ETCS基线3与基线2差异分析

张友兵，王建敏，于晓娜，鲍鹏宇，朱志承

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

在欧洲，由于列车运行控制系统种类繁多，且各国信号制式复杂、互不兼容，为统一欧洲铁路网，保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，提高运输效率，1989年12月欧洲运输部长会议做出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。1998年，欧洲各大信号公司组建UNISIG组织，共同制定统一的欧洲铁路运输管理系统（European Rail Traffic Management System，ERTMS）技术规范。2001年欧盟通过立法形式确定欧洲列车控制系统（European Train Control System，ETCS）成为强制性技术规范。ETCS得到欧洲各国铁路公司和供货商的广泛认可。

2016年，欧盟发布了ETCS基线3版本2，修改前面版本规范存在的缺陷，关闭开口项，优化部分系统功能，并新增一些系统功能，进一步促进列车与轨旁基础设施之间的互联互通，为ETCS的应用和推广奠定坚实基础。ETCS系统是世界范围内应用最为广泛的列车控制系统之一，欧盟正在大力推广最新版本的ETCS系统。与目前已广泛使用的ETCS基线2相比，ETCS基线3版本2呈现出许多新特点，对其进行深入研究，有助于开发符合欧盟标准的ETCS系统，拓展海外市场；也有助于借鉴ETCS系统的设计理念和思想，优化中国列车控制系统（Chinese Train Control System，CTCS），促进CTCS系统的发展。

在基线2的基础上，基线3新增492个变更请求（Change Request，CR），涉及新增功能、接口改进、关闭开口项、规范缺陷修复等类别[1]。本文以ETCS系统功能为中心，阐述ETCS基线3主要的新增系统级功能、新增模式、新增监控功能和优化监控功能，并未完全覆盖基线3和基线2之间的所有差异。

1 ETCS系统基线3版本2

目前，在欧洲可以同时运行X=1和X=2两个不兼容的系统版本。欧盟委员会条例EU 2016/919的附录A给出了1.0、2.0和2.1这3个基线包含的强制性规范列表及版本，如表1所示[2]。其中，使用SUBSET-108对基线2进行修订，得到基线2增强版。其中，EU 2016/919为欧盟铁路系统“控制命令和信号（Control-Command and Signalling，CCS）”子系统互联互通技术规范（Technical Specification for Interoperability，TSI）。

表1 CCS TSI定义的3个基线Tab.1 Three baselines defined in CCS TSI

当前，中国国内运行的CTCS-3级列控系统在功能方面基本符合基线2增强版（系统需求规范V2.3.0d）。但是，随着中国高速铁路的快速发展，为了适应中国国情，国内对CTCS-3级列控系统不断进行适应性修改，所以CTCS-3级和ETCS-2级系统原理相同，但功能存在差异。为了拓展国际市场，中国铁路通信信号股份有限公司研制了符合ETCS基线3维护版本2（系统需求规范V3.6.0）的ETCS列控系统。

2 新增系统级功能

2.1 系统版本管理

与基线2相比，基线3增加了系统版本功能。每个版本号都遵守X.Y格式，X用于区分不兼容的版本，Y表示版本X内的兼容性。在基线3系统中，存在X=1和X=2两个不兼容的系统版本。X=1时，存在1.0和1.1两个兼容的系统版本；X=2时，存在2.0和2.1两个兼容的系统版本[3-4]。

ERTMS/ETCS车载设备和地面设备可能支持多个系统版本，但是某一时刻只有一个系统版本在运行，即运行的系统版本（Operated System Version）。车载设备运行的系统版本号X由轨旁设备决定，而系统版本号Y是车载设备支持的最高版本号。

基线3车载设备同时支持X=1和X=2系统版本，以便在运行不同系统版本X的轨旁基础设施上运行，提高了系统的兼容性，在不增加改造成本和不影响安全的前提下，提高系统的运营效率。

2.2 在线密钥管理

在ETCS列控系统中，车载设备和地面设备在每次建立安全通信时，使用认证密钥（KMAC）进行身份认证，并基于认证密钥生成会话密钥（KSMAC），对车地交互消息进行数据保护，保证双方交互消息的真实性及完整性[5]。

基线2采用离线密钥管理方式，各设备厂家线下使用工具生成列车超速防护系统（Automatic Train Protection，ATP）和地面无线闭塞中心（Radio Block Center，RBC）密钥文件，再人工更新至密钥实体设备（ATP、RBC等），密钥的生成、传递分发、更新、回收/销毁均是人工管理、离线实施，密钥不能动态更新。

