高速铁路CTCS-3级列控系统集成工程技术优化的研究

宋晓风

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

近年来，我国建设了多条高速铁路，并纳入全国铁路网运营，武广、沪宁、沪杭、京沪等高速铁路列车运行控制系统采用CTCS-3级列车运行控制系统（以下简称“C3列控系统”）。

C3列控系统是中国列车控制系统（CTCS）的重要组成部分，是我国高速铁路重要的技术装备，与高速动车组、工务工程并列为我国高速铁路3大核心技术。

C3列控系统是确保高速列车运行安全、稳定可靠和高效的关键系统，它是基于GSM-R铁路专用无线通信网络实现列车和地面之间连续、双向和大容量信息传输的列控系统，它采用先进的控制技术实现对高速动车组的运行速度和运行间隔进行实时监控和超速防护，以目标-距离连续速度控制模式、设备制动优先的方式监控列车安全运行，同时满足列车跨线运营的要求[1]。

随着高速铁路的建设和运营，C3列控系统设备、技术条件和系统功能日益成熟和稳定，很好地满足了高速铁路的建设和运营要求，为后续高速铁路C3列控系统集成工程奠定了扎实的基础，但考虑到高速铁路工程的特点和实施难度，为了确保C3级列控系统集成工程顺利实施，笔者针对影响系统集成工程的4个至关重要因素进行深入分析，并进行技术优化，提出了解决方案。

2 高速铁路C3列控系统集成工程的关键点和难点

2.1 C3列控系统集成工程难度的来源

我国铁路路网庞大，铁路枢纽众多，旅客量大，列车开行方案复杂，运营需求复杂。

新建高速铁路正线和大型铁路枢纽，不论在建设之初即接入既有铁路网和铁路枢纽，还是由于建设周期不匹配，随着后续建设进展逐步接入，建设难度都很大。同时，高速铁路建设过程中，运营目标不断优化，开行方案不断调整，进一步增加了运营需求的复杂度。

我国铁路运营关切旅客乘车感受，要求列车在跨线运营时，始终保持顺畅运行，要求切换控车模式时不停车，确保旅行舒适度。

上述高速铁路建设难度和运营需求复杂度以及人性化的要求，直接造成C3列控系统集成工程实施的高难度。

基于上述需求，C3列控系统既要满足铁路和枢纽互连互通的运营需求，满足配备不同列控车载设备的动车组上、下线和进出枢纽的运营要求；同时，又要适应旅客对于不同旅行速度的需求，满足200～250 km/h，300 km/h及以上两种速度等级、不同型号的动车组同时运营的要求，并满足列控模式转换时不停车的要求。

C3列控系统集成工程将C3列控系统作为运营300 km/h速度等级高速动车组的主用列控系统，将CTCS-2（简称C2）列控系统作为高速动车组降级备用系统，满足不同速度等级的本线和跨线动车组混合运行的要求。同时，C3列控系统具有多种工作模式，满足不同的运营场景要求。

C3列控系统的调试、验证以及信号系统的联调联试是高速铁路建设过程的重要阶段，需要较长时间占用线路、使用多台动车组、有大量地面和动车上试验人员的参与，和其他专业试验项目交叉，所以，C3列控系统的验证和联调联试紧密安排、高效执行非常重要。

2.2 C3列控系统特点

C3列控系统是采用无线闭塞中心（RBC）生成运行许可，GSM-R实现车地列控信息双向传输，地面应答器提供列车测距修正定位基准信息及轨道区段长度信息，轨道电路检查轨道占用及列车完整性的列车运行控制系统。

C3级列控系统由列控地面设备、列控车载设备、信号安全数据网络、GSM-R构成。

列控地面设备由RBC、临时限速服务器系统、列控中心系统、ZPW-2000轨道电路、LEU与应答器、GSM-R等组成，并与调度集中系统、计算机联锁系统等接口，协同工作。

车载设备由车载安全计算机、GSM-R无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收模块、记录单元和人机界面等组成。

GSM-R通过接口与RBC连接，通过空中接口与车载设备接口，实现车地安全信息双向传输通道。

C3列控系统按兼容C2列控系统的要求，统一配置车载及地面设备，C2作为C3在无线通信系统或RBC设备故障时的备用系统。高速动车组车载设备装备C3（兼容C2）列控车载设备，在地面C3级区段按C3行车，当C3因故停用时，可降级为C2控车；在地面C2级区段按C2级行车。跨线运行的动车组按照C2或C3行车。

