2005培训教材[25]--CTCS技术规范总则.doc

2005培训教材中国列车运行控制系统CTCS技术规范总则（暂行）（报批稿）二三年十月 北京铁道第四勘察设计院通号处复制二五年六月目 录CTCS技术规范-总则11 范围与目标12 引用标准13 名词术语13.1 名词术语13.2 缩写语14 系统描述24.1 定义24.2 基本功能24.3 CTCS体系结构34.4 系统构成35 CTCS分级45.1 CTCS 0级45.2 CTCS 1级55.3 CTCS 2级55.4 CTCS 3级65.5 CTCS 4级76 CTCS级间关系87 CTCS系列规范8附录A9A.1 CTCS背景9A.2 ERTMS概述10A.3 ETCS简介12A.4 GSM-R简介12前 言为适应铁路跨越式发展，保证我国铁路运输安全，满足互通运营需求，适应提速战略和高速建设的实施，迫切需要规范化的列车运行控制系统。本标准结合中国国情，以现行铁路技术管理规程为依据，以ETCS技术规范为蓝本进行编制。本标准起草单位： 铁道部运输局基础部中国铁道科学研究院北京交通大学北京全路通信信号研究设计院北京和利时浩通科技发展有限公司本标准主要起草人：马念文、范明、杨悌惠、唐涛、钟章队、李开成、罗松、黄蔚、陆伟、何春明、李智。CTCS技术规范-总则1 范围与目标本标准规定中国列车运行控制系统（简称CTCS）技术体制及基本框架。本标准适用于各种铁路区段及客运列车。本标准为CTCS技术规范总则。本标准目标是提高安全性能，满足互通运营，规范系统设计，适应发展需求。2 引用标准TBT 1407-1998 列车牵引计算规程EEIG FRS-Version 4.29 ETCS功能需求规范SUBSET-026 ETCS系统需求规范99E5362 ETCS功能综述3 名词术语3.1 名词术语允许速度列车运行过程中允许达到的最高安全速度。目标速度列车运行前方目标点允许的最高速度。目标距离列车前端至运行前方目标点的距离。目标距离模式曲线以目标速度、目标距离、线路条件、列车特性为基础生成的保证列车安全运行的一次制动模式曲线。3.2 缩写语ATP（Automatic Train Protection），列车超速防护。CTC（Centralized Traffic Control），调度集中。CTCS（Chinese Train Control System），中国列车运行控制系统。DMIS（Dispatch Management Information System），列车运行调度管理信息系统。EMC（ElectroMagnetic Compatibility），电磁兼容性。ETCS（European Train Control System），欧洲列车运行控制系统。ETML（European Traffic Management Layer），欧洲铁路运输管理层。ERTMS（European Railway Traffic Management System），欧洲铁路运输管理系统。FRS（Functional Requirements Specifications），功能需求规范。GSMR（Global System Mobile for Railway），铁路专用全球移动通信系统。RBC（Radio Block Center），无线闭塞中心。SRS（System Requirements Specifications），系统需求规范。4 系统描述4.1 定义CTCS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技术规范。4.2 基本功能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。4.2.1 安全防护4.2.1.1 在任何情况下防止列车无行车许可运行。4.2.1.2 防止列车超速运行。a. 防止列车超过进路允许速度。b. 防止列车超过线路结构规定的速度。c. 防止列车超过机车车辆构造速度。d. 防止列车超过临时限速及紧急限速。e. 防止列车超过铁路有关运行设备的限速。4.2.1.3 防止列车溜逸。4.2.1.4 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。