CTCS应用等级定义与发展

陈锋华

(北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073)

CTCS应用等级定义与发展

陈锋华

(北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073)

通过简要回顾CTCS应用等级定义现状，从应用需求、技术兼容和体系发展3个方面探讨CTCS应用等级的意义。在此基础上，分析了CTCS应用等级在“C0改”系统研究和ATP技术进一步应用过程中遇到的问题，提出时速160 km线路应用CTCS系统等级定义以及不同CTCS等级车载设备兼容性建议。

CTCS；应用等级；车载设备；定义

1 CTCS应用等级定义与现状

2004年原铁道部发布了《CTCS技术规范总则》（暂行）（以下简称《总则》）。《总则》参照ETCS等国外标准，结合中国铁路具体情况给出了CTCS的定义、目标和体系框架。CTCS列车运行控制系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置按功能划分为5个应用等级，即CTCS-0至CTCS-4级。《总则》系统描述了各应用等级的定义、基本配置和基本功能[1]。

在总则指引下，CTCS技术取得了长足发展，尤其是CTCS-2和CTCS-3级列车运行控制系统，在我国高速铁路建设中得到广泛应用，并不断成熟，相应地面设备运用里程累计超过1万km，车载设备安装数量累计超过1 200组动车组。与上述两个应用等级相比较，CTCS-1级和CTCS-4级系统尚处于定义和规划阶段，目前正在研究CTCS-1级列控系统总体技术方案。

2 CTCS应用等级定义的作用和意义

CTCS借鉴ETCS的经验，定义了应用等级（Application Level）。本文试图站在总结的视角，回望CTCS技术10年的发展，从应用需求、技术兼容和体系发展3个方面探讨CTCS应用等级定义的作用和意义。

2.1 CTCS应用等级定义与应用需求

CTCS应用等级的定义虽然很大程度上借鉴了ETCS的经验，但是从根本上来说是根植于中国铁路实际情况，着眼于中国铁路应用需求提出的。

CTCS除了类似ETCS那样，根据车－地控制信息的传输方式不同，定义了CTCS-2级和CTCS-3级系统；根据列车定位和完整性检查所依赖的技术手段不同，区分了CTCS-3级和CTCS-4级系统。更重要的是CTCS应用等级定义还框定了不同应用等级系统所适应的铁路线路速度等级，并随着CTCS的应用实践不断明晰，比如：CTCS-2级系统适用于时速200～250 km高速铁路区段；CTCS-3级系统适用于时速300 km及以上高速铁路区段。

虽然业界对这种以适用线路速度对CTCS应用等级的框定也曾提出质疑，但是实践表明，按适用线路速度进行的CTCS应用等级划分满足了铁路运输和技术创新的应用需求，支撑了中国高速铁路建设，并使CTCS技术走在世界前列发挥了关键指引作用。

2.2 CTCS应用等级定义与技术兼容

CTCS应用等级的定义从系统层面解决ATP技术兼容性问题，使CTCS的发展和应用具有更强的生命力。

首先通过CTCS等级定义系统解决了车－地控制信息互联互通的问题。CTCS系统通过对轨道电路低频码信息定义与分配，实现低频码信息含义的唯一性和一致性。另一方面通过引进ETCS语言和信息包，确定了线路速度、线路坡度等线路信息定义，同时根据CTCS要求扩展了轨道电路区段信息定义。CTCS系统对车－地控制信息的定义具有跨等级的特征，它使得从CTCS-0级系统发展起来的轨道电路低频信息定义和从CTCS-2级系统发展起来的应答器信息包定义跨越了应用等级的限制，成为CTCS不同等级共同遵循的车－地信息交互“语言”，为车地设备和功能互联互通奠定了技术基础。

其次是通过CTCS等级定义系统解决了车地设备配置和兼容的问题。CTCS技术总则将列控系统分为地面设备和车载设备两大部分，并简要定义和描述了轨道电路、点式信息设备、列控中心、无线闭塞中心、无线通信地面设备；以及车载安全计算机、人机接口等车载设备，并确定了不同CTCS等级的设备配置，以及系统车载设备向下兼容的CTCS级间关系。

CTCS-3级系统没有照搬ETCS2级系统定义和设备配置，而是将CTCS-2级系统中的列控中心设备及轨道电路编码原则，以及应答器报文定义和运用原则引入CTCS-3级列控系统中，不论是地面设备还是车载设备均能够兼容CTCS-2级功能，实现了故障条件下，车载设备可以不停车由CTCS-3级降级进入CTCS-2级后备模式运行。实践表明，CTCS应用等级定义的创新，为CTCS-3级列控系统在时速300 km及以上高速铁路上成功应用发挥了关键作用。

另外，为系统解决我国铁路复杂的线路临时限速运输需求，在CTCS基本设备配置的基础上，创新性地提出设置临时限速服务器（TSRS）设备的解决方案，应用于CTCS-2和CTCS-3级系统，实现两个应用等级列控系统临时限速功能和设备配置的一致性与兼容性。

