交通運輸新興技術案例集/列車控制系統

列車控制系統 (PTC) 是一種先進的防撞系統，由國會於 2008 年的《鐵路安全改進法案》中授權，適用於所有 I 類鐵路公司和客運鐵路運營商。該技術正在所有城際客運鐵路和通勤鐵路執行的主要線路軌道以及運輸危險物質的線路進行安裝。PTC 引入了基於 GPS 的持續定位和速度跟蹤，並使用更復雜的機載無線技術，無論車輛身在何處，都能夠從集中控制中心強制執行執行許可權。PTC 將比傳統系統更可靠，並提供更強大的即時功能。預計 PTC 將在美國約 60,000 英里的軌道上實施。

演員註釋列表

• 美國國會 - 制定《2008 年鐵路安全改進法案》的立法機構，該法案授權實施列車控制系統
• 聯邦鐵路管理局 (FRA) - 負責列車控制系統的規則制定和認證
• 美國 I 類貨運鐵路 - BNSF 鐵路公司、加拿大國家鐵路公司、加拿大太平洋鐵路公司、CSX 運輸公司、堪薩斯城南部鐵路公司、諾福克南方鐵路公司、聯合太平洋鐵路公司
• 城際客運鐵路 - 美鐵
• 通勤鐵路 - 美國 28 個系統
• 聯邦通訊委員會 (FCC) - ~22,000 個天線需要批准，每個提交需要審查兩個月，歷史保護法
• 美國鐵路協會 (AAR) - 代表北美主要貨運鐵路公司的行業貿易組織
• 國家運輸安全委員會 - 負責調查列車事故

事件時間線

• 1969 年 - 國家運輸安全委員會在兩列通勤列車在康涅狄格州發生迎面相撞事故後，呼籲開發和實施更先進的列車控制系統。(4 人死亡，43 人受傷)
• 1990 年 - 國家運輸安全委員會 (NTSB) 將列車控制系統列入“最想解決的問題”列表
• 1994 年 - 1994 年《聯邦鐵路安全授權法案》要求交通部長向國會提交一份關於列車控制系統開發、部署和演示的報告
• 1999 年 8 月 - 鐵路安全諮詢委員會向聯邦鐵路管理局提交了“列車控制系統實施”
• 2005 年 3 月 7 日 - FRA 制定關於基於處理器的訊號和列車控制系統開發和使用的監管要求 (49 CFR 第 236 部分 H 款)。
• 2008 年 9 月 12 日 - 洛杉磯發生一列 MetroLink 通勤列車與貨運列車相撞事故 (25 人死亡，135 人受傷)
• 2008 年 10 月 1 日 - 國會透過《鐵路安全改進法案》，要求所有 I 類鐵路公司和客運鐵路實施列車控制系統
• 2008 年 10 月 8 日 - I 類鐵路公司就建立列車控制系統互操作性標準達成協議
• 2010 年 1 月 15 日 - FRA 制定關於強制性列車控制系統的規則制定 (49 CFR 第 236 部分 I 款)
• 2010 年 4 月 16 日 - I 類鐵路公司向 FRA 提交列車控制系統實施計劃
• 2012 年 7 月 12 日 - FRA 修改了規則，允許鐵路公司在不運輸有毒吸入性物質或乘客的鐵路路段上不實施列車控制系統。
• 2015 年 5 月 12 日 - 一列美鐵列車在費城以北發生脫軌事故，如果安裝了列車控制系統，本可以避免事故 (8 人死亡，200 多人受傷)
• 2015 年 10 月 29 日 - 國會透過 H.R.3819 - 2015 年《地面運輸延期法案》，將列車控制系統的最後期限延期三年
• 2015 年 12 月 18 日 - 美鐵激活了東北走廊 (NEC) 最後一段列車控制系統 (PTC)
• 2015 年 12 月 31 日 - 列車控制系統實施的原始日期
• 2018 年 12 月 31 日 - 列車控制系統實施的當前最後期限

