一、高铁发展中铁路信号系统简介及应用

　　近几年，伴随着中国高速铁路建设规模的迅速扩大，高铁运行的安全越来越受到人们的关注。2004年，铁道部正式审查通过了《ctcs技术规范总则》和《ctcs2级技术条件》，开始实施所谓中国列车运行控制系统ctcs（chinese train control system），它是为了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。基本功能是在不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下有效地保证列车运行安全。

　　ctcs是为了提高运输效率、保证运输安全而诞生和发展的，它的第一使命是保证行车安全，没有铁路信号，就没有铁路运输的安全。由铁路信号构成的信息与控制系统、铁路固定设备（线路、桥、隧）和移动设备（机车、车辆）是铁路运输系统三个不可分割的技术基础，在铁路运输中占有非常重要的地位。随着列车运行速度不断提高，完全靠人瞭望、人工驾驶列车已不能保证行车安全。因此，当列车速度大于160km/h时，必须装备列车运行控制系统（简称列控系统），以实现对列车间隔和速度的自动控制，提高运输效率，保证行车安全。列控系统涉及到很多关键技术，包括车—地之间大容量、实时、可靠的信息传输，以及列车定位，列车精确安全控制等。应该说，以现代列车运行的控制技术为核心的信号系统，可以称为现代铁路信号系统。现在已分级广泛运用在我国不同速度等级的铁路线上。

　　二、ctcs的发展

　　随着我国高铁规模的扩大和速度的大幅度提升，对信号技术的发展既提出了新的挑战，也提供了难得的发展机遇。再加之国内技术人员多年的实践摸索、经验积累， 欧盟的gsm-r/etcs已进入实际运作阶段，给我们提供了良好的技术借鉴。因此需要对中国列车控制技术发展进行规划。列车速度的不断提高， 靠地面信号行车已不能保证行车安全， 必须靠车载信号设备对列车实施运行控制，列车自动防护 atp（ automatic train protection） 已成为行车安全不可缺少的重要技术装备，ctcs是由地面信号设备和车载设备共同组成的闭环高安全系统，是地面联锁向车载设备的延伸，在此基础上实现了以车载设备为主的行车方式。各国铁路在实施ctcs过程中，都是以故障安全作为最重要的技术条件，将地面和车载设备按一个系统统一设计，同步进行技术更新或强化改造的，这样才能保证整个系统的高安全、高可靠性。

　　三、ctcs功能及组成

　　目前列控系统主要包括线路空闲/占用及列车完整性检测、列车移动授权计算、指示列车安全运行速度、监控列车安全运行四个功能。我们国家借鉴欧洲的列控系统（etcs）建设经验，结合我国铁路运输特点和既有信号设备制式，考虑未来发展，遵循全路统一规划的原则，制定了我国列控系统ctcs技术标准，分为ctcs-0、1、2、3、4五个等级。目前以三级为主，国内厂商大都采取和国外厂商合作的方式共同开发ctcs-3列控系统，尤其是关键设备。

　　（一） ctcs描述

　　1.安全防护：在任何情况下防止列车无行车许可运行。防止列车超速运行，包括防止列车超过进路允许速度运行；防止列车超过线路结构规定的速度运行；防止列车超过机车车辆构造速度运行；防止列车超过临时限速及紧急限速运行；防止列车超过铁路有关运行设备的限速运行。可以防止列车溜逸。测速环节应保证：一定范围内的车轮滑行和空转不影响atp的功能，并具有轮径修正能力。

　　2.人机界面：能够以字符、数字及图形等方式显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离。能够实时给出列车超速、制动、允许缓解等表示以及设备故障状态的报警。机车乘务员输人装置应配置必要的开关、按钮和有关数据输入

置。具有标准的列车数据输入界面，可根据运营和安全控制要求对输人数据进行有效性检查。

　　3.检测功能：该系统具有开机自检和动态检查功能；具有关键数据和关键动作的记录功能及监测接口。列控系统按满足时速350km、列车最小追踪间隔3min设计；采用基于gsm—r无线传输方式的ctcs3级。

