高速铁路与列车运行控制系统课件(北交大)

高速铁路与列车运行控制系统主讲：刘晓娟高速铁路发展概况我国高速铁路的技术体系CTCS-2级列车控制系统一主要内容二三四五CTCS-3级列车控制系统高铁的验收与评估高速铁路发展概况我国高速铁路的技术体系CTCS-2级列车控制系统一主要内容二三四五CTCS-3级列车控制系统高铁的验收与评估

高速铁路的定义：

国际上根据铁路线路允许列车运行的最高时速划分普通铁路为时速100～160公里；快速铁路时速为160～200公里；高速铁路分为两种情况，既有线改造的时速大于200公里，新线建设大于250公里/小时。

高速铁路的特点：速度快，省时间，安全舒适；技术含量高，竞争力强；运量大、污染少、旅行经济高效，特别适宜于大运量的城市间、城市群和城郊的高频率运输

。Page5高速铁路的兴起1964年，日本新干线开通运营，开启了世界铁路发展的新时代。1981年，法国高速铁路后来居上，将高速铁路的发展推上一个新台阶，同时带动了欧洲高速铁路的发展，意大利、德国、西班牙等国先后投入建设高速铁路的行列。

建设高速铁路主要的几种模式：日本新干线模式：全部修建新线，与既有线不接轨，旅客列车专用；法国TGV模式：部分修建新线，与既有线接轨，部分旧线改造，旅客列车专用；德国ICE模式：全部修建新线，与既有线接轨，旅客列车及货物列车混用；英国APT模式：既不修建新线，也不对旧线进行大量的改造，主要用由摆式车体的车辆组成动车组，旅客列车及货物列车混用。

世界高速铁路建设的三次浪潮：第一次建设高潮（20世纪60年代至80年代末）1964年～1990年是世界上高速铁路发展的最初阶段。在这期间建设并投入运营的高速铁路有日本的新干线；法国的东南TGV线、大西洋TGV线；意大利的罗马～佛罗伦萨线以及德国的汉诺威～维尔茨堡高速新线，高速线里程达3198km。这期间，日本建成了遍布全国的新干线网的主体结构。

第一次建设高潮时期，高速铁路呈现出如下特征：铁路的竞争力增强；解决了运输能力紧张的问题；推动了沿线地区经济的均衡发展；节省能源，降低对环境的污染.

第二次建设高潮（20世纪90年代中期）第二次建设高峰于90年代在欧洲形成，所涉及到国家主要有法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典和英国等。1991年瑞典开通了X2000摆式列车，1992年西班牙引进法、德两国的技术建成了471km长的马德里～塞维利亚高速铁路。1994年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际连接线。1997年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起。高速线里程达1426km。

第二次建设高潮时期，高速铁路呈现出如下特征：日、法等国家进入了高速路网规划和建设的年代；修建高速铁路网成为地区之间相互联系的政治需求；能源和环境的要求呼吁发展无污染的高速铁路；出现了全国的和跨越国境的高速铁路网。第三次建设高潮（20世纪90年代中期以后）高速铁路的建设与研究自90年代中期形成了第三次高潮，这次高潮波及到亚洲、北美、大洋洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。此间修建高速铁路新线的国家和地区达到12个，修建新线总长3509km。第三次高速铁路建设高潮的特征主要体现在：大多数国家在高速铁路新线建设的初期即拟订了修建高速铁路的全国规划；从社会效益、能源节约、治理环境污染等诸方面分析，修建高速铁路的益处得到各国政府的共识；高速铁路促进了地区之间的交往和平衡发展；高速铁路从国家公益投资转向多种融资方式筹集建设资金，建设高速铁路出现了多种形式融资的局面。近年来，发展高速铁路已经成为一种浪潮。目前，世界上有高速铁路运营的国家和地区是：日本、法国、德国、英国、意大利、西班牙、韩国、比利时、丹麦、瑞典、中国和中国台湾。全世界共有1万公里以上高速铁路运营，1万公里以上高速铁路正在建设，还有2万公里以上的高速铁路正在规划中。世界高速铁路的诞生和发展，极大地改变了人们的时空观念，使铁路旅客运输发生了革命性的变化，提高了铁路在客运市场中的竞争力。