位置地圖

列車控制系統將在美國約 60,000 英里的軌道上實施

地圖 - I 類貨運鐵路網路

地圖 - 東北走廊 - 美鐵/通勤鐵路

政策問題的明確識別

• 無資金授權 (90 億美元) - 列車控制系統是聯邦鐵路管理局對該行業實施的史上最大一項監管成本
• 互操作性 - 列車控制系統法規的主要目標是將一組不同的安全技術統一到一套共同標準之下
• 無線電頻譜 - 220 MHz 頻率用於列車控制系統無線通訊網路
• 認證流程 - 在認證和投入運營之前，每家鐵路公司都需要向 FRA 提交列車控制系統實施計劃 (PTCIP)、開發計劃 (PTCDP) 和安全計劃 (PTCSP)
• 進入市場的障礙
• 死亡成本 - 據聯邦鐵路管理局 (FRA) 統計，2001 年至 2012 年，平均每年發生 1,870 起脫軌事故和 192 起列車碰撞事故，導致 428 人受傷和 12 人死亡，不包括公路鐵路交叉口的事故，列車控制系統無法防止公路鐵路交叉口的事故。大多數事故發生在鐵路編組場，一般比列車控制系統可以防止的事故嚴重程度低。2012 年，9 人死於列車碰撞或脫軌事故，235 人死於公路鐵路平交道口事故，437 人死於在鐵路財產或路權內擅自闖入事故。

案例敘述

背景

鐵路公司從 20 世紀初就開始實施安全系統，以減少事故。幾起備受關注的事故促使國家運輸安全委員會、國會和聯邦鐵路管理局推動技術進步，以提高鐵路網路的安全水平。自動列車控制 (ATC) 和自動列車停止 (ATS) 訊號系統已在部分軌道上使用多年。然而，這些系統中的大多數是“被動”系統，這意味著它們會等待列車司機確認警報，並且在所有情況下都無法防止碰撞。隨著技術不斷發展，FRA 在 2005 年提交了基於處理器的訊號和列車控制系統的標準。根據此指示實施的任何系統都是自願的，並且新系統只需要證明安全水平沒有低於之前的水平。

加州查茨沃思發生列車相撞事故後，國會通過了《2008 年鐵路安全改進法案 (RSIA)》。該法案授權在 2015 年 12 月 31 日之前實施列車控制系統，並基於以下準則：

旨在防止

• 列車之間發生碰撞
• 由於超速導致的脫軌事故
• 列車未經授權駛入進行維護活動的軌道區域
• 列車透過錯誤位置的軌道道岔

安裝在運輸以下物品的軌道上

• 每年超過 500 萬總噸的貨物
• 有毒吸入性物質
• 乘客

. 此外，每個系統都需要與其他鐵路公司安裝的其他列車控制系統互操作。

技術

列車控制系統沒有官方的技術規範；國會和《鐵路安全改進法案》目前允許鐵路公司在選擇其列車控制系統基礎設施的確切設計方面具有靈活性。但是，所有列車控制系統都共享四個基本元件：

• 後臺伺服器系統 - 儲存速度限制、軌道幾何形狀和道岔訊號資料庫。還與後臺伺服器系統、排程系統和通訊段介面。
• 車載系統 - 機車內部的軟體和硬體，負責監控列車的執行並執行某些控制功能，例如制動。
• 道岔訊號系統 - 與後臺伺服器和車載系統整合。監控道岔位置、訊號指示和其他道岔訊號系統。
• 通訊網路元件 - 有線和無線網路，允許列車控制系統各元件之間交換資訊；後臺伺服器、車載系統和道岔訊號系統。

