列控车载设备概述

第一章概述１

第一章概述

本书介绍的是基于轨道进行信息传输的点连式列控车载设备CTCS2-200H型，主要针对CTCS-2级列控系统，并适用于控制动车组的运行。

第一节车载设备的系统构成

一、列车运行控制系统与CTCS-2

列车运行控制系统（train control system ）是以技术手段对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，使列车能够安全运行并且提高运行效率的系统，简称列控系统。（一）、列车运行控制系统背景

列车运行控制系统是随着列车技术的发展以及列车与地面信息传输系统发展而发展的轨道交通信号系统，将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与铁路信号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统，是保证行车安全、提高运输效率的核心。

高速铁路信号设备的发展离不开列车运行控制系统的发展。列控系统作为一种铁路行车安全控制设备，车载信号属于主体信号，即做为行车凭证，直接给司机指示列车应遵守的安全速度，自动监控列车运行速度，可靠地防止由于司机失去警惕或错误操作可能酿成超速运行、列车颠覆、冒进信号或列车追尾等事故。

高速铁路的信号与控制设备，是以电子器件或微电子器件为主的集中管理、分散控制为主的所谓集散式控制方式，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。由于列车行车速度高，列车密度大，因此区间行车采用四显示——红、黄、绿黄、绿。

各国铁路对列车运行控制系统发展理由看法都比较一致。各国都认为：在最高运营速度为160km/h以下的铁路采用列车自动停车装置或有简单速度检查功能的列车自动停车装置。在提速线路（如最高运营速度提高到200km/h的线路）列车速度自动监督系统是必须装备的安全设备。在高速铁路则必须安装列车自动控制系统，一些国家的铁路部门（如日本和德国的铁路）也在提速线路和繁忙的普通线路上安装列车自动控制系统。这是与人的视距小于列车制动距离和操作所需要的时间（司机视觉能力对信号作出判断最少时间为3秒到5秒）有关。在列车高速运行时，司机对地面的信号确认来不及，所以必须装备列车运行控制系统保证行车安全。

（二）CTCS的功能

CTCS为中国列车运行控制系统的缩写，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。CTCS的构建原则参照国际标准，结合国情，从需要出发，

按系统条件和功能划分等级，并进行设计。

它的基本功能是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。

在安全防护方面：在任何情况下防止列车无行车许可运行。防止列车超速运行。防止列车超过进路允许速度；防止列车超过线路结构规定的速度；防止列车超过机车车辆构造速度；防止列车超过临时限速及紧急限速；防止列车超过铁路有关运行设备的限速。防止列车溜逸。

在测速环节方面：一定范围内的车轮滑行和空转不影响列控车载设备的功能，并具有轮径修正功能。

在检测功能方面：既具有开机自检和动态检查功能，又具有关键数据和关键动作的记录功能及监测接口。在可靠性和安全性方面：按照信号故障导向安全原则进行系统设计，采用冗余结构；满足电磁兼容性相关标准。

人机界面能够为机车乘务员提供必要的显示、数据输入及操作手段。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、允许缓解等表示以及设备故障状态的报警。人机界面应配置必要的开关、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。

（三）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。此标准适用于各种铁路区段及客运列车。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1-1所示。

铁路运输管理层

网络传输层

地面设备层车载设备层

图1-1 CTCS系统结构

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。网络传输层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。

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。

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。

CTCS设备结构图见图1-2所示

图1-2 CTCS结构设备图

根据系统配置按功能划分为5级： CTCS-0、CTCS-1、CTCS-2、CTCS-3、CTCS-4。CTCS-0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；CTCS-1由主体机车信号+加强型运行监控记录装置组成，面向160km/h以下的区段；CTCS-2是基于轨道传输信息的列车运行控制系统。面向提速干线和高速新线，采用车-地一体化设计，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车；CTCS-3是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车

占用的列车控制系统；CTCS-4是基于无线传输信息的列车控制系统，面向高速新线或特殊线路。各级系统车载设备向下兼容，系统级间转换应自动完成。

二、CTCS-2级列控系统

目前基于轨道传输信息的列车运行控制系统CTCS-2级列控系统是铁路第六次大提速的关键技术。车载设备、列控中心、轨道电路、点式信息设备等是重要的组成部分。

（一）功能

CTCS-2符合CTCS技术规范的要求。最重要的一点是：车载设备的信息来源于轨道电路和点式设备，同时预留无线通信接口。车载设备可通过安全设定选择列车的最高运行速度等级，保证机车可牵引不同等级的车列。跨线运行时，车载设备应满足全程控车要求，地面应进行相应改造。车载设备具有识别上下行功能。适应双线双方向或单线双方向运行的要求。

