CTCS3300T列控车载系统.docx
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CTCS3300T列控车载系统
CTCS3-300T列控车载系统
（ATP）
CTCS3-300T列控车载系统ATP
1.CTCS-3级列控系统结构
CTCS-3级列控系统包括地面设备和车载设备。
地面设备由RBC、TCC、ZPW-2000（UM）系列轨道电路、应答器（含LEU）、GSM-R通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机（VC）、GSM-R无线通信单元（RTU）、轨道电路信息接收单元（TCR）、应答器信息接收模块（BTM）、记录单元（JRU/DRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU）等组成。
CTCS-3级列控系统总体结构示意图见图1。
RBC根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS-3级车载设备；同时通过GSM-R无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。
TCC接收轨道电路的信息，并通过联锁系统传送给RBC；同时，TCC具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间安全信息传输、临时限速功能，满足后备系统需要。
应答器向车载设备传输定位和等级转换等信息；同时，向车载设备传送线路参数和临时限速等信息，满足后备系统需要。
应答器传输的信息与无线传输的信息的相关内容含义保持一致。
车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和动车组参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车安全运行。
图1CTCS-3级列控系统总体结构示意图
图1CTCS-3级列控系统总体结构示意图
2.CTCS3-300T车载系统设备组成及功能描述
2.1.车载设备组成
车载设备采用分布式结构。
设备包括车载安全计算机单元（VCU）、应答器信息接收模块（BTM+CAU）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU）、人机界面（DMI）、列车接口（TIU）、司法记录单元（JRU）、GSM-R无线通信单元（RTU）、动态监测接口等。
其中，DMI、TCR接收线圈、雷达、速度传感器、BTM/CAU、GSM-R天线、冗余开关及隔离开关等安装在车头的不同位置，其余设备均集中在机柜中，它们是：
GSM-R电台、JRU、TCR主机、VCU（ATPCUa，ATPCUb，C2CUa，C2CUb，SDPa，SDPb，TSG）、SDU1、SDU2、STU-V、GCD、VDX1、VDX2、DX、DI、开关和继电器等。
同时车载安全计算机单元（VCU）、应答器信息接收模块（BTM+CAU）、人机界面（DMI）等关键设备均采用冗余配置。
车载安全计算机中的CTCS-3控制单元（ATPCU）和CTCS-2控制单元（C2CU）独立设置，CTCS-3控制单元负责在CTCS-3线路正常运行时的核心控制功能，CTCS-2控制单元负责后备系统的核心控制功能。
车载设备与动车组的接口采用继电器或MVB总线方式。
在武广项目中，列控车载设备和CRH2列车采用继电器接口，和CRH3列车采用MVB总线接口，两种配置的系统结构图如图2、图3所示：
图2CRH2列控车载系统框图
图3CRH3列控车载系统结构图
2.2.设备单元基本功能描述
以CRH2型车车载机柜为例，机柜布置见图4。
图4CRH2型车车载机柜
2.2.1.车载安全计算机单元（ATPCU）
ATPCU是CTCS-3主机控制核心单元，接收RBC传来的数据，结合BTM传来的数据和当前列车速度计算速度曲线，监控列车运行。
2.2.2.CTCS-2专用传输模块（C2CU）
C2CU是CTCS-2主机控制核心单元，接收BTM传来的数据，结合TCR传来的数据和当前列车速度计算速度曲线，监控列车运行。
2.2.3.列车网关（TSG）
TSG列车总线转换网关，连接Pribus总线与MVB总线。
2.2.4.速度距离处理单元（SDP）
SDP单元接收从SDU传来的原始脉冲记数，经过运算处理得到当前列车运行的速度和距离数据，再通过通信总线发送给CTCS-3主机控制单元和CTCS-2主机控制单元。