　　4.可靠性和安全性：按照信号故障导向安全原则进行系统设计；系统采用冗余结构；基本满足电磁兼容性相关标准。轨道电路与点式应答器构成的 ctcs2级组成冗余配置的列控系统。ctcs2级系统与既有时速200km提速线列控系统兼容，其中的轨道电路、点式应答器等在ctcs3级中作为列车占用检查和列车定位对标的平台。

　　（二） ctcs应用等级

　　ctcs根据功能要求和设备配置划分应用等级分，分为0—4级（如表1）。ctcs应用等级0（以下简称l0）：由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。ctcs应用等级1（以下简称l1）：由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。ctcs应用等级2（以下简称l2）：是基于轨道传输信息并采用车—地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行车指挥—联锁—列控一体化、区间—车站一体化、通信—信号一体化和机电一体化。 ctcs应用等级3（以下简称l3）：是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。点式设备主要传送定位信息。ctcs应用等级4（以下简称l4）：是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取消轨道电路，由tcc（地面列控中心）和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查，实现虚拟闭塞或移动闭塞。同条线路上可以实现多种应用级别，l2、l3和l4可向下兼容。 （三） ctcs功能介绍

　　主要包含地面子系统和车载子系统两个方面。地面系统主要包括了应答器、轨道电路、无线通信网络（gsm-r）、列车控制中心（tcc）/无线闭塞中心（rbc），车载设备、无线系统车载模块。调度所的一些指令可以通过车站分机下达给车站连锁系统和列控中心，列控中心可以完成一些相应的功能，并把它发送到应答器和轨道电路上。再通过应答器和轨道电路向列车发送一些信息，然后列车根据它所收到的地面信息来自行控车。这就是ctcs-2级系统。它的主要特点就是基于轨道电路和应答器传输列车行车许可信息，并采用目标距离连续速度控制模式监控列车安全运行的列控系统。

　　另外，我国还有ctcs-3级系统，该系统运用在时速300km/h以上的高速铁路上。ctcs-3和ctcs-2这两个系统的区别就在于，前者在地面设备上增加了无线闭塞中心rbc和gsm-r无线通信网络；车载设备上增加了gsm-r无线通信单元及天线；车载设备根据rbc的行车许可，生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行。ctcs-3车载设备的主要功能是采集列车速度传感器数据，接收应答器报文、地面轨道电路信息、地面 rbc无线通信报文（移动授权等）、列车接口状态，根据列车的固有特性，采取特定算法来防止列车超速，控制列车追踪间隔，以保证列车行车安全。车载系统故障容易导致灾难性后果，环境大面积破坏或危及人民生命安全，所以华为列控车载设备设计为“故障-安全”系统：当系统故障时，实现自动导向安全状态，保护生命，并将破坏和损失降到最低；在此前提下，提高设备和系统的可用性。其核心安全计算机采用多套设备同时运行，一套设备的故障不影响列车正常运行。另外，安全性与可用性由元器件的高可靠性、容错、冗余、反馈检测等结构实现。

　　（四） ctcs-3系统组成

　　1.列控车载系统。车载系统根据地面设备提供的信号动态信息、线路静态参数、临时限速信息及有关动车组数据，生成控制速度和目标距离的一次模式曲线，控制列车运行，为司机提供机车信号与行车监督服务（列车司机遵守行车规程驾驶）。同时，记录单元对atp有关数据及操作状态信息实时动态记录。车载系统具有自检、数据输入和存储、界面显示、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监督、司机操作的监督、溜逸防护、信息记录、自动过分相、站名和公里标显示、在非ctcs-2级区段运行功能、特殊行车功能、其他防护功能等基本功能。

