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先进安全 开放兼容 自主可控的中国高铁列控系统

近年来,中国高铁技术的飞速发展,不仅成为推动中国经济社会快速发展的巨大引擎,更吸引了世界的目光,成为了中国的一张靓丽名片。作为高铁最关键的三大核心技术之一的列车运行控制系统,在中国通号科技人员的不懈努力下也从无到有,走出了一条以自主创新实现“弯道超车”的独特发展道路,在中国高铁“走出去”过程中扮演着举足轻重的角色。

一、中国高铁列车运行控制系统的创新成果

中国是一个铁路运输大国,运能紧张,运输线路复杂,运输作业量庞大。为兼顾多种速度等级和多种信号系统制式列车运行,行车指挥方式和列控系统兼容方案极其复杂。这些特殊的国情路情要求中国列车运行控制系统具备更高的可靠性和安全性。

中国高铁列车运行控制系统在发展过程中,取得多项标志性成果,构建了完整的标准体系,打造了完整的产业链,其核心成果主要体现为“四个创新”。

(一)CTCS技术体系的创新

创新了多制式列控系统兼容技术、基于GSM-R车地双向通信集成技术,实现了路网互联互通;提出了适应高速切换的无线网络优化方法、动态仿真测试方法;攻克了高速列车动态控制曲线模型、多条并线铁路无线冗余覆盖等关键技术难题;创新了列控系统高安全性设计、高复杂性系统集成、高可信性仿真测试、高可靠性装备制造、高适用性工程化实施等技术,建立了完整的CTCS列控系统技术标准体系。

(二)技术支撑平台的创新

为保证CTCS-3系统创新的顺利进行,增强列控系统技术可持续发展能力,中国通号开展了CTCS-3系统攻关自主创新,研究并建立了CTCS-3系统实验室;重点研究测试案例技术、仿真测试技术、试验验证技术、数据分析技术、系统评估技术,搭建出CTCS-3系统的综合设计集成测试平台;突破了350km/h高速列控系统仿真测试技术,提出“机理建模”结合“实物软件封装”的混合仿真建模方法,建立了全线、全景、全速综合仿真测试平台和整套测试验证技术方案。

(三)系统核心技术的创新

CTCS-3列控系统是一个基于网络的大规模复杂实时控制系统,核心设备包括了车载ATP、无线闭塞中心(RBC)、列控中心(TCC)、临时限速服务器(TSRs)及GSM-R无线网络等。其中,最具代表性的车载ATP和无线闭塞中心设备,实现了多项原创性的技术创新。

(1)车载ATP设备的技术创新

1)CTCS-3/CTCS-2不停车动态转换机制。在车载ATP设备中,CTCS-3主控单元和CTCS-2主控单元采用系统同步技术和曲线计算同步技术实现不停车的动态转换,提高了旅客舒适度,并保证了运营效率。

2)车载安全计算机平台采用交叉冗余结构。该结构的主备系可实现毫秒级的状态同步,从而实现热备双系的无缝切换。该结构能够将双系中的完好功能灵活组合,形成功能完整的车载设备,极大提升了车载设备的可靠性和可用性。

3)车载安全计算机平台的输入级、处理级及输出级均采用安全保障技术。在采用多重安全保障技术中,同步安全处理总线技术,在保障安全比较的基础上,避免了处理器之间等待同步的时间消耗。该结构极大提升了平台安全性、处理能力与处理效率。

(2)无线闭塞中心设备的技术创新

1)RBC安全计算机平台及系统安全软件设计,通过基于比较和多重信息融合的安全监控、安全操作系统多任务检测、系统内存实时在线故障检测、CPU内存寄存器实时在线故障检测等技术,提高了安全计算机的运算和数据吞吐能力,保证RBC系统的安全运行。

2)可支撑复杂枢纽拓扑的电子地图,采用基于点和线的几何方法对铁路线路进行抽象描述,实现了对具有多站场、多侧线分区、多联络线、多里程变换和断链的复杂枢纽线路的全方位支撑。

3)采用了密钥生成和管理关键技术,该技术符合国家信息安全和密码管理的相关规范与标准,适用于现行列控系统的密钥管理机制,在列控系统密钥管理系统的安全和效率方面处于世界领先水平。

(四)系统集成技术的创新

对于CTCS-3系统的集成技术,突破了系统控制协同及平滑切换技术,满足全路“一张网”规划下的CTCS-3/CTCS-2不同等级线路跨线运行要求。重点研究了地面设备RBC与联锁、CTC、TCC集成技术,车载设备、RBC与GSM-R集成技术,信号系统与外部系统的接口技术,不同速度等级列车共线运营控车技术。