2.2.5.测速测距单元（SDU）
SDU单元为速度传感器和测速雷达提供电源，当列车运行时，SDU模块能够接收速度传感器和测速雷达发出的脉冲信号，并将脉冲信号转换成数字数据通过MVB总线发送给速度距离处理模块SDP。
2.2.6.安全数字输入输出（VDX）
列车接口，用于列车超速时，输入输出安全相关的信号，如：
紧急制动，全常用制动，紧急制动反馈等。
2.2.7.数字输入（DI）
列车接口，用于采集列车输入信号，包括驾驶室激活、向前、向后、睡眠信号等。
2.2.8.数字输入输出（DX）
列车接口，用于采集列车输入信号，和输出控制列车的其他信号，如：
切断牵引。
2.2.9.通用保密装置+车载安全传输单元（GCD+STU-V）
STU-V和GCD为CTCS-3专用。
GCD是密钥管理模块。
STU-V是GSM-R无线电台与MVB总线接口单元。
2.2.10.无线通信电台（GSM-R）
用于将接收到的RBC信息进行解调处理，通过RS422通信接口与车载ATP中的GCD单元相连，再通过STU-V实现与车载ATP之间的数据交互。
电台外观见图5。
图5无线通信电台
2.2.11.司法记录单元（JRU）
用于记录列车运行中，车载设备采集的原始信息和车载设备输出的控制信息。
2.2.12.轨道电路读取器（TCR）
用于接收轨道电路信息，并将该信息通过RS422接口传送给主机C2CU。
单元见图6。
图6TCR单元
2.2.13.速度传感器
通过检测轮轴转速的方式，得到当前列车运行速度。
外形见图7。
图7速度传感器
2.2.14.雷达
当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射频率。
如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。
外形见图8。
图8雷达
2.2.15.应答器传输模块（BTM）+紧凑型天线装置（CAU）
接收地面应答器信息，并将其信息转发给ATPCU、C2CU处理。
2.2.16.人机界面（DMI）
·显示列车当前速度、最大限速、目标速度、目标距离等驾驶信息；
·列车相关数据的输入。
2.2.17.冗余开关
冗余开关有三档，见图9，用于选择系统1、系统2和系统关闭电源。
开关处在1位时选择系统1工作，开关处在2位时选择系统2工作，开关处在0位时，系统断电。
2.2.18.隔离开关
隔离开关有两档，见图9。
开关处在1位时，设备正常工作；开关处在2位时，设备断电，并切除ATP设备输出控制。
图9冗余开关和隔离开关
3.车载系统功能
3.1.车载系统总体功能需求
CTCS3-300T列控车载设备负责接收地面数据命令信息，生成速度模式曲线，监控列车运行，保证列车运行安全。
1）最大适应速度：
350km/h；
2）测速测距综合误差不超过2%；
3）采用常用制动和紧急制动监控列车速度，防止列车：
✧超过进路允许速度；
✧超过线路结构规定的速度；
✧超过列车的构造速度；
✧超过临时限速及紧急限速；
✧溜逸及退行。
4）紧急制动在列车停稳后方可缓解。
3.2.车载系统基本功能
3.2.1.自检功能
车载设备启动时首先要进行系统自检以确认设备是否有效，自检包括：
测试常用制动、紧急制动命令能否正确输出，测试TCR完好，测试DMI显示等。
车载设备的自检完成后能够在DMI上显示自检结果。
3.2.2.数据的输入和存储
车载设备能够记录外部输入的列车参数以及发生变化的时间，记录存储的列车参数包括：
▪车次号，由司机手动输入并存储。
▪司机ID号，由司机手动输入并存储。
▪列车长度，由司机手动输入并存储。
▪上下行载频选定。
3.2.3.界面显示
列控车载设备提供显示和操作界面DMI，安装在司机便于操作和观察的位置，为司机提供驾驶过程的参考信息。
DMI显示格式采用铁道部统一的技术标准，满足CTCS-3级系统显示、兼容CTCS-2级系统显示的要求。
3.2.4.信息接收及发送
在CTCS-3级模式下：
车载设备通过GSM-R无线通信系统向RBC发送司机选择输入和确认的数据（如车次号、列车长度），列车固有性质数据（列车类型、列车最大允许速度、牵引类型等），车载设备在RBC的注册、注销信息，定期向RBC报告列车位置、列车速度、列车状态（正常时）和车载设备故障类型（非正常时）信息，列车限制性信息以及文本信息等。