（二）CTCS-2级列控系统体系结构

CTCS-2级列控系统地面设备主要由车站列控中心、ZPW-2000轨道电路、应答器设备等组成。CTCS—2级列控系统车载设备由车载安全计算机（VC）、轨道信息接收单元（STM）、应答器信息接收单元（BTM）、制动接口单元（TIU）、记录单元、人机界面（DMI）、速度传感器、轨道信息接收天线、应答器信息接收天线等组成。

列控系统结构图见图1-3。

图1-3 CTCS-2列控系统结构

具体设备结构图见下图1-4

图1-4 CTCS-2设备结构图

三、车载设备系统构成

CTCS2-200H车载设备系统构成如图1-5所示，将列控车载设备主机连接到以下设备上，从地面获得的信息进行速度控制。整个系统主要有：

1、车载设备主机：

2、车体NFB(No Fuse Braker) ：通过给列控车载设备提供电源的NFB 控制电源开关

3、车体司机操作手柄：将车体操作手柄的信号（牵引、制动、零位、向前、向后）的

信号传递给列控车载设备主体

4、人机界面（DMI）：将速度信息、显示信息通过图象、声音输出。此外，输入模式切

换等司机指令

5、列车运行监控记录装置LKJ-2000：属于车辆监控设备。在CTCS-0级区间走行的时

候作为控车设备。

6、车体制动控制单元：包括车体制动控制配电盘和车辆ＢＣＵ等，将列控车载设备的

制动指令传递给制动控制设备

7、车辆MON监视器（Monitor）：对车辆运行和搭载设备动作相关信息集中管理的设备

8、速度传感器：

9、点式信息接收单元BTM天线：

10、连续信息接收单元STM天线以及STM连接盒：

图1-5a 车载设备系统构成图（对于KHI动车组）

图1-5b 车载设备系统构成图（对于BSP动车组）列控车载设备的具体构成图见图1-6

图1-6 列控车载设备具体构成图

列控车载设备的主机是车载设备的关键部件,一般把车载安全计算机（VC ）、轨道信息

接收单元（STM ）、应答器信息接收单元（BTM ）、制动接口单元(TIU)、记录单元(DRU)等组合

成一体，放在机柜内，便于设备的安装、维护和管理。

CTCS 2－200H 型车载列控系统主机如图1-7

图1-7 CTCS 2－200H 型列控车载设备主机 此外车载系统还预留了GSM-R 的接口，为将来向CTCS3级扩展预留了接口。

主机上还有其他附属装置：设备速度分配盘，隔离开关、风扇以及风扇逆变器、噪音过

滤器等。这些内容将在第二章详细叙述

STM

BTM

隔离开关 TIU

VC1

VC2 DRU

第二节车载设备的功能

CTCS2-200H列控车载设备具体完成的基本功能从技术实现角度来说有以下几个方面:

一、超速运行防护

设备的超速运行防护功能监控列车允许的速度，具体包括：动车组构造速度，线路允许速度，进路允许速度，临时限速和紧急限速。

如果列车速度同允许速度之间的差距超过报警门限，设备提供相应报警信息；

如果列车速度同允许速度之间的差距超过常用制动门限（分三级），设备会产生常用制动。

如果列车速度同允许速度之间的差距超过紧急制动门限，设备会产生紧急制动，直到列车停车。

二、生成目标距离控制曲线

根据来自STM的轨道电路信息、来自BTM的线路描述数据以及列车的特性，ATP车载设备生成一次制动的连续控制曲线。

三、机车信号功能

地面配置不具备CTCS-2级条件时，设备可以根据条件，具备主体机车信号或通用机车信号功能，并向列车运行监控记录装置输出机车信号信息。

四、数据记录

（一）详细数据记录

为了能在事故发生时进行原因分析，系统可采用连续记录的方式对信息进行记录，最少可以连续记录24小时。关于记录的周期采用300ms。

（二）一般设备状态记录

作为一般设备记录，记录列控车载设备的主要状态，并保证记录容量达到30日以上。

系统只有检测出故障时，才进行一般设备状态记录。所有数据域记录满后，用新数据覆盖旧数据。

五、应答器信息接收与处理

设备通过应答器信息接收天线和应答器信息接收单元（BTM），从地面应答器获取地面信息，使列控车载设备能够得到以下信息：获取前方线路信息，确定列车位置，确定列车的运行方向，获得进路信息，获得临时限速信息。

