交通运输新兴技术案例集/列车控制系统

列车控制系统 (PTC) 是一种先进的防撞系统，由国会于 2008 年的《铁路安全改进法案》中授权，适用于所有 I 类铁路公司和客运铁路运营商。该技术正在所有城际客运铁路和通勤铁路运行的主要线路轨道以及运输危险物质的线路进行安装。PTC 引入了基于 GPS 的持续定位和速度跟踪，并使用更复杂的机载无线技术，无论车辆身在何处，都能够从集中控制中心强制执行运行权限。PTC 将比传统系统更可靠，并提供更强大的实时功能。预计 PTC 将在美国约 60,000 英里的轨道上实施。

演员注释列表

• 美国国会 - 制定《2008 年铁路安全改进法案》的立法机构，该法案授权实施列车控制系统
• 联邦铁路管理局 (FRA) - 负责列车控制系统的规则制定和认证
• 美国 I 类货运铁路 - BNSF 铁路公司、加拿大国家铁路公司、加拿大太平洋铁路公司、CSX 运输公司、堪萨斯城南部铁路公司、诺福克南方铁路公司、联合太平洋铁路公司
• 城际客运铁路 - 美铁
• 通勤铁路 - 美国 28 个系统
• 联邦通信委员会 (FCC) - ~22,000 个天线需要批准，每个提交需要审查两个月，历史保护法
• 美国铁路协会 (AAR) - 代表北美主要货运铁路公司的行业贸易组织
• 国家运输安全委员会 - 负责调查列车事故

事件时间线

• 1969 年 - 国家运输安全委员会在两列通勤列车在康涅狄格州发生迎面相撞事故后，呼吁开发和实施更先进的列车控制系统。(4 人死亡，43 人受伤)
• 1990 年 - 国家运输安全委员会 (NTSB) 将列车控制系统列入“最想解决的问题”列表
• 1994 年 - 1994 年《联邦铁路安全授权法案》要求交通部长向国会提交一份关于列车控制系统开发、部署和演示的报告
• 1999 年 8 月 - 铁路安全咨询委员会向联邦铁路管理局提交了“列车控制系统实施”
• 2005 年 3 月 7 日 - FRA 制定关于基于处理器的信号和列车控制系统开发和使用的监管要求 (49 CFR 第 236 部分 H 款)。
• 2008 年 9 月 12 日 - 洛杉矶发生一列 MetroLink 通勤列车与货运列车相撞事故 (25 人死亡，135 人受伤)
• 2008 年 10 月 1 日 - 国会通过《铁路安全改进法案》，要求所有 I 类铁路公司和客运铁路实施列车控制系统
• 2008 年 10 月 8 日 - I 类铁路公司就建立列车控制系统互操作性标准达成协议
• 2010 年 1 月 15 日 - FRA 制定关于强制性列车控制系统的规则制定 (49 CFR 第 236 部分 I 款)
• 2010 年 4 月 16 日 - I 类铁路公司向 FRA 提交列车控制系统实施计划
• 2012 年 7 月 12 日 - FRA 修改了规则，允许铁路公司在不运输有毒吸入性物质或乘客的铁路路段上不实施列车控制系统。
• 2015 年 5 月 12 日 - 一列美铁列车在费城以北发生脱轨事故，如果安装了列车控制系统，本可以避免事故 (8 人死亡，200 多人受伤)
• 2015 年 10 月 29 日 - 国会通过 H.R.3819 - 2015 年《地面运输延期法案》，将列车控制系统的最后期限延期三年
• 2015 年 12 月 18 日 - 美铁激活了东北走廊 (NEC) 最后一段列车控制系统 (PTC)
• 2015 年 12 月 31 日 - 列车控制系统实施的原始日期
• 2018 年 12 月 31 日 - 列车控制系统实施的当前最后期限

位置地图

列车控制系统将在美国约 60,000 英里的轨道上实施

地图 - I 类货运铁路网络

地图 - 东北走廊 - 美铁/通勤铁路

政策问题的明确识别

• 无资金授权 (90 亿美元) - 列车控制系统是联邦铁路管理局对该行业实施的史上最大一项监管成本
• 互操作性 - 列车控制系统法规的主要目标是将一组不同的安全技术统一到一套共同标准之下
• 无线电频谱 - 220 MHz 频率用于列车控制系统无线通信网络
• 认证流程 - 在认证和投入运营之前，每家铁路公司都需要向 FRA 提交列车控制系统实施计划 (PTCIP)、开发计划 (PTCDP) 和安全计划 (PTCSP)
• 进入市场的障碍
• 死亡成本 - 据联邦铁路管理局 (FRA) 统计，2001 年至 2012 年，平均每年发生 1,870 起脱轨事故和 192 起列车碰撞事故，导致 428 人受伤和 12 人死亡，不包括公路铁路交叉口的事故，列车控制系统无法防止公路铁路交叉口的事故。大多数事故发生在铁路编组场，一般比列车控制系统可以防止的事故严重程度低。2012 年，9 人死于列车碰撞或脱轨事故，235 人死于公路铁路平交道口事故，437 人死于在铁路财产或路权内擅自闯入事故。