除了支持离线密钥管理功能，基线3新增在线密钥管理功能，包括密钥在线生成、管理、传输分发、更新、回收/销毁，提高密钥管理的自动化、实时性和互联互通水平。

2.3 分组交换

在ETCS-2级和ETCS-3级中，车载设备与地面设备使用无线通信系统（Radio Communication System，RCS）进行无线数据传输。RCS包括安全功能模块(Safety Functional Module，SFM)和通信功能模块(Communication Functional Module，CFM)，SFM提供安全相关传输系统的功能，CFM提供基于GSM-R/GPRS电路交换/分组交换承载服务的通信系统功能[6]。

与基线2相比，基线3的RCS通信功能模块增加了分组交换功能。电路交换要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路。分组交换将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组逐个发送出去。电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速，数据不会丢失，且保持原来的序列。分组交换方式的优点是不同的数据分组可以在同一条链路上以动态共享和复用方式进行传输，通信资源利用率高。

3 新增运行模式

与V2.3.0d相比，V3.6.0删除了欧洲本国系统模式（SE），新增了被动调车模式（Passive Shunting，PS） 和 有 限 监 控 模 式（Limited Supervision，LS）[7]。

3.1 有限监控模式（LS）

对于安装有轨旁信号但列车不能获得有些轨旁信号的区域，列车以LS在这些区域运行。在LS下，车载设备对列车进行后台监控，由于车载设备不能得到所有的轨旁信号，车载设备做不到对列车的完全监控，需要司机注意观察地面信号。

司机不能选择LS，车载设备根据轨旁提供的有限监控模式区域，满足条件时自动转入LS。

车载设备收到包含LS区域的行车许可（MA），如果LS区域位于列车前方，列车最大安全前端进入确认区且列车速度低于LS速度时，车载设备通过人机界面（Driver Machine Interface，DMI）向司机显示文本消息“确认有限监控模式”，请求司机确认。司机确认文本消息后，车载设备转入LS，监控列车运行。

车载设备收到包含LS区域的MA，如果列车最大安全前端已进入LS区域，DMI显示文本消息“确认有限监控模式”且司机确认文本消息后，车载设备转入LS，监控列车运行。

3.2 被动调车模式（PS）

为了提高调车效率，增加PS。车载设备只能从调车模式转入PS。当车载设备处于调车模式时，收到来自列车的“被动调车输入信号（Passive Shunting Input Signal）”， 司机 激 活“ 关闭 驾驶台后继续调车（Continue Shunting on Desk Closure）”功能，关闭驾驶台，车载设备转入PS。在PS下，如果车载设备没有“激活驾驶台后停止调车（Stop Shunting on Desk Opening）”信息，司机激活驾驶台后，车载设备转入调车模式。

当列车具备两个驾驶台和一套车载设备，驾驶台A和驾驶台B分别位于列车两端，均与车载设备相连，司机使用调车模式和PS执行调车任务的过程如下：

1）车载设备处于调车模式，司机在驾驶台A操作列车执行调车任务；

2）停车后，车载设备可以收到列车的“被动调车输入信号”，司机激活 “关闭驾驶台后继续调车”功能，关闭驾驶台A，车载设备转入PS；

3）司机来到驾驶台B，车载设备没有“激活驾驶台后停止调车”信息，司机激活驾驶台B，车载设备转入调车模式，司机在驾驶台B操作列车继续执行调车任务。

当列车具备两个驾驶台A和B，分别位于列车两端，且列车两端分别装备有各自的车载设备，两套车载设备之间没有信息交互，司机使用调车模式和PS执行调车任务的过程如下：

1）假设A端的车载设备处于调车模式， B端的车载设备处于PS，司机在A端操作列车执行调车任务；

2）停车后，A端车载设备可以收到A端的“被动调车输入信号”，司机激活 “关闭驾驶台后继续调车”功能，关闭驾驶台，A端车载设备转入PS；

3）司机来到B端，B端车载设备没有“激活驾驶台后停车调车”信息，司机激活驾驶台，B端车载设备转入调车模式，司机在B端操作列车继续执行调车任务。

4 新增监控功能

4.1 平交道口

在完全监控模式（Full Supervision，FS）、LS和目视模式（On Sight，OS）下，如果平交道口不受保护，车载设备需要先将平交道口起点临时当作行车许可终点（End of Authority，EOA）和监控点（Supervised Location，SVL）进行监控[8]。

如果需要在平交道口前停车，列车停车后，如果列车估计前端位于平交道口前的停车区域，车载设备停止将平交道口起点作为EOA和SVL进行监控，而是从列车估计前端所在位置开始，将平交道口限制速度纳入最限制速度曲线（Most Restrictive Speed Profile，MRSP）。

