中国列车控制技术.docx

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中国列车控制技术

第三章中国列车控制系统规划

3.1中国列车控制系统发展

3.2中国列车控制系统构成原则

3.3列车控制系统功能

3.4中国列车控制系统分类

3.5CTCS与ETCS对比

第三章中国列车控制系统规划

第一节中国列车控制系统的发展

3.1.1概述

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。

这次会议是关于通信信号一体化、加速ATP（列车超速防护系统）发展的一次重要会议。

这次会议以GSM-R/ETCS为主题，进一步明确ATP的发展方向，给我们提供重要借鉴，将对我国CTCS（ChinaTrainControlSystem即中国列车运行控制系统）的发展产生一定影响。

铁路历史的六次大提速

第一次（1997年4月1日）京广、京沪、京哈三大干线最高时速达140公里平均旅行时速90公里的40对快速列车和64列夕发朝至列车；第二次（1998年10月1日）全面提速最高运行时速达140—160公里非重点提速区段快速列车运行时速达120公里，广深线采用摆式列车最高时速达200公里；第三次（2000年10月21日）京九、陇海、兰新、浙赣线东西大提速东西时空距离的缩短，为西部大开发进程提速；第四次（2001年10月21日）哈大线、京广线南段，条件较好的单线铁路汉丹线列车最高时速达140公里；第五次（2004年4月18日）京沪、京广、京哈等干线部分地段线路最高时速200公里全路旅客列车平均旅行速度65.7公里／小时；第六次（2007年4月18日）大面积提速。

最高时速250公里既有线提速干线旅客列车运行时速达200公里以上，标志着中国迈进高速铁路时代。

青藏铁路使用ITCS列车控制系统

青藏铁路于2006年７月１日全线通车，在全国铁路系统首次使用了由美国通用电器公司开发的ＩＴＣＳ增强型列车控制系统。

青藏铁路格拉段４５个车站中有３８个车站采用了这一系统。

与目前国内采用的控制系统相比，安装ＩＴＣＳ系统的车站不设置信号机、轨道电路，只安装道岔转换装置。

ＩＴＣＳ系统采用了一体化的设计思想，集自动闭塞、车站联锁控制和列车运行超速防护控制于一身，控制列车在车站停车、通过或进行其他相关作业。

随着我国铁路既有线的不断提速，青藏铁路采用GE的ITCS，青藏线、大秦线、胶济线GSM-R的建设，客运专线的建设以及京沪高速铁路的研究，如何装备与之相适应的CTCS系统，成为摆在广大信号工作者面前的一道难题。

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。

3.1.2ERTMS

欧洲铁路运输管理系统（EuropeanRailTrafficManagementSystem,简称为ERTMS）是在整个欧洲铁路网内保证互通运营的一个控制指令系统。

它是欧盟为解决欧洲铁路互通运营而提出的。

其目的是提高互通运营性、减少车载设备和轨道设备、与既有信号系统兼容。

欧洲铁路运输管理系统ERTMS瞄准了铁路运输管理的两个主要功能：

列车控制和运输管理。

欧洲铁路运输管理系统ERTMS以欧洲铁路运输管理系统ETMS（EuropeanTrafficManagementSystem）为运输指挥基础，以欧洲列车控制系统ETCS（EuropeanTrainControlSystem）为安全核心，以服务于铁路的全球无线移动通信系统GSM-R为传输平台的铁路运输管理系统。

ERTMS的组成见图3-1-1。

欧洲列车控制系统ETCS

（安全核心）

欧洲铁路运输管理系统ETMS

（指挥基础）

无线移动通信系统GSM-R

（传输平台）

ERTMS

欧洲铁路运输管理系统

图3-1-1ERTMS的组成

3.1.3ETCS功能及构成

在20世纪90年代中期欧洲各信号公司联合制定了ETCS技术规范，旨在解决欧盟各国在跨国运行时的ATP的兼容问题。

ETCS系统有两个主要功能：

Ø运行指令/控制。

确保列车在路网中的安全运行。

Ø运输管理。

处理车辆与基础设施的管理问题，保证对线路能力和车辆应用的优化配置。

ETCS作为ERTMS的重要组成部分，必须具备司机室信号、全自动列车防护、标准的车地接口和通信规则。

它还需具备在正常和降级模式下运行的能力、司机警觉性监测、设备安全性监测、故障查找和数据记录等特点。

ETCS不是完整的信号系统，对线路信号设备、道岔、线路和信号联锁没有具体定义，原有设备仍可以使用，ETCS只是保证操作的互容性，强调列车控制系统技术要求。

3.1.4ETCS分级

ETCS系统可分为以下三级：

ETCS一级：

地面信号＋查询应答器＋轨道电路。

采用固定追踪间隔形式；司机依靠地面信号行车，地面信号机前设备产生速度监控；依靠轨道电路或计轴设备检查列车占用和完整性；利用查询应答器覆盖各国现有信号系统，并用于列车定位和传送控制命令。