2.3 CTCS应用等级定义与体系发展

CTCS应用等级定义不仅满足铁路运输和工程建设需求，同时还成为CTCS重要的技术构架设计之一，从系统层面把握住技术兼容和互联互通的难题。

CTCS应用等级定义的另一方面的重要意义还在于它系统规划了中国列车控制系统的发展框架和技术路径，使得我国铁路列车自动防护（ATP）技术的发展避免了欧洲国家走过的弯路，将我国铁路信号技术的发展直接提升到以实现列车自动安全防护为目标，全方面、系统化、成体系的系统技术高度。

上述转变体现在CTCS应用等级定义对技术标准体系的影响上。在CTCS技术总则及等级定义基础上，在工程建设需求和实践经验总结的驱动下，形成了包括：通用、系统、设备、接口、工程实施、运用维护、测试评估等7大类40多个技术规范文件，这些技术规范形成具有内在联系、科学的系统，使CTCS技术标准体成为中国高速铁路标准体系的重要组成部分[2]。

上述转变还体现在CTCS等级定义对信号技术发展的影响上。在初步完成CTCS-2级和CTCS-3级列控系统研发和应用后，业界能够统一思想，集中力量研究CTCS-1和CTCS-4级列控系统和发展路径。

3 CTCS应用等级定义面临的新问题

CTCS应用等级定义有力推动了我国高速铁路列控系统发展，但是在CTCS技术总则发布10年后，CTCS应用等级定义面临新的问题。第一是根据2013年发布的最新铁路技术政策要求，发展基于应答器提供基础数据的列车运行监控装置(LKJ)技术[3]，即“C0改”系统研究的问题；第二是ATP技术扩大应用，实现既有干线铁路客货列车装备车载ATP设备，进而实现CTCS技术平台化，即ATP技术进一步发展应用的问题。

3.1 “C0改”系统研究的问题

CTCS-0级列车运行监控记录设备（LKJ）采用车载设备集中存储数据的方式，使得走行线路上任何一处线路参数的变化，均需要进行LKJ数据更新和机车车载设备数据换装。在目前我国铁路机车长交路大面积运用，机车调配频繁、既有线路施工改造多，出现大量的LKJ数据变化，频繁的跨路局数据传递和LKJ设备芯片数据换装。

为解决上述问题，开展了应答器提供LKJ基础数据总体技术方案的研究，总体技术方案的主要内容是：在保持既有LKJ设备操作方式、控制模式、显示界面基本不变的情况下，通过在车站进、出站端一定距离范围内设置无源应答器设备，通过应答器报文描述LKJ基础数据。上述技术方案研究在相关科研课题支持下，完成现场初步试验，验证了总体技术方案的可行性。但是，如何将应答器提供LKJ基础数据方案纳入到CTCS应用等级定义中来，进一步完善CTCS应用等级定义，成为当前CTCS发展需要研究的问题之一。

3.2 ATP技术进一步发展应用的问题

我国铁路ATP技术应用发展经历两个重要阶段。第一是20世纪90年代初期引进法国的UM71和TVM300系统，先后在京广线郑武段和广深线实施，实现按“阶梯式”速度控制曲线对列车进行超速防护；第二是21世纪初期开始借鉴欧洲ETCS技术，研究发展CTCS技术体系，并通过技术引进和集成创新在我国高速铁路上实施，实现了按“连续式”速度控制曲线对列车的超速防护。

回顾ATP技术发展历程，结合当前铁路运输及CTCS技术体系发展需求，我国铁路ATP技术的未来发展可能有两个方向。第一是在既有或新建时速160 km铁路上推广应用ATP技术，在机车上装备ATP车载设备，实现客货列车超速防护，进一步提升既有线运输安全技术保障水平；第二是推进CTCS关键技术装备发展，在集成创新的基础上实现原始创新，特别是车载设备的原始创新，实现技术装备平台化，进而推进CTCS技术体系的可持续发展。

上述两个ATP技术发展方向可以独立进行，也可以结合开展，但无论是哪一个发展方向，均需要进一步研究CTCS应用等级定义，使之能够指导并规范我国ATP技术的发展。

4 CTCS应用等级发展建议

4.1 ETCS应用等级定义的启示

ETCS最早于1996年提出，以解决欧洲高速铁路互联互通问题，2004年互联互通概念及需求扩展至常规铁路（Conventional Railway），目前已成为欧洲铁路的法定强制规范，要求所有新建、提速（升级）和改造的线路及车载设备必须满足ETCS要求。ETCS分为0～3级共4个应用等级，应用等级定义并不是一成不变的，而是根据欧洲铁路运输和建设的需求，进行不断的修改和完善，最典型的是在ETCS1级的基础上发展了ETCS L1LS（Limited Supervision，有限监控）模式和ETCS3级的变种：区域ERTMS。

