1 自主化列控车载设备简介

  CTCS-3级列车运行控制系统是保障列车安全运行和提高运输效率的关键技术装备,由地面设备和车载设备组成。地面设备负责根据列车占用情况及进路状态向所管辖列车发出行车许可和列车控制信息。车载设备负责对列车运行控制信息进行综合处理,生成目标—距离模式曲线,控制列车按命令运行。

  车载设备主要包括车载安全计算机(VC)、车载电台(MT)、应答器传输模块(BTM)、轨道电路信息读取器(TCR)、测速测距单元(SDU)、人机交互单元(DMI)及司法记录单元(JRU)等。车载安全计算机是车载设备的核心处理单元,综合列车数据、线路描述、行车许可、临时限速信息生成动态速度监控曲线,并根据速度监控曲线自动监控列车运行,必要时向列车输出制动命令,确保行车安全。车载电台是车载设备与地面核心设备无线闭塞中心(RBC)进行消息双向传输的通道,列车以CTCS-3级运行时,通过无线传输单元,车载设备将列车的速度、位置、运行状态等信息传递给RBC,RBC将行车许可等控制信息传递给车载设备。应答器传输模块通过安装在车底的应答器天线接收布置在线路上的应答器里包含的线路信息,并将应答器信息报告给车载安全计算机。轨道电路信息读取器通过TCR天线接收轨道电路信息,并将解调出的轨道电路载频、低频及绝缘节信息传送给车载安全计算机。测速测距单元根据速度传感器和雷达的测量数据计算出列车的运行速度、走行距离和运行方向,并提供给车载安全计算机。车载安全计算机向DMI实时传递列车的位置、速度、等级、模式等信息,DMI以图形、文字等形式实时显示列车的各种运行状态信息。此外,司机操作DMI设备按键时,DMI把按键信息及时传递给车载安全计算机,达到调整列车运行状态的目的。司法记录单元类似飞机上的黑匣子,记录车载设备的运行数据。

  下面介绍自主化CTCS-3级(简称C3)列控车载设备的系统结构特点、主要软件功能和新增软件功能。

2 系统结构特点
2.1 C2/C3主控单元一体化

  原有的车载设备,C3主机软件和CTCS-2级(简称C2)主机软件独立运行在两个不同的主控板上,通过总线(Profibus)进行通信。自主化车载设备采用统一的C3/C2主控单元,相对独立的C3、C2软件模块。C3主机软件和C2主机软件编译成一个软件,运行在一个主控板上,通过虚拟的软件通道进行通信。

2.2 采用热备结构

  目前,国内外主流的车载设备均采用冷备结构设计,当主系发生故障时,车载设备施加制动,列车停车后,司机手动将车载设备切换至备系,降低了列车运营效率。

  原有的车载设备虽然采用冗余结构,但车载主机、BTM和TCR均是单系上电工作。当正在工作的一系发生故障,需停车后由司机进行冷切换。

  自主化车载设备突破了全系统/功能无缝切换技术,车载主机、BTM、TCR等设备故障后,均可在不停车情况下自动切换到另一系,提升了系统可靠性,且对运营效率无任何影响。

3 主要优化软件功能
3.1 人控/机控

  车载设备在非完全监控模式下一般采用司机制动优先(人控优先),完全监控模式下一般采用设备制动优先(机控优先)。完全监控模式下,在目标速度监控区,当目标速度为0,允许速度低于40 km/h时,车载设备采用司机制动优先(人控优先)。人控优先时,DMI显示“人控”。机控优先时,DMI显示“机控”。

  人控优先方式下,列车速度超过最大常用制动速度时,车载设备触发最大常用制动,当列车速度低于允许速度时,车载设备通过DMI提示司机允许缓解制动,司机确认缓解制动,车载设备缓解最大常用制动。

  机控优先方式下,在顶棚速度监控区,列车速度超过最大常用制动速度时,车载设备触发最大常用制动。当列车速度低于允许速度时,车载设备自动缓解最大常用制动。

  机控优先方式下,在目标速度监控区,存在弱常用制动(1级制动)、中等常用制动(4级制动)和最大常用制动(7级制动)三层防护。当列车速度超过弱常用制动速度时,车载设备触发弱常用制动。列车速度继续升高,超过中等常用制动速度时,车载设备触发中等常用制动。列车速度继续升高,超过最大常用制动速度时,车载设备触发最大常用制动。施加最大常用制动后,列车速度降低,低于最大常用制动速度时,车载设备触发中等常用制动。施加中等常用制动后,列车速度继续降低,低于中等常用制动速度时,车载设备触发弱常用制动。施加弱常用制动后,列车速度继续降低,低于弱常用制动速度时,车载设备自动缓解弱常用制动。