该系统是典型的点式ATP。

ETCS2级：

轨道电路＋查询应答器＋GSM-R。

与一级相比，司机完全依靠车载信号设备行车（可取消地面信号机）；通过GSM-R连续传送列车运行控制命令，车－地间可双向通信；在点式设备的配合下，车载设备对列车运行速度进行连续监控；依靠轨道电路或计轴设备检查列车占用和完整性；建有无线移动闭塞中心。

该系统是基于移动通信的连续式ATP。

ETCS三级：

查询应答器＋GSM-R。

与二级相比是靠车载设备来检查列车完整性，不需要轨道电路；点式设备、GSM-R是系统的主要设备。

取消地面信号机和轨道电路后，室外线路上的信号设备减少到最低程度；列车追踪间隔依靠点式设备和无线移动闭塞中心实现，具有明显的移动自动闭塞特征。

3.1.5ERTMS／ETCS发展现状

欧盟一直全力支持开发和试验ERTMS／ETCS，并试图将其推广为全球采用的列控系统。

目前阿尔斯通、Adreanz、西门子、阿尔卡特、Invensys等公司都可以提供ERTMS产品。

德国、法国等欧洲国家先后对ETCS系统进行了试验。

如2003年7月，德国铁路和西门子公司、阿尔卡特公司在于特博格和比勒菲尔德之间进行了ERTMS产品试验，使ETCS控制的列车在欧洲首次以200km/h速度运行。

这个试验证实了ETCS二级技术已具备推广应用的条件。

到目前为止，GSM-R/ETCS也已进入实施阶段，GSM-R已在欧盟各国大面积建设，在德国、瑞典、西班牙等国开通使用；ETCS二级模式已在德国、西班牙、意大利等国大规模建设之中，瑞士已有36公里投入正式运营。

ETCS是基于移动通信的通信信号一体化的ATP，其成功经验对世界各国的ATP技术发展产生了巨大影响，也值得我国铁路在发展ATP时认真借鉴。

通过欧盟GSM-R/ETCS的发展，我们得到以下几点启示：

（1）列车速度的不断提高，使得铁路信号技术发生了巨大变化。

当速度超过160km/h后，再依靠地面信号行车已不能保证行车安全（160km/h时常用制动距离已达1949m），必须由对列车的开环控制变为闭环控制。

因此，当列车速度大于160km/h后，ATP已成为行车安全不可缺少的重要技术装备。

（2）ATP是由地面信号设备和车载设备共同组成的闭环高安全系统，是地面联锁向车载设备的延伸，在此基础上实现了以车载设备为主的行车方式。

各国铁路在实施ATP过程中，都是以故障安全作为最重要的技术条件，将地面和车载设备按一个系统统一设计，同步进行技术更新或强化改造的，这样才能保证整个系统的高安全、高可靠性。

（3）通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势。

实现对移动体的控制，移动通信是最便捷的手段，因此，基于通信特别是基于无线移动通信的ATP是今后的重要发展方向。

（4）技术标准统一，系统化设计，模块化产品，通用兼容是ETCS主要成功经验，值得我们认真学习和借鉴。

3.1.6中国铁路发展CTCS面临的现状

中国的机车信号也同样面临着制式不统一、机车交路不能混跑等问题。

虽然近年来大力推广应用通用型机车信号，但仍存在着功能单一、可靠性不尽如人意的问题。

特别是一再提速的需要，吸取和借鉴欧洲铁路发展的经验，制定中国列车控制系统（CTCS）和中国铁路运输管理系统（CRTMS）发展的技术政策和技术规范已经势在必行。

CTCS与ETCS所处的背景有较大的不同。

表现为以下方面：

✓中国铁路主要依靠轨道电路传输信息，而欧洲国家大多由点式设备完成信息的传输；

✓中国客货列车混跑，高低速列车共线，列车超速防护系统（ATP）还处于起步阶段。

而欧洲各国铁路信号制式多，ATP发展成熟，易于ETCS规范的实施；

✓ETCS的目标在于互通；而CTCS的目标是与国际接轨，既能满足既有线运输安全和提速发展的需要，也能满足高速铁路线上列车运行安全的要求。

此外，还存在着中国现有的单信道模拟制式无线通信系统设备不足以满足技术发展和日益增长的运输要求；落后的自动闭塞制式不能适应ATP的技术要求；机车信号不能达到主体化程度，提速运行后信号不能完整接收，限制了速度的提高，制约了ATP的发展；既有的列车运行控制模式缺乏系统设计等问题。

