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CTCS2教材
说明：
第一章第一、二节由郜春海编写
第一章第三、四、五节，第二章全部由王俊峰编写
第一章绪论
第一节发展列控系统的意义
一、列控系统的发展
铁路运输运输负有安全、迅速、正确和经济地运送旅客和货物的社会责任。
铁路运输要安全、快速地运输，人的因素是首先应重视的。
在同一个轨道上高速而且短行车间隔运行的列车，司机的一点点精神疏忽，都可能造成重大行车事故。
而人的注意力范围是有限的，因此必须采用机械的、电气的、智能化的信号设备，以确保列车行车安全，保护生命财产。
这些信号设备包括向司机指示列车运行条件保障行车安全的列车运行控制系统（以下简称列控系统）和联锁设备。
列车控系统是由地面设备和车载设备构成，用于实现列车间隔控制和速度控制的、保证行车安全和提高运输能力的安全控制系统，具有线路空闲检测、危及行车安全因素的检测和间隔控制和速度控制功能。
速度控制是保证列车不管在什么状态下都不能超过规定的限制速度，在实际运行中，列车的速度受到若干因素的限制，如受线路状态（结构、曲线和坡度）、道岔曲线、列车前方障碍物以及机车车辆的构造速度所限制。
如果列车实际运行速度超过了限制速度，则会引起列车颠覆、冒进信号或撞车的危险。
其次是间隔控制，列控系统必须保证列车间始终保持一个安全间距，保证后续列车不会与前行列车相撞，同时又必须尽量使该间距短，以便增加列车的密度，从而保证运输效率。
铁路信号系统产生过几次革命性的变革。
首先是1841年从无信号到手动闭塞信号的过渡，接着是向基于轨道进行信息传输的固定闭塞信号系统的演进，到目前大面积推广应用的基于轨道电路或点式信息传输的自动闭塞，以及目前正向基于通信的CBTC系统控制的虚拟闭塞或移动闭塞发展。
总之，铁路列控系统的发展是随着列车与地面信息传输系统的发展而发展的，不同历史各阶段出现的典型信号速度控制和间隔控制的设备或系统包括：
（1）地面人工信号
（2）自动闭塞系统
（3）机车信号
（4）自动停车系统
（5）速度码台阶控制的列控系统
（6）基于速度-距离曲线控制的列控系统
（7）基于虚拟/逻辑控制的列控系统
（8）基于CBTC控制的列控系统
二、国外典型列控系统
国外列车运行控制系统应用比较普遍，各种速度的铁路都有运用，但建立一套满足高速铁路或客运专线的列车运行控制体系的系统还不多，主要集中在欧洲的德国、法国和亚洲的日本。
典型的列控系统主要有法国TVM300和TVM430系列、日本ATC和数字ATC、德国LZB80系统、欧洲ETCS等系统，见表1-1；目前试验或设想中的高速铁路列控系统，见表1-2。
表1-1已运营的典型高速铁路列控系统分析表
设备名称
法国TVM300
法国TVM430
德国LZB
日本ATC
运行速度
最高：
270km/h
最高：
320km/h
最高：
270km/h
最高：
270km/h
运营里程
850km
150km
432km
1832km
闭塞方式
固定闭塞
固定闭塞
固定闭塞
固定闭塞
制动模式
滞后式速度码台阶控制
分级速度-距离曲线控制
一次速度-距离曲线控制
提前式速度码台阶控制
控制方式
人控为主，
设备为辅
人控为主，
设备为辅
可实行自动控制（ATC）
设备控制优先，
人控为辅
安全信号传输
媒介：
无绝缘模拟轨道电路
方向：
地对车，单方向
载频：
1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz
信息量：
18个
媒介：
无绝缘模拟轨道电路
方向：
地对车，单方向
载频：
1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz
信息量：
27bit
媒介：
数字电道电缆
方向：
地-车间，双方向
载频：
36±0.4kHz
56±0.kHz信息量：
83.5bit
媒介：
有绝缘模拟轨道电路