C2列控车载设备根据地面应答器发送的每个轨道区段长度，结合地面列控中心提供的轨道电路码序，计算行车许可长度。C3列控系统RBC根据列车报告的列车位置及前方闭塞分区和进路信息，根据存储的每个轨道区段的长度，计算列车的行车许可长度并发送给列车。

2.3 C3列控系统集成工程的关键点和难点

C3列控系统功能日益完善和稳定的同时，高速铁路建设及运营要求的复杂性没有变，每条高速铁路都有自己的特点，C3列控系统集成工程的关键点和难点还是与工程结合紧密的环节。

结合C3级列控系统特点，通过对C3列控系统集成工程难度进行分析，以下因素是C3列控系统集成工程的关键点和难点。

1）工程化列控数据的准确性

工程化列控数据是通过工程化的方法，将列控车载设备必需的轨道区段长度、定位信息、线路参数、线路速度等信息存储在应答器和/或RBC中，当列车运行时，实时提供给列控车载设备，按照ATP模式控车，这些信息对列车运行安全和稳定至关重要，例如，当轨道区段长度信息存在较大误差时，会发生列车冒进信号的危险。

当有一个轨道区段长度描述误差时，需要修改的范围和工作量都很大：（1）正向20 km范围内的应答器；（2）反向18 km范围内的反向应答器；（3）与该区段相关的RBC数据； （4）与该区段相关的临时限速服务器数据；（5）与该区段相关的列控中心数据；（6）与该区段相关的CTC数据。（7）现场修改、室内测试和现场测试所消耗的时间和人员成本。

工程化列控数据的错误，影响范围广，甚至影响列控系统及整个工程实施，影响行车安全以及今后运营的稳定性，因此，确保工程化列控数据准确性的技术优化，非常重要，是系统集成工程的关键点。

2）GSM-R车地安全信息双向传输质量特性

GSM-R网络覆盖C3列控系统的应用区域，电路数据域（CSD）承载C3列控信息双向传输通道，将RBC的行车许可实时发送给列控车载设备，并实时交互信息。

GSM-R网络的CSD服务质量特性指标，如网络注册时延、CSD连接建立时延和建立失败率、CSD数据传输端到端时延和连接失效率、CSD传输干扰时间和传输无差错时间等指标，对车地安全信息双向传输非常重要，指标超标将直接影响C3列控信息双向传输，造成列车从C3级模式切换至C2级模式运行。

3）枢纽实施难度高

如图1所示，济南枢纽包括新建京沪高速铁路正线、济南西站、济南动车所、动车走行线、京济南联络线、济沪南联络线以及既有胶济线、济南站、济南东站等站。

本枢纽列控系统集成工程实施难度高，需要明确本线列车列控模式，还要明确胶济线列车列控C2模式，以及C3-C2级间转换点，做到所有级间转换确保列车不停车通过。

在实施方案中，若C3联锁分界点、C2-C3切换点、大号码道岔或临时限速等技术点出现问题，将很大程度上影响整个枢纽的实施，甚至颠覆整个枢纽方案。所以业内专家说“高速铁路拉通试验看正线，开通运营看枢纽”。

4）C3列控系统联调联试技术优化

C3列控系统联调联试将测试应答器链接、线路参数（含线路速度、坡度、分相区）、移动授权（含全监控移动授权和引导移动授权）、移动授权缩短和人工取消进路、C3区域内级间转换、RBC移交、临时限速、灾害区段和调车区域等项目，主要是调试和验证与工程相关数据。一般分为4个阶段，（1）利用轨道车进行C2列控系统测试和GSM-R电磁环境测试、场强覆盖测试，（2）C2列控系统动车组测试，（3）C3列控系统动车组测试，（4）搭载进行C2及C3场景及功能测试补测和GSM-R高速网优等工作。

应答器链接、线路参数的测试将发现安装错误和误差，并调整，这个过程是不连续的，发现问题后进行调整，再测，发现问题再调整，一般需要反复3次，所以第一阶段试验不能连续占用试验列车和各项资源，必须进行优化；同理，后面的各个阶段均需要在总结成功经验的基础上进行优化，为必需的调整赢得时间，最终提高试验效率，确保以更小的成本达到试验目的。