如果不需要在平交道口前停车，当列车常用制动干预速度（Service Brake Intervention，SBI）降到平交道口限制速度时，车载设备停止将平交道口起点作为EOA和SVL进行监控，而是从列车估计前端或列车最大安全前端所在位置开始，将平交道口限制速度纳入MRSP。

车载设备将平交道口限速纳入MRSP后，保证列车以不超过平交道口限速的速度通过平交道口。直到列车完全越过平交道口后，停止将平交道口限速纳入MRSP，即停止对该平交道口的安全监控。

4.2 允许制动距离（PBD）

地面设备向车载设备提供允许制动距离（Permitted Braking Distance，PBD）信息，收到PBD信息后，车载设备根据PBD计算对应的允许速度。在PBD信息指定的区域内，车载设备以PBD计算得到的允许速度监控列车运行。使用相同的PBD，车载设备为不同制动性能的列车计算出不同的允许速度，不同列车以各自的允许速度安全运行，既保证了安全行车，又提高了运行效率。

4.3 虚拟应答器盖（VBC）

新旧线路的重叠区或过渡区同时安装有支持新旧线路的应答器组，使用虚拟应答器盖（Virtual Balise Cover，VBC），车载设备可以自动屏蔽不期望收到的应答器组信息，在保证安全的前提下，可以提高运行效率，减少防护人员和管理人员。

可以通过应答器设置或删除VBC。

在启机过程中，司机可以通过DMI设置或删除一个VBC。

当车载设备存储一个VBC，如果收到的应答器报文包含P0包，且P0包的NID_VBCMK和NID_C与车载设备存储的一个VBC相同，车载设备忽略这组应答器报文。如果这组应答器的剩余部分读取失败，车载设备也不触发链接反应。

如果车载设备从应答器组或司机收到新的VBC，新的VBC的NID_VBCMK与车载设备存储的VBC的NID_VBCMK相同，车载设备使用新的VBC替代旧的VBC。

当车载设备下电后，车载设备保存VBC。当车载设备上电后，存储的VBC依旧可用。

从地面设备收到删除命令，或VBC的有效期到期，或启机过程中司机删除VBC，或VBC的NID_C与车载设备收到的新应答器组的NID_C不同时，车载设备删除存储的VBC。

4.4 禁用来自应答器的可撤销临时限速

对正在施工的区域设置临时限速，保证行车安全。对于车载设备存储的可以撤销的临时限速，可以使用包含相同临时限速编号的临时限速撤销命令撤销车载设备存储的临时限速。在等级2/3，RBC可以命令车载设备拒绝来自应答器的可撤销临时限速，即车载设备收到来自RBC的“禁用来自应答器的可撤销临时限速命令”后，该命令立即有效，车载设备将拒绝使用来自应答器且可撤销的临时限速信息。

4.5 轨道条件

与基线2相比，基线3增加了隧道停车区（Tunnel Stopping Area）、鸣笛（Sound Horn）、改变当前允许的电流（Change of Allowed Current Consumption）、 站 台（Station Platform ）、 关闭用于紧急制动的涡流制动（Switch off Eddy Current Brake for Emergency Brake）共5种轨道条件（Track Condition）[9]，如表2所示。

表2 新增的轨道条件Tab.2 New track conditions

车载设备从地面收到轨道条件后，需要将轨道条件信息通过DMI显示给司机，指导司机人工执行轨道条件对应的操作。同时，车载设备将轨道条件信息发送给车辆，支持车辆自动执行轨道条件对应的操作。

当轨道条件位于列车前方时，车载设备通过DMI显示轨道条件预告信息，向司机预告前方的轨道条件。当列车进入和退出轨道条件区域时，车载设备需要通过DMI显示轨道条件指示信息，指导司机人工执行轨道条件对应的操作。

从地面收到轨道条件信息后，车载设备实时监控列车与轨道条件的相对位置，并将列车与轨道条件的距离信息发送给车辆，如果车辆具备自动执行功能，车辆将在指定位置自动执行轨道条件对应的动作。

4.6 冷移动检测

断电后，车载设备能够监测和记录至少72 h内车载设备是否发生移动。如果没有发生冷移动，车载设备存储的一些信息从无效状态变为有效状态，例如环线结束标记信息（End Of Loop Marker，EOLM）、列车位置、等级、轨旁支持等级列表、RBC编号及电话号码。如果发生冷移动，车载设备存储的一些信息从无效状态变为未知状态，例如EOLM信息和轨旁支持等级列表。

