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(jiǎn)稱列控）是鐵路運(yùn)輸極重要的環(huán)節(jié)。隨著對(duì)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(jì)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(shí)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(hào)相對(duì)獨(dú)立的傳統(tǒng)技術(shù)。它包括機(jī)車信號(hào)、自動(dòng)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(hào)和自動(dòng)停車裝置都可單獨(dú)使用，也可以同時(shí)安裝。新一代鐵路信號(hào)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(shì)看是向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)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(dòng)條件。發(fā)展中的列控系統(tǒng)將成為一個(gè)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(cè)為一體的綜合業(yè)務(wù)管理的自動(dòng)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(jí)階段的機(jī)車信號(hào)與自動(dòng)停車裝置，發(fā)展到列車速度監(jiān)督系統(tǒng)與列車自動(dòng)操縱系統(tǒng)。隨著列車速度的不斷提高，隨著計(jì)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(hào)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(huì)和國際鐵路聯(lián)盟的推動(dòng)下，為信號(hào)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(jí)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(jí)列控系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)原則，對(duì)CTCS—3級(jí)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(jí)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(jí)：CTCS—0級(jí)為既有線的現(xiàn)狀，由通用機(jī)車信號(hào)和運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置構(gòu)成。CTCS—1級(jí)由主體機(jī)車信號(hào)+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(hào)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(jí)是基于軌道傳輸信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng),CTCS—2級(jí)面向提速干線和高速新線,采用車一地一體化計(jì),CTCS—2級(jí)適用于各種限速區(qū)段,地面可不設(shè)通過信號(hào)機(jī),機(jī)車乘務(wù)員憑車載信號(hào)行車。CTCS—3級(jí)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(jí)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(dòng)閉塞,CTCS—3級(jí)適用于各種限速區(qū)段,地面可不設(shè)通過信號(hào)機(jī)，機(jī)車乘務(wù)員憑車載信號(hào)行車。CTCS—4級(jí)是基于無線傳輸信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng),CTCS—4級(jí)面向高速新線或特殊線路，基于無線通信傳輸平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)虛擬閉塞或移動(dòng)閉塞,CTCS—4級(jí)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(jí)地面不設(shè)通過信號(hào)機(jī)，機(jī)車乘務(wù)員憑車載信號(hào)行車。我國新建200km/h?250km/h客運(yùn)專線采用CTCS—2級(jí)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(jí)功能，兼容CTCS—2級(jí)功能?？瓦\(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(dòng)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(tái)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(duì)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(hào)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(gè)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(shí)的無線通信要求，安全性好。GSM-R可作為信號(hào)及列控系統(tǒng)的良好傳輸平臺(tái)，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(tái)。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(tái)、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(zhǎng)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(hào)及調(diào)度指揮的需要，采用了GSM-R移動(dòng)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(chǎng)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(hào)傳輸與列車停穩(wěn)信息的傳送功能。車次號(hào)傳輸與列車停穩(wěn)信息對(duì)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(hào)和監(jiān)控信息系統(tǒng)傳輸功能。提供調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備和多臺(tái)車載設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠存儲(chǔ)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(dòng)公務(wù)通信。在區(qū)間作業(yè)的水電、工務(wù)、信號(hào)、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(tái)，作業(yè)人員在需要時(shí)可與車站值班員、各部門調(diào)度員或自動(dòng)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(shí)，在突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)與救援中心之間，以及現(xiàn)場(chǎng)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(huì)上，與會(huì)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(shí):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(gè)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(shí)速250公里以上的動(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)速300公里以上的高速鐵路，一些線路要采用CTCS3級(jí)列控技術(shù)，這就要利用GSM-R鐵路移動(dòng)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(gè)無線閉塞中心，這個(gè)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(gè)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(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的質(zhì)量就提出了非?？量痰囊?。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(gè)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(shí)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(zhǎng)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(zhēng)取在較短時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸能力滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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?？傊?，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(duì)成熟的特點(diǎn)，但造價(jià)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(dòng)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(dòng)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(shí)，研究新一代基于移動(dòng)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)?！跤捎贕SM-R的網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單的設(shè)備連接，或者是簡(jiǎn)單的設(shè)備開通。它是一個(gè)大的系統(tǒng)，這個(gè)大的系統(tǒng)本身就有各個(gè)環(huán)節(jié)。而且網(wǎng)絡(luò)本身就受到無線信號(hào)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(dòng)GSM網(wǎng)的干擾，CDMA基站下行鏈路對(duì)GSM-R上行鏈路的干擾，全頻段或部分頻段人為故意大信號(hào)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(dòng)GSM—R網(wǎng)絡(luò)。在如此復(fù)雜的電磁環(huán)境中，應(yīng)對(duì)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(dòng)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(gè)緊迫而重要的問題。還有無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況會(huì)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的變化而變化?？赡茉谖覀冮_工的時(shí)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(huì)發(fā)生一些變化。這就要求我們?cè)谶\(yùn)營維護(hù)的時(shí)候能夠通過有效手段監(jiān)測(cè)到干擾，并防止干擾。換句話說，高速鐵路對(duì)整個(gè)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(gè)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(shí)候是按某一單線來建的，以后會(huì)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(gè)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