CTCS-1级列控系统总体技术方案探讨
1  背景
2004年，原铁道部发布了《CTCS技术规范总则（暂行）》（科技运函［2004］14号），指明了中国列车运行控制系统（CTCS）技术体系的框架结构，确定了我国铁路列控系统0—4共5个等级。其中，普速铁路列控系统主要应用CTCS-0级系统（简称C0），CTCS-2、CTCS-3级列控系统分别装备时速200 km等级、时速300 km等级高速铁路。经过多年的研究开发与工程实施，CTCS-2、CTCS-3级系统已经大量装备高速铁路线路，技术体系日臻成熟。在CTCS总体规划中，CTCS-1级（简称C1）列车运行控制系统处于CTCS-0级和CTCS-2级之间，是CTCS 列控技术体系的重要组成部分。《CTCS技术规范总则（暂行）》中定义的C1是指主体化机车信号和加强型列十几年来计算机技术的飞速发展以及车站列控中心、临时限速服务器、ATP车载设备等列控系统技术和设备的研发和广泛应用，21世纪初期定义的C1系统已经不能适应铁路运输需求。
我国当前运营的绝大部分CTCS-0级系统是铁路信号专业长期发展形成的一套技术安全保障系统，由通用机车信号和LKJ构成。长期以来C0技术体系在保障普速铁路运行安全方面发挥了重要作用。按照UIC的统计资料，中国铁路的安全性名列前茅，但是LKJ设备在机车长交路大面积运用、机车频繁调配、既有
线路数据变化及施工改造频繁等现实情况下，运营中存在一些安全隐患需要着力解决：
（1）数据换装频繁的问题。在当前既有线运营中，既有C0系统的基础控车数据集中存储于车载LKJ设备。在列车运行的线路上，只要有任一处线路的参数发生变化，就需要交路涉及的多个铁路局、电务段对处于频繁调配机车上的LKJ数据芯片进行换装，多次出现数据漏装、错装、提前装等问题，对安全运营和安全生产产生直接影响。
（2）线路临时限速管理的问题。在当前既有线运营中，既有C0系统的临时限速通过车载IC卡存储方式实现，只能在机车出库前录入。如果遇到突发性的临时限速，只能通过语音方式通知司机，并由司机人工控制，临时限速过多依赖于人工和管理流程，存在较大的安全
CTCS-1级列控系统
总体技术方案探讨
莫志松：中国铁路总公司运输局电务部，高级工程师，北京，100844
摘 要：阐述CTCS-1级列控系统总体技术方案
研究的背景和意义，重点对总体设计原则、地面
总体设计方案、车载设备总体技术方案、关键技
术方案等进行深入探讨，并提出推荐的CTCS-1
级列控系统方案。
关键词：CTCS-1级列控系统；地面设备；车载
设备；应答器；无线通信
中图分类号：U284.48            文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2016）08-0037-07
研究探讨
CTCS-1级列控系统总体技术方案探讨  莫志松
（3）司机介入列车定位的问题。在当前既有线运营中，开车对标时，需要司机人工操作来确定列车位置，列车的车载设备根据司机输入的位置调用控车数据。如果列车定位的误差较大，需要司机人工进行车位调整。
（4）司机选取控车数据的问题。在当前既有线运营中，列车在运行中需要司机人工输入支线号、股道号，以调取分支线路的控车线路数据。
综上所述，既有CTCS-0级列控系统安全等级无法达到SIL4级要求。
除了运营中的安全隐患外，规划了5个等级的CTCS 体系仍然缺少完备的C1等级，因此C1列控系统的方案研究是CTCS体系进一步完善的重要一环。同时，CTCS-2、CTCS-3级列控平台在当前中国铁路“走出去”的战略中仍然存在一些限制条件。C1列控平台将助力中国铁路“走出去”战略，在一些国外的普速铁路项目上需求更为突出。从国际上看，欧洲的机车普遍装备了ATP车载设备，我国普速铁路机车仅仅装备监控装置难以满足运营要求。
2  研究意义
