大国重器：高铁信号系统组成与功能

高速铁路信号系统主要由列车运行控制系统（CTCS）、调度集中系统（CTC）、车站计算机联锁系统（CBI）以及相应的光电缆等高铁信号基础设备及其子系统组成。

1．列车运行控制系统（CTCS）

为了适应中国高速铁路、客运专线的迅速发展和保证铁路运输安全的需要，铁道部研制成功了“CTCS系统”（Chinese Train Control System，即中国铁路列车控制系统）。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。

1）高速铁路信号与控制系统的发展过程

高速铁路的信号与控制系统，是高速列车安全、高密度运行的基本保证。因此，世界各国发展高速铁路，都十分重视行车安全及其相关支持系统的研究和开发。高速铁路的信号与控制系统是集计算机控制与数据传输于一体的综合控制与管理系统，是当代铁路适应高速运营、控制与管理而采用的最新综合性高技术系统，一般通称为先进列车控制系统（Advanced Train Control System，ATCS）。典型的高速铁路列车控制系统如欧洲列车控制系统（ETCS）、法国的实时追踪自动化系统（ASTREE）、日本的计算机和无线列车控制系统（CARAT）等。

近年来，许多国家为先进列车控制系统研制了多种基础技术设备，如列车自动防护系统、卫星定位系统、车载智能控制系统、列车调度决策支持系统、分散式计算机联锁安全系统、列车微机自动监测与诊断系统等。世界上许多国家如美国、加拿大、日本等国都已逐步推广应用这些新技术。

高速铁路发展较快的日本、法国和德国等国，在地面信号设备及区间设备都采用了符合本国国情的可靠性高、信息量大、抗干扰能力强的微电子化或计算机化的不同形式的自动闭塞制式；车站联锁正向计算机集中控制方向发展；为了实现高速铁路道岔转换的安全，转辙装置也向大功率多牵引点方向发展，同时开发研究了道岔装置的安全监测系统。在列车上，世界各国的高速铁路都积极安装了列车超速防护和列车自动控制系统。

目前，世界高速铁路列车自动控制系统的控制方式主要分为两类：一类是以设备为主、人控为辅的控制方式，这种方式以日本为代表；另一类是人机共用、人控为主的控制方式，以法国为代表。高速铁路的信号与控制设备，分为行车指挥自动化与列车运行自动化两大部分，信号显示应以机车自动信号为主，车站与区间的地面信号为辅。

信息技术沿着信息化、自动化、最优化与智能化 4 个层次发展。信息化是把各物理概念进行数字化，便于计算机处理，这是最初层次；自动化是按某一固定规则重复处理，达到预期的目的；最优化是按某种预定指标，在一定约束条件下求最优解；智能化是信息处理的最高层次，包括理解、推理、分析、判断等步骤。

2）基本功能

CTCS列控系统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，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。它的基本功能包括：

① 安全防护：防止列车无行车许可运行，防止列车超过进路允许速度、线路结构规定的速度、机车车辆构造速度、临时限速和紧急限速以及铁路有关运行设备的限速运行，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车载设备的功能，并具有轮径修正能力。

② 人机交互：为机车乘务员提供必需的显示、数据输入及操作装置。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、制动等表示以及设备故障状态的报警。机车乘务员输入装置配置必要的开关、按钮和有关数据输入装置。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入数据进行有效性检查。

③ 设备制动优先：设备制动优先的列控系统当列车减速时，在闭塞分区入口处，设备自动实施制动，低于目标速度后自动缓解。当列车速度超过紧急制动曲线时，则实施紧急制动。列车的减速制动完全由列车运行控制系统自动完成，不必司机人工介入。设备制动优先的列控系统可以适当缩短列车运行间隔时间，保证列车按时刻表运行。

④ 检测功能：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。

3）系统组成

地面子系统可由以下部分组成：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）。

应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。目前，中国高铁列控系统技术已实现核心技术和产品的 100% 国产化，有力地保证中国高铁路网的安全有序运营。

轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能，应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。

无线通信网络（GSM-R）是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。

列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统传输给车载子系统，保证列车控制中心所管辖列车的运行安全。

车载子系统由以下部分组成：CTCS车载设备、无线系统车载模块。CTCS车载设备是基于安全的计算机控制系统，通过与地面子系统交换信息来控制列车运行。

无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。

4）CTCS的应用等级划分(www.xing528.com)

各应用等级是根据设备配置来划分的，其主要差别在于地对车信息传输的方式和线路数据的来源。线路数据存储于车载数据库，靠逻辑推算来提取相应数据的方式，用于较低等级列控系统；点式信息设备传输线路数据的方式，增加了线路数据的实时性，用于中等级列控系统；至于采用存储电子地图和点式信息设备，提供闭塞区段地址码的方式，将在技术发展中比选；无线通信连续、双向信息传输，有大信息量和实时性的优势，用于高等级列控系统，如表2.2所示。

表2.2　CTCS不同等级对照表

中国列车运行控制系统（CTCS）是中国高速铁路保证列车行车安全、提高列车运行效率的重要技术装备，以有效的技术手段对列车运行速度、运行间隔进行实时监控和超速防护；同时能够减轻司机劳动强度，改善工作条件，提高乘客舒适度。

