高速铁路列控车载设备安全技术探讨论文学位论文.docx

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高速铁路列控车载设备安全技术探讨论文学位论文

高速铁路列控车载设备安全技术探讨

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题名：

高速铁路列控车载设备安全技术探讨

摘要：

高速铁路的发展必须始终把安全摆在最核心、最本质、最关键的位置，列控系统是保障高速列车行车安全的核心设备。

列控车载设备作为列控系统的重要组成部分，主要任务是连续、实时监督高速列车的运行速度，实现对列车的超速防护。

列控车载设备的可靠性和安全性是确保高铁安全可靠运营的前提。

本文结合国内高速铁路的发展现状，一方面对高速铁路目前所采用的列控车载设备设计、实现、测试、运营维护等方面的安全技术进行分析和总结，旨在增强民众对高铁的信任感；另一方面在目前的技术体系下，针对如何管好用好高速铁路列控车载设备，也提出了一些见解，目的是寻求高速铁路的更好更快发展。

关键词：

高速铁路、车载设备、安全技术

概述

目前，国内已开通的CTCS-3级列控线路主要有京沪、武广、广深、哈大、京石武、郑西、沪宁、沪杭高铁，最高运营时速350公里/小时。

CTCS-3级列车运行控制系统是中国铁路时速大于300km/h客运专线的重要技术装备，是中国铁路技术体系和装备现代化的重要组成部分，是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一。

列车速度提高到160km/h以上时，对列车控制必须由开环控制变为闭环控制，CTCS-3列控系统正是通过车地信息的实时交互，从而实现对列车的闭环控制。

CTCS-3级列控系统主要分为车载设备和地面设备两大部分。

其中，列车运行过程中，车载设备实时通过GSM-R网络与地面设备实现数据交互，根据接收到的地面命令信息（含地面设备提供的MA移动授权、信号动态信息、线路参数、临时限速等信息），按照目标-距离模式生成MRSP最不利限制曲线，进行超速防护，监控列车安全运行。

列控车载设备是高速铁路行车安全中必不可少的核心设备之一，列控车载设备的安全技术直接关系到高速铁路列车运行中的安全性和可靠性。

CTCS-3级列控系统车载设备的组成

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（DRU）、人机界面（DMI）等组成。

CTCS-3级列控系统车载设备采用分布式体系结构，各输入输出单元通过总线与核心处理单元进行通信系统中的关键设备均采用冗余配置，具有高可靠性和高可用性；各输入输出单元通过总线与核心处理单元进行通信，具有良好的抗干扰性和可扩展性。

以下以CTCS3-300T车载为例说明CTCS-3级列控系统车载设备的结构。

CTCS3-300T列控车载设备与列车可采用两种形式的接口，一种为继电器接口，一种为MVB接口，对应的系统框图如图1所示（CRH2和CRH3型车）。

CTCS3-300T列控车载设备主要组成包括：

1）车载安全计算机：

包括C3主机（对应ATPCU单元）/C2主机（对应C2CU单元），是列控车载设备的控制核心。

负责CTCS-3级车载控制功能，兼容CTCS-2级控制功能。

2）测速测距子系统：

负责监测列车的运行速度并计算列车行走距离，并通过一定方式将此速度距离信息发送至各个子模块，包括SDP、SDU以及用于测速的雷达和速传，其中SDU速度距离单元采集来自速度传感器和雷达速度传感器的脉冲信号，将其转换为脉冲值，通过信号MVB总线传送给SDP单元处理；SDP速度距离处理单元对SDU单元采集的脉冲值进行计算，得出列车运行方向、速度和走行距离。

3）安全传输子系统：

主要控制MT模块通过GSM-R网络实现车地数据的安全、可靠传输，又称为STU-V，包括COMC和GCD两部分，其中COMC主要实现安全层相关功能及内部总线通信与外部无线通信协议间的转换功能，GCD主要实现传输层、网络层、链路层、MT模块控制功能，数据加密解密算法也有GCD设备负责完成。

4）应答器信息传输子系统：

负责应答器信息接收与处理，包含BTM和CAU，其中CAU即BTM的接收天线，用于接收地面应答器的信号；BTM用于接收应答器信息，并将解调后的信息传输给主机单元。

5）数字输入/输出单元：

用于采集列车输出的开关量信息，实现与列车之间接口。

6）安全输入/输出单元：

用于车载设备紧急制动命令的发送，并接收制动反馈信息。

7）轨道电路信息接收子系统：

用于轨道电路信息的接收和处理。

8）司法记录单元：

用于记录司法分析所需的列控车载设备工作状态及各种输入输出信息。

CTCS3-300T列控车载设备负责接收地面数据命令信息，通过对列车行车许可、线路参数、列车信息的综合处理，按照目标距离连续速度控制模式，生成最不利速度控制曲线，通过采取声光报警、切除牵引力、三级常用制动（弱、中、强）和紧急制动措施，监控列车运行，保证列车速度不超过进路允许速度、线路结构规定的速度、列车的构造速度、临时限速及紧急限速。

