CTCS-3级列控系统关键设备自主化研究

杨志杰

【摘 要】CTCS-3级列控系统(简称C3列控系统)是保障我国高速铁路安全、高效运营的重要技术装备.既有国产化C3列控系统受核心技术掌握程度的制约,影响我国高速铁路信号技术的进一步发展.开展自主化研究,掌握C3列控系统核心技术、研制关键设备构建自主化C3列控技术体系,是满足我国高速铁路信号技术提升和高速铁路走向世界的要求.介绍C3列控系统关键设备自主化研究的背景和工作过程,对自主化研究在标准规范、关键设备平台、核心软件、系统架构及功能优化等方面取得的成果进行重点阐述. 【期刊名称】《中国铁路》 【年(卷),期】2018(000)007 【总页数】6页(P1-6)

【关键词】CTCS-3;列控系统;自主化;ATP;RBC;车载VC 【作 者】杨志杰

【作者单位】中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京100081 【正文语种】中 文 【中图分类】U284

信号系统在高速铁路中发挥着神经和大脑的作用，是整个高速铁路系统安全和高效运营的重要保证。随着当前先进的通信、控制和计算机技术的快速发展，列车运行

控制系统成为整个高速铁路信号系统的关键部分。 1 背景

2004年，原铁道部发布《CTCS技术规范总则（暂行）》[1]，参考ETCS等国外标准，结合我国铁路具体情况给出了CTCS的定义、目标和体系框架。CTCS-3级是总则中根据系统配置按功能划分的一个等级标准，是由无线闭塞中心（RBC）生成行车许可、GSM-R实现车-地信息双向传输、应答器用于列车定位、轨道电路用于列车占用及完整性检查，车载设备采用目标距离连续速度控制模式、设备制动优先的方式监控列车安全运行。CTCS-3级列控系统（简称C3列控系统）按兼容CTCS-2级列控系统的标准统一配置车载和地面设备。

C3列控系统由地面系统和车载系统两大部分组成。地面系统由RBC、列控中心（TCC）、临时限速服务器（TSRS）、轨道电路、应答器、GSM-R网络及相应接口设备等组成。车载设备由车载安全计算机（VC）、GSM-R无线通信单元（RTU）、轨道电路信息读取器（TCR）、应答器传输模块（BTM）、司法/数据记录单元（JRU/DRU）、人机界面（DMI）等组成[2]。其中地面RBC和车载VC是C3列控系统的核心设备。

2007年，原铁道部成立C3技术攻关组，依托武广、郑西和广深港等高速铁路建设项目，开展C3列控系统的创新研发工作，集中多家单位技术力量，对总体方案搭建、标准规范、设备国产化、系统集成等展开深入研究，在引进国外技术平台的基础上，实现了RBC和车载设备的国产化，并成功应用于武广、郑西、京沪、广深等高铁线路[3]。

国产化C3列控系统的研制和应用，对我国列控系统的技术发展和铁路装备现代化发挥了重要作用。但鉴于当时的情况，以引进、消化、吸收为主，系统采用的是国外引进的技术平台，部分核心部件、核心技术仍被国外厂商垄断，导致目前关键设备在核心部件采购、设计理念、运营维护及系统优化升级等方面均受到外方一定程

度的，制约了我国高速铁路建设及信号技术的持续发展。同时，国产化平台受使用范围的，对推进落实我国“一带一路”倡议，实施高速铁路“走出去”战略也有较大影响。为进一步促进我国列控技术发展，解决存在的问题，研究开发具备自主知识产权的C3列控系统是紧迫的、必要的。 2 C3列控系统关键设备自主化研发和试验过程

