張 苑

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院，北京 100073）

1 攻關(guān)組織模式創(chuàng)新

2007年8月在CTCS-2級列控系統(tǒng)（以下簡稱C2系統(tǒng)）投入商業(yè)運(yùn)行僅4個月后，鐵道部正式啟動了武廣C3技術(shù)攻關(guān)工作。按照鐵道部的總體規(guī)劃和要求，武廣客專由通號集團(tuán)公司負(fù)責(zé)C3系統(tǒng)集成和工程應(yīng)用，外方提供技術(shù)支持，通過雙方聯(lián)合設(shè)計(jì)、聯(lián)合開發(fā)的方式，構(gòu)建一個全新的列控系統(tǒng)，這就是C3級列控系統(tǒng)。

為此在鐵道部領(lǐng)導(dǎo)下，成立了C3系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)組——C3技術(shù)攻關(guān)組。C3技術(shù)攻關(guān)組是在鐵道部統(tǒng)一組織領(lǐng)導(dǎo)下，以項(xiàng)目為依托、以核心企業(yè)為主體，聯(lián)合國外技術(shù)支持方、國內(nèi)高校、科研單位和設(shè)計(jì)院，產(chǎn)、學(xué)、研一體的技術(shù)創(chuàng)新體系和團(tuán)隊(duì)。同時為了最大化利用國內(nèi)、業(yè)內(nèi)資源，成立C3技術(shù)咨詢組，由科學(xué)院和工程院院士及在自動控制、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制、GSM-R網(wǎng)絡(luò)通訊、信號列控領(lǐng)域有較高聲望和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家學(xué)者組成，確保創(chuàng)新工作順利進(jìn)行。C3技術(shù)攻關(guān)組的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通號集團(tuán)公司作為武廣客運(yùn)專線C3系統(tǒng)實(shí)施主體，成立C3系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)實(shí)施小組，如圖2所示。下設(shè)：車載組、RBC組、系統(tǒng)及接口組、仿真測試實(shí)驗(yàn)室、GSM－R通信組和生產(chǎn)制造組，全面負(fù)責(zé)C3系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)施工作。

為保證創(chuàng)新工作的順利實(shí)施，C3技術(shù)攻關(guān)組和攻關(guān)實(shí)施組明確創(chuàng)新目標(biāo)，制定周密計(jì)劃，確定實(shí)施方案，重點(diǎn)各個擊破，靈活應(yīng)變策略。武廣客運(yùn)專線的實(shí)踐證明了強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)和嚴(yán)密的組織是保障創(chuàng)新目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的法寶。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系創(chuàng)新

C3系統(tǒng)技術(shù)體系，是以我國鐵路適應(yīng)200～250 km/h的C2列控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，遵循全路統(tǒng)一規(guī)劃原則，按照我國CTCS技術(shù)總則，符合中國國情、路情，全路統(tǒng)一、互聯(lián)互通、國際領(lǐng)先的高速鐵路技術(shù)體系。

C3級列控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新工作，借鑒國外系統(tǒng)研發(fā)理念，系統(tǒng)研究、標(biāo)準(zhǔn)先行，徹底改變了國內(nèi)過去分散立項(xiàng)、先研發(fā)產(chǎn)品后補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)模式。在武廣C3系統(tǒng)研發(fā)和實(shí)施過程中，制定了C3總體技術(shù)方案，并逐步建立了囊括研發(fā)、生產(chǎn)、施工、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成了一套完整的C3系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以此為準(zhǔn)則指導(dǎo)整個系統(tǒng)研發(fā)、集成和工程建設(shè)。

C3總體技術(shù)方案主要包括總體技術(shù)原則、工作模式和運(yùn)營場景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要設(shè)計(jì)原則、工程設(shè)計(jì)接口。C3總體技術(shù)方案的建立，為武廣項(xiàng)目的順利推進(jìn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)和保障，特別是C2系統(tǒng)作為C3級后備系統(tǒng)的技術(shù)策略，滿足了高速鐵路與提速、既有鐵路間的跨線運(yùn)行的需求，滿足未來向CTCS更高等級發(fā)展的要求，有利于提高我國鐵路的安全高效運(yùn)營、節(jié)能降耗。