车载设备的安全设计技术

列控车载设备时保证列车行车安全的重要安全设备，必须按照相应的安全设计和评估标准进行系统的研究开发。

由于国内的CTCS-3级列控系统是在欧洲ETCS-2级列控系统的基础上发展和演变过来的，欧洲已针对铁路领域制定了比较完善的的安全系统设计和评估标准，简称为CEN-ELEC系列标准。

目前，国内CTCS-3级列控车载设备研发过程也同样要求遵循关欧洲CEN-ELEC标准中定义的安全完整度安全要求。

用于高速铁路的列控车载设备，安全相关部件都要求达到SIL4级（EN50129规定，SIL4级系统风险概率满足：

10-9≤每小时故障危险概率＜10-8）。

按照SIL4级要求，车载设备安全部件的设计与研发过程均应采用故障导向安全的原则，安全相关软件应采用双代码或双硬件方式对系统执行过程中的关键数据进行实时比较。

按照CEN-ELEC相关标准的规定，车载设备研发过程中，应通过EN50128中的安全软件开发V字形模型开展相关研发工作，实现对整个软件生命期的质量管理与控制。

安全软件开发V字形模型具体包括系统需求阶段、系统架构设计阶段、模块详细设计阶段、编码阶段、软件模块测试阶段、软硬件集成测试阶段、软件确认与验证阶段、系统集成测试阶段、系统评估阶段和系统维护阶段。

各个阶段的输入和输出文件都有详细的规定，车载设备研发完成后，必须通过相关的测试验证，并经过具有相应资质的独立第三方安全评估机构进行安全评估，通过安全认证后才能够安装使用。

目前，国内CTCS-3列控线路中装备最多的车载设备是CTCS3-300T车载设备。

以下以CTCS3-300T车载设备为例，对车载设备的安全性设计进行说明。

CTCS3-300T车载设备的安全相关软件采用双代码结构，同一套硬件中同时运行A、B两套相异代码，两套代码使用不同的数据区，采用不同的数据结构，并且两套代码同时对输入输出数据及中间过程关键数据进行相互比较，比较不一致则导向安全侧。

在系统设计中，CTCS3-300T车载设备采用现场总线分布式结构，具有良好的抗干扰性和可扩展性；车载系统中的关键设备均采用冗余配置，如ATPCU、C2CU、BTM、CAU、DMI等采用冷备，速度传感器、雷达、TCR、GSM-R单元及其天线等采用热备，具有高可靠性和高可用性。

CTCS3-300T车载设备的各个子系统均采用安全性设计，系统内安全相关单元一方面运行时实时硬件单元的CPU、内存等硬件进行监控；一方面采用AB代码方案，该软件构架可以防护硬件单元的硬件故障。

在软件侦测到硬件故障后，自动根据故障影响控制施加最大常用或者紧急制动。

此外，CTCS3-300T车载设备的总线接口和列车接口也都采用了安全性设计：

总线通过看门狗实现安全性监控，一旦总线中断或者受到干扰，看门狗溢出后，自行施加制动；列车接口中的紧急制动和全常用制动采用继电器接口及失电制动逻辑，确保了接口的可靠性和故障条件下的安全性。

车载设备的试验与验证安全技术

1.型式试验

车载设备的相关研发和设计完成后，按照接口设计图纸可以完成相关的安装调试。

在运行过程中，车载设备需要与列车配合使用，而不同车型在制动性能、电气接口等方面存在很多差异。

那么，该如何验证车载设备与车辆的匹配性呢？

这就需要通过型式试验来保证。

型式试验需要在车载设备安装调试完毕后进行，目的是验证车载设备与列车接口的适配性和安全性，型式试验一般仅针对新车型的首列车。

型式试验应包含静态测试和动态测试两部分。

其中，静态测试至少应覆盖以下内容：

1）列车开关对车载设备的作用和影响检测：

测试动车组开关对车载设备的控制作用，检查升降弓、断/合主断路器对车载设备运行的影响；

2）车载设备与列车的制动接口检测：

检测车载设备弱、中、强（最大常用）制动输出、紧急制动输出，检测相应的制动反馈信号，检测车载设备能否正常采集列车驾驶台状态输入信号、方向手柄信号，检测休眠信号对车载设备的影响，检测列车正常的制动输出等信号对车载设备使用的影响。