同时，车载设备接收RBC发送的行车许可（包括车载设备识别号、目标距离、目标速度以及可能包括的延时解锁相关信息、防护区相关信息、危险点相关信息），紧急停车（无条件紧急停车和有条件紧急停车），临时限速，外部报警信息以及文本信息等。
车载设备通过应答器获取列车的位置信息。
在CTCS-2级模式下：
BTM接收无源应答器的列车定位信息和一定范围内的线路参数以及有源应答器的进路线路参数信息和临时限速信息。
车载设备的轨道电路信息读取模块具有接收多个载频的功能，并从中解调出低频信息。
3.2.5.速度的测量及显示
车载设备通过安装在车轮上的速度传感器和安装在车体的雷达能够实时测试列车的运行速度，测速单元把速度传感器和雷达的输入进行测量和逻辑运算，得到列车的实际速度，并把列车运行速度送主机模块，同时通过DMI向司机显示。
3.2.6.列车定位
车载设备具有确定列车位置的功能，该功能是依据地面应答器收到的信息并以此为基准点通过测速单元等设备测量列车运行距离来获得列车位置。
计算列车位置时要考虑测速设备的误差。
车载设备应定时向RBC报告列车位置。
3.2.7.行车许可和限速命令显示
车载设备根据得到的行车许可和限速命令通过DMI向司机显示目标距离、允许速度，还可以运用声音提示等方式向司机进行报警，提供司机足够的显示信息，方便司机驾驶。
3.2.8.行车许可和限制速度的监督
车载设备允许司机以最大安全速度行驶，保证列车在静态和动态速度模式曲线监督下安全运行。
当列车速度超过报警速度值时向司机报警，报警持续到实际速度低于允许速度为止；列车速度超过常用制动速度值时，车载设备实施常用制动直到实际速度低于缓解速度，此后可以由设备或司机选择缓解常用制动；如果常用全制动失效列车速度超过紧急制动速度值，车载设备实施紧急制动，列车停稳后司机才能缓解紧急制动。
3.2.9.司机操作的监督
车载设备某些情况下要求司机在一定间隔（时间或距离）内应答。
如果在规定的间隔未接收到司机的应答信息，则以声音形式向司机报警，如果司机在报警后的一定时间内未做出响应，车载设备实施紧急制动，直到列车停稳后方可缓解紧急制动。
当列车在完全监控方式时，该监督功能可以取消。
3.2.10.溜逸防护
为防止列车溜逸，车载设备监视列车的运行方向和当前运行状态。
当列车发生溜逸时，车载设备实施紧急制动，该制动只能在列车停车后才能由司机缓解。
3.2.11.信息记录
车载设备将输入的数据、接收的数据和计算的数据进行信息记录，所有记录的数据与统一时钟和位置参考点对应；记录数据可以通过标准输出接口转储到其它介质上以便分析。
3.2.12.自动过分相
车载设备能根据地面设备提供的数据提供前方过分相信息（GFX-3+ETCS-68包）。
3.2.13.站名和公里标显示
车载设备能根据地面提供信息提供当前车站站名显示和固定点公里标信息。
3.2.14.在非CTCS-2/CTCS-3级区段运行功能
在没有装备CTCS-2/CTCS-3级地面设备而具有ZPW-2000轨道电路的区段，列控车载设备支持以机车信号模式（CS）行车。
3.2.15.特殊行车功能
车载设备支持重联等特殊行车功能。
车载设备支持使用有重联控制装置的多机牵引。
使用多机牵引时，不必隔离正在工作的牵引单元上的车载设备，但该牵引单元的列车冒进防护功能被禁止，车载所接收的信息不影响正在工作的牵引单元操作 ；用于全体乘务人员、维护人员的信息，可在本务机车司机室外的其他司机室DMI上显示。
3.2.16.其他防护功能
紧急停车：
遇到紧急情况时，司机将紧急消息通过无线发送给RBC，RBC自动将该消息发送给正接近报警地点的列车。
列车司机在5秒内确认收到的紧急报警信息并决定安全停车的地点，否则设备将实施紧急制动。
施工防护：
列车收到地面施工信息后可执行施工防护。
施工信息包括施工地段的位置、长度、速度限制等基础数据。
列车通过施工地段的速度受到监督，直到列车全部通过施工地段前，列车速度不能超过限制速度。
进路适应性防护：
车载设备能将列车实际与为列车建立的进路的基础数据比较，以确定列车能否在该进路运行。
只有符合进路要求的列车才能在该进路上运行，列车在禁止运行的进路外方停车。
3.3.CTCS-3级列控车载设备集成功能
CTCS-3级列控车载设备既包含CTCS-3控制单元，也包括CTCS-2控制单元，二者同时运行。
CTCS-3控制单元负责CTCS-3级模式下的核心控制逻辑计算功能；CTCS-2控制单元负责CTCS-2级核心控制逻辑计算功能；两者共用DMI人机界面模块、列车接口单元模块、测速测距模块、BTM模块、速度传感器及雷达速度传感器，CTCS-3控制单元连接GSM-R单元，并负责系统总线管理及统一对外输出。