在美國，那些已經開始實施PTC技術的公司正在採用“疊加式系統”。 這涉及將之前描述的PTC元件與已經安裝的訊號、開關、感測器和路側基礎設施整合在一起。在這種系統下，這四個元件之間至少共享資訊，但每個元件獨立負責PTC操作中的重要任務。例如，基站伺服器儲存路側訊號資料庫，但不會直接將其傳輸到車載系統。相反，它將資訊傳輸到路側系統，路側系統獨立負責監控其覆蓋的其他鐵路訊號的操作。路側系統會提醒列車司機軌道上的訊號是否發生故障，但它不會監控列車司機是否遵守訊號。車載系統負責分別處理來自基站伺服器和路側訊號的資訊，並確保列車按規定執行。這種配置的潛在缺點是，它比較鬆散，依賴於大量不同的鏈路和獨立的通訊網路才能正常執行。

基於通訊的列車控制 (CBTC) 是另一種 PTC 實施形式，它解決了一些這些問題。CBTC 使用計算機輔助排程系統，該系統向整個網路中的所有列車和其他 PTC 元件傳送資訊和指令。CBTC 依賴於 GPS 技術來維護列車的即時位置和速度資料。該系統根據輪軌摩擦、制動器磨損、軌道坡度和其他因素處理間距距離和必要的制動距離。由於其監控精度以及透過其網路協調和向列車傳送控制指令的速度，CBTC 比疊加系統提供了更強的安全能力。它還可能提高排程效率和燃油效率。 然而，CBTC 的安裝成本遠高於疊加系統。要正常工作，鐵路網路需要持續且無縫的通訊覆蓋，這需要安裝額外的無線電發射塔和固定應答器。迄今為止，美國鐵路公司尚未發現完全採用 CBTC 模型系統的經濟可行性。然而，在美國和其他地區，運營商已開始實施計算機輔助排程系統的部分功能。其中一些功能包含在下面列出的 PTC 系統示例中。

PTC 系統

• ACSES - 高階民用速度執行系統 - 基於應答器的系統，在美國 Amtrak 的東北走廊使用。
• ETMS - 電子列車管理系統 - BNSF 鐵路正在部署的基於 GPS 和通訊的系統。
• I-ETMS - 可互操作電子列車管理系統 - CSX 運輸公司、諾福克南方鐵路公司和聯合太平洋鐵路公司計劃使用的基於 GPS 和通訊的系統。
• ITCS - 增量列車控制系統 - 美國 Amtrak 在 110 英里/小時的密歇根線使用的基於 GPS 和通訊的系統。
• E-ATC - 增強型自動列車控制 - 使用底層自動列車控制 (ATC) 系統，結合其他“增強型”功能或系統以實現 PTC 的核心必要功能。

互操作性

互操作性是實現全國範圍 PTC 實施的主要挑戰。鐵路公司經常在其運營的軌道上執行由其他公司擁有的機車。在許多情況下，擁有軌道的公司安裝的 PTC 技術與機車安裝的 PTC 技術不同。為了實現互操作性，軌道內外的 PTC 元件以及機車車載系統內的 PTC 元件必須相容。 許多公司早在 2008 年《鐵路安全改進法案》透過之前就已經在開發包含 PTC 元件的系統。此後，聯邦鐵路管理局 (FRA) 已強制要求 PTC 系統在一家鐵路公司機車在另一家公司軌道上執行時實現互操作性。這導致 FRA 向鐵路公司發放了“型別批准”，用於被認為允許這種互操作性的 PTC 系統。 例如，I-ETMS 或可互操作電子列車管理系統已獲得 FRA 的型別批准，並被 CSX 運輸公司、諾福克南方鐵路公司和聯合太平洋鐵路公司使用（BNSF 鐵路計劃在未來某個日期升級到 I-ETMS）。這些公司預計能夠在其彼此的軌道上無縫執行其 PTC 技術，無論 I-ETMS 在哪裡安裝。然而，這些只是在美國運營的少數幾家鐵路公司。為了成功實現全國範圍的 PTC 互操作性，所有共享軌道的公司必須就一個共同的 PTC 系統達成一致。如果沒有就相容的 PTC 系統達成一致，鐵路運營商將不得不在其公司系統與軌道所有者的系統不一致的情況下，至少安裝兩個 PTC 系統。這對大多數運營商來說成本過高，不太可能在全國範圍內實現。