动态测试至少应覆盖以下内容：

1）过分相测试：

检查车载设备能够正常输出过分相控制信号、过分相有效信号；

2）测速测距性能测试：

检查车载设备在各种场景下的测距精度，如列车施加最大常用制动、列车施加牵引、低粘着条件下等场景；

3）应答器报文接收测试：

检查车载设备能否正确接收应答器报文；

4）牵引和制动性能测试：

检查车载设备配置参数在各种场景下的适应性，如列车加速、恒速、触发最大常用制动、弱常用制动、紧急制动等场景。

此外，还需要考虑列车重联等情况下的型式试验。

2.联调联试

高速铁路系统是一个复杂的大系统，由许多相互独立又相互关联的子系统组成。

高速铁路系统大致可分为高速列车、工务工程、牵引供电、列控系统、运营调度和客运服务6个子系统，每个子系统又由许多相对独立且相互关联的子系统。

高速铁路的联调联试需要对高速铁路系统进行全面、系统的测试，是保障高速铁路大系统正常开通和运营的关键。

在联调联试过程中，车载设备是列控系统中关键的被测对象，一方面需要在各种正常的场景下开展相关测试，验证列控系统相关的配置和功能是否与设计目标一致，验证车载设备设计及实现是否满足需求；另一方面，需要在各种边界载荷条件下或异常场景下开展测试，分析确认列控系统的响应是否满足RAMS需求，验证车载设备的可靠性、可用性和安全性。

联调联试阶段是高速铁路开通运营前的必经阶段，通过高速铁路的联调联试，发现并纠正数据设备和集成方案方面的错误，同时也对车载设备的功能进行了比较完备的测试，通过模拟各种可能发生事故的外部和内部条件进行安全方面的测试，总结真实故障发生的频率和概率，提高了车载设备现场运营和维护的安全性。

3.互联互通测试

依托武广高速铁路、郑西高速铁路和广深港高速铁路，我国建立了CTCS-3级列车运行控制系统的3个技术平台，也形成了各具特色的符合我国国情的3种不同类型的车载设备，具体包括基于瑞典庞巴迪公司平台的CTCS3-300T车载设备、基于意大利安萨尔多公司平台的CTCS3-300S车载设备和基于日本日立公司平台的CTCS3-300H车载设备。

而我国高速铁路建设的总体目标是CTCS-3级列控系统应具备跨线运行的能力，即装备不同技术平台的CTCS-3级列控系统车载设备列车，能够在装备不同技术平台的CTCS-3级列控系统地面设备的线路上安全不间断运行，同时实现线路上CTCS-3级列控系统所要求的功能需求和性能指标，并且均满足统一的标准规范体系。

为达成高速铁路建设的目标，满足高速铁路网络化发展的需求，必须验证装备这3种平台的列控系统能够在各条高速铁路上安全、不间断地运行，并满足标准规范所规定的性能，具备跨线运行的能力。

针对该需求，依据铁道部颁布的《CTCS-3级列控系统测试案例（V3.0）》（科技运【2009】59号），各相关研究单位根据各自的测试案例集联合制定了互联互通测试序列。

测试序列中，其中一些测试案例是针对车载设备的功能测试，如DMI显示、数据存储功能，还有一些是测试地面设备功能的案例。

互联互通测试序列通过铁道部审核后，铁道部颁布了《CTCS-3级列控系统实验室车载设备互联互通测试序列（V1.0）》（运基信号【2010】849号）。

进行互联互通测试时，测试单位将与互联互通测试有关的案例进行筛选，再利用这些测试案例组成第三三方车载设备互联互通测试所使用的测试序列。

测试通过后，装备不同车载设备的列车才具备跨线运行条件。

车载设备的检修与维护安全技术

由于列控车载设备本身既有的复杂性和外部工作环境的复杂性（如车辆运行时的振动、电磁干扰、温度湿度、雨雪恶劣天气等外来因素的影响），这些都可能会车载设备的正常工作。

列控车载设备检修的检修与维护是保障高速铁路安全、可靠运用的前提。

1.日常检修与维护

高速铁路列控车载设备与传统的信号设备相比存在较大的差异，高速铁路的列控车载设备的系统集成度更高，软件和硬件复杂度较传统信号设备呈现级数增长，加上故障导向安全理念的运用，故障的隐蔽性和突发性很强，采用传统的检测手段和方法往往无法满足故障检测的需要。

