T E技术创新 CHNOLOGlCAL INNO\,ATION DOh 10.3969 ̄.issn.1673—4440.2018.02.002 自主化CTCS-3级列控车载设备的 主要功能特点 张友兵’, 王建敏’, 陈志强 ’ 于晓娜 ’ (1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司,北京 1 00070; 2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心,北京 1 00070) 摘要:CTCS一5级列车运行控制系统是保障高速列车行车安全、提高铁路运输效率的核心装备。 介绍自主化CTCS一5级列控车载设备的系统结构特点、主要优化软件功能和主要新增软件功能。 关键词:中国列车控制系统;车载设备;功能特点 中图分类号:U284.48 2 文献标志码:A 文章编号:1673.4440(2018)02—0006—06 Main Functional Characteristics of CTCS一3 Train Control System On-board Equipment with Intellectual Property Rights Zhang Youbing’, Wang Jianmin’’ Chen Zhiqiang’, Yu Xiaona’, (1.Beijing National Railway Research&Design Institute of Signal&Communication Group Co.,Ltd.,Beijing 100070) (2.Beijing Engineering Technology Research Center of Oper ̄ion Control Systems for High Speed Railways,Beijing 100070) Abstract:The CTCS一3 train control system is core equipment to ensure the train operation safety and improve trafic efficifency of high speed railways.This paper introduces the system structure characteristics,main optimization software functions and new software functions of on—board equipment of the CTCS一3 train control system with intellectual property rights. Keywords:Chinese Train Control System(CTCS);on—board equipment;ftmctional characteristic 由于涉及到知识产权问题,中国高铁要想“走 主化CTCS-3级列控系统创新团队,开始研发具有 出去”,必须拥有具有完全自主知识产权的高铁装备 和技术。为响应自主创新和高铁“走出去”的国家 号召,中国通号于2013年底抽调精兵强将,组建自 完全自主知识产权的CTCS-3级列控系统。 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 基金项目:中国铁路通信信号股份有限公司课题项目 (201 7ZXO1) 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 铁路通信信号工程技术(RSCE) 2018年2月,第15卷第2期 TECHNOLOGICAL INNO、 ION 况及进路状态向所管辖列车发出行车许可和列车控制 (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 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(V C)、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 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。 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(RB C)进行消息双向传输的通道,列车 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 以CTCs一3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 RB C,RB C将行车许可等控制信息传递给车载设 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。 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 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”。 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,D M I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 人控优先方式下,列车速度超过最大常用制动 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一3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。 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。 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一2级 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。 No.2张友兵,王建敏,陈志强,于晓娜:自主化CTCS-3级列控车载设备的主要功能特点 T E技术创新 CHNOLOGICAL INNO\,ATlON 机控优先方式下,在目标速度监控区,存在弱 提示司机;如果线路数据覆盖整个列车,不向司机 提示文本。 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 3.3前方轨道空闲 列车在线路上运行时,RB C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 载设备籽向RB C发送无线消息M149(前方轨道空 闲确认),RB C将向车载设备发送行车许可,车载 设备收到行车许可后,将转人完全监控模式。 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 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。 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,在转人人控后,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。 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RB C 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RB C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 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 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 入完全监控模式请注意车尾保持”提示司机应注意 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一2 级”。司机确认该文本后,车载设备转入C2等级 控车并断开与RB C的无线连接。如果司机不确认 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” 8 铁路通信信号工程技术(RSCE)2018, ̄a2月 TECHNOLOGICAL INNO\ lON 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gin动,并提示司机确认文本“进入 CTCS一2级”,司机未能及时确认该文本,车载设 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。 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 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。 . 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, 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 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 D M I向司机显示不需要确认的文本提示信息,提示 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『生错误时, 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f生错误,车载设备仍输出最大常用制动。 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RB C重新建立通 信连接,RB C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RB C管辖范围或车载设 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 备与RB C断开通信连接后,RB C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RB c边界较远,进路将被保留较长时间, 影响RB C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RB C断开无线连 接的命令,车载设备向RB C发送三次位置报告后, 主动与RBC断开无线连接。 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。 No.2张友兵,王建敏,陈志强,于晓娜:自主化CTCS-3级列控车载设备的主要功能特点 T E技术创新 CHNOLOGICAL lNNO\,ATlON 3.1 0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RB C 建立无线连接。如果司机选择调车模式,车载设备 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。 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RB C发送无线消息M130(请求调 车),并等待RB C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RB C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 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。 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。 3.1 4车载主动结束通信会话的处理逻辑 原有的车载设备向RB C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 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RB C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。 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Ml56后,若收到RBC回复的消息M39, 3.1 1 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。 车载设备断开与RB C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。 3.1 5无线超时后重新呼 ̄It 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:在这种情况下, 自主化车载设备收到来自地面的呼叫RB C命令时, 判断车载设备未与RB c建立连接,将忽略来自地 面的呼叫命令,不去尝试呼叫RBC。 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 3.1 2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 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 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 信息许可,并根据列车当前位置确定轨道电路信息 铁路通信信号工程技术(RSCE)201 811 ̄2月 TECHNOLOGICAL lNNO\ ION 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(E O A)缩短至轨 道电路信息许可终点处,并通过DMI播放提示语音 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。 “注意运行”,向RB C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 参考文献 …中华人民共和国铁道部.铁运[2O12]2{1号 CTCS一5级列控车载设备技术规范(暂行)[S].北 京:中国铁道出版社,2012. 防护功能u J。 4.2 JRU校时 [2】国家铁路局.CTCS一5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,201 6. 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 [ ]中国铁路总公司.铁总运[201 4]327号CTCS一5 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,2O1 4. 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。 [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,2O1 7,1 4(2):9—1 5. 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