在C3總體技術(shù)方案指導(dǎo)下，形成了涵蓋系統(tǒng)規(guī)范、工程設(shè)計(jì)規(guī)范、制造工藝標(biāo)準(zhǔn)、施工驗(yàn)收規(guī)范、運(yùn)用維護(hù)規(guī)則、安全評估辦法六大方面、幾十項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如圖3所示。

C3系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系為適應(yīng)中國特殊的國情路情需求，將集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合，是在經(jīng)過反復(fù)研究論證和大量實(shí)踐檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的，為中國高速鐵路列控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3 技術(shù)支撐平臺創(chuàng)新

為保證C3系統(tǒng)創(chuàng)新順利進(jìn)行，增強(qiáng)列控系統(tǒng)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展能力，C3系統(tǒng)攻關(guān)自主創(chuàng)新，研究并建立了C3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。重點(diǎn)研究測試案例技術(shù)、仿真測試技術(shù)、試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、系統(tǒng)評估技術(shù)，搭建出C3級列控系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)集成測試平臺。

C3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室采用了分布式半實(shí)物仿真構(gòu)建技術(shù)，滿足大規(guī)模線路級實(shí)時仿真測試需求，具備完整的C3系統(tǒng)接口在線監(jiān)測記錄、仿真測試系統(tǒng)監(jiān)測控制和配置功能，建立了C3列控系統(tǒng)測試案例庫和測試序列庫。在整個C3系統(tǒng)創(chuàng)新過程中，C3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室起到了全生命周期的技術(shù)支撐作用，如圖4所示。

在武廣客運(yùn)專線工程項(xiàng)目中，C3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室支撐了C3系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)，同時也成為了C3系統(tǒng)工程應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，即所有的方案、軟件、數(shù)據(jù)的修改，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，實(shí)驗(yàn)室測試通過后再上現(xiàn)場測試，如圖5所示。通過C3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證了武廣客運(yùn)專線工程C3系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和集成方案，降低了技術(shù)風(fēng)險和工程成本，確保了工程順利開通。

目前，C3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已成為CTCS-3級列控系統(tǒng)科研開發(fā)基地和工程應(yīng)用動態(tài)試驗(yàn)基地。

4 核心技術(shù)創(chuàng)新

C3系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模復(fù)雜實(shí)時控制系統(tǒng)，核心設(shè)備包括了車載ATP、無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務(wù)器（TSRs）、GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)等。C3核心技術(shù)的創(chuàng)新主要包括3個方面：關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、裝備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

總體上核心技術(shù)創(chuàng)新采取了自主創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新兩種模式相結(jié)合的方式，即：整體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、集成技術(shù)、測試評估、裝備產(chǎn)業(yè)化、工程化等方面采取了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的自主創(chuàng)新模式；部分設(shè)備和技術(shù)采取引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的模式。自主創(chuàng)新為主導(dǎo)，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新為輔助，完成了C3系統(tǒng)核心技術(shù)的創(chuàng)新。

4.1 關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)

（1）車載ATP技術(shù)

車載ATP的關(guān)鍵技術(shù)包括：高速條件下的控車模式技術(shù)、高速條件下的測速測距技術(shù)、C2/C3級車載切換技術(shù)等。

1）C3/C2不停車動態(tài)切換技術(shù)

C3級車載系統(tǒng)同時兼容C2級標(biāo)準(zhǔn)，既實(shí)現(xiàn)了在C3級運(yùn)營線路C2級車載作為C3級車載的降級備用模式，同時也滿足了列車C3/C2線路跨線運(yùn)行的要求。在C3級車載系統(tǒng)中，C3主控單元和C2主控單元采用了系統(tǒng)同步技術(shù)和曲線計(jì)算同步技術(shù)，無論是C3級到C2級的降級運(yùn)行還是二者的固定點(diǎn)級間轉(zhuǎn)換，均實(shí)現(xiàn)了不停車的動態(tài)轉(zhuǎn)換，提高了旅客舒適度，并保證了運(yùn)營效率。