如果将已经应用于200 km/h及以上铁路的CTCS-2级列控系统的技术直接应用到200 km/h以下的普速线路上，不仅建设成本高，而且CTCS-2级列控系统不具备LKJ的功能，在普速线路上需切换成CTCS-0级控制模式。研究C1列控系统是为解决C0列控系统存在的问题，提高列控系统的安全等级，适用于新建和既有200 km/h以下的普速线路，所以C1列控系统的方案研究非常必要。
首先，C1列控系统可以全面提升铁路运输的安全保障水平。在普速铁路中，对于运营管理，C1列控
系统能够取消传统的“车机联控”模式，由原来人工管理的“问路行车”、“指路行车”方式转变为由ATP车载设备控制列车行车的方式；对于行车凭证，实现了由“地面信号显示为主，机车信号为辅”，转变为向“车载提供行车许可，车载信号为主，地面信号显示为辅”。对于临时限速的控制，可以取消司机刷卡设定临时限速的人工管理方式，解决了列车在运行途中临时限速无法上车的技术难题，可进一步提升普速铁路的安全性。同时，实现普速线路机车装备ATP车载设备的突破，与国际列控技术应用接轨，大幅度提升我国普速铁路装备现
其次，C1列控系统可以全面构筑完善的CTCS技术体系。C1系统作为CTCS技术体系一个重要环节，将对构建完整的CTCS技术体系，推动我国铁路技术装备水平，提供运输技术保障起到重要作用。既有线CTCS-0级列控系统车载设备与地面信号之间的关联度不高，信联闭等地面设备与LKJ车载装置等车载设备属于相对独立发展的两种系统设备，大量的人工参与操作也使得C0系统难以满足SIL4级安全完善度等级要求。因此，在维持地面系统结构基本不变的前提下，构建安全、经济、适用的C1列控系统是完善CTCS列控系统技术标准体系的重要内容之一，这也将填补我国200 km/h以下普速铁路无列控系统的科技空白。
再次，C1列控系统必将完善自主产权的列控系统安全平台。目前在用的C2、C3列控系统平台均为引进国外先进技术、通过消化吸收实现国产化的安全计算机平台，各相关单位也正在进行完全自主知识产权的列控系统安全计算机平台的研究和试验工作。在各家自主安全平台的基础上研究开发C1列控系
统技术设备，简单易行，具有较强的可实施性，也符合通用型安全平台的国际开发理念。C1系统设备的研发与自主化C2、C3设备的研发可以互相促进、相辅相成，C1系统通过在普速领域的推广应用，可以为进一步完善自主化安全计算机平台积累经验。同时，自主化平台的开发与完善必将大幅提升中国铁路的自主创新能力，为中国铁路技术“走出去”战略奠定坚实的基础。
3  总体设计原则
C1列控系统设计应遵循以下主要设计原则：
supersports（1）安全性原则。C1系统应按照SIL4安全等级进行设计。系统、设备、功能等均应满足安全性要求，系统设计应符合故障导向安全原则。
（2）系统性原则。C1系统分为车载设备和地面设备两部分，应进行车地一体化系统设计。地面设备应及时向车载设备提供进路、行车许可、线路数据、临时限速等相关信息。
（3）经济适用性原则。C1系统是面向普速铁路的列控系统，方案成本可控，对于降低工程造价和尽快推广应用都很有意义。同时我国普速铁路情况复杂，也包
CTCS-1级列控系统总体技术方案探讨  莫志松
方案必须适应各种应用场景。
（4）先进性原则。C1系统是在C2、C3成熟应用后开发的系统，应积极应用先进技术。例如，基于无线通信技术的传输媒介、基于开放系统的安全信息传输、基于先进自主的通用安全计算机平台开发的车载及地面系统设备、面向现代维护需求的系统监测、故障数据下载和智能分析技术等。
（5）可扩展性原则。C1系统的设计应符合可扩展性原则，满足安全功能模块化结构要求，便于功能扩展和系统升级。
（6）互联互通原则。C1系统应采用统一的标准和规范，满足互联互通运用要求，兼容C0功能。装备C0、C2、C3级车载设备的列车应能够在C1线路上运用，装备C1车载设备的列车也能在其他列控等级的线路上运用。
4  地面设备总体设计方案
4.1  方案一：基于应答器的方案
4.1.1  方案架构
C1列控系统应基于轨道电路和应答器进行地车信息传输，轨道电路实现占用检查并提供行车许可信息，地面无源应答器提供列车定位、正线基础数据，地面控制设备通过有源应答器向车载设备提供临时限速信息和侧线进路数据。行车管理数据由车载设备存储。