中国高速铁路的发展：

现状及问题：运输能力远远不适应国民经济和社会发展的需求，路网整体运输能力严重不足，主要干线、部分地区限制型运输矛盾突出，季节性运能十分紧张。

发展要求：铁路作为交通运输的主要方式，必须提供与市场需求相适应的运输能力。铁路安全度高、舒适性强，作为大众化的交通工具，必须全面提高运输质量。建立以铁路为骨干的资源节约型、环境保护型的现代化交通体系。要求铁路为西部大开发的实施发挥先行作用。根据经济社会发展需要和市场需求，中国客运专线网规划目标是努力覆盖主要城市，使北京、上海、广州、武汉、成都、西安六个中心城市至全国主要城市的旅行时间大大缩短。中国铁路客运专线网规划是：到2020年，初步形成北京-上海、北京-武汉-广州-深圳、北京-沈阳-哈尔滨(大连)、杭州-宁波-福州-深圳和徐州—郑州-兰州、杭州-南昌-长沙、青岛-石家庄—太原、南京—武汉-重庆-成都“四纵四横”客运专线，客运专线总规模约为1.8万公里。旅客列车运行时速将达到200公里以上。“四纵”客运专线：北京-上海：全长1318公里，纵贯京津沪三市和冀鲁皖苏四省，连接环渤海和长江三角洲两大经济区；北京-武汉-广州-深圳：全长约2260公里，连接华北和华南地区。武汉至广州段全长995公里；北京-沈阳-哈尔滨(大连)：全长约1700公里，连接东北和关内地区。秦皇岛至沈阳段已于2003年建成。杭州-宁波-福州-深圳：全长约1600公里，连接长江、珠江三角洲和东南沿海地区。

“四横”客运专线：徐州-郑州-兰州：全长约1400公里，连接西北和华东地区，已开通郑州至西安段455公里；杭州-南昌-长沙：全长约880公里，连接华中和华东地区；青岛-石家庄-大原：全长约770公里，连接华北和华东地区，已开工建设石家庄至太原段205公里；宁汉蓉(南京-武汉-重庆-成都)：全长约1600公里，连接西南和华东地区，已建设南京至合肥段、武汉至合肥段、宜万段、成遂渝段。

三个区域城际轨道交通：

长江三角洲、珠江三角洲、环渤海(京津冀)地区城际客运系统，覆盖区域内主要城镇。长三角：以上海、南京、杭州为中心，形成“Z”字型主骨架，形成连接沪宁杭周边重要城镇的城际客运铁路网络。珠三角：以广深、广珠两条客运专线为主轴，形成“A”字型线网，辐射广州、深圳、珠海等9个大中城市，构建包括港澳在内的城市1小时经济圈。环渤海：以北京、天津为中心，北京-天津为主轴进行建设，形成对外辐射通路。已开工建设京津城际轨道交通，全长约115km。

我国高速铁路运营情况的最新统计：

从国家铁路局获悉，2013年，随着宁杭、杭甬、津秦、厦深、西宝等一批新建高速铁路投入运营，我国高速铁路总营业里程达到11028公里，在建高铁规模1.2万公里，成为世界上高速铁路投产运营里程最长、在建规模最大的国家。

目前世界上已经有中国、西班牙、日本、德国、法国、瑞典、英国、意大利、俄罗斯、土耳其、韩国、比利时、荷兰、瑞士等16个国家和地区建成运营高速铁路。据国际铁路联盟统计，截至2013年11月1日，世界其他国家和地区高速铁路总营业里程11605公里，在建高铁规模4883公里，规划建设高铁12570公里。高速铁路发展概况我国高速铁路的技术体系CTCS-2级列车控制系统一主要内容二三四五CTCS-3级列车控制系统高铁的验收与评估中国高速铁路技术体系我国在学习消化吸收世界高速铁路先进成熟技术的基础上，系统总结了多年来我国客运专线工程技术、科研试验成果，针对高速铁路建设的关键技术问题，又进一步开展了研究、试验、验证、预设计、工程设计咨询，技术装备的自主创新和各系统集成研究攻关。目前，站前技术已经取得全面突破，站后技术引进消化吸收再创新工作已经进入重点突破阶段，形成适合中国国情路情的高速铁路自主技术体系。