4.2.2 人机界面为机车乘务员提供的必须的显示、数据输入及操作装置。4.2.2.1 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。4.2.2.2 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。4.2.2.3 机车乘务员输入装置应配置必要的开关、按钮和有关数据输入装置。4.2.2.4 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入数据进行有效性检查。4.2.3 检测功能4.2.3.1 具有开机自检和动态检查功能。4.2.3.2 具有关键数据和关键动作的记录功能及监测接口。4.2.4 可靠性和安全性4.2.4.1 按照信号故障导向安全原则进行系统设计。4.2.4.2 采用冗余结构。4.2.4.3 满足电磁兼容性相关标准。4.3 CTCS体系结构CTCS的体系结构按铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。铁路运输管理层网络传输层地面设备层车载设备层4.3.1 铁路运输管理层铁路运输管理系统是行车指挥中心，以CTCS为行车安全保障基础，通过通信网络实现对列车运行的控制和管理。4.3.2 网络传输层CTCS网络分布在系统的各个层面，通过有线和无线通信方式实现数据传输。4.3.3 地面设备层地面设备层主要包括列控中心、轨道电路和点式设备、接口单元、无线通信模块等。列控中心是地面设备的核心，根据行车命令、列车进路、列车运行状况和设备状态，通过安全逻辑运算，产生控车命令，实现对运行列车的控制。4.3.4 车载设备层车载设备层是对列车进行操纵和控制的主体，具有多种控制模式，并能够适应轨道电路、点式传输和无线传输方式。车载设备层主要包括车载安全计算机、连续信息接收模块、点式信息接收模块、无线通信模块、测速模块、人机界面和记录单元等。4.4 系统构成4.4.1 CTCS的构建原则相邻列控中心车载设备机车乘务员轨道电路列控中心联锁设备点式设备无线通信模块人机界面jiemian 口输出模块列车输入模块点式信息接收模块测速模块入模块地面设备连续信息接收模块无线通信模块调度集中系统维护管理中心GSM-R设备维护记录单元运行管理记录单元车载安全计算机参照国际标准，结合国情，从需求出发，按系统条件和功能划分等级。CTCS体系的构建原则是以地面设备为基础，车载与地面设备统一设计。系统结构如图所示。5 CTCS分级列车运行控制系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置按功能划分为5级。5.1 CTCS 0级CTCS 0级为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成。5.2 CTCS 1级5.2.1 总体描述由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成。面向160km/h以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。5.2.2 地面子系统组成5.2.2.1 轨道电路完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传送控制信息。车站正线采用与区间同制式的轨道电路，侧线采用与区间同制式的叠加电码化设备。5.2.2.2 点式设备宜设置在车站附近，主要用于向车载设备传输定位信息。5.2.3 车载子系统组成5.2.3.1 主体机车信号完成轨道电路信息的接收与处理。5.2.3.2 点式信息接收模块完成点式信息的接收与处理。5.2.3.3 安全型运行监控记录装置实时检测列车运行速度，对列车运行控制信息进行综合处理，控制列车按命令运行。5.3 CTCS 2级5.3.1 总体描述CTCS 2级是基于轨道传输信息的列车运行控制系统。CTCS 2级面向提速干线和高速新线，采用车-地一体化设计。CTCS 2级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。5.3.2 地面子系统组成5.3.2.1 列控中心根据列车占用情况及进路状态计算行车许可及静态列车速度曲线并传送给列车。