2）適應(yīng)于高速列車的制動模型

建立科學(xué)、合理的制動模型是保障列車運(yùn)行安全和運(yùn)行效率的重要因素，也是計(jì)算車載監(jiān)控曲線的基礎(chǔ)，在C3級列控系統(tǒng)中車載采用了基于分段式制動減速度的模型，根據(jù)大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行多次優(yōu)化和驗(yàn)證，改進(jìn)后的制動模型可在保障行車安全的基礎(chǔ)上兼顧行車效率，成功應(yīng)用于武廣車載設(shè)備軟件的設(shè)計(jì)。

3）基于多速度傳感器融合的測速測距系統(tǒng)

為了滿足C3級列控系統(tǒng)的運(yùn)營速度要求，在C3級車載設(shè)備中采用了冗余安裝的2個雷達(dá)傳感器和安裝在不同車軸的2個車輪速度傳感器進(jìn)行列車速度測量，同時在C3級列控車載設(shè)備測速測距單元中采用了多速度傳感器融合技術(shù)，通過采用滿足安全原則的多速度傳感器數(shù)據(jù)融合算法，實(shí)現(xiàn)了列車安全測速和定位的要求。

除了上述提到的幾個關(guān)鍵技術(shù)之外，為了加快整個武廣工程的進(jìn)度，提高系統(tǒng)集成的效率，在車載設(shè)備和高速動車組的接口設(shè)計(jì)、車載DMI人機(jī)顯示界面、便攜式車載檢測設(shè)備和整機(jī)檢測設(shè)備、司機(jī)模擬培訓(xùn)裝置和司法記錄器（JRU）分析軟件等方面做了很多開創(chuàng)性的工作。

（2）RBC技術(shù)

RBC是基于故障-安全計(jì)算機(jī)平臺的信號控制系統(tǒng)，是C3級列控系統(tǒng)的地面核心設(shè)備。RBC系統(tǒng)根據(jù)所控制列車的狀態(tài)，其控制范圍內(nèi)的軌道占用、列車進(jìn)路狀態(tài)、臨時限速命令、災(zāi)害防護(hù)和線路參數(shù)等信息，產(chǎn)生針對所控列車的行車許可（MA）控制信息，并通過GSM-R無線通信系統(tǒng)傳輸給車載子系統(tǒng)，保證其管轄范圍內(nèi)列車的運(yùn)行安全。

對于RBC而言， RBC核心應(yīng)用技術(shù)、接口安全通信處理技術(shù)、RBC切換技術(shù)、臨時限速技術(shù)、故障-安全的軟硬件平臺技術(shù)是必須攻克的幾個關(guān)鍵技術(shù)。武廣C3系統(tǒng)攻關(guān)過程中，RBC設(shè)備的應(yīng)用，采用了引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新方式，成功地實(shí)現(xiàn)了引進(jìn)的RBC設(shè)備與我國現(xiàn)有通信及信號系統(tǒng)的結(jié)合，滿足我國鐵路復(fù)雜的線路情況和運(yùn)營需求。在集成創(chuàng)新過程中，自主創(chuàng)新形成RBC工程數(shù)據(jù)配置技術(shù)、RBC與C3其他相關(guān)子系統(tǒng)的接口適配技術(shù)、RBC數(shù)據(jù)分析技術(shù)等配套技術(shù)，完善輔助手段，保證工程實(shí)施的效率和水平。

（3）TSRs技術(shù)