2014年，中国铁路总公司（简称总公司）科技管理部委托中国铁道科学研究院集团有限公司（简称铁科院集团公司），依托科研开发重点课题“列控系统设备自主化及技术要求研究”和“铁路信号安全计算机平台及技术要求研究”，研究开发具有自主知识产权的列控系统关键设备，并计划在大西线开展自主化C3列控系统现场试验。铁科院集团公司结合自身优势，于2015年又立项院基金重大课题项目“CTCS-3级列控系统关键设备自主化研究”，专项对C3列控系统自主化研究予以支持，研制了基于新一代自主化TTSPC型安全计算机平台的CTCS-3级列车超速防护系统（ATP）车载设备和基于既有成熟自主化AT96DDMR安全计算机平台的RBC设备，建设C3列控系统仿真实验室，提升了国家环行铁道信号试验环境水平，组建自主化C3列控系统研发团队，以满足我国高速铁路运营技术提升的要求和高速铁路走向国际的需求[4]。

2015年底，铁科院集团公司完成CTCS3-YH型自主化C3车载设备、RBC-YH型自主化RBC设备的开发，同步完成车载、地面相关仿真设备的开发以及C3系统实验室仿真平台的搭建。2016年初自主化C3列控系统通过实验室全功能测试。CTCS3-YH型自主化车载设备、RBC-YH型自主化RBC设备组成分别见图1和图2，C3列控系统仿真实验室集成测试环境见图3。 图1 CTCS3-YH型自主化车载设备组成 图2 RBC-YH型自主化RBC设备组成

图3 C3列控系统仿真实验室系统集成测试环境

同时，通过对环行线既有GSM-R无线网络设备扩容改造并增设C3列控系统实验室、环行线、GSM-R实验室之间的数字通道，在环行铁道试验基地搭建满足C3列控系统动态试验平台，环行线C3列控系统测试环境及设备分布见图4。2016年4—5月，在环行铁道试验基地完成实车试验，及时发现并调整了设计中存在的问题，优化系统方案，为现场试验和后期工程实施提供帮助。

2016年6月—2017年1月，在总公司的组织下，依托大西线综合试验段，铁科院集团公司及其他厂家的自主化C3列控系统进行了历时8个月的现场试验，除完成自主化测试大纲中规定的522个现场测试案例外，还首次进行了国产化C3设备与自主化C3设备间的互联互通试验。铁科院集团公司自主化C3车载设备和RBC设备的功能、关键技术参数以及互联互通性能均满足C3列控系统相关技术规范的要求，为下一步自主化C3列控系统的功能完善和改进、系统运用和升级等提供了支撑。

自2018年6月开始，在总公司组织下，铁科院集团公司及其他厂家的自主化C3列控系统在京沈客专试验段进一步开展试验，包括持续高速运行条件下自主化C3列控系统功能及性能验证、列车追踪条件下自主化C3列控系统功能测试以及多车条件下自主化C3列控系统故障试验等。通过试验将进一步测试验证自主化C3列控系统的功能与性能，优化系统技术方案，提高设备的稳定性，为设备上线使用进行技术储备，同时进一步完善我国自主化C3列控系统技术标准体系。 图4 环行铁道试验基地C3列控系统测试环境及设备分布 3 自主化C3列控系统研发成果

3.1 进一步完善C3列控系统的标准规范体系

针对C3列控系统，我国已经发布了一系列标准规范，建立了一个标准规范体系，但是以直接引用国外规范为主。在C3列控系统建设和运用过程中，暴露出一些规范不完善和不适应我国铁路运输的具体需求等问题。为了引领与指导自主化C3列

控系统的研究与应用，完善C3列控系统的技术体系，总公司组织编制了《自主化CTCS-3级列控车载设备暂行技术条件》和《自主化无线闭塞中心暂行技术条件》等一系列新的标准规范。新规范在参考既有技术规范的基础上，消除了存在的问题，总结在高速铁路建设和运营中列控系统取得的成功经验，并对自主化C3列控系统提出新的要求。