路网结构方面：

分别定位为时速300～350km档次高速铁路和时速200～250km以客为主兼顾货运的高速铁路；采用跨线运行模式，即时速200～250km动车组可上时速300～350km的线路运行，时速≥120km客车可上时速200～250km的线路运行。这样的旅客列车运行模式，可获得最高的运输效率和最大的运输效益。大量旅客列车跨线运行，是中国国情、路情、路网兼容性需要的，这正是中国铁路路网统一性的最大优势。轨下基础方面：

我国幅员辽阔，从东北平原到珠江三角洲，从滨海至陇中高原、四川盆地，地形、地貌、地质、地震、气象、水文等自然特征多样。高速铁路的选线，综合交通客运站建设，软土、松软土、湿陷性黄土地基处理，大面积沉降区的工程措施，长江、黄河、珠江等大江大河的跨越，长大隧道顺利实施通过等，都需要保证轨下基础的可靠性和耐久性，其难度在世界上也是少有的，有些技术难题在高速铁路技术原创国（日、法、德、意）也未曾遇见，没有成熟经验。

轨道电路方面：

中国铁路既有网已发展谐振式无绝缘轨道电路，无碴轨道道床内部的钢筋网与轨道电路存在电磁感应，对钢轨阻抗参数构成影响，严重抑止了谐振式轨道电路的技术能力，处理不成功就会影响到“ZPW2000A+点式+ATP”列控系统稳定、可靠的工作。我国在这方面进行了大量的实验和技术改进。关键就是要解决路网兼容性问题。

通信、信号及信息化（C3)有线通信以光纤传输、接入为基础。无线通信采用GSM-R综合移动通信系统。设置综合网管系统、同步及时分配系统、综合监控系统。列控系统按满足时速350km、列车最小追踪间隔3min设计。采用基于GSM-R无线传输方式的CTCS3级和ZPW2000(含UM2000系列)轨道电路与点式应答器构成的CTCS2级组成冗余配置的列控系统。运营调度系统必须与我国的路情、运输组织方式、运营管理模式紧密结合，坚持运输集中统一指挥，坚持通道为主、兼顾区域，统筹规划、分布实施的原则。中国铁路运输组织、路网结构、轨下基础、谐振式无绝缘轨道电路制式等方面与国外高速铁路的差异性，不可能完全照搬任何一国的高速铁路技术体系。只有加强包括原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新在内的全面自主创新，系统设计、系统集成、才能构建出具有中国特色和世界一流水平的高速铁路技术体系，才能实现系统目标，经得起运营的考验，历史的检验。Page28机车车辆基础设施通信信号供电票务执行、监视、控制服务旅客运输指挥决策货物运输高速铁路系统组成中国高速铁路系统集成总公司提出总体要求技术体系、系统总设计组织核心技术攻关确定各子系统接口界面设计院工程设计工厂、研究院所装备设计工程局工程施工工厂装备制造咨询机构配套企业配套企业国外合作伙伴总公司集成联调及符合性确认Page30轮/轨关系动车/隧道空气动力学弓/网关系车/桥耦合运营管理列控技术中国高速铁路系统集成－各子系统的匹配高速铁路系统工务工程动车组旅客服务系统信息系统人才培训综合检测综合维修动车段、所运用维修通信信号车载子系统牵引供电站场建筑隧道工程桥涵工程安全监控系统联锁子系统调度集中CTC通信系统地面子系统客票售订系统客运管理系统线路设计路基工程电力系统接触网系统远程监控系统轨道工程供变电系统牵引系统制动系统列车网络系统总成车体转向架调度指挥系统环保工程高速铁路系统构成信号系统与各子系统主要技术接口信号系统联锁列控中心调度集中CTC牵引供电通信土建线路CRH系列动车组信息系统动车段（所）联锁邻线信号系统通过自主创新，建立包括工务工程、牵引供电、通信信号、动车组、信息系统、运用维修等在内的中国铁路高速铁路技术体系。工务工程：以原始创新为主，依靠自己的力量，建立我国高速铁路工务工程的技术体系。牵引供电和通信信号：通过集成创新，建立我国高速铁路牵引供电系统、通信信号系统的技术平台。关键设备和主要配件正在逐步实现国产化。