方向：
地对车，单方向
载频：
750Hz、850Hz、
900Hz、1000Hz
信息量：
10个
其它信号传输
媒介：
环线、应答器
方向：
地对车或
车对地，单向
媒介：
应答器、无线数传
方向：
地-车，双方向
媒介：
应答器、无线数传
方向：
地-车，双方向
媒介：
应答器、无线数传
方向：
地-车，双方向
列车定位
轨道电路、车载测距
轨道电路、车载测距
交叉环线、车载测距
轨道电路、车载测距
区段占用
无绝缘模拟轨道电路
无绝缘模拟轨道电路
无绝缘模拟轨道电路
无绝缘模拟轨道电路
设备器件
晶体管分立元件
小零星模集成电路
大规模集中电路超大规模集成
晶体管分立元件
小规模集成电路
晶体管分立元件
小规模集成电路
系统评价
系统的结构简单、造价低谦：
与移频自闭有较好的兼容；
需有保护区段对能力有一定的限制。
不要保护区段，通能力较TVM300有一定的提高；
采用大规模集成电路，生产、调试、维护较容易
连续控制、通过能力有较大提高；轨道电缆作传输媒介，区间有源设备较多，系统造价高，生产、调试、维护较困难
分级阶梯式，设备优先，不需保护区段，通过能力有提高；电源同步抗干扰手段不适合我国供电情况；绝缘节与我国也不相同。
表1-2试验或设想中的高速铁路列控系统
设备
名称
法国
TVM430
意大利
ETCS
（1）
日本
D-ATC
欧洲
ETCS
（2）
中国
CTCS
闭塞方式
固定闭塞
固定闭塞
固定闭塞
固定闭塞
固定闭塞
制动模式
连续速度曲线
连续速度曲线
连续速度曲线
连续速度曲线
连续速度曲线
控制方式
人控为主
设备为辅
人控为主
设备为辅
设备为主
人控为辅
可由设备实行
自动控制
可由设备实行
自动控制
安全信息
传输媒介
轨道电路
轨道电路
轨道电路
GSM-R
无线通信
轨道电路+应答器，或无线通信
传输方式
及信息量
地对车：
21bit
地对车：
100bit
车对地：
56bit
地对车：
43bit
地对车
车对地
地对车
车对地
载频
1700、2000
2300、2600Hz
2.1～4.1KHz
6通道
625Hz、575Hz
1700、2000
2300、2600Hz
其它信息
传输
应答器、
无线数传
地、车双向
应答器、
无线数传
地、车双向
应答器,
无线数传
地、车双向
应答器
应答器、
无线数传
地、车双向
列车定位
轨道电路
车载测距
轨道电路
车载测距
轨道电路
车载测距
应答器
轨道电路或计轴
轨道电路、应答器、车载测距
成熟程度
已工程应用
工程设计
试验段成功
已工程应用
试验段成功
西、意、德等国已工程应用
开通CTCS2，研究CTCS3
1.法国U/T系统
法国高速铁路TGV区段的列控系统，车载信号设备采用TVM300或TVM430，地对车的信息传输以无绝缘轨道电路UM71为基础，该列控系统简称U/T系统。
TVM300系统在1981年于巴黎—里昂首先投入使用，随后在东南新干线和大西洋新干线也得到应用，地面信息传输设备采用UM71轨道电路，该系统构成简单，造价较低。
该系统中UM71轨道电路不仅反映列车对区段的占用和完整性检查，而且向机车上传输机车信号信息。
无绝缘轨道电路UM71，地对车的信息传输容量仅有18个，速度监控是滞后阶梯式的控制方式，TVM300系统只检查列车进入轨道区段的入口速度，为确保安全，它需要有一个安全保护区段，这对线路的通过能力有一定影响，运行间隔一般为4~5分钟。
法国TVM430系统是在TVM300基础上研制的一种列车运行控制系统。
TVM430系统在1993年于法国第三条北方线高速铁路首先投入使用。
随着列车速度不断提高，时速已达320km/h，法国CS公司对模拟电路构成的U/T系统进行了数字化改造：