3.2 实现C3列控系统关键设备自主化

铁科院集团公司并不是C3列控系统的国产化接受方，但在列控团队坚持不懈地努力下，2015年已经可以提供包括地面TCC、TSRS、应答器，车载BTM、TCR等多种C3列控系统设备。随着对C3列控系统关键设备的深入研究，铁科院集团公司在C3列控系统平台技术方面也取得重大突破，研发成功CTCS3-YH型ATP车载设备和RBC-YH型RBC设备，实现了车载VC和地面RBC的自主化。 自主化C3列控系统车载VC采用源于航空技术的TTSPC型安全计算机平台，根据高速铁路车载运行环境的要求，以及铁路信号系统的故障-安全原则重新进行优化设计，具有完全自主知识产权，满足自主化C3列控系统SIL4级应用的要求。其体系架构的制定充分考虑了计算机系统的安全性、可靠性等方面的需求，采用冗余技术以及支持资源共享和重构的架构，其开放式、模块化的体系结构极好地支持系统重构、系统扩展和系统维护，充分满足列控系统车载设备对安全性和可靠性的严苛要求。

自主化C3列控系统地面RBC采用基于二乘二取二组合式失效-安全设计的AT96DDMR安全计算机平台[5]，实现列控系统行车许可的逻辑控制和安全通信功能。该平台拥有完全自主知识产权，通过了SIL4级安全认证，且广泛应用于计算机联锁、TCC和TSRS，已在多条高速铁路线路有成熟应用的业绩。RBC与计算机联锁、TCC、TSRS等地面设备的硬件规格统一，现场维护人员利于掌握，备品备件利于统一管理，也为维护维修创造了便利条件。

3.3 实现列控系统核心软件自主化

自主化C3车载设备及地面RBC设备的软件均为自主开发。系统软件设计遵循层次化、模块化、结构化，运用半形式化方法和工具，在软件设计和编码，系统调试、测试与仿真等方面进行创新，确保软件设计开发的质量和系统的安全完整性等级符合要求。

3.3.1 车载安全计算机软件

自主化C3车载安全计算机中，主控模块软件从逻辑上可分为3层：最底层是安全平台层软件，中间层是平台适配层软件，最上层是应用层软件。

安全平台层软件主要是自主研制的MRTOS2.0嵌入式实时操作系统，是VC的关键核心软件之一，负责调度系统任务的可靠完成；平台适配层软件为安全计算机操作系统与应用软件之间的接口层软件，采用硬实时运行方式，由安全计算机操作系统保证每个任务的启动和结束都在规定的时间间隔内，确保满足硬实时性和SIL4级安全完整性等级的需求；应用层软件又分为C3功能模块和C2功能模块，用以实现列控车载系统的基础逻辑控制功能、输入与输出功能以及应用支持功能。 3.3.2 地面RBC设备软件

RBC设备软件可分为平台软件和应用软件两大部分。平台软件主要实现调度处理、安全及非安全相关通信处理、冗余控制处理等功能，完成同步控制及数据传输、同步比较处理、状态及状态转换处理等工作。应用软件实现RBC的应用功能，主要完成逻辑运算、通信处理和记录查询等功能，应用软件通过预定义接口与平台程序联合编译，运行于二乘二取二平台的4个CPU中。应用软件提供接口，供平台软件调用。

3.4 进一步完善C3列控系统架构并优化系统功能

（1）车载设备采用冗余配置，单系设备故障可实现不停车自动切换。目前国产化C3列控车载设备均设计了双系冗余结构。但在列车运行过程中如单系发生故

障，除300H型外，300T型和300S型都需要停车后才能切换到另一系，影响列车运营效率。自主化C3车载设备采用冗余配置，当车载主机、BTM、TCR等设备故障后，可在不停车情况下自动切换到另一系[6]。自主化C3车载设备通过在系统及功能上无缝切换技术的突破，提升了系统可靠性，保证了铁路的高效运营。 （2）实现了车载主控单元C3/C2一体化。目前国产化C3车载设备，除300H型外，300T型和300S型都将C3控制单元和C2控制单元分开设置，分为2个单元。自主化C3车载VC采用统一的C3/C2主控单元，相对的C3、C2软件模块，用一个硬件模块就能实现C2级和C3级的功能，将原来内部总线通信转换为软件程序内部访问，不但减少通信开销和提升系统响应时间，还减化了系统结构，减少了维护工作量。