　　2.列控地面系统。列控地面系统主要包括ctc系统、车站列控中心（含lue和应答器）

、联锁系统、轨道电路集中监狈0系统，电源系统、无线闭塞中心无线通信网络等几个主要部分组成。

　　ctc系统由调度中心系统、车站系统、网络通信系统三部分构成。ctc系统主要负责将阶段计划自动转化为进路命令发送给车站联锁系统实现对列车的调度。系统平时处于分散自律模式。自动完成列车进路的排列，车站仅是对过程进行监控，在异常情况下转为非常 站控模式，由车站值班员负责排列列车进路。分散自律模式可随时转到非常站控模式。但非常站控模式必须在联锁系统元任何正在执行的按钮操作、联锁控制界面上的“允许自律控制”表示灯亮黄灯时方可转回分散自律模式。

　　3.集中监测系统。信号集中监测采用2006版信号微机监测系统。由于高铁车站间距离相对较远，站间设立中继站以满足轨道电路的传输要求，车站均能够对管辖内的中继站信号设备进行调看。

　　（五）计算机联锁系统与rbc间接口的网络结构

　　计算机联锁系统与rbc安全数据通信以太网的构成计算机联锁系统与rbc安全数据通信以太网由专用光缆构成，具备双独立设备和双物理通道。计算机联锁系统与rbc设备采用双以太网接口接入，双网同时在线，无主备之分，任何单设备或单通道失效，确保不会导致通信中断。计算机联锁系统与rbc安全数据通信以太网的信息传输计算机联锁系统与rbc安全数据通信以太网提供物理层和链路层的通信服务，上层的安全协议由计算机联锁系统与rbc实施。计算机联锁系统与rbc间的安全通信协议采用分层结构，具体可分为应用层、安全层和传输层。其中：应用层包括rbc应用层（或计算机联锁应用层）和通用应用层（gal）；安全层包括安全应用中间子层（sai）和基于subset2098标准的欧洲无线安全层（er2sl）；传输层包括适配和冗余管理层（ale）以及tcp/ip传输层。

　　1.应用层。rbc应用层（或计算机联锁应用层）对交互信息通过公共对象进行的统一定义；通用应用层（gal）则在数据格式、配置参数上对rbc和计算机联锁通信应用层信息交互进行定义，以保证通信双方能够正确的解析收到的应用层数据，同时提高通信的可用性和有效性。

　　2.安全层。安全层用于检测并防护在开放传输系统的通信过程中可能存在的风险。针对不同的风险，采用不同的安全防护措施，主要包括序列号、 ec计数器、发送方和接收方id、加密和crc等。其中，安全应用中间子层（sai）通过消息序列号和ec计数器对数据进行保护，并同时为通用应用层（gal）和欧洲无线安全层（ersl）提供接口；欧洲无线安全层（ersl）通过发送方和接收方id、加密及crc等技术为传输数据提供高安全性的防护。

　　3.传输层。适配和冗余管理层（ale）负责安全层和传输系统之间的适配，并同时负责传输通道的冗余管理；tcp/ip传输层则主要用于以tcp/ip方式实现安全数据的传输

　　四、ctcs应用成效及发展问题

　　（一） 应用成效与发展

　　我国高速客运专线装备了列控系统后，提高了列车运行速度，提高了列车密度，ctcs-3级列控系统可实现最小追踪间隔3min，旅客运输能力得到提高，中国高速铁路日均发送旅客的100万人次。而对于在时速200km/h的线路应用中，也大量采用该系统，其中太中银铁路正线全长 219.253km，共有12个站场、1个线路所和5个中继站，太原南至吴堡复线区段采用北京和利时公司lkd2-h型（ctcs-2级）列控系统，在运行几年来，系统安全、稳定，达到了预期的设计效果。同时，兰州铁路局惠农至银川段正在建设之中。 　ctcs2-200h型车载列控系统，是在日本数字atc系统的基础之上，根据我国ctcs技术标准的要求，引进开发的新一代列车控制系统。 ctcs2-200h型车载列控系统的引进开发，对实现我国列控技术与国际接轨，加快发展我国ctcs建设具有重大意义。目前，ctcs2-200h型列控车载系统已有400多套列控车载系统（atp）成功运用于北京局、上海局、广铁集团、成都局、郑州局、武汉局、南昌局、济南局、西安局等9个路局（集团），为动车组安全、正点运行提供了有力保障。