增加冷移动检测（Cold Movement Detection，CMD）功能后，车载设备重新上电后，检查车载设备在断电期间，列车未发生冷移动，列车位置从未知状态变为有效状态。基于有效的列车位置，RBC可以向列车发送MA，提高运营效率。

5 优化监控功能

5.1 通用制动曲线模型

基线2没有对列车制动曲线计算做出统一规定，各个设备供应商的列车制动曲线算法不同，相同列车出现不同的制动距离，导致ETCS轨旁设计不仅依赖于列车制动性能，还依赖于车载设备供应商。对于跨国列车，由于各国铁路法规存在差异，车载设备需实现不同国家的制动曲线，对软件设计、系统实验、参数设定等造成很大困扰。为了降低系统复杂度，进而降低系统成本，提高系统运行效率，基线3给出了统一的列车制动曲线的计算方法。

5.2 文本消息处理

在ETCS系统中，地面设备向车载设备发送文本消息，车载设备通过DMI将文本消息显示给司机，起到提醒司机的目的。文本消息分为纯文本消息和固定文本消息，每一条文本消息的显示包括开始条件和结束条件，当开始条件满足时，DMI开始显示文本消息；当结束条件满足时，DMI停止显示文本消息。

基线3对文本消息的处理进行了优化。

对于需要确认的文本消息，增加“文本确认与文本显示结束的限定符”和“报告司机确认文本限定符”。

当“文本确认与文本显示结束的限定符”为假，表示只要司机确认文本消息，就停止文本显示；当“文本确认与文本显示结束的限定符”为真，表示司机确认文本消息只是停止文本显示的一个条件，只有当其他所有结束条件都满足了，才停止文本显示。

“报告司机确认文本限定符”为假，表示车载设备不需要向RBC报告司机确认了文本消息；“报告司机确认文本限定符”为真，表示车载设备需要向RBC报告司机确认了文本消息。

对于需要确认的文本消息，收到文本消息时，如果结束显示条件已经满足，则不显示该文本消息。

对于需要确认的文本消息，在结束显示条件满足时，司机还未确认该文本消息，车载设备应施加常用制动或紧急制动。

对于一条需要确认但尚未确认的文本消息，车载设备将拒绝需要确认且编号相同的文本消息。

5.3 协同缩短MA

在ETCS系统中，地面设备向车载设备发送行车许可（Movement Authority，MA），车载设备在MA范围内控制列车安全运行。

在基线2中，车载设备收到“缩短MA请求”，如果判断可以在缩短MA的EOA前停车而不触发制动，则接受缩短MA请求，否则拒绝缩短MA请求。

在基线3中，车载设备收到“缩短MA请求”，判断列车未超过使用缩短MA的EOA计算得到的指示曲线，则接受缩短MA请求，否则拒绝缩短MA请求。从不超过制动曲线修改为不超过指示曲线，接受缩短MA请求的条件更加严格，即DMI界面上显示给司机的指示信息也不能受到影响。

5.4 MA请求和使用

在基线3中，车载设备向RBC发送MA请求中携带请求MA的原因。

在使用MA时，当末区段定时器没有启动，车载设备收到一个新的MA，且列车最大安全前端已经越过新MA的末区段定时器的开始位置，车载设备认为末区段定时器已经超时，将EOA/LOA缩短到列车当前位置。因为列车最大安全前端已经越过新MA的末区段定时器的开始位置，车载设备不能确定末区段的有效时间还剩多少，所以认为末区段定时器已经超时，更有利于行车安全。

当末区段定时器已经启动，车载设备收到一个新的MA，且列车最大安全前端已经越过新MA的末区段定时器的开始位置，车载设备保持末区段定时器继续运行，但使用新MA的末区段超时时间代替旧的末区段超时时间。

同样，在使用MA时，当保护区段定时器没有启动时，车载设备收到一个新的MA，且列车最大安全前端已经越过新MA的保护区段定时器的开始位置，车载设备认为保护区段定时器已经超时，将EOA/LOA缩短到列车当前位置。

当保护区段定时器已经启动，车载设备收到一个新的MA，且列车最大安全前端已经越过新MA的保护区段定时器的开始位置，车载设备保持保护区段定时器继续运行，但使用新MA的保护区段超时时间代替旧的保护区段超时时间。

5.5 选择注册网络

车载设备查询和获取允许网络列表。当司机通过DMI选择无线网络时，车载设备将允许网络列表发送给DMI，通过DMI向司机显示所有允许网络。司机选择其中一个网络并报告给车载设备，车载设备将注册到司机选择的网络。

