鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡稱列控）是鐵路運(yùn)輸極重要的環(huán)節(jié)。隨著對鐵路運(yùn)輸要求的提高,如何改進(jìn)列車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車安全、快速、高效的運(yùn)行是目前的主要問題。隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展使得無線通信傳遞車地大容量信息成為可能。傳統(tǒng)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是利用地面發(fā)送設(shè)備向運(yùn)行中的列車傳送各種信息，使司機(jī)了解地面線路狀態(tài)并控制列車速度的設(shè)備，用以保證行車安全，同時也能適度提高行車效率。它是一種功能單一、控制分散、通信信號相對獨(dú)立的傳統(tǒng)技術(shù)。它包括機(jī)車信號、自動停車裝置以及列車速度監(jiān)督和控制等。依據(jù)不同的要求安裝不同的設(shè)備。機(jī)車信號和自動停車裝置都可單獨(dú)使用，也可以同時安裝。新一代鐵路信號設(shè)備是由列車調(diào)度控制系統(tǒng)及列車運(yùn)行控制系統(tǒng)兩大部分組成的。從技術(shù)發(fā)展的趨勢看是向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化與智能化的方向發(fā)展。它是列車運(yùn)營的大腦神經(jīng)系統(tǒng)，直接關(guān)系保證著行車安全、提高運(yùn)輸效率、節(jié)省能源、改善員工勞動條件。發(fā)展中的列控系統(tǒng)將成為一個集列車運(yùn)行控制、行車調(diào)度指揮、信息管理和設(shè)備監(jiān)測為一體的綜合業(yè)務(wù)管理的自動化系統(tǒng)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的內(nèi)容是隨著技術(shù)發(fā)展而提高的，從初級階段的機(jī)車信號與自動停車裝置，發(fā)展到列車速度監(jiān)督系統(tǒng)與列車自動操縱系統(tǒng)。隨著列車速度的不斷提高，隨著計算機(jī)、通信和控制的等前沿科學(xué)技術(shù)發(fā)展，為通信信號一體化提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。尤其，其所依托的新技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國外是一致的，可屬于技術(shù)上借鑒。近年來，歐洲鐵路公司在歐盟委員會和國際鐵路聯(lián)盟的推動下，為信號系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問題制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng) ETCS標(biāo)準(zhǔn)。在世界各國經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從2002年開始，結(jié)合我國國情、路情，已制定了統(tǒng)一的中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)為ChineseTrainControlSystem的縮寫——CTCS（暫行）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后，還做了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作,2007年頒布了《客運(yùn)專線CTCS—2級列控系統(tǒng)配置及運(yùn)用技術(shù)原則（暫行）》文件，明確規(guī)定了CTCS—2級列控系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)原則，對CTCS—3級列控系統(tǒng)提出了技術(shù)要求。CTCS列控系統(tǒng)是為了保證列車安全運(yùn)行，并以分級形式滿足不同線路運(yùn)輸需求的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。CTCS系統(tǒng)包括地而設(shè)備和車載設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)配置按功能劃分為以下5級：CTCS—0級為既有線的現(xiàn)狀，由通用機(jī)車信號和運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置構(gòu)成。CTCS—1級由主體機(jī)車信號+安全型運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置組成，面向160km/h以下的區(qū)段，在既有設(shè)備基礎(chǔ)上強(qiáng)化改造，達(dá)到機(jī)車信號主體化要求，增加點(diǎn)式設(shè)備,實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行安全監(jiān)控功能。