中国高速铁路发展目标：

动车组：通过“引进先进技术、联合设计生产，打造中国品牌”，完成了具有中国品牌动车组系列CRH产品的开发，第一批国内制造的时速200～250公里的CRH2动车组和时速300公里的CHR3动车组已经下线。信息系统和运用维修：依靠国内自主创新，借鉴国外高速铁路运营调度和客运服务的先进理念、成熟经验、系统集成方法，结合中国铁路的实际，建立有中国特色的高速铁路信息系统和运用维修系统。高速铁路发展概况我国高速铁路的技术体系CTCS-2级列车控制系统一主要内容二三四五CTCS-3级列车控制系统高铁的验收与评估

中国列车运行控制系统（CTCS）是中国铁路为了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的技术规范。目前我国铁路信号部分制式存在先天不足，面临淘汰；由通用式机车信号+列车运行监控装置组成的车载系统，与国际公认的列车运行控制系统有一定差距。随着铁路现代化的建设和跨越式发展的进程，特别是列车速度的提高已不能满足运输安全和服务的需要。CTCS规范是铁路信号发展的需要。中国列车控制系统CTCS

(ChineseTrainControlSystem)背景国际铁路联盟（UIC）于2002年12月10～12日在北京召开铁路通信信号国际技术研讨会；我国铁路既有线已经过几次大提速；青藏铁路采用美国GE的增强型列车控制系统ITCS；青藏线、大秦线、胶济线GSM-R建设；高速客运专线建设已启动。为什么发展CTCS?既有线提速、客运专线和高速铁路建设，对信号技术的发展既提出了新的挑战，也提供了难得的发展机遇。条件已成熟。10多年的实践摸索、经验积累；欧盟的GSM-R/ETCS已进入实际运作阶段，给我们提供了良好的技术借鉴。需要对中国列车控制技术发展进行规划。

借鉴ETCS发展思路和国外高速铁路列控系统运用经验，结合我国铁路运输特点，遵循全路统一规划的原则，铁道部确定构建中国的列车运行控制系统技术体系（CTCS）。

CTCS应用分为5级。CTCS的目标是提高安全性能和运输效率，满足互通运营，规范系统设计，适应发展需求。

借鉴欧洲列控系统（ETCS）建设经验，结合我国铁路运输特点和既有信号设备制式，考虑未来发展，制定了我国列控系统CTCS技术标准，分为CTCS-0、1、2、3、4级。CTCS技术体系的形成过程既有线提速和200-250km/h客运专线CTCS-2级300km/h及以上客运专线CTCS-3级面向未来的列控系统CTCS-4级既有线现状CTCS-0、1级CTCS体系结构

为满足CTCS体系结构标准化、模块化和发展的特点并实现全路列车运行控制系统的互联互通，根据中国铁路运输的运用、管理、维修体制，CTCS的体系结构按系统应用层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。

系统应用层：系统应用层是指与列车运行控制相关的，构建在TDCS平台或CTC系统的调度指挥功能。调度指挥系统根据运行计划和对列车运行、线路、设备、气象灾害等实际情况的综合分析，制定合理的运行计划，并通过列车运行控制系统实现对列车运行的实时控制。

网络传输层：在CTCS系统各层都有传输网络，通过有线或无线通信的方式实现车－地间、系统内部、系统外部的数据传输。系统各层对网络的实时性、可靠性、安全性要求不同，采用不同的传输技术。

地面设备层：地面设备主要包括列控中心、轨道电路、点式设备、无线传输设备和接口设备等。列控中心是地面设备的核心，根据列车运行状况、列车进路、和行车命令，通过安全逻辑运算，产生控车数据向列车传输。