5.6 列车数据输入类型

列车数据包含固定、灵活和可转换3种输入类型。

固定的列车数据输入是指在列车数据输入窗口显示列车类型列表，每一种列车类型对应一组确定的列车数据。司机选择一种列车类型，车载设备将使用这种列车类型对应的所有列车数据，不需要司机逐个输入列车数据。

灵活的列车数据输入是指在列车数据输入窗口显示所有需要司机输入的列车数据，需要司机逐一输入每一个列车数据。在车载设备使用的所有列车数据中，并不是所有列车数据需要司机输入，部分列车数据可能来自配置数据或由外部设备（车辆）提供。

可转换的列车数据输入是指列车数据输入方式可以在固定的列车数据输入方式和灵活的列车数据输入方式之间进行切换。

5.7 根据列车类型选择静态速度曲线

司机通过DMI输入列车类型（Train Category），车载设备将列车类型对应到其他国际列车类型（NC_TRAIN）和超高不足列车类型（NC_CDTRAIN）。

车载设备根据NC_TRAIN在静态限速曲线中查找匹配的NC_DIFF，并使用NC_DIFF对应的静态速度。同时，车载设备根据NC_CDTRAIN在静态速度曲线中查找匹配的NC_CDDIFF，并使用NC_CDDIFF对应的静态速度。

5.8 DMI显示

与基线2 DMI相比，基线3 DMI增加或修改了一些功能[10-11]。

基线3增加了VBC，DMI增加了“设置VBC窗口”、“设置VBC确认窗口”、“删除VBC窗口”和“删除VBC确认窗口”，司机通过这些窗口可以设置和删除车载设备存储的VBC。

增加了“系统版本窗口”，通过该窗口可以查看车载设备运行的系统版本。

增加了“无线数据窗口”，在该窗口，司机可以选择连接上一个RBC、使用短号码、输入RBC数据或输入无线网络编号。

在LS下，当满足显示“行车许可范围内的最低监控速度（Lowest Supervised Speed within the MA，LSSMA）” 条 件 时， 在 DMI界 面 A1区显示带有速度限值的LS图标，表示这是LS的“MA范围内的最低监控速度”，且不能代替司机对线路侧信号的观察。

增加了指示时间（Time To Indication，TTI）。监控点的指示曲线与估计速度交点的位置为监控点的指示位置。从列车估计前端或最大安全前端到监控点指示位置的距离为监控点指示位置的剩余距离。列车前方所有监控点中，剩余距离最小的监控点指示位置为第一指示位置。列车处于顶棚速度监控区（Ceiling Speed Monitoring， CSM）时，车载设备计算列车前端到第一指示位置的剩余距离。以估计速度运行，列车估计前端或最大安全前端到第一指示位置所需时间为TTI。当TTI小于规定值，车载设备通过DMI通知司机TTI。

当车载设备收到隧道停车区时，接近隧道停车区时，在DMI的C2区显示隧道停车区预告图标，同时在C3和C4区显示列车前端距隧道停车区起点的距离。当列车前端进入隧道停车区后，C2区显示隧道停车区图标，C3和C4区不再显示列车前端距隧道停车区起点的距离。当隧道发生危险，司机需要在隧道里停车时，隧道停车区预告和指示信息可以指导司机将列车停在隧道停车区，为乘客提供安全、快速的逃生通道。

车载设备收到平交道口信息后，如果平交道口不受保护，当平交道口起点临时当作EOA和SVL进行监控，或将平交道口限制速度纳入MRSP进行速度监控时，在B3/B4/B5区显示“平交道口不受保护”图标。当车载设备收到“平交道口受保护”信息，或列车最小安全前端越过平交道口终点，在B3/B4/B5区不再显示“平交道口不受保护”图标。

司机选择车辆的巡航功能，车辆将以选择巡航功能时的列车速度进行巡航，车辆通过MVB总线将巡航速度（设置速度）发送给车载设备，DMI将在B0区显示设置速度，向司机显示列车当前的巡航速度。

6 总结

目前，国内主要铁路信号装备企业都在积极研究ETCS系统，为拓展海外市场做准备。ETCS系统不断发展演变，也在不断走向成熟和完善。欧盟正在努力推广最新版本的ETCS系统——基线3版本2 ETCS系统。本文对ETCS基线2和基线3进行对比分析，介绍了ETCS基线3新增系统级功能、新增运行模式、新增监控功能和优化监控功能，旨在使国内铁路从业者对基线3 ETCS系统有比较全面深刻的认识和理解，更好地“走出去”，开拓国际市场。同时，对ETCS系统进行深入研究，将好的ETCS系统设计理念和思想借鉴到CTCS系统，有助于促进CTCS系统更好发展。