CTCS—2級是基于軌道傳輸信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng),CTCS—2級面向提速干線和高速新線,采用車一地一體化計,CTCS—2級適用于各種限速區(qū)段,地面可不設(shè)通過信號機(jī),機(jī)車乘務(wù)員憑車載信號行車。CTCS—3級是基于無線傳輸信息并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng);CTCS—3級面向提速干線、高速新線或特殊線路，基于無線通信的固定閉塞或虛擬自動閉塞,CTCS—3級適用于各種限速區(qū)段,地面可不設(shè)通過信號機(jī)，機(jī)車乘務(wù)員憑車載信號行車。CTCS—4級是基于無線傳輸信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng),CTCS—4級面向高速新線或特殊線路，基于無線通信傳輸平臺,可實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞或移動閉塞,CTCS—4級由RBC和車載驗(yàn)證系統(tǒng)共同完成列車定位和列車完整性檢查,CTCS—4級地面不設(shè)通過信號機(jī)，機(jī)車乘務(wù)員憑車載信號行車。我國新建200km/h?250km/h客運(yùn)專線采用CTCS—2級列控系統(tǒng),300km/h?350km/h客運(yùn)專線的列控系統(tǒng)采用CTCS—3級功能，兼容CTCS—2級功能。客運(yùn)專線的CTCS—3列控系統(tǒng)包含了CTCS—2列控系統(tǒng)的全部設(shè)備，并在CTCS—2的基礎(chǔ)上增加了鐵路專用全球移動通信系統(tǒng)(GSM—R)系統(tǒng)設(shè)備。新型列車控制系統(tǒng)的核心是通信技術(shù)的應(yīng)用，鐵路通信是專門的通信系統(tǒng)，歷史上是有線通信，后來是有線和無線結(jié)合，現(xiàn)在是先進(jìn)的無線通信是GSM-RoGSM-R是一種根據(jù)目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)GSM平臺上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式的無線通信系統(tǒng)，針對鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點(diǎn)，為鐵路運(yùn)營提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。所以，GSM-R網(wǎng)絡(luò)本身不是孤立存在的，是跟鐵路的各應(yīng)用系統(tǒng)銜接在一起的，是跟信號系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)銜接在一起的。GSM-R網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過程當(dāng)中，本身是一個載體，相當(dāng)于一條為車提供行駛通道的公路。GSM-R通信系統(tǒng)包括：交換機(jī)、基站、機(jī)車綜合通信設(shè)備、手機(jī)等設(shè)備組成。從集群通信的角度來看，GSM-R是一種數(shù)字式的集群系統(tǒng)，能提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護(hù)維修組通信等語音通信功能。GSM-R能滿足列車運(yùn)行速度為0-500km/小時的無線通信要求，安全性好。GSM-R可作為信號及列控系統(tǒng)的良好傳輸平臺，正在試驗(yàn)中的ETCS歐洲列車控制系統(tǒng)(也稱FZB)和另一種用于160公里以下的低成本的列車控制系統(tǒng)(FFB),都是將GSM-R作為傳輸平臺。以青藏鐵路為例：青藏鐵路是世界上海拔最高的鐵路線，青藏線北起青海省格爾木市，途經(jīng)納赤臺、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山進(jìn)入西藏自治區(qū)境內(nèi)后，經(jīng)安多、那曲、當(dāng)雄至西藏自治區(qū)首府拉薩市，全長約1142km。絕大部分線路在高原缺氧的無人區(qū)。為了滿足鐵路運(yùn)輸通信、信號及調(diào)度指揮的需要，采用了GSM-R移動通信系統(tǒng)。青藏線GSM-R通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：1、 調(diào)度通信功能。調(diào)度通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)包括列車調(diào)度通信、貨運(yùn)調(diào)度通信、牽引變電調(diào)度通信、其他調(diào)度及專用通信、站場通信、應(yīng)急通信、施工養(yǎng)護(hù)通信和道口通信等。2、 車次號傳輸與列車停穩(wěn)信息的傳送功能。車次號傳輸與列車停穩(wěn)信息對鐵路運(yùn)輸管理和行車安全具有重要的意義，它可通過基于GSM-R電路交換技術(shù)的數(shù)據(jù)采集傳輸應(yīng)用系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，也可以采用GPRS方式來實(shí)現(xiàn)。