  人控下施加最大常用制动,在转入机控后,如果该最大常用制动仍施加着,当列车速度低于允许速度时,车载设备将自动缓解最大常用制动。

  机控下施加最大常用制动,在转入人控后,如果该最大常用制动仍施加着,当列车速度低于允许速度时,车载设备提示司机缓解制动,司机确认后,车载设备缓解最大常用制动。

  机控下施加弱常用制动或中等常用制动,当转入人控时,车载设备应缓解掉机控下施加的弱常用制动或中等常用制动。

3.2 车尾保持

  列车转入完全监控模式时,允许速度提高,如果立即提高列车的实际运行速度,可能会带来危险。为安全起见,待整列列车全部进入完全监控模式区域时,再提高列车的允许速度。即进入完全监控模式后,将列车允许速度提高的地点推延一个列车长度。

  原有的车载设备在从目视模式转入完全监控模式时,并不具备车尾保持功能,而是通过文本“进入完全监控模式请注意车尾保持”提示司机应注意车尾保持。自主化车载设备新增车尾保持功能,进入完全监控模式时,允许速度的变化点推延了一个列车长度。在进入完全监控模式时,如果线路数据不能覆盖整个列车,通过文本“进入完全监控模式”提示司机;如果线路数据覆盖整个列车,不向司机提示文本。

3.3 前方轨道空闲

  列车在线路上运行时,RBC向车载设备发送无线消息M34(前方轨道空闲请求),DMI向司机显示文本“确认前方轨道空闲”,提示司机观察前方轨道是否空闲。如果司机发现从列车前端到下一个信号机之间空闲,确认文本“确认前方轨道空闲”,车载设备将向RBC发送无线消息M149(前方轨道空闲确认),RBC将向车载设备发送行车许可,车载设备收到行车许可后,将转入完全监控模式。

  文本“确认前方轨道空闲”具有开始位置和结束位置。列车经过开始位置,DMI开始显示该文本,在到达结束位置之前,司机应及时确认该文本。如果超过结束位置,该文本自动消失,司机将失去确认该文本的机会。

  为提高车载设备的自动化程度,自主化车载设备对前方轨道空闲功能进行优化:车载设备从RBC收到无线消息M34(确认前方轨道空闲),如果当前轨道码是允许码,车载设备向RBC回复无线消息M149(前方轨道空闲确认),自动确认前方轨道空闲;如果当前轨道码不是允许码,车载设备通过DMI向司机显示文本“确认前方轨道空闲”,要求司机人工确认前方轨道空闲。进入前方轨道空闲确认区,如果地面为红码,车载设备不向DMI发送无线消息M34(确认前方轨道空闲)。否则,司机确认文本“确认前方轨道空闲”,车载设备收到行车许可转入C3完全监控模式,又因地面红码触发冒进防护,转入冒进模式。

3.4 无线超时降级C2等级

  原有的车载设备无线超时后,如果没有收到新的有效无线消息,车载设备施加最大常用制动,当列车速度降低到C2的允许速度时,车载设备通过DMI显示需要司机确认的文本“进入CTCS-2级”。司机确认该文本后,车载设备转入C2等级控车并断开与RBC的无线连接。如果司机不确认该文本,车载设备将保持C3等级,一直施加最大常用制动直到列车停车。如果发生无线超时,车载设备对列车施加制动,并提示司机确认文本“进入CTCS-2级”,司机未能及时确认该文本,车载设备将一直施加最大常用制动,必然会降低列车的运营效率。

  自主化车载设备对此功能进行了优化:无线超时后,如果一直未收到新的有效无线消息,当列车制动10 s或列车速度低于160 km/h后,如果此时列车速度已低于C2级的允许速度,车载设备自动转入C2等级控车并断开与RBC的无线连接。

3.5 固定点自动等级转换

  在固定点执行C2 转C3或C3转C2的等级转换,列车越过级间转换点后,转入新的等级,并提示司机确认文本提示信息。如果司机在规定时间内不确认该文本,车载设备将一直施加最大常用制动,直到司机确认该文本,影响行车效率。

  自主化车载设备优化了该功能:列车越过级间转换点后,车载设备自动转入新的等级,并通过DMI向司机显示不需要确认的文本提示信息,提示司机车载设备已经转入新的等级。

3.6 无线超时降级C2后主动断开通信连接

  原有的车载设备在无线超时降级C2等级后,不主动断开无线连接。在郑西线运行时,车载设备无线超时降级C2等级运行,又与RBC重新建立通信连接,RBC不向车载设备发送断开通信连接的命令。只有当列车驶出该RBC管辖范围或车载设备与RBC断开通信连接后,RBC才会将发生无线超时位置的进路释放掉。如果列车发生无线超时的位置距离RBC边界较远,进路将被保留较长时间,影响RBC给后面的列车及时延伸行车许可,影响列车运营效率。