ATP系统在我国尚处于起步阶段。

80年代末期，郑武线采用技贸结合从法国引进的U-T系统。

一方面由于站内轨道电路不配套、国产器材不过关、采用单一紧急制动方式不合理以及施工、管理上存在的诸多问题，有许多经验教训值得总结；但另一方面也为发展我国的ATP系统开拓了思路，促进了国内ATP的研发工作。

铁科院研究开发的LSK分级速度控制系统，经过在广深线160～200km/h的列车上多年的运用，情况良好。

北京交通大学研究的LCF模式曲线超速防护系统，也取得了重大进展。

但上述两种国产ATP都未得到普及应用，ATP在我国仍处于起步阶段，联系我国铁路实际，尚有许多技术问题有待深入研究。

我国铁路地域广大、列车种类繁多、提速以后线路允许速度不统一，同为绿灯却有多种速度含义。

另外，我国铁路行车主要特点是客货混跑、高低速列车共线运行，这样必然要求客货列车均需装备ATP，从而使得我国发展ATP的难度明显大于国外，这是难点之一。

我国铁路实行以地面信号为主、以机车信号为辅的行车方式，对列车运行实行开环控制，依靠司机严守信号保证行车安全。

因此，习惯于现有机车信号＋监控装置的控车模式，这是难点之二。

目前，机车普遍安装的通用机车信号未达到主体化的水平。

机车信号基于轨道电路和站内电码化，但轨道电路制式繁多，有的根本不能满足“主体化”的要求，将面临淘汰。

信号基础装备薄弱，是我国发展ATP的难点之三。

GSM－R移动通信系统用于铁路信号、用于ATP系统和铁路综合移动信息平台，技术上有明显优势，产品得到多家厂商的支持，这在欧盟已得到证明。

由于我国GSM-R频点现在仍未落实，使得基于GSM-R的CTCS前期工作不能启动，这是难点之四。

3.1.7我国铁路CTCS发展规划

既有线提速、客运专线建设和高速铁路研究，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。

列车速度提高以后，再依靠传统设备，靠司机了望地面信号显示行车已不能保证安全。

部领导针对提速后的安全形势，提出了机车信号要尽快实现主体化的明确要求。

铁路提速迫切需要铁路信号由对列车的开环控制发展到闭环控制。

自80年代末期，我国ATP开始起步，经过10多个年头的实践摸索、经验积累，以及自主研究开发的历程，培养了一批自己的专家，具备了一定的发展基础。

铁路提速和高速铁路建设，大大促进了ATP技术的发展，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。

因此我们认为，发展中国铁路ATP（CTCS）的时机已经成熟，作为铁路信号新技术的重要发展领域，加大投入，加快发展，全力推进。

需要坚持以下总体原则：

Ø借鉴世界各国经验，结合我国国情路情，制定我国统一的ATP系列技术标准和规范；

Ø实行跨专业合作，集中全路专家智慧，共同确定总体技术方案和总体规划；

Ø坚持技术先进、系统成熟、经济合理，等级配置的原则；

Ø坚持通信信号一体化的方向，新线建设优先发展基于无线的ATP；

Ø坚持新线建设与既有线改造并重，在总体规划的指导下，分步实施，有序发展；

Ø坚持机车信号主体化与发展ATP相结合。

第二节中国列车控制系统构成原则

3.2.1中国列车控制系统（CTCS）的体系结构

铁路运输管理层

网络传输层

地面设备层

车载设备层

CTCS的体系结构按铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。

如表3-2-1所示。

表3-2-1CTCS的体系结构

铁路运输管理层

铁路运输管理系统是行车指挥中心，以CTCS为行车安全保障基础，通过通信网络实现对列车运行的控制和管理。

网络传输层

CTCS网络分布在系统的各个层面，通过有线和无线通信方式实现数据传输。

地面设备层

地面设备层主要包括列控中心、轨道电路和点式设备、接口单元、无线通信模块等。

列控中心是地面设备的核心，根据行车命令、列车进路、列车运行状况和设备状态，通过安全逻辑运算，产生控车命令，实现对运行列车的控制。

车载设备层

车载设备层是对列车进行操纵和控制的主体，具有多种控制模式，并能够适应轨道电路、点式传输和无线传输方式。

车载设备层主要包括车载安全计算机、连续信息接收模块、点式信息接收模块、无线通信模块、测速模块、人机界面和记录单元等。

3.2.2系统构成

参照国际标准，结合国情，从需求出发，按系统条件和功能划分等级。

CTCS体系的构建原则是以地面设备为基础，车载与地面设备统一设计。

系统结构如图3-2-1所示。

图3-2-1系统结构图

第三节列车控制系统功能

列车控制系统（CTCS）是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列车运行控制系统。

3.3.1基本功能

在不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下有效地保证列车运行安全。

1）在任何情况下防止列车无行车许可运行；

2）防止列车超速运行；