车载设备层：车载设备是对列车进行控制的主体，具有多种控制模式，并能够适用轨道电路传输、点式（应答器、环线）传输和无线传输方式。车载设备层主要包括车载主控单元、机车信号接收单元/应答器接收单元/无线接收单元、测速测距单元、人机界面和记录单元等。车载主控单元的核心是车载安全计算机。CTCS-2级系统结构CTCS-2级是基于轨道电路和应答器传输列车行车许可信息并采用目标距离连续速度控制模式监控列车安全运行的列控系统。列控中心车站联锁调度中心CTC轨道电路应答器道岔信号机车载设备包括:轨道电路、应答器列控中心、车载设备等。CTCS-2级系统结构实现列车占用检查轨道电路功能：线路允许速度和闭塞分区长度等提供临时限速和进路信息应答器功能：提供行车许可及闭塞分区数量综合轨道电路、应答器信息和动车组参数，自动生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行车载设备功能：轨道电路为CTCS-2提供连续的行车许可速度曲线CTCS-2系统速度监控模式轨道电路码序4LL2码3LL码2LULU码1UU码0HUHU码5LL3码6LL3码轨道空闲信号显示信息名称LL2码LL码LULU码U2U2码UUUU码LL3码LL3码信号显示信息名称LL2码LL码LULU码U2SU2S码UUSUUS码LL3码LL3码信号显示信息名称

速度限制曲线时速(km/h)目标停车点CTCS-2区段追踪运行模拟C2生成行车许可核心工作原理=1250+1300+1350+1300+1350+1300+1350=9250m应答器提供闭塞分区长度和线路允许速度。速度曲线

空闲数量：目标距离：当前码序：m9250m7L5轨道电路以码序形式提供空闲闭塞分区数量。车载设备综合计算出目标距离，生成速度曲线。C2的运行许可工作原理1250+1300+1350+1300+1350+1300+13509200空闲区段：77950空闲区段：66650空闲区段：55300空闲区段：44000空闲区段：32650空闲区段：21350空闲区段：1速度曲线0空闲区段：0目标距离:调度中心车站列控中心ZPW2000轨道电路可变应答器可变应答器限速范围限制速度调度中心向车站下达临时限速调度命令1车站值班员签认调度命令2向车站列控中心传送临时限速3列控中心生成限速报文向应答器传送并向调度中心回执4CTC(TDCS)车站分机ATPCTCS2级临时限速设置流程正向预告点切换执行点反向预告点CTCS-2区域CTCS车载控车CTCS-0区域LKJ控车应答器应答器ZPW-2000轨道电路ZPW-2000轨道电路CTCS-2区段和CTCS-0区段的切换高速铁路发展概况我国高速铁路的技术体系CTCS-2级列车控制系统一主要内容二三四五CTCS-3级列车控制系统高铁的验收与评估CTCS-3级系统结构CTCS-3级系统是基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输，无线闭塞中心（RBC）生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位，并具备CTCS-2级功能的列车运行控制系统。包括：无线闭塞中心RBC、GSM-R网络、轨道电路、应答器、列控中心、车载设备等。调度中心CTC车站联锁道岔信号机轨道电路列控中心应答器车载设备无线闭塞中心RBCGSM-R室内设备无线闭塞中心RBCGSM-R室内设备C3级列控与C2级列控的比较地面设备增加无线闭塞中心RBC、GSM-R无线通信网络；车载设备增加GSM-R无线通信单元及天线；车载设备根据RBC的行车许可，生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行。调度中心CTC车站联锁轨道电路列控中心应答器道岔信号机RBC为CTCS-3提供行车许可速度曲线GSM-R无线通信模块及天线车载设备CTCS-3级各部分功能根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可无线闭塞中心RBC应答器通过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级车载设备通过GSM-R无线通信系统接受车载设备发送的位置和列车数据等信息向车载设备传输定位和等级转换信息向车载设备传送线路参数和临时限速等信息，满足后备系统的需要用于实现车载设备与地面设备的双向通信GSM-R核心网包括移动交换子系统、GPRS子系统、智能网接口GSM-R网络采用冗余交叉覆盖的方式进行布置，提高了车地通信的可靠性根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和列车参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车的安全运行车载安全计算机轨道电路实现列车占用检查发送行车许可信息，满足后备系统的需要

调度集中显示投影车站联锁无线闭塞中心（RBC）行调指挥中心（CTC）列车位置、速度信息限速信息进路信息轨道电路占用信息行车许可速度曲线列车位置、速度信息C3系统控车原理速度限制曲线时速(km/h)目标停车点