  自主化车载设备优化了该功能:在无线超时降级C2等级后,如果一直未收到RBC断开无线连接的命令,车载设备向RBC发送三次位置报告后,主动与RBC断开无线连接。

3.7 固定点C2转C3时若无线超时保持C2等级运行

  原有车载设备从地面设备收到C2转C3的等级转换命令后,列车越过级间切换点时,车载设备转入C3等级控车。如果此时已发生无线超时,车载设备又会因为无线超时降级C2等级运行,影响运营效率。

  自主化车载设备优化了该功能:收到地面的C2转C3等级转换命令,在列车越过级间切换点时,车载设备判断此时此刻是否发生无线超时,如果已经发生无线超时,车载设备不执行C2转C3的级间切换命令,继续维持C2等级运行。

3.8 后台工作的C3主控单元对应答器消息一致性错误的处理

  C2等级控车时,C2主控单元在前台控车,后台工作的C3主控单元处于SN模式。C3主控单元检测到应答器信息一致性错误,在后台输出最大常用制动。C2等级控车时,应答器信息的一致性检查由C2主控单元负责,C3主控单元在后台不使用链接信息,当检测到应答器信息一致性错误时,在后台施加制动,影响C2等级下列车的运营效率。

  自主化车载设备优化了该功能:C2等级控车时,C3主控单元在后台检测到应答器信息一致性错误时,不再输出制动和告警信息。如果非链接应答器出现信息一致性错误,车载设备仍输出最大常用制动。

3.9 C3等级调车转入冒进后提示司机输入列车数据

  车载设备转入调车模式,会删除列车数据。如果车载设备又从调车模式进入冒进模式,司机确认冒进模式,车载设备转入冒后模式。在冒后模式下,车载设备没有有效的列车数据,如果司机没有重新输入有效的列车数据,那么司机不能选择目视模式,也不能按压“启动”键。 

  自主化车载设备优化了该功能:车载设备从调车模式转入冒进模式,司机确认冒进模式,车载设备转入冒后模式。此时,为指导司机进行正确的操作,车载设备将通过DMI显示文本“请输入列车数据”,提示司机重新输入列车数据。

3.10 未建立通信会话时选择调车后提示“未发送调车请求”

  原有的车载设备在C3等级控车时,未与RBC建立无线连接。如果司机选择调车模式,车载设备提示司机确认文本“确认调车”,司机确认该文本,车载设备将向RBC发送无线消息M130(请求调车),并等待RBC回复无线消息M27(拒绝调车)或M28(允许调车)。由于车载设备未与RBC建立无线连接,无法得到RBC的调车授权,车载设备无法转入调车模式。当司机发起的调车流程超过规定时间后,车载设备通过DMI显示文本“调车请求超时”,提示司机车载不能转入调车模式。

  自主化车载设备优化了该功能:在C3等级控车时,未与RBC建立无线连接,司机选择调车模式,车载主机发现未与RBC建立通信会话,则终止司机触发的调车流程,并通过DMI显示文本“未发送调车请求”,提示司机由于未建立通信会话,车载设备不能转入调车模式。

3.11 无线不可用情况下不执行呼叫命令

  原有的车载设备关闭MT电源,车载设备上电,以C3级目视模式发车,列车通过应答器接收到信息包P42(通信会话管理),DMI显示正在呼叫RBC的图标。由于MT未上电,车载设备无法与RBC建立连接。

  自主化车载设备优化了该功能:在这种情况下,自主化车载设备收到来自地面的呼叫RBC命令时,判断车载设备未与RBC建立连接,将忽略来自地面的呼叫命令,不去尝试呼叫RBC。

3.12 提前按压警惕键重新开始计算走行距离和时间

  原有的车载设备在C3级目视模式下,如果走行超过200 m或50 s,车载设备输出一次“目视警惕”语音,并向司机显示需要确认的文本“警惕确认”。司机确认该文本后,走行距离和时间从0开始重新计算。车载设备未显示文本“警惕确认”,“警惕”键始终无效,即使司机提前按压“警惕”键,走行距离和时间也不会从0开始重新计算。

  自主化车载设备优化了该功能:C3等级目视模式下,列车走行尚未超过200 m或50 s,车载设备未显示文本“警惕确认”,如果司机提前按压“警惕”键,走行距离和时间将从0开始重新计算。