地面设备由车站列控单元、临时限速服务器、应答器、闭塞设备、电码
化设备和安全数据传输
通道、ZPW-2000系列
等组成；车载设备由车
载安全计算机、轨道
电路信息接收单元、
应答器信息接收模块
（BTM）、记录单元、
人机界面、列车接口单
元等组成。方案一的地
面设备系统结构见图1。
车站列控单元接收
临时限速服务器的临时
限速命令和联锁的进路应答器发送，生成信号降级命令向联锁发送；车站列控单元集成LEU功能，不再设置独立LEU。应答器向车载设备传输等级转换、特殊区段、里程等信息，以及区间及车站正线的线路数据。
4.1.2  方案优点
（1）行车许可通过轨道电路提供，能够充分利用我国轨道电路低频信息制式统一的技术特点，有利于系统兼容、互联互通。
（2）与C2系统的兼容性较高，C2系统的应答器报文定义、安全信息传输协议等技术标准可以直接引用，继承性强，易于实施。
（3）与C2系统相比，投资相对较低。一是可以节省车站列控中心设备和LEU设备，代之以功能简单的列控单元，属于一种目标控制器，控制对象是应答器；二是出站信号机处可不设置有源应答器，采用部分监控模式发车，根据发车进路的复杂情况再设置部分有源应答器。
（4）对既有设备改造较少，便于实施。该方案不需要专门敷设站间联系电缆，站间联系通过既有专用通信通道实现，采用基于开放通信系统的安全协议进行。对既有联锁的改动较少，在车站设置的车站列控单元负责与联锁接口。
4.2  方案二：基于无线通信的方案
4.2.1  方案架构
C1列控系统基于轨道电路、应答器和无线通信设备报火警
地面设
备  车站CTC/
TDCS分机
车站CTC/
TDCS分机  车站
联锁
车站
联锁  车站列控单元车站列控单元
信号系统安全数据网
调度集中数据通信网
中
心设备  CTC/TDCS  临时限速服务器
图例  无源应答器  有源应答器
CTCS-1级列控地面设备
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进行控车信息传输。地面应答器提供列车定位、正线基础数据，地面控制设备通过无线通信向车载设备提供临时限速信息和侧线进路基础数据，轨道电路实现占用检查并提供行车许可信息。行车管理数据由车载设备存储。
地面设备由区域数据控制中心、应答器、闭塞设备、电码化设备、安全数据传输通道、ZPW-2000系列轨道电路等组成；车载设备由车载安全计算机、轨道电路信息接收单元、无线通信模块、应答器信息接收模块（BTM）、记录单元、人机界面、列车接口单元等组成。方案二的地面设备系统结构见图2。
区域数据控制中心集中设置，负责向列车提供进路数据、线路基础数据、临时限速等信息。区域数据控制中心与无线通信控制器接口，通过无线通信系统实现地车双向通信。车载向地面提供的信息主要包括列车注册、列车位置信息等。CTC系统向区域数据控制中心发送临时限速信息，区域数据控制中心向CTC系统发送临时限速执行状态信息。联锁系统通过安全数据网向区域数据控制中心发送进路信息。应答器向车载设备传输等级转换、特殊区段、里程等信息，以及区间及车站正线的线路数据。本方案只需要无源应答器，主要设置在进出站信号机、区间接近区段和离去区段、等级转换分界点等位置，区间间隔2～3个闭塞分区设置，根据需要可在股道中间设置定位应答器。
临时限速设置流程：调度员通过CTC/TDCS中心下达限速调度命令到相关车站的车务终端（维修作业涉及的车站）；车站值班员对该调度命令进行确认（表示维修作业现场已经具备条件）后择机执行，执行命令经CTC/TDCS系统送到调度台上进行显示，并同时向区域数据中心下达限速命令；区域数据中心根据临时限速服务器命令执行限速，并返回执行状态。
4.2.2  方案优点
（1）基于无线通信技术实现车地信息传输，符合国际技术发展趋势，具有信息量大、实时性强等特点。现在已进入无线通信时代，无线通信技术在民用和商用领域已经普遍采用，基于无线传输的信息安全技术已成熟应用，铁路专用的基于开放通信系统的安全协议（EN50159-2）也已经采标。既有铁路的450M无线列调正在进行GSM-R改造，C1列控系统采用无线通信技术可以实现G网资源的充分利用。
