1 现状及背景

  我国自2007年开展CTCS-3级列车运行控制系统攻关以来,在原铁道部的统一部署下,确定了“引进消化吸收”的技术路线,取得了一系列的技术创新成果。从2009年第一条采用CTCS-3级列车运行控制系统的武汉-广州客运专线开通至今,已建成CTCS-3级线路上万公里。但由于部分核心部件、核心技术仍然被国外厂商垄断,导致目前的列控系统存在如下问题,不利于我国高铁建设及高铁技术发展。

  1)在工程建设支撑方面,部分关键器件采购受外方限制,影响成套设备供货能力;复杂枢纽设计受既有设备功能和规格制约,影响中国路网建设进程;不同厂家设备规格存在较多差异,相互替代困难。

  2)在运营维护方面,故障率到达一定水平后难以进一步降低,导致长期运营维护压力大;故障后不能快速解决,导致运营维护响应速度慢;核心器材更新换代仍需外方确认,导致备品备件、设备全生命周期维护困难。

  3)在系统优化升级方面,未转让技术的优化升级由外方负责,不能严格按照中方需求实施,并且修改可能会引入非预期问题;软硬件变更后的系统安全评估仍需外方实施,系统级安全掌控能力差。

  4)在信息安全方面,车地无线通信加解密算法由外方设计和实现,存在被破解的风险。

  此外,全球经济复苏对基础设施建设的需求继续增大,预计“十三五”期间,我国将新增铁路3万km,累计投资总额4万亿以上。国家大力实施“一带一路”和铁路“走出去”战略,带动了世界各国高铁建设热情,高速铁路列车运行控制系统的市场空间巨大。但是,由于当前CTCS-3级列控系统中的个别设备并非完全自主知识产权,可能影响我国的高铁“走出去”战略。

  为解决上述问题,进一步促进我国列控技术发展,研究开发完全自主知识产权的CTCS-3级列车运行控制系统是紧迫的、必要的。铁路总公司2014年下达科技研究开发重点课题“铁路列控关键技术深化研究—列车运行控制系统设备自主化技术研究”,支持中国铁路通信信号集团公司、中国铁道科学研究院、北京和利时系统工程有限公司开展自主化CTCS-3级列车运行控制系统的研发;2016年铁路总公司安排在大同-西安客运专线综合试验段开展了自主化CTCS-3级列车运行控制系统现场试验,并计划于2018年在北京-沈阳客运专线安排进一步的综合试验。

2 CTCS-3级列车运行控制系统

  CTCS-3级列车运行控制系统是中国列车运行控制系统的重要组成部分,是我国在掌握了CTCS-2级列车运行控制系统的基础上,通过技术进一步提升构建的高速列车运行控制系统标准体系和技术平台。它采用GSM-R无线通信系统,实现地面与列车之间控制信息双向实时传输,满足我国高速铁路高速度、高密度及不同速度等级动车组跨线运行的要求。

  CTCS-3级列车运行控制系统是高速铁路三大关键技术之一,是保障列车安全运行和提高运输效率的关键技术装备,由地面设备与车载设备组成。地面设备主要包括无线闭塞中心(RBC)、列控中心(TCC)及临时限速服务器(TSRS),满足200~350 km/h动车组不停车跨线运行的互联互通和兼容性要求。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)及记录单元(JRU)等,兼容CTCS-2级列控车载功能。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。

  CTCS-3级列车运行控制系统满足运行速度350 km/h、 最小追踪间隔3 min的要求,其技术特点包括[1]:

  1)基于 GSM-R无线通信实现车地信息双向传输;

  2)RBC生成行车许可;

  3)轨道电路实现列车占用检查;

  4)应答器实现列车定位;

  5)具备CTCS-2级功能。

  CTCS-3级列车运行控制系统的基本功能包括:

  1)向司机提供安全驾驶列车的必要信息;

  2)监控列车及调车运行;

  3)采用GSM-R无线通信系统实现车地信息双向传输;

  4)具备自动过分相功能;

  5)满足跨线运行的运营要求;

  6)具有轨道占用检查功能;

  7)采用固定自动闭塞,以目标距离连续速度控制模式监控列车运行;

  8)具有设备制动优先和司机制动优先两种控制方式,且一般采用设备制动优先控制方式;

  9)具有常用制动和紧急制动两种制动模式;

  10)具备临时限速功能;

  11)兼容 CTCS-2级列控系统功能。

3 自主化CTCS-3级列车运行控制系统研制策略

  CTCS-3级列车运行控制系统是保障列车行车安全的核心装备,自主化装备的研制策略既要保证其安全性、创新性、自主性,又要借鉴既有列车运行控制系统的宝贵经验。研制具有自主知识产权的CTCS-3级列控车载设备、RBC等核心设备,可实现CTCS-3级列车运行控制系统装备的自主化,满足国内铁路运用技术提升及高铁走向国际的需求。