5.3.2.2 轨道电路完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传送控制信息。车站与区间采用同制式的轨道电路。5.3.2.3 点式设备用于向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息等。5.3.3 车载子系统组成5.3.3.1 连续信息接收模块完成轨道电路信息的接收与处理。5.3.3.2 点式信息接收模块完成点式信息的接收与处理。5.3.3.3 测速模块实时检测列车运行速度并计算列车走行距离。5.3.3.4 设备维护记录单元对接收信息、系统状态和控制动作进行记录。5.3.3.5 车载安全计算机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。5.3.3.6 人机接口车载设备与机车乘务员交互的接口。5.3.3.7 运行管理记录单元规范机车乘务员驾驶，记录与运行管理相关的数据。5.3.3.8 预留无线通信接口。5.4 CTCS 3级5.4.1 总体描述CTCS 3级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。CTCS 3级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞。CTCS 3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。5.4.2 地面子系统组成5.4.2.1 无线闭塞中心（RBC）使用无线通信手段的地面列车间隔控制系统。它根据列车占用情况及进路状态向所管辖列车发出行车许可和列车控制信息。所使用的安全数据通道不能用于话音通信。5.4.2.2 无线通信（GSM-R）地面设备作为系统信息传输平台完成地车间大容量的信息交换。5.4.2.3 点式设备主要提供列车定位信息。5.4.2.4 轨道电路主要用于列车占用检测及列车完整性检查。5.4.3 车载子系统组成5.4.3.1 无线通信（GSM-R）车载设备作为系统信息传输平台完成车地间大容量的信息交换。5.4.3.2 点式信息接收模块完成点式信息的接收与处理。5.4.3.3 测速模块实时检测列车运行速度并计算列车走行距离。5.4.3.4 设备维护记录单元对接收信息、系统状态和控制动作进行记录。5.4.3.5 车载安全计算机 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。5.4.3.6 人机接口车载设备与机车乘务员交互的接口。5.4.3.7 运行管理记录单元规范机车乘务员驾驶，记录与运行管理相关的数据。5.5 CTCS 4级5.5.1 总体描述CTCS 4级是基于无线传输信息的列车运行控制系统。CTCS 4级面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。CTCS 4级由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查。CTCS 4级地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。5.5.2 地面子系统组成5.5.2.1 无线闭塞中心（RBC）使用无线通信手段的地面列车间隔控制系统。它根据列车占用情况及进路状态向所管辖列车发出行车许可和列车控制信息。所使用的安全数据通道不能用于话音通信。5.5.2.2 无线通信（GSM-R）地面设备作为系统信息传输平台完成地车间大容量的信息交换。5.5.3 车载子系统组成5.5.3.1 无线通信（GSM-R）车载设备作为系统信息传输平台完成车地间大容量的信息交换。5.5.3.2 测速模块需要时，实时检测列车运行速度并计算列车走行距离。5.5.3.3 设备维护记录单元对接收信息、系统状态和控制动作进行记录。5.5.3.4 车载安全计算机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。5.5.3.5 人机接口车载设备与机车乘务员交互的接口。5.5.3.6 全球卫星定位或其他设备提供列车定位及列车速度信息。