CTCS标准体系的建立始于2004年。为满足高速铁路建设需求，通过对ETCS标准的引进、消化、吸收，并结合中国铁路六次大提速的成功经验，中国构建了具有自主知识产权的CTCS列控系统标准。CTCS是在保证列车安全运行的前提下，以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。CTCS根据功能要求和设备配置划分为CTCS-0～4五个应用等级。

CTCS-0级（简称C0级）：由通用机车信号和列车运行监控装置（LKJ）组成，为既有系统，适用于列车最高运行速度为120 km/h以下的区段。

CTCS-1级（简称C1级）：由主体机车信号和安全型列车运行监控装置（LKJ）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，适用于列车最高运行速度为160 km/h以下的区段。

CTCS-2级（简称C2级）：CTCS-2级列控系统利用轨道电路实现列车占用检查并向列车连续传送前方空闲闭塞分区数目信息，利用应答器向列车传送线路数据、临时限速等信息，ATP（列车自动防护）车载设备根据轨道电路信息和应答器信息，采用目标距离连续速度控制模式自动计算控车曲线，监控列车运行。CTCS-2 级面向提速干线和客运专线，满足 200～250 km/h的高速铁路运用，地面可不设通过信号机。2008年开通运营的合宁线是中国第一条运用客专CTCS-2级列控系统技术标准体系建造的高速铁路。

CTCS-3级（简称C3级）：CTCS-3级列控系统是基于铁路数字移动通信系统（GSM-R），实现车地信息双向传输，由无线闭塞中心生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位，并向下兼容CTCS-2级功能，如图2.5所示。C3级列控系统可以叠加在C2级列控系统上。运用在速度 300 km/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）和无线通信网络（GSM-R）；车载设备上增加了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。2009年开通运营的武广客运专线是中国第一条运用CTCS-3级列控系统的高速铁路。列控中心实现了区间三点检查功能，当出现分路不良时，可有效防止列车追尾的事故，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 3 min，旅客运输能力得到很大提高。CTCS-3 级实现了由地面固定信号显示的控制到面向列车移动体直接控制的转变；实现了由只是对信号显示控制而不能控制列车执行与否的开环控制到列车按照要求执行信号指令闭环控制的转变；实现了由车站分散控制到调度集中统一指挥控制的转变。

图2.5　CTCS-3级列车运行控制系统

CTCS-2/3是以地面控制为主的固定闭塞系统，列车占用检查由轨道电路实现，地面控制系统根据联锁进路和列车位置生成列车移动授权，并通过轨道电路/无线通信发送给列车，由车载进行列车运行安全防护控制。其主要设备组成、功能及信息流如图2.6所示。

图2.6　CTCS-2/3设备构成、功能及信息流

CTCS-4 级（简称C4级）：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，由无线闭塞中心（RBC）和列控车载设备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。CTCS-4 级列控系统目前处于理论研究探索阶段。

CTCS-4 是完全基于无线通信（如 GSM-R）的列车运行控制系统，由地面无线闭塞中心（RBC）和车载设备完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。CTCS-4 级列控系统采用目标距离控制模式，列车按移动闭塞或虚拟闭塞方式运行。虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式，它不设轨道占用检查设备，采取无线定位方式，实现列车定位和占用轨道的检查功能，闭塞分区是以计算机技术虚拟设定的。移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部，留有一定的安全距离，后行列车从最高速开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点是前行列车的尾部，与前行列车的走行和速度有关，是随时变化的；而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能的不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的，所以称为移动闭塞。其追踪运行间隔时间要比准移动闭塞更小一些。

2．调度集中系统（CTC）

CTC系统由CTC调度中心子系统、车站子系统和网络子系统组成。其中，CTC中心子系统是CTC的核心，由中心机房及各调度台应用终端组成。车站子系统主要包括车站自律机、车务终端、综合维修终端、电务维护终端、网络设备、电源设备、防雷设备、联锁系统接口设备和无线系统接口设备等。网络设备主要包括路由器、交换机、协议转换器等。调度集中系统（CTC）见第3章相关内容。

3．计算机联锁系统（CBI）

计算机联锁系统一般由控制台子系统、联锁子系统、输入输出子系统三部分组成。

（1）控制台子系统。该系统也称为上位机子系统，主要由上位机、显示器、上位机转换箱（也称倒机机箱）组成。它主要有操作和表示两个主要功能。它接收车站值班员的有效操作命令，向主控系统发出相应的执行命令；它接收主控系统提供的站场表示信息，向值班员提供站场图像的实时显示。

（2）联锁子系统。联锁子系统是CBI的核心，由并列两重系组成，每系都具有两套通信接口，分别完成与输入输出系统的接口及与上位机子系统的接口。它的功能主要有：根据接收来自上位机子系统的进路操作命令和来自输入输出子系统的现场设备的状态信息，进行联锁运算，并根据运算结果进行相应的控制。

（3）输入输出子系统。输入输出子系统由电子电路（驱动、采集电路）和继电电路组成。其主要功能是接收来自联锁子系统的控制道岔和信号机的命令，完成对实际道岔和信号机的控制；同时采集室外道岔、信号机和轨道电路的状态信息，发送给联锁子系统。