互操作性的另一個挑戰是需要共享公共無線電頻譜。PTC 裝置硬體和軟體不僅必須在運營商之間相容，還必須能夠相互通訊。雖然使用多個頻率是可行的選擇，但這很昂貴，大多數鐵路運營商更希望與他們共享軌道的運營商共享一個頻率。鐵路公司已經確定 220 MHz 頻段是滿足其需求的最理想頻譜。聯合太平洋鐵路公司、諾福克南方鐵路公司、CSX 運輸公司和 BNSF 鐵路公司已合併為一個財團，即 PTC-220 LLC，並已購買了 220 MHz 頻段的頻率。 然而，為了實現《鐵路安全改進法案》提出的目標，所有鐵路公司必須確定如何獲得無線電頻率並與他們共享軌道的其他運營商共享無線電頻率。PTC-220 LLC 財團和其他鐵路運營商已要求聯邦通訊委員會 (FCC) 將整個 220 MHz 頻段分配給鐵路公司，以便專門實施 PTC。 Amtrak 和其他公司甚至要求 FCC 分配 217-222 MHz 頻譜和許可證，以確保他們擁有適合擁擠地區的頻譜。迄今為止，FCC 尚未指定任何無線電頻譜專門用於 PTC 實施。其中一個問題是，FCC 已經將 220 MHz 頻段內的幾個許可證拍賣給了其他實體。鐵路運營商辯稱，FCC 應該根據公共安全規定將這些頻譜重新分配給他們，但許可證所有者堅持認為，這將是不公平的強制將許可證從一方私營實體轉移到另一方。他們認為，鐵路運營商可以簡單地從他們那裡租賃頻譜。鐵路運營商反駁說，從現有的 220 MHz 許可證所有者那裡租賃頻譜將非常昂貴。例如，國有鐵路運營商在籌集資金方面存在很大困難，要求他們購買或租賃私人所有者的許可證可能不可行。更復雜的是，許多鐵路運營商不願在不知道無線電頻譜標準是否以及如何確定之前購買 PTC 無線電裝置。如果 220 MHz 沒有成為官方行業標準，鐵路公司可能會在無線電上浪費資金，這些無線電無法與相鄰運營商的 PTC 裝置通訊。

現狀

2015 年 8 月，FRA 向國會報告稱，PTC 不會在 2015 年 12 月 31 日的截止日期前實施。他們指出，以下挑戰阻止了鐵路公司實施這項技術：無線頻譜可用性、PTC 技術供應商數量有限、潛在的無線電干擾、安全計劃。 2015 年 10 月 29 日，國會通過了 H.R.3819 - 2015 年陸路運輸延期法案，將積極列車控制實施授權期限延長三年，至 2018 年 12 月 31 日。

截至 2015 年 6 月，以下計劃將在 2016 年底之前完成：

• 60,153 路線英里的 38% 將擁有 PTC。
• 22,066 機車的 63% 將配備 PTC。
• 114,515 名需要培訓的員工中，有 51% 將獲得 PTC 資格。
• 超過 32,654 個路側訊號系統中的 87% 將準備就緒以使用 PTC。
• 3,968 個基站無線電中的 77% 將被安裝。

按鐵路公司分類的積極列車控制 (PTC) 狀態

討論問題

國會是否應該授權對貨運和客運鐵路實施未經資助的安全授權？

防止每年約 11 人死亡是否值得投資？

國會是否應該將無線電頻譜（例如 220 MHz）嚴格分配給 PTC？如果是，國會是否應該要求所有貨運和通勤線路都在該無線電頻譜上執行，以解決互操作性問題？

補充閱讀材料和資訊

Jeffrey C. Peters (2012)。積極列車控制 (PTC)：概述和政策問題

聯邦鐵路管理局。2015 年 8 月。關於積極列車控制實施狀況的國會報告

國家運輸安全委員會。2015 年最想改進的運輸安全措施 - 積極列車控制

影片：積極列車控制概述

影片：積極列車控制 (PTC) 真正需要什麼 - 諾福克南方鐵路公司