数字电路技术使设备结构小型化、模块化；采用无绝缘轨道电路UM2000、数字通信技术使车－地间的信息传输数字编码化；其速度监控方式改为分段速度-距离曲线控制模式，该控制方式是在每个分区按速度-距离分段制动的，其列车追踪间隔主要与闭塞分区的划分和列车速度有关，而闭塞分区长度的确定是以线路上运行的最坏性能的列车为依据，对高中速列车混合运行的线路采用这种模式能力是要受到较大影响的，运行间隔一般为3分钟。
近年来，法国CS公司又开发了计算机联锁（SEI）和列控（ATC）一体化的系统，在地中海线和海峡—伦敦线开通使用，我国秦沈客运专线也采用了该系统。
2.日本ATC系统
日本高速铁路自1964年10月东海道新干线开通运行以来，随着技术不断发展，列车运行速度已达300km/h，40多年来未发生一起人身伤亡事件，ATC系统对保证行车安全，提高运输效率起了重要作用。
日本新干线现有的ATC系统普遍采用提前阶梯式速度监控，它的制动方式是设备优先的模式，即列控车载设备根据轨道电路传送来的速度信息，对列车进行减速或缓解控制，使列车出口速度达到本区段的要求，它没有滞后控制方式所需的保护区段，在线路能力和自动化程度上较滞后控制有所提高。
日本的ATC系统由地面设备和车载设备构成。
地面设备由轨道电路和点式设备构成。
轨道电路不仅反映列车对区段的占用和列车完整性检查，而且向列车传送ATC信息。
轨道电路采用电源同步单边带音频（SSB〕，为了提高抗牵引电流干扰的能力采用了双频组合轨道电路。
日本新干线ATC系统控制模式与法国TVM300系统相似，也是采用速度码台阶方式，所不同的是TVM300是采用人控优先的控制方式，即列车的运行速度一般由司机完成，只有在司机未按速度控制及时将列车速度降低时设备才起作用。
而日本新干线ATC系统采用设备优先的控制模式，即列控车载设备根据从地面收到的速度控制命令，自动发出制动命令使列车减速，速度达到本区段的要求时自动发出命令使列车缓解。
因此，它不需要设置保护区段，在线路通过能力上较TVM300系统有所提高。
为解决现行ATC系统的缺点，九十年代初日本就开始数字ATC的研究，数字ATC系统也是采用安全性能高的轨道电路来检查列车占用，由地面向车上传送数字编码信息。
传送的信息内容不是现有ATC系统所传送的速度信息（限制速度），而是传送至前方列车的距离。
具体内容是：
轨道电路编号、至前方列车所空闲的区间数、到站/出站股道、临时限速和其他信息。
车载设备除了具有轨道编号和空闲区间数为计算距离前方列车距离所需要的数据外，车上还存储有限制曲线、道岔限速、坡度等线路数据。
列车依据地面传来的轨道电路编号、空闲区间数等信息计算出与前方列车的距离，实施一次速度-距离曲线控制。
由于传送的距离前方列车的距离，因而车载设备能生成与各列车制动性能相适应的制动曲线，能够实施最佳控制，使列车在前方列车之后的闭塞分区内停车。
数字ATC系统的整体特点有：
使用了具有实际使用业绩的轨道电路来检查列车占用，并由地面向车上传送信息；车载设备实现智能化，此外由于采用了一次制动控制方式，列车能够按照适合于各自制动性能的制动模式曲线实施最佳运行；能够缩短运行间隔时间和提高列车速度；能够方便地适应电动车组和机车牵引，高速列车与既有线列车的混合运行。
3.德国LZB系统
德国铁路早在60年代就开始研究用于最高行车速度200km/h的连续式列车运行自动控制系统LZB，它是德国铁路、西门子公司及劳伦茨公司合作研究的成果，70年代后期开始推广。
LZB系列是目前世界上典型的连续式列车速度控制系统之一，这种连续式列控系统不但能反映地面信号的显示，而且能自动控制列车的牵引和制动。
LZB系统主要由地面列控中心、车—地双向信息传输设备、列控车载设备三大部分组成。
地面控制中心是LZB系统的核心，它负责实时追踪、确定所管辖范围内各列车的安全运行速度，产生的控制命令通过通信网发送到轨旁发送/接收设备，经过信号放大后通过轨道电缆传输向车载设备发送信息，控制列车安全运行。
同时利用每100米交叉一次的铺设方法可以实现列车准确定位。
LZB系统车载设备包括中央计算机、测速测距设备及制动控制设备等。
LZB系统最突出的特点之一就是利用铺设在钢轨之间的轨道电缆实现车—地之间的双向信息传输。