3 系统集成工程的难点解决方案

3.1 确保工程化列控数据准确性的技术优化

鉴于工程化列控数据准确性对于列车运行安全和稳定的重要性，必须进行技术优化。同时本着确保工期、降低成本、优化流程的原则，对工程化列控数据的整个流程进行优化。

1）分析影响巨大的工程化数据内容，清楚认识工作原理和产生错误的影响。

2）分析数据来源，一般情况下，C3列控系统得到的输入数据是来自于设计单位的施工图和数据表，并没有经过施工单位核实和定测，或定测不充分、走过场。由此可见，数据来源、测量和核实环节没有形成闭环，需要优化。

3）形成技术优化方案。如图2所示。

工程化数据制作流程形成闭环管理时，还要加强沟通、卡住源头、避免原理性错误。

1）如果施工图设计的安装位置，不满足应答器安装要求，施工单位根据现场情况调整后，及时与设计单位确认。

2）集成商做好定测培训工作，确保测量的方法正确。

3）集成商对工程化数据需要进行原理性核对和把关，确保数据没有原理性错误。

确保工程化数据的正确性，是避免高速铁路建设后期四电工程冲刺阶段反反复复最为有效的手段，其技术优化作用和效果也最为明显，其失败的教训也最为深刻。所谓“失之毫厘、谬以千里”就是这个道理。实现工程设计、施工、系统集成三者的闭环管理，实施系统集成，减少因轨道区段长度等工程数据错误而导致的反复修改，将促进C3列控系统集成工程实施水平更上一层楼。

3.2 优化GSM-R网络设计，确保车地安全信息双向传输质量特性

GSM-R网络CSD数据传输承担着C3列控信息双向传输的重任，相关指标的劣化将直接影响列车正常模式的运行，所以C3列控系统集成工程中，需要特别注意GSM-R网络的设计以及网络优化。

首先，需要把握GSM-R网络设计，注意有关基站位置、间距的设置和频率规划，确保GSM-R网络有一个好的骨架。在满足设计指标要求的前提下，GSM-R网络尽量减少越区切换发生的频率，以避免频繁越区切换对列控数据传输造成影响。在RBC切换区域以及列控数据传输密集区域尽量避免跨MSC/BSC越区切换。

其次，提前做好频率干扰测试和干扰清除，即“清频”，确保GSM-R网络有一个好的运行环境。

第三，也是重中之重，循序渐进做好GSM-R网络优化工作。

在网络优化的同时，在GSM-R系统中装备Abis、A、PRI接口监测设备，在列控车载设备终端装备IGSM-R接口监测设备，在RBC侧装备列控PRI接口监测设备，能够实时跟踪列控车载终端的运行，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，为网络优化、状态分析提供动态、实时基础数据。

第四，伴随C3列控系统的联调联试发现问题，对指标劣化点进行重点优化，确保全线正线和枢纽网络CSD指标优良，确保各项技术指标满足列控系统300 km/h及以上速度条件下列控系统安全数据的可靠传送。

其流程如图3所示。

3.3 全面把握铁路枢纽的特点，确保枢纽列控系统方案合理和互连互通

一般情况下，与高速铁路衔接的枢纽包括新建铁路、车站（场）、联络线、动车所及走行线，也包括既有线、既有车站（场）。

如图1中济南枢纽，其列控系统集成工程实施难度高，不仅需要满足京沪本线列车按照C3模式行车，胶济线列车按照C2模式行车，还要实现京沪高速铁路列车经白马山和崔马庄线路所至济南站进站前、济南动车所前，均进行C3/C2级间转换；所有级间转换确保列车不停车通过。

这就需要分别明确C2和C3列控系统控制区域、C3/C2切换点以及列车进出站、进出段模式，地面设备布置方案、列控数据、临时限速处理以及大号码道岔应答器报文等内容，难度和复杂度可见一斑。

为了做好枢纽的实施方案，需要深入分析，对以下关键点进行技术优化。

1）与其他既有线枢纽接口，科学设置C3/C2等级转换点。

至既有站C3/C2等级转换：在联络线上或与衔接站之间设置C3/C2等级转换点。C3/C2等级转换点在RBC数据中不进行定义。

2）与动车所接口，科学设置C3/C2等级转换点。

至动车所C3/C2等级转换：动车组出入动车所统一采用CTCS-2级控车。在衔接站进站口（XD、XDN）应答器组设置C3/C2等级转换预告点，在衔接站XD和XDN进站信号机的无源应答器中增加C3/C2等级转换预告信息包；在下行线、上行线确定信号点，将此处应答器组定义为C3/C2等级转换的执行点。

