ETCS 体系发展技术分析

耿宏亮，张 超，孙 野，李启翮，柯长博，刘振玉

（湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410199）

0 引言

欧洲列车运行控制系统（European train control system, ETCS）体系规范的基线2（2.3.0d）版本[1]于2008 年正式发布。随着工程应用范围的扩大、技术革新以及互联互通要求更加广泛，该体系规范也在不断更新和完善，并于2016 年正式发布基线3（3.6.0）版本[2]。本文对ETCS 体系规范的更新进行分析，目的在于：首先，明确技术要求，以助力产品、系统的研制和资质认证；其次，归纳技术革新，以辨识发展趋势并进行技术储备；最后，广泛汲取世界先进经验和成果，推动我国相关技术的持续发展。

1 ETCS 体系发展概况

由于列车运行控制系统种类繁多且各国信号制式互不兼容，为保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，1982 年12 月在欧洲运输部长会议上作出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。2001年，欧盟通过立法形式确定ETCS 作为强制性技术规范；通过一系列技术论证、仿真试验和工程验证，2008 年正式发布ETCS 体系规范基线2（2.3.0d）版本。

随着需求的增加和技术的演进，欧洲铁路工业协会工作组（union industry of signaling，UNISIG）通过立项和工程等形式不断推动ETCS 体系规范的完善和发展，具体项目包括TEN-T，NGTC 及Shift2Rail 等。这些项目在将自动驾驶、卫星定位及下一代通信等技术与干线铁路和城市轨道交通技术融合等方面不断推动ETCS 体系规范向前发展。图1 示出ETCS 近期发展和规划。

图1 ETCS 近期发展和规划Fig.1 Recent development and plan of ETCS

2 ETCS 架构的变化

在ETCS 体系规范定义中，通过对比基线2 和基线3的系统架构（图2）可以看到如下变化：首先是转换了司法记录单元（juridical recorder unit，JRU）的角色，其次是结合通信技术发展进行调整，第三是增加了系统内容。具体表现为：

（1）JRU 不仅记录信号系统数据，而且需要记录车辆等其他系统数据。JRU 记录部分在基线2 中被定义为ETCS 车载系统的一部分，但在基线3 中已转移至ETCS 系统外。

（2）GSM-R 网络在基线2 中被定义采用CS 模式（电路域），但未定义PS 模式（分组域）方式；在基线3 中，其被定义为优先采用PS 模式，只有在PS 模式失败的情况下才被切换到CS 模式。

（3）密钥管理部分在基线2 中的定义不完整；在基线 3 中，明显增强了对信息安全的要求，对密钥管理进行了更明确的定义，包括公钥基础设施（public key infrastructure，PKI）的定义、与车载和无线闭塞中心（radio block center，RBC）的在线与离线接口协议以及内部接口定义。

图2 基线2/基线3 系统架构比较Fig.2 Comparison between architectures based on Baseline 2 and Baseline 3

3 ETCS 的广泛互联

ETCS 技术体系可以支持不同线路、不同国家、不同等级、不同生产厂家系统的高度互联互通，互联互通是其突出特点和优点之一。随着用户要求的升级、技术水平的发展以及市场竞争的推动，ETCS 技术体系的互联互通也在不断发展，其技术内涵也增加了基线版本、人机接口（driver- machine interface，DMI）、JRU 接口、密钥接口、自动驾驶标准等方面互联互通的内容。

3.1 基线版本的互联互通

基线版本已从基线2 发展到了基线3。为了实现对既有线路的互联互通，基线3 被要求能够实现对基线2的向前兼容。一方面表现为车载系统对地面的基线2 版本规范的兼容，要求车载系统能够识别地面基线版本，并动态执行版本的切换：在基线3 的地面区域，车载系统按照基线3 规范执行；而进入基线2 的地面区域，车载系统能自动切换到基线2 规范执行。另一方面表现为RBC 对既有RBC 基线2 的兼容，也就是说，基线3 的RBC 需要既能够采用基线3 接口规范与相邻基线3 的RBC 互联，也能够采用基线2 接口规范与相邻基线2的RBC 互联。

3.2 DMI 接口的互联互通

在ETCS 技术规范ERA_ERTMS_015560 中定义了DMI 的显示要求等。尚未正式发布的EVC-DMI 接口规范约定了车载安全计算机（European vital computer ，EVC）和DMI 之间的接口逻辑及接口协议。该接口的互联互通意味着未来DMI 将可以作为完全独立的TSI IC部件形式存在，评测机构可以针对该接口进行第三方独立测试，TSI 评估可以针对DMI 进行独立认证，车载系统的EVC 和DMI 未来也可以来自不同供应商。这进一步扩大了广泛互联互通的内涵。

3.3 JRU 接口的互联互通

在ETCS 技术规范Subset-027 中定义了车载系统司法记录的数据格式，而且JRU 已经被转移至ETCS 系统外。车载系统的EVC 和JRU 可以来自不同供应商，也是系统广泛互联互通的一部分。随着JRU 接口内容愈加丰富、功能愈加强大，其既可以被作为列车全系统（含信号、牵引、网络等）的综合记录平台，也可以被作为整体列控系统综合运维平台的一部分，因此具有更为广泛互联的发展条件。