通过车—地信息传输系统，LZB车载设备可以将列车的精确位置、实际速度、机车及列车工作状况（设备状况、轴温、供电及故障）等信息及时送到地面列控中心。
列控中心的计算机根据综合调度中心下达的列车运行计划、列车运行线路状况信息（坡度、曲线半径、限制速度等）、相邻联锁中心送来的列车进路信息等经计算、比较处理后，确定出在保证行车安全的前提下使列车运行间隔最小的列车运行速度，并立即通过LZB地—车双向传输系统将这一速度控制命令传送到LZB车载设备，由此实现对列车运行速度的控制。
但是LZB系统利用轨道电缆作为车-地间双向信息传输的通道，另要轨道电路来检查列车占用，轨旁设备较多，给维修带来不便。
LZB以地面控制中心为主计算制动曲线，车载信号设备智能化不够，与其它列控系统兼容比较困难。
4.欧洲ERTMS/ETCS系统
为克服欧洲各国信号制式复杂、互不兼容，保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，在欧洲共同体的支持下，欧洲各信号厂商联合制订ERTMS/ETCS技术规范，ERTMS是欧洲铁路运输管理系统的缩写，它是一个以ETML（欧洲铁路运输管理）为运输指挥基础、以ETCS为安全核心、以GSM—R为传输平台的铁路运输管理系统。
ETCS是一个先进的列车自动防护（ATP）系统和机车信号技术规范，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，并且能够在欧洲境内穿越国境时实现互通运营。
（1）ERTMS/ETCS化分了5个应用等级
分级是ETCS的关键与精髓。
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5级。
ERTMS/ETCS等级0：
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。
ERTMS/ETCS等级STM：
专用传输模块STM，主要是为了保证装配ETCS车载设备的列车，在既有线运行时能够提供通用机车信号功能。
ERTMS/ETCS等级1（带注入或不带注入信息）：
基于点式传输的列车控制系统，装备了ERTMS/ETCS的列车在地面装备点式设备的线路上应用，列车检测和列车完整性检查由既有地面信号系统完成。
ERTMS/ETCS等级2：
基于无线传输的列车控制系统，装备了ERTMS/ETCS的列车，在由无线闭塞中心控制并且装备了Eurobalise和Euroradio的线路上运行，由地面设备提供列车定位功能和列车完整性检测。
ETCS2级可以取消地面信号机，司机凭车载信号行车。
ERTMS/ETCS等级3：
ETCS3级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ERTMS/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，并确定每列列车的移动授权。
（2）ERTMS/ETCS技术规范核心
技术规范核心：
以欧洲车载设备EUROCAB为核心；以欧洲应答器（EUROBALISE）作为列车定位修正基准；以欧洲应答器EUROBALISE（应用等级1）、欧洲环线EUROLOOP（应用等级1）及欧洲无线EURORADIO（应用等级2、应用等级3）作为车地信息传输的通道；以基于通信的列控系统作为欧洲铁路列车运行控制系统今后的发展方向。
ETCS从保持设备互用性，确保高速列车跨国/跨线运行角度制订技术规范。
地面设备规范了地面设备间数据交换，以及地面设备与车载设备间的数据交换。
车载设备则是规范了车载设备的功能，地面设备与车载设备数据交换，车载设备各子系统间的数据交换，车载设备与司机人机接口，车载设备与列车间的接口等。
ETCS定义的两类接口规范：
FIS为功能接口规范，保证了接口逻辑互用；以及FFFIS为形式适配功能接口规范，保证逻辑和物理的互用性。