与常规的完全监控模式相比较，ETCS L1LS模式下，车载设备可以不依赖应答器传输的移动授权信息，而使用其他系统提供的行车许可命令。由于设计了ETCS L1LS模式，使得既有铁路进行ETCS1级改造时，可以继续使用既有的地面设备生成并传输移动授权，所以仅需要增加少量的E1地面设备，就能完成线路改造升级[4]。ETCS L1LS模式最先由法国铁路于2004年正式提出，并于2012年被正式纳入ETCS技术互联规范（TSI）V3.0.0版本中。有研究表明在保证相同的运输能力情况下，与单纯的ETCS1级系统相比较，ETCS L1LS仅需要一半的建设成本。德国铁路已经宣布至少在10条既有线路上采用ETCS L1LS。

区域ERTMS是ETCS3级的一个变种，对于运行速度较低和运输密度较小的线路，由于区间落车导致冲突的概率和影响有限，因此区域ERTMS没有设计ETCS3级规定的列车完整性检查功能，也没有采用移动闭塞，仅采用ETCS3级系统所规定的基本原理和体系结构，比如不需要复杂的地面信号设备，因此，区域ERTMS建设成本非常低，它适用于尚未装备ATP系统的低密度运输线路。2012年在瑞典西部正式开通一条区域ERTMS试验线。

4.2 CTCS应用等级定义的建议

结合CTCS应用等级定义的作用和意义，以及所面临的新问题，参考ETCS发展带来的启示，从CTCS系统的现状和发展出发，本文对CTCS应用等级定义提出两点建议。

第一，应尽快确定CTCS技术在既有和新建时速160 km线路上的应用等级。

从目前的研究来看，在上述线路上应继续采用以轨道电路和应答器作为主要车－地控制信息传输手段的“点连式”控制系统方案。因此，可以充分借鉴CTCS-2级列控系统技术方案，通过优化功能需求，一方面适应时速160 km线路自动闭塞、半自动闭塞和站间闭塞等多种闭塞制式要求，另一方面又能简化CTCS系统地面设备配置，便于既有线路改造实施，并获得较低的综合造价。

从技术角度看，上述系统可以作为CTCS-2级列控系统的一个分支，定义为CTCS-2（CR）等级，称作CTCS-2既有线等级或CTCS-2常规铁路等级。相应地，现有CTCS-2级系统可以称为CTCS-2高速铁路等级，即CTCS-2（HS）等级。

从应用角度看，上述系统可以直接定义为CTCS-1级列控系统，按速度等级应用于既有或新建时速160 km及以下线路上，与CTCS-2级应用于时速200～250 km高速铁路区段；CTCS-3级应用于时速300 km及以上高速铁路区段形成承接关系，使得CTCS系统ATP技术完整覆盖我国铁路主要干线区段，形成统一制式。另外，将上述系统直接定义为CTCS-1应用等级，也可以明确方向、减少争论，进一步促进CTCS技术发展。

第二，应尽快确定CTCS各应用等级车载设备功能兼容性需求。在实施总则提出的CTCS车载设备向下兼容的基础上，应明确车载设备是跨一个等级还是跨多个等级向下兼容。跨一个等级向下兼容，即类似目前CTCS-3级列控车载设备，它跨一个等级向下兼容CTCS-2级线路运行需求，但不能再向下兼容CTCS-0级线路运行需求。跨多个等级向下兼容，即CTCS高等级车载设备可以满足后续全部低等级CTCS运行功能要求，如CTCS-3级车载设备可以运行于CTCS-3、2、1、0级线路，相应的CTCS-2级车载设备可以运行于CTCS-2、1、0级线路。

建议车载设备功能应跨多个等级兼容，以满足我国铁路对动车组、机车的灵活调配和长交路运行需求，增强CTCS系统的适应性。在满足车载设备功能兼容设计的基础上，可以考虑设备配置的灵活性。比如装备CTCS-3级车载设备的动车组，如果仅需兼容运行于CTCS-2级线路，不需要运行于CTCS-1和CTCS-0级线路，则可以不配置与CTCS-1、0等级相关的软、硬件模块，以降低车载设备造价。同时在有需求时，又可以方便地进行车载功能调整和扩展配置。

5 结论

CTCS应用等级定义是CTCS系统设计的关键内容之一，是CTCS技术发展的重要指引。CTCS技术经过10年发展，面临新的机遇和挑战，特别是如何发展CTCS-1级系统，如何扩大应用ATP技术，已经成为CTCS发展需要解决的两个紧迫问题，应尽快完善CTCS应用等级定义，同时明确车载设备兼容性原则，为CTCS技术的进一步发展奠定基础。

[1] TJ/DW074-2004 中国列车运行控制系统CTCS技术规范总则（暂行）[S].北京：铁道部科学技术司，2004.

[2]张海丰.高速铁路CTCS技术标准体系现状与发展[J].铁路通信信号工程技术.2014，11（3）：91-96.

[3]中华人民共和国铁道部 铁路主要技术政策[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)