六、速度、距离计算及防滑防空转

系统采用AG43型速度传感器进行速度和距离的测量；用速度传感器检测列车速度，检测到异常加速度时，判断为出现空转或滑行现象，进行校正处理，列车速度回到合理范围时，结束校正。根据速度传感器的脉冲和轮径补偿系数计算实际运行距离。同时根据轨道电路载频变化，和来自地面应答器的信息进行距离校正。

此外系统可通过主机的开关进行轮径补偿系数的设定。

七、与乘务员进行信息交互

通过DMI设备，可以接受乘务员的信息输入，部分非安全信息也可通过运行监控记录装置提供，并向乘务员提供以下信息：列车实际速度，目标速度，限制速度，目标距离，机车信号等。显示和声音提示能由DMI实现。

八、防溜功能

设备在列车停车的状态下，会对列车的不恰当移动进行防护。如果列车在停车状态下发生了非预期的前后移动，设备会启动制动。

十、 CTCS级间切换

主要指与LKJ之间控制权的切换

车载设备在地面应答器的配合下，可以在区间完成与LKJ的自动切换，控车权的交接以ATP车载设备为主。

为保证制动的平稳性和连续性，如果在切换时ATP车载设备或LKJ已经触发制动，则应停车后或司机缓解后手动切换。

十一、位置校正

列控车载设备依据应答器的信息自动地对列车的位置进行检查。对于两个应答器之间的位置校正，列控车载设备通过检测轨道电路的边界来实现。

十二、载频切换功能

在CTCS-2级区段，车载设备可以通过应答器信息得到轨道电路的载频信息，通过车载设备主机与STM的通信，可准确获得前方轨道电路的载频配置情况。

在CTCS-1级区段，由于无应答器信息，载频自动切换与锁定的信息只能来自于基于25.7Hz的信息。此外，第二种载频切换手段是，动车组司机通过设置在DMI上的操作按钮手动选择载频。ZPW-2000载频切换与锁定信息和司机的手动设置具有相同的优先级，以后收到者为准。

在CTCS-0级区段，由于无应答器信息，也无基于25.7Hz的载频自动切换与锁定的信息，载频切换手段只有一种：司机手动切换。

十三、两种车载工作方式可选择

车载设备具有两种模式：设备制动优先和司机制动优先，也就是机控优先和人控优先。根据设计要求，允许通过列控车载设备内部设置（机柜内跳线）选择其中一种模式。

第三节车载设备的特点

列控车载设备改变了传统的铁路信号观念，用信息技术和信息数字化的观点对铁路信号专业进行了改造。相对于中国的信号显示来说，对列控车载设备理解概括为三句话：“以车载显示作为行车凭证，以速度显示代替色灯显示，信号直接控制列车运行”。从体系结构来看，也可以理解为一种列车运行控制的专用计算机。车载设备具有以下技术特点：

一、目标距离模式曲线

目标距离模式曲线是根据目标速度、线路参数、列车参数、制动性能等确定的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线。目标－距离模式曲线反映了列车在各点允许的速度值。列控系统根据目标距离模式曲线实时给出列车当前的允许速度，当列车超过当前允许速度时，设备自动实施常用制动或紧急制动，保证列车能在停车点前停车。车载列控系统采用这种控制方式，具有较高的运行效率。

二、具有兼容性

（一）兼容CTCS-2级、CTCS-1级、CTCS-0级

车载设备具有可自动根据地面设备配置情况确定其运行模式的功能。当地面设备满足CTCS-2级条件时，系统可按照目标－距离模式曲线方式进行控制。当运行于既有国产或UM71移频轨道电路区段，但不满足CTCS2级的要求，而满足主体化机车信号的要求时，系统具有主体化机车信号功能，为司机提供等同于地面信号安全级别的车载信号显示。但地面条件仅满足CTCS0级条件时，CTCS2－200H型列控车载设备可以实现通用机车信号的功能，为其他控制设备提供信号。

（二）兼容多信息移频轨道电路

车载列控设备可以自动识别国产移频4、8、18信息移频轨道电路，ZPW-2000轨道电路，UM71系列轨道电路等。

在轨道电路信号满足系统技术要求的前提下，车载设备可以在1.7s之内解调从轨道电路接收列控信息，获得行车控制命令，为设备进行列车控制提供可靠依据。

三、具有自我诊断能力

各子系统分别具有自检测和自诊断功能，当有故障发生时，系统通过静态和动态方式可以及时发现故障位置，保证系统不产生危险侧输出和尽量减小故障影响；发生严重故障时，系统具有降级能力，保证列车运行安全。