目前，车载设备的日常维护和检修一般都在动车维修基地进行。

高速铁路列控车载设备本身具备故障提示和故障代码指示功能。

结合实际的维护需求，车载设备都配套了较为完善的便携式检测系统和动态监测装置（简称DMS），具有辅助维修、记录下载分析、记录统计等功能。

相关检测设备都安装在动车组相应的机柜内，在列车运行中完成车载设备运用状态、应答器位置及报文、轨道电路传输特性等信息的采集，数据通过无线方式实时传输到地面数据中心，实现故障信息的自动采集和实时分析。

车载设备投入使用后，设备供应商会按照预定安排，组织对现场技术人员和使用人员进行相关培训，建立完善的维护体系，确保能够及时下载相关的故障诊断记录，对运行中出现的每一起故障进行分析，在改善系统的可用性的同时确认是否存在安全相关问题。

由于列控车载设备故障的复杂性和多样性，为保证车载设备日常故障分析和定位的准确性，一方面在车载设备的日常检修和维护中逐步形成了维修工区、车载设备工作站维护人员、电务段技术骨干、车载设备供应商售后服务人员、技术专家联合分析的分层负责制，24小时不间断响应处理。

系统故障发生后，第一时间由维修工区或工作站维护人员下载相关记录数据分析，对于常见的故障电话与设备供应商售后服务人员沟通后，上报电务段批准后直接采取整治措施；对于不常见的复杂故障，由维修工区或工作站维护人员下载相关记录数据并提供给设备供应商技术专家进行分析，提供具体的整治措施或解决方案，再通过维修工区或工作站维护人员具体执行。

另一方面，车载设备供应商结合现场发生的故障情况，归纳整理了相应的故障处理手册，对各类典型故障的特点、故障分析过程、故障排除措施等一一进行了总结，作为现场分析和处理故障的依据。

这些都确保了现场故障的分析与处理能够在第一时间内准确完成，切实保证了列控车载设备运营过程中的可靠性和安全性。

2.车载设备的高级检修

为保证高速铁路列控车载设备高级检修的运用质量，按照高速铁路列控车载设备各部件的寿命周期及检修工作量，铁道部印发了《动车组CTCS-3级列控车载设备高级检修规程》（技术规章编号TG/XH202-2012），将高速铁路列控车载设备修程划分为一、二级运用检修和三、四、五级高级检修，其设定与动车组修程配套。

其中，三级修对应列控车载设备在新出厂后随动车组运行120万公里（CRH2C一阶段动车组90万公里）进行的检修；四级修对应列控车载设备在新出厂后随动车组运行240万公里（CRH2C一阶段动车组180万公里）或480万公里（CRH2C一阶段动车组360万公里）进行的检修；五级秀对应列控车载设备在新出厂后随动车组运行360万公里（CRH2C一阶段动车组270万公里）进行的检修。

列控车载设备的主要检修部件包括：

安装于车顶的GSM-R天线；安装于车内的主机、人机界面（DMI）、应答器信息接收装置（BTM）等；安装与车底的速度传感器、雷达、轨道电路读取单元（TCR）天线、BTM天线，相关电缆及接线盒；列控设备动态检测装置（DMS）。

在各个阶段的检修中，对包含设备清扫、配件更换、设备状态检查、外部电缆测试、静态调试、厂内动态测试、线路动态测试在内的一系列工作都进行了详细规定，明确了检修原则。

相关检修流程的制定和检修计划的实施，也确保了车载设备工作的可靠性和安全性。

展望

我国高铁经过近几年的飞速发展，取得了巨大的成就。

中国高铁已成为一个品牌，甚至是一张国家的名片，在国际上产生了深远影响。

高速铁路在带动沿线相关产业发展、时间效益、节能环保、舒适性、安全性、提高公众自豪感等方面的社会效益也得到了验证。

另一方面，由于包含高速铁路列控车载设备在内的CTCS-3级列控系统在国内研究、应用和发展的时间相对较短，高速铁路列控车载设备相关的安全技术仍在不断发展进步，在未来还有很长的路要走。

我们在实际工作中，必须始终深入贯彻落实科学发展观，牢固树立安全管理的理念，强化安全意识，建立健全安全保障体系，全力确保高速铁路的安全可靠运营。

参考文献

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[2]《基于CENELEC铁路标准的列车自动防护系统车载设备研究与设计》，郜春海，唐涛，燕飞，[期刊论文]-铁道学报2006（02）

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[5]《CTCS-3级列控车载设备实验室互联互通测试方法》，刘雨，唐涛，李开成，袁磊，北京交通大学，[期刊论文]-铁道通信信号2011（12）