3、 調(diào)度命令傳送功能。鐵路調(diào)度命令是調(diào)度所里的調(diào)度員向司機(jī)下達(dá)的書面命令，它是列車行車安全的重要保障。采用GSM-R系統(tǒng)傳輸通道傳輸調(diào)度命令無疑將加速調(diào)度命令的傳遞過程，提高工作效率。4、 列車尾部裝置信息傳送功能。將尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)反饋傳輸通道納入GSM-R通信系統(tǒng)，可以方便地解決尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)傳輸問題。5、 調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控信息系統(tǒng)傳輸功能。提供調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備和多臺車載設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠存儲進(jìn)入和退出調(diào)車模式的有關(guān)信息。6、 列車控制數(shù)據(jù)傳輸功能。采用GSM-R通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車地間雙向無線數(shù)據(jù)傳輸，提供車地之間雙向安全數(shù)據(jù)傳輸通道。7、 區(qū)間移動公務(wù)通信。在區(qū)間作業(yè)的水電、工務(wù)、信號、通信、供電、橋梁守護(hù)等部門內(nèi)部的通信，均可以使用GSM-R作業(yè)手持臺，作業(yè)人員在需要時可與車站值班員、各部門調(diào)度員或自動電話用戶聯(lián)系。緊急情況下，作業(yè)人員還可以呼叫司機(jī)，與司機(jī)建立通話聯(lián)絡(luò)。8、 應(yīng)急指揮通信話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。應(yīng)急通信系統(tǒng)是當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害或突發(fā)事件等影響鐵路運(yùn)輸?shù)木o急情況時，在突發(fā)事件現(xiàn)場與救援中心之間，以及現(xiàn)場內(nèi)部采用GSM-R通信系統(tǒng)，建立語音、圖像、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。再以高速鐵路為例：2008年在世界高速鐵路大會上，與會代表就高速鐵路定義進(jìn)行討論以后，最后，達(dá)成三點(diǎn)新的共識:一是新建的專用鐵路。強(qiáng)調(diào)是新建的專用鐵路，既有的鐵路線不能算；另一層，“專用”含義是單指客運(yùn)，沒必要搞一個超高速度的貨運(yùn)列車。二是，在新建的專用鐵路線上，開行達(dá)到運(yùn)營時速250公里以上的動車組列車。三是采用了開行高速鐵路列車的運(yùn)行控制系統(tǒng)，這種運(yùn)行控制系統(tǒng)和普速的鐵路是完全不同的，它是一個電腦化的控制系統(tǒng)，這是高速鐵路最核心技術(shù)。我們知道列車運(yùn)行控制系統(tǒng)都是機(jī)器控制和人控制相結(jié)合的。傳統(tǒng)普速鐵路是以人控為主，機(jī)器做輔助的；而高速鐵路是反過來，機(jī)器控制優(yōu)先為主，人是輔助的。高速鐵路必須要用這樣一個先進(jìn)的高鐵的運(yùn)營控制系統(tǒng)，我們才能認(rèn)定說這條線路是高速鐵路。特別時速300公里以上的高速鐵路，一些線路要采用CTCS3級列控技術(shù)，這就要利用GSM-R鐵路移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)作為信息傳輸?shù)囊环N手段。CTCS3還要求有一個無線閉塞中心，這個閉塞中心要采集一些信息，以無線GSM-R網(wǎng)絡(luò)向車載系統(tǒng)來提供信息。因?yàn)镚SM-R是無線通信，無線信道是變參信道，從信道的角度講它的傳輸環(huán)境是可變的。而且，GSM-R本身是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及的設(shè)備運(yùn)用、網(wǎng)絡(luò)管理因素很多，要想有效、可靠地傳輸這些信息，實(shí)際上對GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，對系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的質(zhì)量就提出了非常苛刻的要求。從以二例充分說明，21世紀(jì)以來，隨著全球鐵路跨越式的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用到鐵路一一這個近代文明產(chǎn)物，使得鐵路包含的高科技含量也越來越多。今天的鐵路早已不是單純的以列車和鐵軌的合成工作所定義的概念。