（2）与基于应答器的C1方案相比，行车许可均通过轨道电路提供，能够充分利用我国轨道电路低频信息制式统一的技术特点，有利于系统兼容、互联互通。同时C2系统的应答器报文定义、C3系统的安全信息传输协议等技术标准可充分借鉴和采纳，有利于技术标准的规范统一。
（3）与C2系统相比，投资相对较低。车站和区间
BTS  BTS  BTS  BTS  BTS空调一匹多少w
OTE OTE OTE OTE OTE 车载
设备 GSM-R 无线通信网络
地
面设备
车站CTC/
TDCS分机
车站CTC/
TDCS分机
当当网电子书车站联锁  车站联锁  通信
模块
通信
模块
信号安全数据网
调度集中数据通信网
CTC/TDCS    临时限
速功能
通信控
制功能
数据服
务功能
维护
终端
区域数据中心
C1-GPRS
地面通信
控制器
MSC/GGSN  BSC
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原则上不设置有源应答器，工程施工量较小；充分利用既有G网资源，做好统一规划，不再重复投资。
（4）对既有设备改造较少，便于实施。该方案不需要专门敷设站间联系电缆，站间联系通过既有专用通信通道实现，采用基于开放通信系统的安全协议进行。
5  车载设备总体技术方案
C1系统车载设备根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和车辆参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车安全运行。以基于无线通信的C1系统车载设备为例，系统结构见图3。对于基于应答器的C1方案，或者基于无线通信的C1方案，车载设备方案的主要区别为是否增加无线传输模块。
5.1  设备配置
（1）车载设备中的车载安全计算机等关键设备均采用冗余配置。
（2）车载安全计算机中的C1控制单元和C0控制单元独立设置，C1控制单元负责在C1线路正常运行时的核心控制功能，C0控制单元负责在C0线路的核心控制功能。
（3）车载设备采用分布式结构。设备包括车载安全计算机、应答器信息接收模块、轨道电路信息接收单元、测速测距单元、人机界面、列车接口、记录单元、C0控制单元等。
（4）车载设备与车辆的接口采用继电器方式。紧急制动接口采用失电制动方式，以满足故障导向安全原则。
5.2  主要设备功能
C1车载设备负责接收地面数据命令信息，生成速度模式曲线，监控列车运行，保证列车运行安全，应具有以下功能：
五一空间（1）自检功能、数据的输入和存储、DMI界面显示、车地信息接收及发送、静态曲线比较、动态曲线计算、列车定位、速度的测量及显示、行车许可和限速命令显示、行车许可和限制速度的监督、司机操作的监督、溜逸及退行防护、等级转换、自动过分相、站名和公里标显示、信息记录及数据自动下载等主要功能。
（2）C1车载设备还应具有以下特殊行车功能：车载设备支持站间闭塞行车、半自动闭塞、靠标困难
、容许信号、长大下坡道等特殊行车功能。
车载设备计算行车许可的长度信息应由轨道电路码序确定，并通过轨道电路发送到车载设备。行车许可所需的进路线路信息应由区域数据控制中心计算并经由无线发送到车载设备或者由有源应答器提供。行车许可所需的正线线路数据应由无源应答器发送到车载设备。
驾驶室Ⅰ端
DMI
C1主控单元
地板砖品牌轨道电路信息
接收单元
应答器信息
接收单元
数据记录单元
C0控制单元
C1车载设备
通信接口单元
测速测距处理单元
列车接口单元
无线
通信
单元
驾驶室Ⅱ端
DMI
DMS/
LAIS
TAX  车辆接口（电源、制动阀等）
轨道电路天线1
应答器天线
速度传感器1    速度传感器2轨道电路天线2

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