二、中国高铁列车运行控制系统的优势

(一)系统安全性、可靠性高

首先,中国高铁列控系统主要设备的研发遵循国际通行的安全产品开发流程,安全完整性等级达到了最高的SIL4级,并通过了第三方国际知名认证机构的评估和认证。

其次,中国高铁列控系统的实施过程,建立了完整的从子系统专项测试、实验室集成测试、现场集成测试、联调联试、试运行的完整测试验证流程,形成了完整的测试案例库,100%覆盖系统场景,并考虑了更多的特殊情况,使测试的全面性和可信度大大提高。采用实验室测试与现场试验相结合的方式,验证系统的各项功能、性能,确认系统的各项设计指标达到设计要求,有力的保证了列控系统的安全性和可靠性。

第三,中国高铁在不同的运营环境和地质条件下经历了各种各样的困难挑战,针对高寒、酷热、戈壁风沙、海风高盐等各种复杂现场条件,以及不同速度等级线路交汇,多种信号系统制式并存的复杂枢纽,中国高铁列控系统进行了多项攻关和适配性技术开发,保证了系统在各种复杂运营环境和现场条件下的安全稳定运行。

(二)技术性能先进

CTCS-3级列控系统设计充分考虑了中国铁路高速度、高密度、短间隔、上下线运行等运输需求,与欧洲先进的ETCS-2级列控系统相比,CTCS-3级系统又增加了CTCS-2功能设计,作为其无线通信及RBC故障后的备用系统使用,并采用了更为先进的设备制动优先的制动减速和停车控制方式,有效减轻了司机劳动强度,进一步提高了列车的运行安全。

中国CTCS列控系统在临时限速设计和实现上具有技术先进性和安全性,主要体现在创造性地设置临时限速服务器对CTCS-3、CTCS-2系统的临时限速进行集中管控,实现了临时限速命令的一致性、兼容性,从而保证了列控系统的安全;CTCS-3系统控车时,当无线通信受到干扰连接超时或者地面无线闭塞中心故障时,可不停车自动切换到CTCS-2级继续高速运行,最大限度减少故障对运输的影响。因此CTCS-3/CTCS-2不停车转换是中国CTCS-3级列控系统又一重大创造,极大的提高了铁路的运行效率,也提高了设备故障情况下的系统安全性。

(三)性价比优势突出

依托中国充足的技术开发人员,进行了高铁列控系统全产业链优化,为中国高铁走出去提供了极高的“性价比”优势。

世界银行驻中国代表处2014年7月发表的一份关于中国高铁建设成本的报告数据,中国高铁的加权平均单位成本为:时速350公里的项目为1.29亿元人民币/公里,时速250公里的项目为0.87亿元人民币/公里。而国际上,高铁建设的成本较高,每公里造价多数在3亿元人民币以上。中国高铁建设成本仅相当于海外的1/3-1/2。中国列车运行控制系统的性价比优势一目了然。

(四)运用维护经验丰富

中国运营着上万公里的高铁线路,运营里程占据全球一半以上,每天开行动车组列车一千多对,上万台/套控制设备不间断运行,年发运旅客数量近10亿人次,高强度、大密度的运营实践,积累着无比庞大的运营维护数据。这些在高铁运营维护过程中的数据样本,对世界范围的高铁建设提供了庞大的实践数据支持和借鉴,成为中国高铁列车运行控制系统的突出优势。同时,我们还自主研发了智能敏捷运维系统,可以实现对列控系统运行的远程诊断,为系统运维提供了先进的技术手段。

(五)产业支撑全面

一个产业要取得国际竞争优势,必须有配套产业的支持,而且配套产业也往往要具有较强的竞争力。中国高铁充分利用国内拥有的全球最为庞大、完整、系统和运行高效的供应链,建立起集设计研发、生产制造、试验验证、施工安装和运维服务为一体的全套产业化基地。完整、先进和高效的配套产业成为中国高铁产业另一巨大竞争优势。

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。经过几十年的发展,我国高速铁路列控系统已经积累了大量的先进技术及成熟的运用经验,系统的安全性、可靠性得到了充分的验证。我们愿意在“一带一路”战略的指引下,与世界上其他国家深入开展互利合作,一起分享中国技术、中国装备、中国经验和中国智慧!

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