四、优良的实时性

列控车载设备是实时信息处理和实时控制的系统。列车在运行中对铁路沿线轨道电路信息、线路参数（轨道电路长度、坡度、静态限速和道岔限速）、停车轨道电路和准许运行位置等进行大量信息采集，绘出所谓一次制动模式曲线，并依据车辆位置与模式速度值的关系，输出制动力。线路数据和限速信息无需预存在设备内部，信息通过列控车载设备自动采集、实时、有序地进行处理，对列车进行控制，并在显示装置上进行目标距离、目标速度、允许速度、当前速度等显示。

五、高安全性和高可靠性

列车运行控制系统车载设备是重要的行车信号设备，车载设备必须是高可靠和高安全的，而且尽最大可能保证在行车期间无间断正常运转。列控车载设备设计严格按照故障安全原则进行设计。列控车载设备各模块之间以及列控车载设备与其他系统之间的联系采用冗余通道。列控车载设备的安全度等级（SIL）达到IEC61508规定的4级。

六、具有可维护性

列控车载设备采用模块化开放式结构设计，符合RAMS规范。易于相关系统接口，易于功能扩展更新，满足设备的可用性、维修性的要求。在使用中用户会提出新的需求，硬件体系结构不变，可以对软件进行适当的修改升级工作。此外如果设备有故障可以直接更换模块或电路板。因此有足够的技术措施保证维护工作影响设备的使用。

第四节 CTCS2-200H型列控车载设备的技术规格

一、使用环境条件

设备满足《铁道机车车辆电子装置》（TB/t 3021-2001）要求，在下列条件下正常工作：抗振性能指标：符合TB/T3058-2002标准的要求

电磁兼容: ------------------------------------符合TB/T3034-2002电磁兼容性规定工作环境温度：

系统设备：—25～70℃存储温度；—40～70℃相对湿度：-------------------------- 当温度为25℃时，周围空气相对湿度不大于90% 适用海拔高度：-------------------------------------------------------3000m 以下二、适用条件

适用于1000A牵引电流、牵引电流的纵向不平衡系数为10%的交流电力牵引区段；可适

用于BSP(CRH1)、四方股份公司（ CRH2）、长春客车厂（CRH5）等动车组车型；可适用三种机车信号制式，包括国产移频、UM71、ZPW-2000等。

三、技术参数

机械尺寸和重量

主机重量：------------------------------------------------------------ 220kg

主机高度*宽度*厚度:--------------------------------------1070mm*1250mm*450mm DMI 重量 ------------------------------------------------------------6.25kg DMI箱体高度*宽度*厚度:-------------------------------------250mm*340mm*180mm DMI面板高度*宽度:------------------------------------------250mm*340mm*180mm

电气参数

输入额定工作电压：--------------------------------------------------- DC 110V

输入最大工作电压；---------------------------------------------- DC 110Ｖ＊1.25 输入最低工作电压；------------------------------------------------DC 110V＊0.7 输入最大功耗电流；------------------------------------------------不大于13.5A 系统通信

主机与DMI间的通信------------------------------ ---RS422,传输速率为38400 Baud 主机与LKJ间的通信----------------------------------RS422,传输速率为38400 Baud 运行记录数据对外输出接口----------------------------RS232,传输速率为28800 Baud

系统指标

系统平均故障间隔时间（MTBF）------------------------------------------大于105h

系统响应时间：

信息接受应变时间：------------------------------------------------ -不大于 3.5s 列车超速至给出制动指令时间：----------------------------------------不大于１ｓ

记录时间：

用于事故分析的详细记录时间：---------------------------------------- 不少于24h 用于一般设备状态记录时间；---------------------------------------- 不少于30日测速误差：

列车速度低于30km/h时； --------------------------------------- 不大于2km/h 列车速度高于30km/h时； -------------------------------- 不大于列车速度的2% 测距误差：

系统测距误差： -----------------------------------------------------不大于2% 区间累计测距误差： -------------------------------------------------不大于80m

(包括一组应答器信息丢失的情况) 站间累计测距误差； -------------------------------------------------不大于30m

(包括一组应答器信息丢失的情况)