5.5.3.7 列车完整性检查设备。5.5.3.8 运行管理记录单元规范机车乘务员驾驶，记录与运行管理相关的数据。6 CTCS级间关系 符合CTCS规范的列车超速防护系统应能满足一套车载设备全程控制的运用要求。 系统车载设备向下兼容。 系统级间转换应自动完成。 系统地面、车载配置如具备条件，在系统故障条件下应允许降级使用。 系统级间转换应不影响列车正常运行。 系统各级状态应有清晰的表示。7 CTCS系列规范CTCS规范包括：（1） CTCS技术规范总则（2） CTCS功能需求规范（3） CTCS系统需求规范（4）查询应答器技术规范（5）列控中心技术规范（6）MMI功能接口规范（7）与车载其他系统接口规范（8）无线信息传输功能接口规范（9）术语和缩写附录AA.1 CTCS背景“十五”期间是中国铁路高速发展的时期，干线铁路将进一步提速，秦沈客运专线将建成通车，青藏铁路和高速铁路也将要开工建设。为确保列车运行安全和提高运输效率，迫切需要装备性能先进、安全可靠的列车运行控制系统。1990年初中国技术人员研制了用于保障行车安全的JK-2H、LKJ93、LKJ2000运行监控记录装置。从1995年起到2001年总共安装机车14500余台，占到适用机车的100%，安全效果显著。普遍使用监控装置的“九五”国家计划期间与少量使用监控装置的“八五”期间相比，铁路行车重大、大事故发生率和险性事故发生率下降了32.4%和63.5%。监控装置重点防范的列车冒进信号险性事故减少尤为明显。“九五”期间比“八五”期间下降了87.2%。郑武线引进UM71轨道电路TVM300车载ATP系统（UT），推进了我国列车超速防护系统的发展。国产化的UM71系列ZPW2000系统经过现场试验通过铁道部技术鉴定，将成为今后我国自动闭塞制式的主流。在TVM300车载ATP设备基础上，国内成功研制的LSK列车超度防护系统已在广深准高速铁路运营。该设备1998年成功地安装在我国第一列投入运营的200km/h摆式列车上。但是中国列控系统的发展仍处于初级阶段，由于缺乏系统设计，没有与国际标准接轨，加之中国铁路信号制式的复杂性，用户需求定义不充分，因此尚不能满足铁路跨越式发展的需求。铁道部2002年开始立项对ETCS技术规范进行研究，提出发展CTCS的战略目标，确定GSMR作为发展中国铁路综合数字移动通信网络的技术体制，采用GSMR建设无线列调、无线通信业务和列车控制系统信息传输通道。目前CTCS系统框架已基本完成， CTCS 3级、4级将以GSMR为信息传输平台发展列车运行控制系统。列车运行控制系统设备智能化、模块化、规范化，以适应更高的安全需求、快速需求和服务需求，增强市场竞争力已成为新一代列控系统的发展方向。CTCS的前期研究可总结为：有基础，有差距，有需求，待发展。因此从跨越式发展的高度制订适于中国国情的CTCS系统技术规范，在实施战略上引进和自主研发并举、在消化吸收国外先进技术的同时，对引进设备国产化，研究具有自主知识产权的新一代列车超速防护系统是当务之急。本总则系统描述了CTCS的基本概念、目标、框架结构、分级和各级间的兼容关系，是CTCS设备研发的强制性规范。本总则作为设计、招标、研发和相关标准制定的法规文件，必将促进中国列车超速防护系统的发展，推进对外合作，具有重要的社会意义和经济意义。A.2 ERTMS概述欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）由三部分组成，其运输管理层ETML为行车指挥核心， 列车运行控制系统ETCS为安全保障基础，铁路专用全球移动通信网GSM-R为信息传输平台。ERTMS欧洲铁路运输管理系统欧洲列车控制系统ETCS安全保障基础欧洲铁路运输管理ETML行车指挥核心无线移动通信系统GSMR信息传输平台图A2-1欧洲铁路运输管理系统的构成ERTMS的构成如图A2-1所示。1989年12月欧洲运输部长会议作出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。国际铁路联盟开始组织专题研究与信号和列车控制有关的问题，ERTMS项目由此诞生。二十世纪九十年代，在UNISIG的旗帜下，六个主要的信号供应商(Alstom、Adtranz、Siemens、Invensys、Alcatel、Ansaldo)联合，将最初的ERTMS/ETCS规范精简到最小的、适合技术互操作性的需求。