐标经纬度数据；同时获得由加速度计、光纤陀螺和转速计测量出的列车加速度数据、横向加速度数据以及列车速度数据；经过卡尔曼滤波去除噪声后，得到真实加速度和速度信息；结合线路信息数据库进行比对后，最终得到列车实际位置信息。

3.3 车载设备

车载设备在PTC系统中主要功能是向PTC系统服务器报告列车位置、强制执行行车许可和限速指令。其他功能主要有在通过限速区域时，警告列车全体工作人员；警告经许可在轨道上的工作人员；在列车上显示行车许可和速度限制等功能。

3.4 PTC服务器

PTC服务器通过数字无线电接收列车的位置信息，实时跟踪列车。通过接收到的站场条件信息，实时监控轨道电路、道岔和故障探测器。同时，PTC服务器计算行车停止点，向列车传送行车许可和速度限制信息。

3.5 计算机辅助调度系统

计算机辅助调度系统主要完成人为干预列车运行的功能，人为启动和停止列车。该控制信息通过PTC服务器发送给列车，实现对列车运行的人为控制。

3.6 PTC系统激活的铁路交叉路口

在铁路交叉路口的所有防护措施（如护栏、指示灯等）均通过数字无线电与列车建立通信连接。当有列车即将驶过交叉路口时，列车向交叉路口发送无线电信息，通知交叉路口的各设备，采取相应的防护措施。

3.7 线路施工负责人手持便携终端

线路施工负责人手持便携终端(EIC PRT)是1个便携计算机终端，该设备是给需要在施工区域内建立轨道安全区域的工作人员或给自己建立保护区域的单独工作人员使用。该设备基本功能是使线路施工负责人能够准许列车驶入施工区域、在线路维护区段设置列车限制速度。图3给出了PTC系统框图，其中虚线部分是EIC PRT。

4 主要研究内容

4.1 可靠的制动算法

由于列车制动设备信息不充分，PTC系统中现存的制动算法效率低，不能满足现在的需要。一种自适应制动算法正在被研究，该算法通过反馈和闭环算法，使得制动传输率、列车重量、制动效率更加接近于真实值。该算法的优点：可以将列车停在离理想停车点尽可能近的地方，与此同时，给了列车员更充足的空间去操纵列车，而不是迫使他们过早地实施制动。

图4是一组制动曲线，该曲线表示在同样的测试环境(列车重量，速度及其他环境因素)、不同已知参数条件下所得的制动点概率密度分布图。从图4可以看出，在制动传输时间、列车重量和制动效率均未知的情况下，制动点分布距离目标制动点偏差较大，平均偏差约为520 m左右。而在已知制动效率的情况下，制动效果最理想，制动点分布距离目标制动点平均偏差约为100 m左右。因此，制动效率是影响最终制动效果的重要因素。

4.2 互通性的能力

PTC系统是个庞大的列车自动控制系统，需要多个厂商和研发机构共同参与开发工作，并要求各个厂商和研发机构所开发的产品具有互通性能力。

互通性要求在使用各个厂家的车载设备和所有其他制造商的地面设备集成时，均符合相应的兼容要求。

4.3 实际风险评估方法

PTC系统的风险评估工作从基于风险容忍度等级（TRL）的基事件开始，对新系统进行风险分析，在系统设计过程中实行多次重复（迭代），直至TRL被接受；PTC系统风险评估过程的研究结果和详细报告已经被审核。

5 PTC系统实际应用

目前，全部有影响力的铁路设备供应商或集成商都在积极出资以从铁路安全改进委员会（RSIA）获得PTC系统实施计划，并使各自的PTC系统实现最大的互通性。

FRA支持所有铁路承包商安装PTC系统，这些承包商均有官方报告和安装需求。铁路承包商正在通过监管改革、项目安全监督、技术开发和经济资助等组合手段，自愿地装备PTC系统。

目前，有11个不同PTC系统项目在不同阶段进行开发和实施，包括至少16个州的9条不同铁路线路，超过6 400 km的铁路[4]。表1给出了美国正在进行的主要PTC系统实施项目。

表1 美国主要PTC系统项目表

续表

[1] Lindsey. R. Positive train control in North America[J]. Vehicular Technology Magazine, IEEE, 2009, 4(4): 22-26.

[2] Terry Tse. Positive Train Control [EB/OL]．（2008-08-16）[2010-03-04] http://www.fra.dot.gov/Pages/1941.shtml.

[3] Terry Tse. Positive Train Control Overview [EB/OL].（2008-11-06）[2010-03-04] http://www.fra.dot.gov/us/content/1265.shtml.

[4] Terry Tse. PTC Development [EB/OL]．（2008-09-06）[2010-03-04] http://www.fra.dot.gov/Pages/1947.shtml.

[5] Joe Drapa，et al. PTC Starts to Roll Out Across the USA[J]. Railway Gazette Intl，2007， 163(5): 285-289.

[6] Jana Price and James A. Southworth，Positive Train Control Systems[J]. J. of Accident Investigation，2006，2(1)：75-79.

[7] Sam Alibrahim. North American Joint Positive Train Control System Four- Quadrant Gate Reliability Assessment[R]．Washington DC: FederRal ailroad Administration, 2008：1-4.