案例叙述

背景

铁路公司从 20 世纪初就开始实施安全系统，以减少事故。几起备受关注的事故促使国家运输安全委员会、国会和联邦铁路管理局推动技术进步，以提高铁路网络的安全水平。自动列车控制 (ATC) 和自动列车停止 (ATS) 信号系统已在部分轨道上使用多年。然而，这些系统中的大多数是“被动”系统，这意味着它们会等待列车司机确认警报，并且在所有情况下都无法防止碰撞。随着技术不断发展，FRA 在 2005 年提交了基于处理器的信号和列车控制系统的标准。根据此指示实施的任何系统都是自愿的，并且新系统只需要证明安全水平没有低于之前的水平。

加州查茨沃思发生列车相撞事故后，国会通过了《2008 年铁路安全改进法案 (RSIA)》。该法案授权在 2015 年 12 月 31 日之前实施列车控制系统，并基于以下准则：

旨在防止

• 列车之间发生碰撞
• 由于超速导致的脱轨事故
• 列车未经授权驶入进行维护活动的轨道区域
• 列车通过错误位置的轨道道岔

安装在运输以下物品的轨道上

• 每年超过 500 万总吨的货物
• 有毒吸入性物质
• 乘客

. 此外，每个系统都需要与其他铁路公司安装的其他列车控制系统互操作。

技术

列车控制系统没有官方的技术规范；国会和《铁路安全改进法案》目前允许铁路公司在选择其列车控制系统基础设施的确切设计方面具有灵活性。但是，所有列车控制系统都共享四个基本组件：

• 后台服务器系统 - 存储速度限制、轨道几何形状和道岔信号数据库。还与后台服务器系统、调度系统和通信段接口。
• 车载系统 - 机车内部的软件和硬件，负责监控列车的运行并执行某些控制功能，例如制动。
• 道岔信号系统 - 与后台服务器和车载系统集成。监控道岔位置、信号指示和其他道岔信号系统。
• 通信网络组件 - 有线和无线网络，允许列车控制系统各组件之间交换信息；后台服务器、车载系统和道岔信号系统。

在美国，那些已经开始实施PTC技术的公司正在采用“叠加式系统”。 这涉及将之前描述的PTC组件与已经安装的信号、开关、传感器和路侧基础设施集成在一起。在这种系统下，这四个组件之间至少共享信息，但每个组件独立负责PTC操作中的重要任务。例如，基站服务器存储路侧信号数据库，但不会直接将其传输到车载系统。相反，它将信息传输到路侧系统，路侧系统独立负责监控其覆盖的其他铁路信号的操作。路侧系统会提醒列车司机轨道上的信号是否发生故障，但它不会监控列车司机是否遵守信号。车载系统负责分别处理来自基站服务器和路侧信号的信息，并确保列车按规定运行。这种配置的潜在缺点是，它比较松散，依赖于大量不同的链路和独立的通信网络才能正常运行。

基于通信的列车控制 (CBTC) 是另一种 PTC 实施形式，它解决了一些这些问题。CBTC 使用计算机辅助调度系统，该系统向整个网络中的所有列车和其他 PTC 组件发送信息和指令。CBTC 依赖于 GPS 技术来维护列车的实时位置和速度数据。该系统根据轮轨摩擦、制动器磨损、轨道坡度和其他因素处理间距距离和必要的制动距离。由于其监控精度以及通过其网络协调和向列车发送控制指令的速度，CBTC 比叠加系统提供了更强的安全能力。它还可能提高调度效率和燃油效率。 然而，CBTC 的安装成本远高于叠加系统。要正常工作，铁路网络需要持续且无缝的通信覆盖，这需要安装额外的无线电发射塔和固定应答器。迄今为止，美国铁路公司尚未发现完全采用 CBTC 模型系统的经济可行性。然而，在美国和其他地区，运营商已开始实施计算机辅助调度系统的部分功能。其中一些功能包含在下面列出的 PTC 系统示例中。

PTC 系统

• ACSES - 高级民用速度执行系统 - 基于应答器的系统，在美国 Amtrak 的东北走廊使用。
• ETMS - 电子列车管理系统 - BNSF 铁路正在部署的基于 GPS 和通信的系统。
• I-ETMS - 可互操作电子列车管理系统 - CSX 运输公司、诺福克南方铁路公司和联合太平洋铁路公司计划使用的基于 GPS 和通信的系统。
• ITCS - 增量列车控制系统 - 美国 Amtrak 在 110 英里/小时的密歇根线使用的基于 GPS 和通信的系统。
• E-ATC - 增强型自动列车控制 - 使用底层自动列车控制 (ATC) 系统，结合其他“增强型”功能或系统以实现 PTC 的核心必要功能。