这保证了来自不同供应商的符合ERTMS/ETCS技术规范的设备能够满足用户需求，并能充分地相互兼容，达到技术上可互操作。1990年末，国际铁路联盟成立了铁路专家组，研究开发欧洲列车控制系统的需求。考虑到需求规范作为工业研发的基础，工业和铁路部门于1991年6月共同商讨了紧密合作的原则，制订了项目的框架结构，包括基于开放计算机结构的新型车载设备（EUROCAB欧洲车载设备）、用于数据传输的点式系统（EUROBALISE欧洲应答器）和新型的连续式传输系统（EURORADIO欧洲无线）。1993年底，欧盟委员会发出了互通运营指令，同时还做出决定，要创造一个结构、定义互通运营的技术规范ERTMS技术规范，包括功能需求规范FRS、系统需求规范SRS和各种接口规范等。1995年第4个框架计划开始实施，欧共体定义了欧洲铁路运输管理系统更深入发展的战略，其中包括了开发和认证阶段。认证阶段的设立，奠定了在法国、德国和意大利等国进行规模性整体现场测试的基础。1996年7月，欧洲开始采用经欧盟部长会议审批通过的欧盟96/48/EC指令，该指令又称为“高速指令”。该指令规定了互用性的整体框架，必须列入各成员国的国家法律实施。该指令公布了通用技术规范的内容，6个互操作性技术规范TSI（Technical Specificatios for Interoperability）描述了高速铁路运输系统，其中“互用线路声明”和“互用列车声明”应用于欧洲高速铁路干线，以生成一个能消除由于各国铁路设施不同所引起的系统差别。在指令中，ERTMS系统作为必须执行的可互操作的信号系统，在附件中提出。1998年夏天，为了最终完成规范的制订，由欧洲六大信号公司组建UNISIG工作组，共同致力于制定统一的ERTMS技术规范，为ERTMS提供完全符合统一标准的，相互兼容的，满足ERTMS的互操作性要求的产品。1999年 4月23日编制完成了系统需求标准，2000年4月25日签署了ERTMS应用等级1的技术规范。ERTMS/ETCS规范为提供更先进的运营控制和管理系统铺平了道路。2001年3月31日，ERTMS的技术规范得到了ERTMS成员国的铁路部门、国际铁路联盟和UNSIG成员的正式批准，并鉴定了应用协议。图A2-1示意了欧洲联盟和国际铁路联盟UIC共同制定的ERTMS项目标准化循序渐进的发展过程。标准化协调试验线 - 测试 国家参与现有技术规范对功能和系统作评估和分类A2000功能需求规范1.对交互使用的强制性要求2.有用的部分3.必须具备的部分德国意大利法国铁路技术工作组欧洲电器标准化委员会未来欧洲铁路运输管理系统项目欧洲电器标准化委员会国家加入欧洲铁路运输管理系统规范欧洲经济利益组织的系统需求规范铁路技术工作组图A2-1 ERTMS技术规范演变进程第一阶段19901998制定基本规范完成：功能需求规范系统需求规范第二阶段19982000评估与分类完成：功能与系统的分类交互使用的基本要求第三阶段19992001测试与改进完成：功能与系统的测试交互使用的基本要求第四阶段20002002标准化互通应用标准的改进完成ERTMS的技术规范第五阶段20002005商业项目全球范围铁路范围工业集团推广A.3 ETCS简介欧洲是世界轨道交通最为发达的地方，现有的列车运行控制系统种类繁多，且各国信号制式复杂、互不兼容。为保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，1989年12月欧洲运输部长会议作出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。国际铁路联盟开始组织专题项目，分析与信号和列车控制有关的问题，ERTMS/ETCS项目由此诞生。目前ERTMS/ETCS历经制订规范、系统评估、测试与改进、标准化和推广阶段，基本完成了规范制订的全过程，2001年欧盟通过立法形式确定ETCS成为强制性技术规范。ERTMS/ETCS是一个系列规范标准，欧洲各国列车安装符合ERTMS/ETCS技术规范的列车运行控制系统，不仅能提高列车的安全性，并且使列车能够在欧洲各国实现互通运营。ERTMS/ETCS的主要目标概括起来就是：互通互用，安全高效，降低成本，扩展市场。