3.4 密钥接口的互联互通

ETCS 技术规范Subset-038, Subset-114 和Subset-137定义了密钥管理中心与车载ATP、地面RBC/RIU 的在线和离线接口逻辑以及接口协议。在信息安全方面，首先确定了车载EVC 和地面RBC/RIU 的密钥接口；其次，明确了密钥管理中心之间的密钥接口；最后，也明确了密钥管理中心的技术规格。该系列技术规范是在传统信号安全技术规范基础上的外延和拓展，确定了信息安全的内容，进一步扩大了广泛互联互通的内涵。

3.5 自动驾驶标准的互联互通

欧盟范围通过TEN-T、NGTC、Shift2Rail 等项目逐步建立了覆盖多等级的自动驾驶标准。这些标准虽然尚未被正式发布，但已编制了相关规范，并通过试验线进行了验证，正处于优化和完善阶段。该系列规范继承了ETCS 体系互联互通特性，结合NGTC 项目在ETCS和CBTC 方面技术统一的成果，致力于自动驾驶技术范畴的互联互通，包括自动驾驶需求规范、自动驾驶外部接口规范（车辆、车载EVC、司法记录及调度管理等）等。在NGTC 和Shift2Rail 项目背景下，ETCS 技术体系中增加自动驾驶各层面技术规范具有重大意义，是广泛互联互通的又一重大里程碑。

4 ETCS 功能变化

在ETCS 体系规范中，基线3 相比于基线2 进行了功能完善，主要包括既有功能的优化、新增功能的定义及功能兼容性等方面。

4.1 既有功能的优化

4.1.1 车辆参数和制动模型

基线3 致力于提升列车控制效率[3]，在规范中明确了lambda 和gamma 这两种制动模型及其对应的各种列车参数。

首先，列车参数可以有多种更新途径，包括：列车参数可作为配置数据离线设置在车载系统内默认使用；司机可以通过人机界面更新列车参数，提高应急处理的灵活性；车辆系统可以通过总线接口向车载系统更新列车参数，以便根据车辆变化情况及时更新参数；地面信号系统可以通过国家参数的方式向车载系统更新列车参数，以便更适用于该地面区域。

其次，lambda 和gamma 这两种制动模型具有不同的控制效果。相对而言，gamma 制动模型更加精确、效率更高，但也需要更加精确的列车参数。两种模型的选择需要综合考虑车辆特性和地面线路情况。

最后，地面信号系统可以向车载系统发送不同车型（按照NC_CDDIFF 和NC_DIFF 区分）的线路速度限制信息；车载系统结合自身列车参数来确定所采用的线路速度限制，实现不同车型的不同限速，从而提升综合运行效率。

4.1.2 无线通信方式

随着通信系统的发展，不同通信制式，如3GPP 长期演进技术（long term evolution, LTE），已经在城市轨道交通系统中得到商业运用并取得了很好的效果，基于分组交换的无线通信方式也得到了验证。因此，基线3针对GSM-R 网络的通信要求也相应发生了变化。

4.2 新增功能的定义

4.2.1 道口控制

针对铁路道口，基线3 增加了相关技术条款；同时考虑到道口的复杂情况、工程改造要求和不同国家的投资条件，定义了3 种不同的控制表现方式：

（1）道口系统接入信号系统方式。在列车接近道口时，信号系统通知道口系统进行防护操作，此时信号系统行车许可被限制在道口入口防护点；当道口系统完成防护操作并成功通知信号系统后，信号系统确保安全条件完全满足并延伸行车许可通过道口区域，从而实现道口的安全防护。

（2）道口系统不接入信号系统，采用停车后通过方式。在列车接近道口时，地面信号系统通知车载系统前方道口区域位置并要求列车必须在道口入口防护点前停车，人工确认安全后方可通过道口区域，从而实现道口的安全防护。该方案实施简单，但需要人工确保道口安全，此外列车无条件停车会影响行车效率。

（3）道口系统不接入信号系统，采用限速通过方式。在列车接近道口时，地面信号系统通知车载系统前方道口区域位置并要求列车限速通过道口区域，从而实现道口的安全防护。该方案实施简单，但需要人工确保道口安全；相比方式(2)，其无需停车，可以提高行车效率，但同时也增加了安全责任。

综上，需要结合具体项目条件来选择道口防护的实施方案。

4.2.2 线路条件

社会意识形态、现代信息技术的不断发展是形成并传播当代大学生流行语的基本条件。当代社会生活节奏、文化交流速度不断加快，政府政策、生活方式不断转变，节奏、交流、政策、方式等方面的变化在大学生流行语中留下了相应的痕迹。大学生流行语的改变体现着现代社会发展的同时，也折射出当代国民社会文化价值观念，透露出社会各个层次的生活心态。可见，当代大学生流行语与现代社会之间相互依赖并相互依存。

