武广客运专线CTCS-3级列控系统技术创新

张 苑

（北京全路通信信号研究设计院，北京 100073）

1 攻关组织模式创新

2007年8月在CTCS-2级列控系统（以下简称C2系统）投入商业运行仅4个月后，铁道部正式启动了武广C3技术攻关工作。按照铁道部的总体规划和要求，武广客专由通号集团公司负责C3系统集成和工程应用，外方提供技术支持，通过双方联合设计、联合开发的方式，构建一个全新的列控系统，这就是C3级列控系统。

为此在铁道部领导下，成立了C3系统的技术攻关组——C3技术攻关组。C3技术攻关组是在铁道部统一组织领导下，以项目为依托、以核心企业为主体，联合国外技术支持方、国内高校、科研单位和设计院，产、学、研一体的技术创新体系和团队。同时为了最大化利用国内、业内资源，成立C3技术咨询组，由科学院和工程院院士及在自动控制、计算机及网络控制、GSM-R网络通讯、信号列控领域有较高声望和实践经验的专家学者组成，确保创新工作顺利进行。C3技术攻关组的结构如图1所示。

通号集团公司作为武广客运专线C3系统实施主体，成立C3系统技术攻关实施小组，如图2所示。下设：车载组、RBC组、系统及接口组、仿真测试实验室、GSM－R通信组和生产制造组，全面负责C3系统技术创新实施工作。

为保证创新工作的顺利实施，C3技术攻关组和攻关实施组明确创新目标，制定周密计划，确定实施方案，重点各个击破，灵活应变策略。武广客运专线的实践证明了强有力的领导和严密的组织是保障创新目标实现的法宝。

2 技术标准体系创新

C3系统技术体系，是以我国铁路适应200～250 km/h的C2列控系统为基础，遵循全路统一规划原则，按照我国CTCS技术总则，符合中国国情、路情，全路统一、互联互通、国际领先的高速铁路技术体系。

C3级列控系统技术创新工作，借鉴国外系统研发理念，系统研究、标准先行，彻底改变了国内过去分散立项、先研发产品后补标准的研发模式。在武广C3系统研发和实施过程中，制定了C3总体技术方案，并逐步建立了囊括研发、生产、施工、维护等各个环节的标准规范，形成了一套完整的C3系统技术标准体系，以此为准则指导整个系统研发、集成和工程建设。

C3总体技术方案主要包括总体技术原则、工作模式和运营场景、系统结构、主要设计原则、工程设计接口。C3总体技术方案的建立，为武广项目的顺利推进提供了技术基础和保障，特别是C2系统作为C3级后备系统的技术策略，满足了高速铁路与提速、既有铁路间的跨线运行的需求，满足未来向CTCS更高等级发展的要求，有利于提高我国铁路的安全高效运营、节能降耗。

在C3总体技术方案指导下，形成了涵盖系统规范、工程设计规范、制造工艺标准、施工验收规范、运用维护规则、安全评估办法六大方面、几十项的标准和规范，如图3所示。

C3系统技术标准体系为适应中国特殊的国情路情需求，将集成创新和引进消化吸收再创新有机结合，是在经过反复研究论证和大量实践检验的基础上建立起来的，为中国高速铁路列控系统技术发展奠定了基础。

3 技术支撑平台创新

为保证C3系统创新顺利进行，增强列控系统技术可持续发展能力，C3系统攻关自主创新，研究并建立了C3系统实验室。重点研究测试案例技术、仿真测试技术、试验验证技术、数据分析技术、系统评估技术，搭建出C3级列控系统的综合设计集成测试平台。

C3系统实验室采用了分布式半实物仿真构建技术，满足大规模线路级实时仿真测试需求，具备完整的C3系统接口在线监测记录、仿真测试系统监测控制和配置功能，建立了C3列控系统测试案例库和测试序列库。在整个C3系统创新过程中，C3系统实验室起到了全生命周期的技术支撑作用，如图4所示。

在武广客运专线工程项目中，C3系统实验室支撑了C3系统技术攻关，同时也成为了C3系统工程应用的一个重要环节，即所有的方案、软件、数据的修改，先进行实验室测试，实验室测试通过后再上现场测试，如图5所示。通过C3系统实验室，验证了武广客运专线工程C3系统的关键技术和集成方案，降低了技术风险和工程成本，确保了工程顺利开通。

目前，C3系统实验室已成为CTCS-3级列控系统科研开发基地和工程应用动态试验基地。

4 核心技术创新

C3系统是一个基于网络的大规模复杂实时控制系统，核心设备包括了车载ATP、无线闭塞中心（RBC）、临时限速服务器（TSRs）、GSM-R无线网络等。C3核心技术的创新主要包括3个方面：关键设备技术、系统集成技术、装备产业化技术。