ETCS的精髓是系统分级。ETCS系统根据功能需求和运用条件配置基本结构，从应用角度分为4级（03级）。0级主要是为了保证装配ETCS车载设备的列车，能在没有ETCS地面设备的线路、或尚不具备ETCS运营条件的线路上运行。1级是基于欧洲应答器传输信息的，叠加在既有信号系统上使用的并可实现连续控制的列车超速防护系统。2级是基于无线GSMR传输信息的，叠加在既有信号系统上使用的并可实现连续控制的列车超速防护系统。在0-2级，列车检测和列车完整性检查由既有地面信号系统（包括联锁设备、轨道电路等，不属于ETCS）完成。2级可以取消地面信号机，机车乘务员凭车载信号行车。3级在2级基础上取消了传统的地面信号系统，列车定位和列车完整性检查由地面RBC和列车完整性验证系统（不属于ETCS）共同完成。RBC在其管辖的区域内跟踪每列列车的位置，根据各列车发回的信息进行进路的锁闭或解锁，并确定每列列车的行车许可。作为世界铁路发展的窗口，ERTMS/ETCS得到欧洲各国铁路公司和供货商的广泛认可。目前许多国家的铁路重视ERTMS/ETCS的发展，更大的用户需求、更多的厂家参与以及更全面的技术积累，正使ERTMS/ETCS逐渐走向成熟。A.4 GSM-R简介国际铁路联盟(UIC)在1992年提出采用GSM-R发展新一代铁路数字移动通信的建议，并得到许多国家铁路和工业组织的响应。GSM-R是GSM for railway的英文缩写，其意为铁路专用全球移动通信系统。1997年，24个国家的32个铁路组织签署了谅解备忘录。此后，欧洲委员会确定GSM-R为新一代铁路综合无线通信系统标准。2002年7月5日欧洲邮政与电信管理委员会(CEPT)根据欧委会的1996/48/EC和1999/569/EC指令文件，颁布了ECC/DEC/(02)05指令文件，为铁路综合数字移动通信网络指配了876-880/921-925MHz专用频带，从而为GSM-R的实施奠定了坚实基础。为实施智能铁路运输系统，UIC提出构建基于GSM-R无线通信平台的欧洲列车控制系统（ETCS），并且,在GSM-R和ETCS的基础上发展欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）。GSM-R技术是GSM(全球移动通信系统)在铁路方面的应用，它采用标准的GSM phase 2+技术和为铁路专用的频段。GSM是一种数字移动通信体制,其基础为窄带综合业务数字网络。GSM-R通过保持列车和控制中心的持续联系即“永远在线”，来提供可靠的列车控制数据传输通道；GSM-R提供基本电信终端业务、基本电信承载业务、电信补充业务、先进语音业务(ASCI)和铁路专有业务；GSM-R空中接口采用最小频移键控(MSK)调制方式、载波调制速率为270.833kbit/s、一个载波8个时隙，接入方式为时分多址(TDMA)；GSM-R由网络子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、管理子系统(OSS)和移动终端组成。GSM-R的研究和在铁路中的应用已经取得了重大进展。截至2003年8月，已有德国、瑞典、意大利、瑞士、荷兰、芬兰、比利时、挪威等国家确定建设全国铁路GSM-R网；西班牙、英国等国家在主要干线上建设GSM-R网络；法国、印度、俄罗斯、匈牙利、捷克等国家正在进行技术和商用试验。中国铁路在多年研究和探索的基础之上，根据2020年国家经济远景发展规划对铁路运输现代化的需求，分析世界铁路市场技术装备的现状和发展趋势，结合中国铁路运输的实际情况和需要，确定GSM-R作为发展铁路专用综合数字移动通信网络的技术体制，建设具有无线列调、区间公(工)务通信、公安通信、应急抢险通信和车次号传输、无线机车信号传输通道和列车运行控制系统传输通道等功能的无线通信系统。中国列车控制系统(CTCS)第三级采用GSM-R发展固定闭塞的列车运行控制系统，CTCS第四级采用GSM-R发展移动闭塞的列车运行控制系统。GSM-R是铁路信息化的重要组成部分，是铁路通信信号一体化的重要内容，将成为拉动铁路向高速化、网络化、智能化方向发展的发动机（Engine）。中国铁路发展GSM-R还需要进行大量的工作，其中包括GSM-R网络规划(资源管理、频率分配、网络结构)、结合中国铁路运用现状的接口以及标准化方面的工作等。