（3）ERTMS/ETCS标准化设备
ERTMS/ETCS车载设备是一个基于欧洲安全计算机的系统，它基于与地面子系统的交换信息来控制列车运行。
车载子系统的设备包括：
EUROCAB（欧洲车载设备）、STM（专用传输模块）、BTM（应答器传输模块）、LTM（环线传输模块）、TTM（无线通信传输模块）。
标准化的地面设备结构，包括如下标准模块：
欧洲应答器（EUROBALISE）；欧洲环线（EUROLOOP）；欧洲无线（EURORADIO），即GSM-R；无线闭塞中心（RBC）。
（4）ERTMS/ETCS特点
系统的开放性：
ERTMS/ETCS技术规范是得到欧洲共同体和国际铁路联盟承认的标准，而且该标准是公开的。
互可操作性与互用性：
所有的ERTMS的设备供应商按照统一的ERTMS/ETCS技术规范来设计生产，所以不同厂家的ERTMS设备可以任意组合、任意互换使用。
兼容性：
ERTMS/ETCS的5个应用等级的机车尽管其装备的车载设备不同，但机车可以在不同等级的线路互通运营。
模块化：
ERTMS/ETCS的低等级系统在原有设备的基础上，增加一些新的设备（模块）就能方便升级到更高的等级，原有的列控车载设备在高等级的系统中继续使用。
第二节列控系统的分类和基本原理
列车运行控制系统是将先进的控制技术、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。
它是现代保障行车安全、提高运输效率的核心，也是标志一个国家轨道交通技术装备现代化水准的重要组成部分。
值得注意的是，各国铁路由于历史、传统术语、指示和原文意义不同等原因，对列车运行自动控制系统的名称划分也不尽相同，列车超速防护系统（ATP）与列车运行自动控制系统（ATC）并没有严格的划分，在城市轨道交通的信号系统ATC系统中包括列车自动防护ATP、列车自动监督ATS和列车自动驾驶ATO。
在铁路行业中，一般只是注重ATP系统的发展和应用，关于ATS和ATO在铁路运输中应用难度较大，由于运输组织比较复杂等。
虽然日本、法国及德国列控系统的名称不同，但有一个共同点，即自动监控列车运行速度，通过车内信号直接指示列车应遵守运行速度（即允许速度）。
在人机关系方面，系统能可靠的防止由于司机失去警惕或错误操作可能酿成的冒进信号或列车追尾等恶性事故。
为便于讨论，将铁路的列车超速防护ATP系统称为列车运行控制系统。
下面将从不同的角度进行列控系统分类和控制原理的分析。
一、根据系统功能、人机分工和自动化程度划分
列控系统按照系统完成的功能、人工的自动化程度分成列车自动防护系统（ATP）和铁路列车运行自动控制系统（ATC）。
（1）列车自动防护系统（ATP）
列车自动防护系统（ATP）可对列车运行速度进行实时监督，当列车运行速度超过最大允许速度时，自动控制列车实施常用全制动或紧急制动，使列车停在显示禁止信号的信号机或停车标前方。
ATP系统的车载设备以仪表或数字指示方式（车内信号方式）向司机给出列车最大允许速度、目标距离和目标速度等信息，司机只要按允许速度操纵机车，就能可靠保证列车安全运行，不冒进信号。
通俗地说，一般ATP系统不包含列车的自动加速和自动减速，只是起到超速防护的目的，在国内也将ATP系统叫成列车超速防护系统。
（2）铁路列车运行自动控制系统（ATC）。
铁路列车运行自动控制系统（ATC）可根据行车指挥命令、线路参数、列车参数等实时监督列车运行速度，通过控制列车多级常用制动，自动降低列车运行速度，保证行车安全。
列车运行自动控制系统是比列车超速防护系统高一级的列车自动控制系统，它可替代司机的部分操作。
通俗地说，铁路的ATC系统可以包含列车的自动减速，该系统在日本应用较为广泛，这种控制模式可以有效降低司机的劳动强度，并且能够提高运输效率，不会因为司机的水平不一样而造成效率的降低，目前我国200km/h的动车组引进的ATP设备可以理解为日本方式的ATC系统，即在传统的ATP系统上加上一个设备优先控制列车制动的操作模式。