CTCS-2级车载控制单元连接轨道电路读取器单元（TCR），从TCR获得行车许可信息。
当CTCS-2控制单元设备控车的时候，CTCS-2控制单元根据接收到轨道电路信息和应答器信息计算限速曲线，对列车的速度进行监督控制，并把相关信息通过DMI进行显示。
CTCS-2控制单元监督控制功能的实现，需要CTCS-3控制单元的辅助和监管，这时CTCS-3控制单元的作用如下：
▪监视整个系统包括CTCS-2级设备的状态是否安全。
▪控制系统的启动包括自检（CTCS-2控制单元设备自检，当CTCS-3控制单元授权之后CTCS-2控制单元也可以检查列车接口）。
▪提供访问列车接口通道。
▪提供制动的控制。
▪提供对速度传感器数据的访问通道。
在CTCS-3级设备控车时，CTCS-2设备仍正常接收轨道电路信息和应答器信息，并根据接收到的地面信息计算限速曲线，根据列车实际运行速度和限速曲线进行比较，但计算和比较结果不作为控制列车的依据和不传送DMI显示，仅作为CTCS-3控制单元的备用，在CTCS-3转换到CTCS-2时能马上投入控车和送DMI显示。
CTCS-3和CTCS-2之间的转换分为正常转换和故障转换，正常转换通过转换点地面设置的应答器实现不停车转换；在GSM-R通信中断时，当列车运行速度降至后备系统可控的允许速度后车载设备自动转为CTCS-2级设备控车（需司机确认）。
CTCS-2控制单元和TCR（轨道电路读取器）故障不影响CTCS-3级的正常运营；CTCS-3级专用模块（如GSM-R模块）故障不影响CTCS-2级的正常运营。
3.4.CTCS-2级列控车载系统基本功能
3.4.1.轨道电路信息接收功能
TCR接收的轨道电路信息包括：
✧轨道电路载频
✧轨道电路低频
✧轨道绝缘节
TCR具有接收多个载频的能力，它采用以下三种方式进行载频锁定：
✧利用应答器信息
✧利用DMI的选择
✧利用地面的转频信息
TCR接收轨道电路信息时的工作参数满足表1要求：
表1车载设备TCR单元接收ZPW2000轨道电路时的工作参数
工作方式
电磁感应
信号调制方式
FSK
接收频率
载波频率
上行线：
1998.7（2000-2）、2001.4（2000-1）、2598.7（2600-2）、2601.4（2600-1）
下行线：
1698.7（1700-2）、1701.4（1700-1）、2298.7（2300-2）、2301.4（2300-1）
移频
±11（Hz）
低频信号频率
10.3,11.4,12.5,13.6,14.7,15.8,16.9，18.0,19.1，20.2，21.3，22.4，23.5，24.6，25.7，26.8，27.9，29.0
最小动作输入
载波
1701.4/1698.7
310±31mA
载波
2001.4/1998.7
275±28mA
载波
2301.4/2298.7
255±26mA
载波
2601.4/2598.7
235±24mA
时间特性
低频信号译码动作时间
10.3Hz
11.4Hz
12.5Hz
13.6Hz
14.7Hz
2.0（s）
2.0（s）
1.9（s）
1.7（s）
1.6（s）
15.8Hz
16.9Hz
18.0Hz
19.1Hz
20.2Hz
1.5（s）
1.4（s）
1.3（s）
1.2（s）
1.2（s）
21.3Hz
22.4Hz
23.5Hz
24.6Hz
26.8Hz
1.2（s）
1.0（s）
1.0（s）
1.0（s）
0.9（s）
29Hz
0.8（s）
有信息到无信息的时间
4.0±0.1（s）
绝缘节解析时间
通常情况0.4±0.1（s）
在上下行转换时0.5±0.1（s）
轨道电路信息码显示如表2所示。
表2轨道电路信息码定义
序号
车载编号
地面编码
低频频率
代表含义
车载显示
备注
F1
1
0x03
29.0Hz
H码：
立即停车
F2
2
0x05
27.9Hz
反向运行，正向时按照无码处理
或者列控中心故障时发送
F3
3
0x09
26.8Hz
HU码：
前面0个区段空闲
F4
4
0x11
25.7Hz
原用于站内锁频，客专用于上下行转频，主机收到25.7时按无码处理
F5
5
0x21
24.6Hz
HB码：
引导码，终端前减速到40km/h
红黄闪
以1Hz的频率闪动
F6
6
0x06
23.5Hz
L4：
前面6个区段空闲
F7
7
0x12
21.3Hz
L5：
前面7个区段空闲
F8
8
0x22
20.2Hz
U2S黄2闪：
下一区段为UUS时，在UUS终端减速到80km/h