总体上核心技术创新采取了自主创新和引进消化吸收再创新两种模式相结合的方式，即：整体系统的标准规范、集成技术、测试评估、装备产业化、工程化等方面采取了完全自主知识产权的自主创新模式；部分设备和技术采取引进消化吸收再创新的模式。自主创新为主导，引进消化吸收再创新为辅助，完成了C3系统核心技术的创新。

4.1 关键设备技术

（1）车载ATP技术

车载ATP的关键技术包括：高速条件下的控车模式技术、高速条件下的测速测距技术、C2/C3级车载切换技术等。

1）C3/C2不停车动态切换技术

C3级车载系统同时兼容C2级标准，既实现了在C3级运营线路C2级车载作为C3级车载的降级备用模式，同时也满足了列车C3/C2线路跨线运行的要求。在C3级车载系统中，C3主控单元和C2主控单元采用了系统同步技术和曲线计算同步技术，无论是C3级到C2级的降级运行还是二者的固定点级间转换，均实现了不停车的动态转换，提高了旅客舒适度，并保证了运营效率。

2）适应于高速列车的制动模型

建立科学、合理的制动模型是保障列车运行安全和运行效率的重要因素，也是计算车载监控曲线的基础，在C3级列控系统中车载采用了基于分段式制动减速度的模型，根据大量的现场测试数据对模型进行多次优化和验证，改进后的制动模型可在保障行车安全的基础上兼顾行车效率，成功应用于武广车载设备软件的设计。

3）基于多速度传感器融合的测速测距系统

为了满足C3级列控系统的运营速度要求，在C3级车载设备中采用了冗余安装的2个雷达传感器和安装在不同车轴的2个车轮速度传感器进行列车速度测量，同时在C3级列控车载设备测速测距单元中采用了多速度传感器融合技术，通过采用满足安全原则的多速度传感器数据融合算法，实现了列车安全测速和定位的要求。

除了上述提到的几个关键技术之外，为了加快整个武广工程的进度，提高系统集成的效率，在车载设备和高速动车组的接口设计、车载DMI人机显示界面、便携式车载检测设备和整机检测设备、司机模拟培训装置和司法记录器（JRU）分析软件等方面做了很多开创性的工作。

（2）RBC技术

RBC是基于故障-安全计算机平台的信号控制系统，是C3级列控系统的地面核心设备。RBC系统根据所控制列车的状态，其控制范围内的轨道占用、列车进路状态、临时限速命令、灾害防护和线路参数等信息，产生针对所控列车的行车许可（MA）控制信息，并通过GSM-R无线通信系统传输给车载子系统，保证其管辖范围内列车的运行安全。

对于RBC而言， RBC核心应用技术、接口安全通信处理技术、RBC切换技术、临时限速技术、故障-安全的软硬件平台技术是必须攻克的几个关键技术。武广C3系统攻关过程中，RBC设备的应用，采用了引进消化吸收再创新方式，成功地实现了引进的RBC设备与我国现有通信及信号系统的结合，满足我国铁路复杂的线路情况和运营需求。在集成创新过程中，自主创新形成RBC工程数据配置技术、RBC与C3其他相关子系统的接口适配技术、RBC数据分析技术等配套技术，完善辅助手段，保证工程实施的效率和水平。

（3）TSRs技术

为减少线路维护、风雪天气对行车安全及效率的影响，实现限速设置的安全性及灵活性，我国完全自主创新研制了TSRs系统，专用于根据调度员的临时限速操作命令，实现对全线各列控中心、无线闭塞中心自动分配和集中管理列控限速指令，保证施工限速计划及突发限速的安全顺利实施。

对于TSRs而言，核心应用技术、应答器报文实时生成技术、限速命令下达安全性技术等是其关键技术。通过深入调研分析原有限速设置流程的安全漏洞，重新优化设计了列控限速设置方案，最大化减少人工参与，仅保留中心调度员下达操作命令。在整个限速过程中，都由临时限速服务器实现对全线限速计划的实时动态校验，自动拆分下达给相关列控中心、无线闭塞中心执行，并能综合判定全部限速结果，确保C2限速与C3限速的一致性，从而大大提高了列控限速设置的安全性与便捷性。

（4）无线通信应用技术

GSM-R系统是承载C3系统车-地双向信息传送的平台，是C3级列控系统应用的关键和基础，无线通信技术的关键主要包括：高速条件下无线通信的安全性及可靠性技术、GSM-R网络冗余覆盖及网络优化技术、无线数据通信加密及密钥技术。