  自主化CTCS-3级列车运行控制系统吸收继承了既有系统大量安全可靠的运用经验,在解决自主知识产权问题的基础上,依据中国列控标准,面向未来发展需要,重点考虑了系统装备的标准化和技术先进性,以支撑当前在用设备的长期运用维护,支撑新建高铁自主化列控系统的应用,支撑高铁技术的可持续发展。

  自主化CTCS-3级列车运行控制系统的标准化主要体现在三个方面,一是自主化装备对既有装备的可替换性,二是不同厂家设备接口和功能的统一性,三是与欧洲ETCS标准的铁路互联互通性。技术先进性方面,通过模块化、一体化的方式优化系统架构设计,采用高性能安全计算机平台和冗余结构提升系统性能和可靠性,采用先进的通信技术和高可信密码技术提升系统整体信息安全水平,采用标准化、可配置的接口技术和芯片技术实现设备的小型化和智能化,彻底根治既有设备运营与维护中遇到的难以突破的问题,提升中国列控装备的国际竞争力和信息安全等级,实现安全可靠、技术先进、自主可控的目标。

4 自主化CTCS-3级列车运行控制系统创新点
1)简统化标准制定

  中国高铁经过十余年的高速发展,在既有CTCS-3级列控设备应用过程中发现了一些问题。例如,不同厂家的车载设备不能互换,在动车组装备的车载设备型号未知情况下,动车组无法完成车载设备的相关布线及出厂;不同厂家车载设备启机流程不同;不同厂家车载设备对部分功能设计不同等。为解决上述长期存在的问题,我国制定了简统化系列规范,包括自主化RBC技术条件、自主化CTCS-3级列控车载设备技术条件、自主化CTCS-3级列控车载设备启机操作流程、自主化CTCS-3级列控车载柜外设备接口等,提高了系统可维护性、兼容性及不同厂家设备的可互换性。

2)自主安全计算机平台技术突破

  为满足铁路信号列车运行控制领域的高安全性与高可靠性要求,针对安全计算机平台的安全采集、安全计算、安全通信、安全驱动以及智能检测维护等方面,攻克了安全操作系统骤停及状态监控技术、双CPU信号ns级同步技术、基于有限空间状态机轮转的互检测比较技术、基于光纤的高速安全通信技术、独立多链路组合检测的安全采集技术和多级动态驱动安全输出技术,开展了系统关键信息自记录与自诊断研究。在上述关键技术突破的基础上,研制了完全自主知识产权的安全计算机平台,提升了系统安全性和可靠性。

3)自主专用芯片技术突破

  针对铁路信号系统的应用场景与需求,攻克了功能安全芯片设计技术、低功耗片上系统设计技术和先进封装技术,同时攻克了列控专用通信总线的片上快速实时编解码技术,成功研制符合国际IEC61375标准的专用通信芯片,并在列控装备中获得成功应用,提升了中国列控装备的国际竞争力。

4)国密算法首次使用

  首次在列车运行控制系统安全相关设备中采用国密局推荐的国密算法,具有更高安全性和实时性,能够有效规避车地无线通信被破解的风险,提高了列车运行控制系统的信息安全等级。

5)RBC数据、密钥分离

  实现了RBC软件与数据的分离、车地密钥分离,减少了由于不同线路工程数据不同导致的软件频繁编译,提高了产品的通用性,在仅涉及工程数据修改时,业主可以自行实施,降低了工程实施和运营管理的风险和难度。

6)车载全功能无缝切换技术突破

  目前国内外主流车载设备均采用冷备结构设计,当主系发生故障时,需司机在停车情况下手动切换至备系,会对运营效率产生一定影响。自主化CTCS-3级列控车载设备突破了全系统/功能无缝切换技术,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,提升系统可靠性,且对运营效率无任何影响。

7)测速测距技术突破

  由于不同列车对测速测距的传感器安装限制条件不同,提出了传感器可配置的多信息融合算法,针对车载设备对速度距离信息的高安全性需求,提出了多源安全误差容限算法和自适应空转打滑补偿算法,并在自主化CTCS-3级列控车载设备成功应用,既保证了使用的灵活性,又能有效提高测速测距的精度和安全性。

5 结束语

  自主化CTCS-3级列车运行控制系统具有完全自主知识产权,该系统的成功研制填补了国内空白,摆脱了列车运行控制系统核心设备长期受制于人的不利局面,保障了我国高速铁路健康和可持续发展,提升了我国企业的技术水平和创新能力,同时为我国高铁“走出去”奠定了必备基础。

参考文献

  [1]莫志松,郑升.高速铁路列车运行控制技术——CTCS-3级列车运行控制系统[M].北京:中国铁道出版社,2016.

  (收稿日期:2018-03-03)

  (修回日期:2018-03-07)