以1Hz的频率闪动
F9
9
0x0c
19.1Hz
UUS双黄闪：
终端以前减速到80km/h
以1Hz的频率闪动
F10
10
0x14
18.0Hz
UU双黄：
终端以前减速到45km/h
F11
11
0x24
16.9Hz
U码：
前面1个区段空闲
黄
F12
12
0x18
15.8Hz
LU2码：
客专C2收到时按照无码处理
黄
F13
13
0x28
14.7Hz
U2黄2：
下一区段为UU时，在UU终端减速到45km/h
黄2
F14
14
0x30
13.6Hz
LU码：
前面2个区段空闲
绿黄
F15
15
0x3c
12.5Hz
L2：
前面4个区段空闲
绿
F16
16
0x3a
11.4Hz
L：
前面3个区段空闲
绿
F17
17
0x36
10.3Hz
L3码：
前面5个区段空闲
绿
3.4.2.应答器信息接收功能
CTCS-2级列控车载设备中BTM单元实现对应答器信息的接收，并将接收到的1023位应答器报文进行校验解码，转换为830位的信息报文发送给主机单元。
车载设备和地面应答器的接口参数满足表3：
表3应答器主要规格说明
工作方式
电磁感应式
信号调制方式
FSK
接收频率
载波频率
4.234MHz+/-200kHz
移频
282.24kHz
速率
564.48kbps
功率载频
27.095MHz+/-5kHz
逻辑层
符号方式
BCH代号
检定方式
85bits循环剩余
同步方式
利用Blockcontrolheader
电文位数
1023bits
利用电文位数
830bits
冗余性
双套冗余，A机和B机各包含1套BTM
湿度范围（天线）
动作保证
-40℃~70℃
保存
-55℃~85℃
3.4.3.移动授权的计算
CTCS-2级列控系统采用目标距离模式曲线方式监控列车运行。
目标距离模式曲线是以目标速度、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，控制原理如图10所示：
目标距离方式的移动授权
MAwithtargetdistancemode
来自轨道电路的前方空闲闭塞分区数
Numberofclearblocksubsectionsinfrontoftrackcircuit
=
+
来自应答器的线路数据
Linedatafrombalise
L5
L4
L3
L2
L
LU
U
HU
图10目标距离模式曲线控制原理
3.4.4.速度容限的选取
报警速度，常用制动和紧急制动的速度容限值选取如图11所示：
图11速度容限值的选取
3.4.5.速度监控与制动输出
ATP对列车速度的监控和制动输出控制分为人控优先和机控优先两种模式。
1）人控优先
✧列车速度超过报警速度时，触发超速报警声音，列车速度低于报警速度2秒后，停止输出该声音；
✧列车速度超过常用制动干预速度时，触发最大常用制动，列车速度低于允许速度时输出“允许缓解”语音，DMI上显示允许缓解图标，司机需手动缓解该制动；
✧列车速度超过紧急制动干预速度时，触发紧急制动，列车停车后输出“允许缓解”语音，DMI上显示允许缓解图标，司机只能在列车停车后手动缓解该制动。
人控优先模式下的制动控制逻辑如图12-图15所示：
图12人控优先，CSM区的常用制动输出逻辑
图13人控优先，CSM区的紧急制动输出逻辑
图14人控优先，TSM区的常用制动输出逻辑
图15人控优先，TSM区的紧急制动输出逻辑
2）机控优先
✧列车速度超过报警速度时，触发超速报警声音，列车速度低于报警速度2秒后，停止输出该声音；
✧列车速度超过允许速度但未超过常用制动干预速度时，可分别触发弱常用制动和中等常用制动，列车速度低于缓解速度时，该制动自动缓解；
✧列车速度超过常用制动干预速度时，触发最大常用制动，列车速度低于缓解速度，该制动自动缓解；
✧列车速度超过紧急制动干预速度时，触发紧急制动，列车停车后输出“允许缓解”语音，DMI上显示允许缓解图标，司机只能在列车停车后手动缓解该制动。
机控优先模式下的制动控制逻辑如图16-19所示：
图16机控优先，CSM区的常用制动输出逻辑
图17机控优先，CSM区的紧急制动输出逻辑
图18机控优先，TSM区的常用制动输出逻辑
图19机控优先，TSM区的紧急制动输出逻辑
3）人控与机控的选择
在完全监控模式下采用机控优先，但在侧线接车时，为使司机准确掌握停车点，采用人控优先；非完全监控模式下，一律采用人控优先。
4.列车接
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