基线3 为了进一步提升控制效果、互联互通能力及列车控制系统自动化水平，线路条件部分增加了很多技术条款，包括：

（1）电耗条件，用于描述列车前方不同位置的线路电耗限制条件；

（2）牵引类型，用于描述列车前方不同位置牵引类型的变化情况（基线2 有类似信息，但基线3 的更为明确）；

（3）站台条件，用于描述前方站台在列车哪一侧以及站台与铁轨的高度差，列车可以据此调整旅客乘降装置；

（4）精确位置，通过车载系统与车辆的总线接口，车载系统可以将各种线路条件的相对位置信息发送给车辆系统，车辆系统据此进行调节控制。

4.3 兼容性功能

为了保持ETCS 体系的互联互通，基线3 需要实现对基线2 的向下兼容，主要体现为：

（1）车载系统与地面系统间。车载系统在基线3的地面系统配置下按照基线3 的技术规范要求执行；在运行到基线2 的地面配置时，需要自动兼容为基线2 的技术规范要求，并将接收、发送的消息和信息包进行不同基线要求的格式与内容转换。

（2）相邻地面系统间。地面系统在与相邻地面系统接口时，也会遇到基线兼容性问题。基线3 的地面系统需要兼容基线2 的地面系统接口，以便实现对既有线路的基线兼容，即基线3 的地面系统需要同时支持多个不同基线接口，例如同时与两个基线3 的相邻地面系统和两个基线2 的相邻地面系统接口时，前者采用基线3接口互联，后者采用基线2 接口互联。

通过上述兼容性要求可以看到，车载系统可以在不同基线之间动态切换，从而实现列车在不同基线的互联互通；但仔细分析会发现，基线2 车载系统无法在基线3 地面运行，这在一定程度上也会影响铁路网络的互联互通应用，既有列车在不进行车载系统升级的情况下无法在新建线路上运行。地面系统基线动态调整（即针对基线2 的车载系统，基线3 的地面系统动态切换为基线2 进行控制）可以解决该问题，但会大大增加系统复杂度，这是ETCS 体系未来需要解决的问题，以便实现更好的互联互通和工程化推广。

4.4 其他变化

除了上述功能变化之外，基线3 在Euroloop 和RIU消息、地理位置信息显示、有条件紧急停车（conditional emergency message，CEM）确认消息、行车许可申请、人工（staff responsibility，SR）模式冒进、文本消息确认机制以及列车车次号等诸多方面也进行了优化调整，同时还增加了车载有限监控模式与被动调车模式以及虚拟应答器覆盖（virtual balise cover，VBC）、允许制动距离（permitted braking distance，PBD）等新功能。

5 ETCS 自动化等级

IEC 62290-2014Railway applications-Urban guided transport management and command/control systems提出了自动化等级（GoA）概念。根据运营人员和系统所承担的列车运行基本功能的责任划分，列车运行的自动化水平可被分为5 个等级，即目视列车运行（TOS）、非自动化列车运行（NTO）、半自动列车运行（STO）、无人驾驶列车运行（DTO）及无人干预列车运行（UTO）。

在ETCS 体系规范建立时，没有考虑自动驾驶内容。为了提供基于ETCS 体系的具有自动化等级的列车运行控制系统，需要在ETCS 体系基础上建立自动化等级技术规范。

自动化运行是技术发展的趋势之一，具有迫切的运营需求，需求包括缩短司机反应时间、提升控制效率（缩短追踪间隔）、提高舒适度以及降低能耗等。

基于上述情况，在ETCS 技术体系上增加列车自动驾驶(automatic train operation, ATO)内容[4]并将其列入欧盟S2R 项目中，建立了技术架构（图3）。其中，Subset-125 定义了ATO 功能，Subset-126 定义了与轨旁ATO 子系统的接口，Subset-130 定义了与ETCS车载系统的接口，Subset-131 定义了与TMS 系统的接口，Subset-132 定义了轨旁ATO 子系统之间接口，Subset-139 定义了与车辆的接口，Subset-140 定义了JRU 日志接口。

图3 ETCS 体系下GoA 架构Fig.3 GoA architecture under ETCS

2018 年3 月，第一条按照上述标准体系实施的具备ATO 功能的ETCS 线路在英国伦敦投入商业运营，其具有重大的里程碑意义。

6 结语

ETCS 体系因具有高度的互联互通特性而在世界范围内被广泛接受和应用。随着技术发展，其体系规范在定义系统架构、完善和拓展互联互通内涵、优化和扩展系统功能、实现体系规范向前兼容、支持不同自动化等级方面仍在不断完善中。本文在分析ETCS 体系近年来变化的基础上，归纳总结了其发展成果。鉴于中国列车运行控制系统(Chinese train control system, CTCS)技术体系来源于ETCS 体系，希望本文的分析对我国CTCS技术体系发展以及CTCS 和ETCS 互联互通提供一定的借鉴。