為減少線路維護(hù)、風(fēng)雪天氣對行車安全及效率的影響，實(shí)現(xiàn)限速設(shè)置的安全性及靈活性，我國完全自主創(chuàng)新研制了TSRs系統(tǒng)，專用于根據(jù)調(diào)度員的臨時限速操作命令，實(shí)現(xiàn)對全線各列控中心、無線閉塞中心自動分配和集中管理列控限速指令，保證施工限速計(jì)劃及突發(fā)限速的安全順利實(shí)施。

對于TSRs而言，核心應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)答器報(bào)文實(shí)時生成技術(shù)、限速命令下達(dá)安全性技術(shù)等是其關(guān)鍵技術(shù)。通過深入調(diào)研分析原有限速設(shè)置流程的安全漏洞，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了列控限速設(shè)置方案，最大化減少人工參與，僅保留中心調(diào)度員下達(dá)操作命令。在整個限速過程中，都由臨時限速服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對全線限速計(jì)劃的實(shí)時動態(tài)校驗(yàn)，自動拆分下達(dá)給相關(guān)列控中心、無線閉塞中心執(zhí)行，并能綜合判定全部限速結(jié)果，確保C2限速與C3限速的一致性，從而大大提高了列控限速設(shè)置的安全性與便捷性。

（4）無線通信應(yīng)用技術(shù)

GSM-R系統(tǒng)是承載C3系統(tǒng)車-地雙向信息傳送的平臺，是C3級列控系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，無線通信技術(shù)的關(guān)鍵主要包括：高速條件下無線通信的安全性及可靠性技術(shù)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信加密及密鑰技術(shù)。

采用多種增強(qiáng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)冗余保護(hù)能力的技術(shù)措施。為支撐我國高速列車C3系統(tǒng)的運(yùn)用，在通信組網(wǎng)上，采用單網(wǎng)交織的無線網(wǎng)冗余覆蓋技術(shù)，保證了線路上單個或兩個不相鄰的基站、直放站設(shè)備故障時無線覆蓋正常，系統(tǒng)整體性能不劣化，不影響業(yè)務(wù)應(yīng)用；無線基站傳輸通道采用環(huán)形組網(wǎng)技術(shù)，在光纜線路或傳輸系統(tǒng)中斷、故障條件下，能夠自動實(shí)現(xiàn)傳輸通道的迂回保護(hù)，提高無線網(wǎng)絡(luò)傳輸通道的保障能力。

通過大量測試，研究承載C3業(yè)務(wù)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)與速度、信號電平、4.8 kb/s和9.6 kb/s傳輸速率的關(guān)系，為武廣C3列控系統(tǒng)采用4.8 kb/s數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。通過武廣試驗(yàn)段動態(tài)試驗(yàn)測試，還摸索出哪些因素對測試結(jié)果有影響，為現(xiàn)行GSM-R相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的修訂提供了參考。

開展了適應(yīng)高速列車運(yùn)行的GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，為后續(xù)高速鐵路建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。為滿足列控系統(tǒng)運(yùn)用要求，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求，必須對GSM－R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保在時速350 km及以上速度條件下列控系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)的可靠傳送。

采用列控系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)通信實(shí)時動態(tài)監(jiān)測技術(shù)。武廣高速鐵路在GSM－R系統(tǒng)核心網(wǎng)、無線網(wǎng)相關(guān)的接口，裝備了Abis、A、PRI接口監(jiān)測設(shè)備，在列控系統(tǒng)車載設(shè)備終端裝備了Igsm-r接口監(jiān)測設(shè)備，在無線閉塞中心裝備了列控PRI接口監(jiān)測設(shè)備。以上在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r跟蹤列控系統(tǒng)的運(yùn)行，掌握列控安全數(shù)據(jù)傳送過程中無線通信網(wǎng)技術(shù)狀態(tài)和列控車載設(shè)備的工作狀態(tài)，記錄車載安全數(shù)據(jù)的傳送過程，分析列控系統(tǒng)通信過程，為系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)維修、狀態(tài)分析提供了動態(tài)、實(shí)時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)集成技術(shù)