3）科学设置多个站场的联锁进路分界

若在同一个车站中，设置两个场（A场、B场）或多个场，分设联锁、列控中心，由一套RBC控制，分别从两个场车站联锁系统获取信号授权，这就需要明确两个场的联锁接口。RBC处理方式是在A场联锁和B场联锁进路管辖的终点增加真实信号机，将A场和B场之间的进路分割为独立的SA，分别由两个场的联锁发送，实现了一套RBC对本站多场的控制。

4）CTC调度台

按照铁运【2009】215号文要求，既有车站既有调度台管辖，新建高速铁路线、新建或既有联络线归客专调度台管辖。

5）临时限速处理

衔接站列控中心需要与高速铁路TSRS和CTC接口，作为临时限速接口站。

衔接站上、下行进站口往联络线方向、动车走行线方向的临时限速由高速铁路TSRS管辖，衔接站往既有线方向临时限速由既有线调度台CTC设置。

6）大号码道岔应答器处理

列控系统在车站和线路所大号码道岔处，布置“大号码道岔”应答器，当对应进路锁闭、进路内方一定数量区段空闲时，发送大号码道岔包，用于对经道岔侧线上下线的列车进行控制。

7）与其他高速铁路衔接的联络线方案

如图4中RBC4、5，RBC12（京沪高速铁路）与RBC5（沪宁）所示，枢纽包含两条高速铁路正线及线间的联络线，需要特别明确两条高速铁路中本线RBC分界以及互联RBC分界。

综上，多数枢纽的列控系统集成实施方案是上述关键点技术的总和，应全部纳入集成方案统一考虑，都是枢纽列控系统集成工程技术优化的关键。

3.4 C3列控系统联调联试优化

工程化列控数据的准确性、网络优化是C3列控系统的基础性支撑，所以在C3列控系统联调联试初期先以采集和测试C2为主的应答器数据，低速GSM-R网优为主，确保准确和达标后，再进行后续测试。第一阶段测试可以采用轨道车测量或搭载速度试验动车进行，并适时采集侧线数据，为C3侧线数据整改赢得时间，有效避免因数据误差而导致C3数据修改和补测。

结合既往高速铁路和京沪高速铁路联调联试的实践经验，将C3列控系统联调联试优化为6个阶段。

第一阶段：利用动检车或搭载提速试验列车采用非本务段ATP休眠模式进行应答器安装位置、顺序检查；需要上、下行线各2个往返，对地面应答器进行安装检查，测试完成后至少预留约2～3天时间进行整改，再进行第二阶段。同时搭载进行低速GSM-R网优工作。

第二阶段：利用轨道车、试验列车进行正线C2数据采集；采用C2等级90 km/h进行上、下行正向各3个往返测试，采集正线基础数据，测试完成后预留约2～3天进行整改。

第三阶段：利用试验列车进行C2联调联试，并进行侧线数据采集。

第四阶段：C3系统ITC测试；测试内容要与工程数据相关。例如RBC应答器链接；线路参数；移动授权；级间转换测试；RBC移交；临时限速；灾害区段；调车区域等。还可以将测试项目细分，分为几部分展开。

第五阶段：C3系统联调联试，同时搭载进行高速GSM-R网优工作。

第六阶段：侧线C3系统ITC补充测试。

技术优化后，C3系统调试和联调联试分步清晰，可穿插进其他专业的联调联试，或搭载采集和GSM-R网优，既节约时间，又预留充足时间进行调整，辅助加强计划性后，可得到事半功倍的效果，明显地提高了效率。

4 结束语

C3列控系统是一个复杂的系统，需要结合建设、运营和系统功能以及工程实际情况组织和实施系统集成工程，需要根据工程关键点和难点，进行技术优化，化解难题，使整体系统达到匹配最佳状态，满足整个铁路系统建设和运营的要求。

一般情况下，C3列控系统的一些子系统，例如列控车载软件、RBC软件以及GSM-R网络优化在高速铁路开通后，还需要大约半年时间的磨合和微调，做一些细致的优化调整工作，使子系统更加符合运营要求。

实践证明，技术优化还需要同其他因素整合考虑，综合考虑设计、研发、生产、安装和调试以及联调联试等环节，经过多条高速铁路的验证，我国C3列控系统集成能力和整体水平已达到国际先进水平，必将为后续高速铁路建设和运营作出应有的贡献。

[1] 铁道部科学技术司、运输局．CTCS-3级列控系统标准规范系列[S]．北京：中国铁道出版社，2008．