鐵路的通信系統(tǒng)越來越重要，它也迎來了劃時代的轉(zhuǎn)變，鐵路無線全球通信系統(tǒng)的GSM--R的建設(shè)和使用，表明成長中的我國鐵路正在不斷吸取國外鐵路的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成果，努力提升自身的經(jīng)濟(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)和規(guī)模水平，加快發(fā)展步伐,爭取在較短時間內(nèi)運(yùn)輸能力滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要，實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。總之，我國鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)具備一定基礎(chǔ)。但還不能滿足我國鐵路客運(yùn)專線和城市軌道交通的發(fā)展需求，其列控系統(tǒng)基本還是靠引進(jìn)。國外系統(tǒng)雖具有先進(jìn)、相對成熟的特點(diǎn)，但造價高和運(yùn)營維護(hù)成本高，技術(shù)受制于人。為此，我國應(yīng)加快發(fā)展適合于我國國情的列控系統(tǒng)。在鐵路交通方面，參照歐洲列控系統(tǒng)(ETCS)發(fā)展的中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS)，并采用專門為鐵路劃分頻段的全球移動通信系統(tǒng)(GSM-R)歐洲標(biāo)準(zhǔn)作為發(fā)展我國鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以建設(shè)無線列調(diào)、無線通信業(yè)務(wù)和列車控制系統(tǒng)信息傳輸通道；在城市軌道交通領(lǐng)域參照相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，采用商用設(shè)備COTS技術(shù)發(fā)展列控系統(tǒng)。在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的同時，研究新一代基于移動通信的列控系統(tǒng)(CBTC)，來確保鐵路、城市軌道交通列車運(yùn)行安全和提高運(yùn)輸效率，迫切需要裝備性能先進(jìn)、安全可靠的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。□由于GSM-R的網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，不是簡單的設(shè)備連接，或者是簡單的設(shè)備開通。它是一個大的系統(tǒng)，這個大的系統(tǒng)本身就有各個環(huán)節(jié)。而且網(wǎng)絡(luò)本身就受到無線信號環(huán)境以及氣候環(huán)境等諸多因素的影響。要注意GSM-R的電磁環(huán)境，其干擾源主要一是系統(tǒng)內(nèi)部干擾，主要是由頻率規(guī)劃和小區(qū)規(guī)劃不當(dāng)?shù)茸陨碓蛟斐傻耐l、鄰頻干擾等；二是外部干擾又分為來自中國移動GSM網(wǎng)的干擾，CDMA基站下行鏈路對GSM-R上行鏈路的干擾，全頻段或部分頻段人為故意大信號堵塞干擾等。如排除自身因素和人為因素，GSM—R的干擾最可能來源于與其共享頻率資源的中國移動GSM—R網(wǎng)絡(luò)。在如此復(fù)雜的電磁環(huán)境中，應(yīng)對GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“無線空中管制”，為列車控制系統(tǒng)創(chuàng)造無“污染”的通信天空。采用何種方案來與中國移動等單位進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而保證GSM-R正常的無線通信環(huán)境，將是鐵路面臨的一個緊迫而重要的問題。還有無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況會隨著時間和地點(diǎn)的變化而變化?？赡茉谖覀冮_工的時候，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量沒有問題，傳控系統(tǒng)也沒有問題。但是在設(shè)備的互相影響和無線信道變化的影響下，系統(tǒng)會發(fā)生一些變化。這就要求我們在運(yùn)營維護(hù)的時候能夠通過有效手段監(jiān)測到干擾，并防止干擾。換句話說，高速鐵路對整個GSM-R的無線系統(tǒng)和運(yùn)行維護(hù)提出了很高的要求。從我國目前的GSM-R系統(tǒng)主要有三個設(shè)備供應(yīng)商。我國的GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在剛開始的時候是按某一單線來建的，以后會過渡到將各條線逐步連在一起作為一張網(wǎng)來管理。從專業(yè)的角度來說，GSM-R更多的應(yīng)用需要有前期認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)以及應(yīng)用和推廣三個階段。目前只是停留在系統(tǒng)建設(shè)期，基本上還沒有開始成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用起來，還沒有到成熟