二、按人-机设备优先等级划分
列控系统按照系统是人工优先控制还是设备优先控制分成设备优先的列控系统和人工优先的列控系统。
前者以日本新干线ATC为代表，后者德国LZB或法国高速铁路TVM300或TVM430系统为代表。
（1）设备优先的列控系统
设备优先的系统当要求列车减速时，在闭塞分区入口处，ATP车载设备就自动实施制动，低于目标速度后自动缓解。
当列车速度超过紧急制动制动曲线时，则实施紧急制动，使列车停车。
由于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，其最大优点是能够年轻司机的劳动强度，使司机能集中精力确保列车正点运行，从而提高列车运行服务质量。
但是，为满足旅客乘车舒适性的要求，采用这种方式对列车自身的制动系统的自动化程度以及制动性能要求非常高。
它的最大常用制动必须采用可短时间重复制动、缓解的高质量多级制动（电阻、再生、电空等）方式，特别是电空制动，它要求缓解充风时间要短，一旦列控设备发出减速命令，列车制动系统能根据列车实际运行状态自动控制按保证旅客舒适的要求实施制动。
以设备制动优先的列控系统另一优点是可以适当缩短列车运行间隔时间，保证列车按时刻表或运行图运行。
根据经验，一般以人控为主的列控系统，司机为防止速度超过允许速度，往往将列车的运行速度控制的距离设备监督曲线较远的地方，尤其是列车前方为禁止信号时，司机往往提前降速缓行，因此使列车的运行间隔增加。
而设备制动优先的列控系统，由于它完全由设备控制并且可以连续制动、缓解，它的运行速度控制曲线一般距离设备监督曲线较近，因此它可以适当缩短列车运行间隔时间。
（2）人控优先的列控系统
以人控优先的系统列车运行速度一般由司机控制，只有列车超过允许速度，设备才自动介入实施制动。
司机制动优先的系统的优点是便于发挥司机的责任感，使司机处于积极的工作状态，能及时处理异常情况，充分发挥人的技术能力，减少设备对司机操纵的干扰。
在列车制动系统技术水平不高的条件下，司机控制列车减速比设备自动控制列车更为舒适。
另外，对于以空气制动为主的列车，由于其不能短时间重复实施制动和缓解，因此对于这种列车必须采用人控优先的控制方式。
综合以上分析，对于那些列车性能稳定、设备安全可靠、司机劳动强度大、运行间隔要求高的轨道交通运输系统，宜采用设备优先的控制系统。
三、按控制模式划分
列控系统按照系统控制模式分成速度码阶梯控制方式和速度-距离模式曲线控制方式。
（1）速度码阶梯控制方式
速度码阶梯控制方式，在一个闭塞分区内只控制一个速度等级。
在一个闭塞分区中只按照一种速度判断列车是否超速。
阶梯控制方式又可分为：
●出口检查方式（滞后式控制）
●入口检查方式（提前式控制）
图1-1速度码台阶控制曲线
图1-1中出口检查方式要求司机在闭塞分区内将列车运行降低到目标速度，ATP车载设备在闭塞分区出口检查列车运行。
如果司机按照允许速度操纵列车，ATP设备不干预司机正常操作，当司机违章操作或列车运行超过允许速度时，列控设备将自动实施制动。
在每个闭塞区段的速度含义中存在允许速度/目标速度的意义，本区段的允许速度为该区段的入口速度，本区段的出口速度就是下个闭塞分区的允许速度，这种控制模式属于滞后控制，列车制动后需要走行一段距离才能减速（或停车），因此，在禁止信号后方需要设置一段防护区段用着过走防护。
法国TVM300就采用这种控制方式。
图1-1中入口检查方式就是列车在闭塞分区入口处接收到允许速度后立即依此速度进行检查，没有目标速度指示，一旦列车速度超过允许速度，则列控设备自动实施制动使列车运行降低到目标速度以下。
入口检查方式中本区段的入口速度就是本区段的允许速度。
日本新干线ATC就用这种方式。
在该种控制方式下，需要在列车停车前设置一个地面环线或应答器设
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