采用多种增强GSM-R网络冗余保护能力的技术措施。为支撑我国高速列车C3系统的运用，在通信组网上，采用单网交织的无线网冗余覆盖技术，保证了线路上单个或两个不相邻的基站、直放站设备故障时无线覆盖正常，系统整体性能不劣化，不影响业务应用；无线基站传输通道采用环形组网技术，在光缆线路或传输系统中断、故障条件下，能够自动实现传输通道的迂回保护，提高无线网络传输通道的保障能力。

通过大量测试，研究承载C3业务的GSM-R网络服务质量指标与速度、信号电平、4.8 kb/s和9.6 kb/s传输速率的关系，为武广C3列控系统采用4.8 kb/s数据传输速率提供了依据。通过武广试验段动态试验测试，还摸索出哪些因素对测试结果有影响，为现行GSM-R相关的测试标准规范的修订提供了参考。

开展了适应高速列车运行的GSM-R网络优化，为后续高速铁路建设积累了经验。为满足列控系统运用要求，达到网络服务质量指标要求，必须对GSM－R网络运行指标进行优化调整，确保在时速350 km及以上速度条件下列控系统安全数据的可靠传送。

采用列控系统安全数据通信实时动态监测技术。武广高速铁路在GSM－R系统核心网、无线网相关的接口，装备了Abis、A、PRI接口监测设备，在列控系统车载设备终端装备了Igsm-r接口监测设备，在无线闭塞中心装备了列控PRI接口监测设备。以上在线监测系统能够实时跟踪列控系统的运行，掌握列控安全数据传送过程中无线通信网技术状态和列控车载设备的工作状态，记录车载安全数据的传送过程，分析列控系统通信过程，为系统养护维修、状态分析提供了动态、实时基础数据。

4.2 系统集成技术

高速列车控制系统构成复杂，接口众多，如图6所示。各个子系统间的功能、性能、接口匹配要求很高。只有各子系统功能、性能、接口等能够很好的配合，才能保证高速列车控制系统的安全、稳定和可靠的工作，才能对列车的运行保持有效的监控，进而保证列车的运行安全。

对于C3系统的集成技术，重点研究了地面设备RBC与联锁、CTC、TCC集成技术，车载设备、RBC与GSM-R集成技术，信号系统与外部系统的接口技术，不同速度等级列车共线运营控车技术。

C3级系统对C2级系统的兼容是整个C3级系统集成过程中的一大创新。这个独特创新适应并满足了我国经济发展对铁路运输提出的高标准要求。中国是一个铁路运输大国，运能紧张，运输线路复杂，运输作业量庞大。如果列车频繁制动或者不能实现不同等级线路的跨线运行，将会影响整个铁路运输效率，进而制约国民经济的发展。C3级系统与C2级系统兼容和无缝切换成功解决了这个问题，既使列车可以实现C2和C3线路跨线运行，从而实现了全路一张网统一规划的原则，又可以保证在C3级系统出现问题的情况下，自动无缝切换到C2级系统控车，提高高速列车运营的安全和效率。

4.3 装备产业化技术

通过武广列控系统产品的实现，引进国际先进的产品制造工艺，形成适应本企业加工模式、质量控制的图纸文件。完善了生产、检验流程、操作及测试规范；提升了产品加工的综合能力、工艺技术人员的技术、工艺创新能力、生产操作人员及质检人员按照国际标准的要求完成技能操作的能力、工厂产品质量过程控制和质量体系持续改进能力，具备自主规模化生产制造能力及产业化技术创新能力，形成了高速铁路列控系统设备产业化制造基地。

5 结束语

C3系统的研发成功，是集设计开发和工程实践于一体的技术创新过程。依托武广客运专线工程建设，首次通过无线通信的方式实现了对长大距离范围内时速350 km列车的安全可靠运行控制，完成了列控系统C2/C3控车模式集成，创建全速、全景、全速综合设计集成平台和一整套测试验证方法，构建了较完整的技术标准体系，最终形成了自主知识产权的C3级列控系统的成套装备，在此过程中创新无处不在。

随着我国高铁建设快速推进，杭宁、哈大、京沪、津秦、石武等一大批高速铁路已经开工建设，为了适应中国铁路复杂的运用环境，C3系统依然将不断完善、优化；实施“走出去”战略，更是要面向全球，实现C3系统的国际化和本地化。创新工作任重道远，“武广式”的创新模式必将在后续高铁建设中发挥更加重要的作用。