3.13 公里标信息

  原有的车载设备,无论是C2等级控车,还是C3等级控车,均使用C2主控单元的公里标信息。如果C2主控单元故障,DMI将无法显示公里标信息。

  自主化车载设备优化了该功能:C3等级控车时, DMI显示C3主控单元送来的公里标信息;C2等级控车时,DMI显示C2主控单元送来的公里标信息。

3.14 车载主动结束通信会话的处理逻辑

  原有的车载设备向RBC发送无线消息M156(通信会话结束),当接收到无线消息M39(通信会话结束确认)时,车载设备认为通信会话已经终止,并请求释放与RBC的安全连接。

  自主化车载设备优化了该功能:车载设备发送完消息M156后,若收到RBC回复的消息M39,车载设备断开与RBC的安全连接。若车载设备未收到消息M39,则重复发送两次消息M156后,在此期间一直未收到消息M39,车载设备断开与RBC的安全连接。

3.15 无线超时后重新呼叫RBC的处理逻辑

  原有的车载设备无线超时后,尝试重新建立三次安全连接。若超过三次均未成功建立安全连接,车载设备将停止尝试,并结束通信会话。

  自主化车载设备优化了该功能:车载设备无线超时后,在90 s内不断尝试建立新的安全连接。若超过90 s仍未建立安全连接,车载设备将停止尝试,并结束通信会话。

4 主要新增软件功能
4.1 C3行车许可融合轨道电路信息

  在自主化车载设备的完全监控模式下,C3主控单元根据闭塞分区平均长度、轨道电路信息所定义的空闲闭塞分区数量及控制余量,计算轨道电路信息许可,并根据列车当前位置确定轨道电路信息许可终点。如果C3级的行车许可终点位置(EOA)大于轨道电路信息许可终点,并持续5 s,则自主化车载设备将行车许可终点位置(EOA)缩短至轨道电路信息许可终点处,并通过DMI播放提示语音“注意运行”,向RBC发送无线消息M132(行车许可请求)。但是,当C2模块故障时,自主化车载设备将停用C3级行车许可与轨道电路信息相结合的防护功能[1]。

4.2 JRU校时

  原有车载设备各主要模块分别使用自己的系统时钟,未进行时钟同步,当运行一段时间后,各模块的系统时间会存在一些偏差,且在进行时间校正时,需要对各个模块进行手动修改。由于各模块使用自己的系统时钟,当不同模块的系统时间出现偏差后,影响问题分析,且手动修改各模块的系统时间,不方便设备的维护。

  自主化车载设备使用JRU给车载设备的各个主要模块进行校时,保证各模块的系统时间保持同步,便于问题分析和设备维护。

5 总结

  自主化C3级列车运行控制系统具有完全自主知识产权。2016年7月到8月,自主化C3列控系统在大西客专试验段开展现场试验。2017年4月,自主化车载设备获得欧盟TSI认证证书,成为我国首个获得欧洲权威测试机构认可并通过欧盟TSI认证的列控车载产品。自主化车载设备不但符合中国高铁标准,而且设备功能满足欧洲ETCS 1级和ETCS 2级列控系统需求,产品设计和生产满足欧盟TSI要求,获得了走向海外的“通行证”,为中国高铁“走出去”奠定坚实的技术基础,推动“中国智造”走向世界。

参考文献

  [1]中华人民共和国铁道部.铁运[2012]211号 CTCS-3级列控车载设备技术规范(暂行)[S].北京:中国铁道出版社,2012.

  [2]国家铁路局.CTCS-3级列车运行控制系统系统需求规范[S].北京:中国铁道出版社,2016.

  [3]中国铁路总公司.铁总运[2014]327号 CTCS-3级列控车载设备补充技术规范(暂行)[S].北京:中国铁道出版社,2014.

  [4]张友兵,刘岭,崔俊锋,牛道恒.ETCS DMI与CTCS DMI的对比分析[J].铁路通信信号工程技术, 2017,14 (2) :9-13.

  [5]潘圣浩.兼容多个CTCS等级运行功能要求的列控车载设备实现方案的探讨[J].铁路通信信号工程技术, 2017,14 (1) :5-8.

  [6]章慧,张勇.CTCS3级列控系统车载设备测试方法研究[J].铁路计算机应用,2008,17(4):23-27.

  [7]李伟,王海峰.CTCS-3级列控系统车载设备测试序列的优化[J].北京交通大学学报,2010,34(2):75-78.

  [8]黄卫中,季学胜,刘岭,等.CTCS-3级列控车载设备高速适应性关键技术[J].中国铁道科学, 2010,31(3):87-92.