　　ctcs3-300s型列控车载系统已经运用于郑西线、武广线、沪宁线、沪杭线等线路，全面实现了跨不同地面技术平台的互联互通，可有效保证动车组的灵活调度、跨线运营和长交路运营。ctcs3-300h型列控车载系统，已经在广深港线运营。

　　（二）系统存在问题

　　1.技术标准与体系结构：

　　（l）联锁系统与列控中心独立设

置，车站区间一体化问题没有得到完善解决。而站内联锁由联锁设备控制，区间联锁由列控中心控制，同时都有各自单独的联锁控制软件，未完一体化。如在惠农至银川双线改造工程中。各车站联锁设备和列控设备通过通信实现数据指令交换，以完成对列车的控制。但在具体施工调试以及维修中对于故障的查找上存在很多困难。

　　（2）某些安全标准执行的不够严格，如：输入采集2路安全比较等。

　　（3）未能完全实现列控各子系统一体化设计，时钟、显示及操作不统一。

　　（4）信息源头不可靠。监控装置的安全防护功能是建立在现有机车信号基础上的。机车信号在没有达到主体化之前，尚存在一定的安全和可靠性问题，只能作为辅助信号。因此，建立在这样信号源头基础上的系统，其安全防护功能也不是可靠的。

　　（5）人工干预较多。限于现有信号技术水平和装备水平，监控装置必须依靠司机人工输入大量数据和进行人工修正。若司机人工干预错了，将可能导致不安全后果。

　　（6）故障安全。监控装置从机车信号仅获得8个灯位信息不能满足速度监控需要， 要通过机车信号速度编码接口，区分同一灯位不同的速度。速度值是安全信息，但目前的接口是非动态安全电路，混线后可能导致危险后果。

　　2.基础研究：安全计算机平台没有达到西方发达国家水平；没有能够达到sil4级或3级的操作系统；没有可供认证的安全软件生成工具及相应的检测方法；安全通信及安全接口技术有待提高。

　　3.独立安全评估与认证体系：没有独立的安全认证及安全评估机构，沿用传统鉴定、验收、评估方法，来建立基于风险的安全管理方法及体制。

　　4. 缺乏精细的管理态度及方法：设备研发与生产存在把关不严现象；施工、安装、调试存在严重的抢时间、赶工期问题，缺乏严格的测试制度与测试工具，特别是软件修改及版本管理控制不够严格。

　　（四） 几点建议

　　尽管我国列控技术取得了令人瞩目的成绩，但是“7.23甬温线特大铁路交通事故”让我们更加清醒地认识了信号设备对高速铁路运营安全的影响，应当充分理解技术先进与安全可靠的依存关系，注意协调速度与质量，针对目前现状，我们需要继续深入研究，完善现有系统的技术标准与体系结构，使系统更加安全，结构更加合理；加强基础技术研究，为各种列控系统提供安全、可靠的平台；改进现有鉴定、评审方式，积极开展信号系统安全认证与评估体系建设；充分应用信息科学新技术，研究开发新型列车运行安全预警设备。

　　五、结束语

　　对于我国来说ctcs-2级及ctcs-3级列控系统的发展使我国铁路信号技术向以列车运行控制技术为核心的现代铁路信号技术前进了一大步，因此，我国列控技术的发展方向是正确的，成绩令人瞩目。高铁的迅猛发展，充满了机遇与挑战，国产列控系统将继续走自主创新之路，推出适合中国铁路的信号系统解决方案，助力中国高铁实现跨越式发展，使得我国铁路信号技术水平向世界先进水平迈进。