高速列車控制系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，接口眾多，如圖6所示。各個子系統(tǒng)間的功能、性能、接口匹配要求很高。只有各子系統(tǒng)功能、性能、接口等能夠很好的配合，才能保證高速列車控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠的工作，才能對列車的運(yùn)行保持有效的監(jiān)控，進(jìn)而保證列車的運(yùn)行安全。

對于C3系統(tǒng)的集成技術(shù)，重點(diǎn)研究了地面設(shè)備RBC與聯(lián)鎖、CTC、TCC集成技術(shù)，車載設(shè)備、RBC與GSM-R集成技術(shù)，信號系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的接口技術(shù)，不同速度等級列車共線運(yùn)營控車技術(shù)。

C3級系統(tǒng)對C2級系統(tǒng)的兼容是整個C3級系統(tǒng)集成過程中的一大創(chuàng)新。這個獨(dú)特創(chuàng)新適應(yīng)并滿足了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對鐵路運(yùn)輸提出的高標(biāo)準(zhǔn)要求。中國是一個鐵路運(yùn)輸大國，運(yùn)能緊張，運(yùn)輸線路復(fù)雜，運(yùn)輸作業(yè)量龐大。如果列車頻繁制動或者不能實(shí)現(xiàn)不同等級線路的跨線運(yùn)行，將會影響整個鐵路運(yùn)輸效率，進(jìn)而制約國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。C3級系統(tǒng)與C2級系統(tǒng)兼容和無縫切換成功解決了這個問題，既使列車可以實(shí)現(xiàn)C2和C3線路跨線運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了全路一張網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃的原則，又可以保證在C3級系統(tǒng)出現(xiàn)問題的情況下，自動無縫切換到C2級系統(tǒng)控車，提高高速列車運(yùn)營的安全和效率。

4.3 裝備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)

通過武廣列控系統(tǒng)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)，引進(jìn)國際先進(jìn)的產(chǎn)品制造工藝，形成適應(yīng)本企業(yè)加工模式、質(zhì)量控制的圖紙文件。完善了生產(chǎn)、檢驗(yàn)流程、操作及測試規(guī)范；提升了產(chǎn)品加工的綜合能力、工藝技術(shù)人員的技術(shù)、工藝創(chuàng)新能力、生產(chǎn)操作人員及質(zhì)檢人員按照國際標(biāo)準(zhǔn)的要求完成技能操作的能力、工廠產(chǎn)品質(zhì)量過程控制和質(zhì)量體系持續(xù)改進(jìn)能力，具備自主規(guī)?；a(chǎn)制造能力及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新能力，形成了高速鐵路列控系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化制造基地。

5 結(jié)束語

C3系統(tǒng)的研發(fā)成功，是集設(shè)計(jì)開發(fā)和工程實(shí)踐于一體的技術(shù)創(chuàng)新過程。依托武廣客運(yùn)專線工程建設(shè)，首次通過無線通信的方式實(shí)現(xiàn)了對長大距離范圍內(nèi)時速350 km列車的安全可靠運(yùn)行控制，完成了列控系統(tǒng)C2/C3控車模式集成，創(chuàng)建全速、全景、全速綜合設(shè)計(jì)集成平臺和一整套測試驗(yàn)證方法，構(gòu)建了較完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，最終形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的C3級列控系統(tǒng)的成套裝備，在此過程中創(chuàng)新無處不在。

隨著我國高鐵建設(shè)快速推進(jìn)，杭寧、哈大、京滬、津秦、石武等一大批高速鐵路已經(jīng)開工建設(shè)，為了適應(yīng)中國鐵路復(fù)雜的運(yùn)用環(huán)境，C3系統(tǒng)依然將不斷完善、優(yōu)化；實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，更是要面向全球，實(shí)現(xiàn)C3系統(tǒng)的國際化和本地化。創(chuàng)新工作任重道遠(yuǎn)，“武廣式”的創(chuàng)新模式必將在后續(xù)高鐵建設(shè)中發(fā)揮更加重要的作用。