互操作性

互操作性是实现全国范围 PTC 实施的主要挑战。铁路公司经常在其运营的轨道上运行由其他公司拥有的机车。在许多情况下，拥有轨道的公司安装的 PTC 技术与机车安装的 PTC 技术不同。为了实现互操作性，轨道内外的 PTC 组件以及机车车载系统内的 PTC 组件必须兼容。 许多公司早在 2008 年《铁路安全改进法案》通过之前就已经在开发包含 PTC 组件的系统。此后，联邦铁路管理局 (FRA) 已强制要求 PTC 系统在一家铁路公司机车在另一家公司轨道上运行时实现互操作性。这导致 FRA 向铁路公司发放了“类型批准”，用于被认为允许这种互操作性的 PTC 系统。 例如，I-ETMS 或可互操作电子列车管理系统已获得 FRA 的类型批准，并被 CSX 运输公司、诺福克南方铁路公司和联合太平洋铁路公司使用（BNSF 铁路计划在未来某个日期升级到 I-ETMS）。这些公司预计能够在其彼此的轨道上无缝运行其 PTC 技术，无论 I-ETMS 在哪里安装。然而，这些只是在美国运营的少数几家铁路公司。为了成功实现全国范围的 PTC 互操作性，所有共享轨道的公司必须就一个共同的 PTC 系统达成一致。如果没有就兼容的 PTC 系统达成一致，铁路运营商将不得不在其公司系统与轨道所有者的系统不一致的情况下，至少安装两个 PTC 系统。这对大多数运营商来说成本过高，不太可能在全国范围内实现。

互操作性的另一个挑战是需要共享公共无线电频谱。PTC 设备硬件和软件不仅必须在运营商之间兼容，还必须能够相互通信。虽然使用多个频率是可行的选择，但这很昂贵，大多数铁路运营商更希望与他们共享轨道的运营商共享一个频率。铁路公司已经确定 220 MHz 频段是满足其需求的最理想频谱。联合太平洋铁路公司、诺福克南方铁路公司、CSX 运输公司和 BNSF 铁路公司已合并为一个财团，即 PTC-220 LLC，并已购买了 220 MHz 频段的频率。 然而，为了实现《铁路安全改进法案》提出的目标，所有铁路公司必须确定如何获得无线电频率并与他们共享轨道的其他运营商共享无线电频率。PTC-220 LLC 财团和其他铁路运营商已要求联邦通信委员会 (FCC) 将整个 220 MHz 频段分配给铁路公司，以便专门实施 PTC。 Amtrak 和其他公司甚至要求 FCC 分配 217-222 MHz 频谱和许可证，以确保他们拥有适合拥挤地区的频谱。迄今为止，FCC 尚未指定任何无线电频谱专门用于 PTC 实施。其中一个问题是，FCC 已经将 220 MHz 频段内的几个许可证拍卖给了其他实体。铁路运营商辩称，FCC 应该根据公共安全规定将这些频谱重新分配给他们，但许可证所有者坚持认为，这将是不公平的强制将许可证从一方私营实体转移到另一方。他们认为，铁路运营商可以简单地从他们那里租赁频谱。铁路运营商反驳说，从现有的 220 MHz 许可证所有者那里租赁频谱将非常昂贵。例如，国有铁路运营商在筹集资金方面存在很大困难，要求他们购买或租赁私人所有者的许可证可能不可行。更复杂的是，许多铁路运营商不愿在不知道无线电频谱标准是否以及如何确定之前购买 PTC 无线电设备。如果 220 MHz 没有成为官方行业标准，铁路公司可能会在无线电上浪费资金，这些无线电无法与相邻运营商的 PTC 设备通信。

现状

2015 年 8 月，FRA 向国会报告称，PTC 不会在 2015 年 12 月 31 日的截止日期前实施。他们指出，以下挑战阻止了铁路公司实施这项技术：无线频谱可用性、PTC 技术供应商数量有限、潜在的无线电干扰、安全计划。 2015 年 10 月 29 日，国会通过了 H.R.3819 - 2015 年陆路运输延期法案，将积极列车控制实施授权期限延长三年，至 2018 年 12 月 31 日。

截至 2015 年 6 月，以下计划将在 2016 年底之前完成：

• 60,153 路线英里的 38% 将拥有 PTC。
• 22,066 机车的 63% 将配备 PTC。
• 114,515 名需要培训的员工中，有 51% 将获得 PTC 资格。
• 超过 32,654 个路侧信号系统中的 87% 将准备就绪以使用 PTC。
• 3,968 个基站无线电中的 77% 将被安装。

按铁路公司分类的积极列车控制 (PTC) 状态

讨论问题

国会是否应该授权对货运和客运铁路实施未经资助的安全授权？

防止每年约 11 人死亡是否值得投资？

国会是否应该将无线电频谱（例如 220 MHz）严格分配给 PTC？如果是，国会是否应该要求所有货运和通勤线路都在该无线电频谱上运行，以解决互操作性问题？

补充阅读材料和信息

Jeffrey C. Peters (2012)。积极列车控制 (PTC)：概述和政策问题

联邦铁路管理局。2015 年 8 月。关于积极列车控制实施状况的国会报告

国家运输安全委员会。2015 年最想改进的运输安全措施 - 积极列车控制

视频：积极列车控制概述

视频：积极列车控制 (PTC) 真正需要什么 - 诺福克南方铁路公司