（3）C3行车许可融合轨道电路信息。自主化C3车载设备在完全监控模式下，可将由RBC提供的列车行车许可MA（Moving Authority）与轨道电路提供的MA进行安全比较，进一步优化了C3列控车载设备结合轨道电路信息校验RBC发送的行车许可的处理逻辑。将2个信息来源的控车曲线进行比较，实现了C3行车许可与轨道电路信息的有机融合，从而提高C3列控系统整体的安全性。同时，由于轨道电路信息是经由轨旁电缆、钢轨传输的，属于专用信息网络传输系统，将其与开放网络传输的控车信息结合使用，进一步强化了C3列控系统的信息安全。 （4）支持采用GPS/北斗卫星时间授时。自主化C3车载设备技术条件明确规定“JRU应采用GPS/北斗卫星时间，具备向车载主控单元授时的功能，车载主控单元应根据JRU时钟自动校时”。各厂家在自主化C3列控系统研发中，也都采取措施进行主控单元与车载设备各主要模块的自动校时，使各模块的系统时间保持同步。这样不但有利于设备维护，也便于出现问题后的查找分析。同时规范要求自主化C3列控系统支持采用北斗卫星授时，也是对我国北斗卫星系统建设的支持，对于国家战略的实现具有重要意义。

3.5 实现C3车载设备安装的简统化和司机操作的标准化

国产化C3车载设备的外形尺寸、结构配置、安装方式等差异较大，动车组需要针对不同型号的车载设备进行专门设计。自主化C3车载设备在研发过程中，按照总公司要求，制定了《自主化CTCS-3级列控车载设备简统化安装方案》，统一规定了不同型号自主化C3车载设备的安装空间、安装方式、接口要求等技术指标，为自主化C3列控设备的简统化奠定了良好基础。

国产化C3车载设备由于各自源头技术不同，造成系统的人机显示界面、操作流程各不相同，给机务部门的标准化作业和管理带来不便。自主化C3列控系统从技术标准上定义了标准化的人机显示界面和标准化的司机操作方法，所有车载设备的研发均以此为依据，实现了显示和操作的标准化，提升了司机培训和操作的标准化水平。 4 展望

伴随着我国高速铁路的建设与运营，CTCS技术也取得了长足发展。铁科院集团公司在总公司统筹协调组织下，开展自主化C3列控系统的研发和试验工作。在总结和吸收前期经验的基础上，充分考虑设备简统化和互联互通的要求，通过对标准规范体系的补充完善，对我国C3列控系统的技术体系进行了优化与提升；通过对自主化C3列控系统设备的研发，使系统在可用性、可维护性和相关安全功能等方面得到加强。

自主化C3列控系统技术与装备的研发、试验工作是对前一阶段我国高速铁路列控系统发展的经验总结，并深入掌握了C3列控系统的核心技术。通过制定自主化C3级列控系统的新规范，并开展相关产品的研发，既培养和锻炼了我国列控系统的研发人才和团队，也体现并检验了我国列控系统的正向研发能力。自主化C3列控系统的研发，使我国站在了全球高速铁路列控技术发展前沿，相关核心技术的攻关提升了我国铁路信号技术的影响力与核心竞争力，为后续我国列控系统的发展奠

定了基础，也为我国未来高速铁路的建设与运营提供了坚实的技术支撑。 参考文献

【相关文献】

[1] 科技运函〔2004〕14号 CTCS技术规范总则（暂行）[S]. [2] 科技运〔2008〕34号 CTCS-3级列控系统总体技术方案[S].

[3] 黄卫中，贾琨，刘人鹏. 我国铁路CTCS-3级列控系统的分析与研究[J]. 铁道通信信号，2010(4)：1-6，21.

[4] 中国铁道科学研究院. CTCS-3级列控系统关键设备自主化研究[R]. 北京，2017. [5] 段武. 铁路信号的失效-安全及其基本原则[J]. 铁道通信信号，2016(7)：1-10. [6] 铁总科信〔2018〕50号 自主化CTCS-3级列控车载设备暂行技术条件[S].