✓防止列车超过进路允许速度。

✓防止列车超过线路结构规定的速度。

✓防止列车超过机车车辆构造速度。

✓防止列车超过临时限速及紧急限速。

✓防止列车超过铁路有关运行设备的限速。

3）防止列车溜逸；

4）按列车安全制动距离，自动调整列车运行追踪间隔；

5）防止列车冒进关闭的禁止信号机（或点）；

6）监督列车以低于30km/h的速度进行出入库作业；

7）与机车自身速度控制系统结合，实现对列车减速、缓解、加速的自动控制

8）与列车调度系统结合，实现对列车的简单自动驾驶；

9）由车载测速单元获取列车走行速度和列车的位置。

每通过一个轨道区段分界点或应答器时，列车的测距系统将校正一次，以提高目标距离的精度；

10）根据接收地面中心信息以及车载设备实时处理，车载设备应连续向司机显示下列行车内容：

目标速度、目标距离、允许速度、实际速度。

还有下列其他辅助报警显示：

超速、制动、缓解、故障。

11）机车乘务员输入装置应配置必要的开关、按钮和有关数据输入装置。

12）具有标准的列车数据输入界面，可根据运营和安全控制要求对输入数据进行有效性检查。

13）检测功能

Ø具有开机自检和动态检查功能。

Ø具有关键数据和关键动作的记录功能及监测接口。

14）可靠性和安全性

Ø按照信号故障导向安全原则进行系统设计。

Ø采用冗余结构。

Ø满足电磁兼容性相关标准。

3.3.2其他安全功能

为保证高速铁路列车的安全运行，还设有下列检测设备和安全防护设施，并纳入列控系统进行统一管理，构成完整的列车安全运行体系。

1）环境状况监督强风、雨、雪检测器及立交处防落物体检测器产生的报警信号，被传输给车站和区段调度所。

列控系统根据这些信息发出限速或停车指令。

2）列车状态检测轴温检测器产生的报警信号传到车站和区段调度所。

列控系统根据这些信息处理：

通过点式传输，将轴温报警信息传送给列车。

3）人员和设备防护在施工或发生事故时，通过局部操作或车站或区段调度所控制，使列控系统发出各种防护或限速命令，对设备或人员进行安全防护。

3.3.3其他功能

（一）列控系统不仅具有列车速度控制功能，根据需要，其控制中心还应对所辖区间内渡线道岔及中间小站道岔进行控制，实现信号基础安全设备一体化。

（二）设备维护功能。

对列控地面设备状态进行监督管理，存储设备故障的信息。

设备状态的故障及报警信息传到区段调度所或车站操作员处。

第四节中国列车控制系统分类

中国列车运行控制系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置按功能划分为5级。

3.4.1CTCS0级

CTCS0级为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成，为既有系统。

为了规范的一致性，将目前干线铁路应用的地面信号设备和车载设备定义为0级。

0级的控制模式是目标距离式，它在既有地面信号设备的基础上，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。

日本的数字列车运行控制系统I—ATC就是采取车载信号设备贮存电子地图，通过每一轨道区段的地址编码来调取所需的线路数据，这种方式可以使地车信息传输的信息的需求量减少。

在欧洲列车控制系统ETCS规范中也不排斥车载信号设备贮存线路数据的方式。

CTCS0级适用于列车最高运行速度为160km/h及以下，一般自动闭塞设计仍按固定闭塞方式进行，采用四显示自动闭塞，信号显示具有分级速度控制的概念，其目标距离式制动曲线可作为参考。

3.4.2CTCS1级

由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成。

面向160km/h以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。

利用轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息。

CTCS1级的控制模式为目标距离式，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。

在车站附近增加点式信息设备，传输定位信息，以减少逻辑推断地址产生错误的可能性。

（1）地面子系统组成

Ø轨道电路：

完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传送控制信息。

车站正线采用与区间同制式的轨道电路，侧线采用与区间同制式的叠加电码化设备。

Ø点式信息设备：

宜设置在车站附近，主要用于向车载设备传输定位信息。

（2）车载子系统组成

Ø主体机车信号：

完成轨道电路信息的接收与处理。

Ø点式信息接收模块：

完成点式信息的接收与处理。

Ø安全型运行监控记录装置：

实时检测列车运行速度，对列车运行控制信息进行综合处理，控制列车按命令运行。

1级与0级的差别在于全面提高了系统的安全性，是对0级的全面加强，可称为线路数据全部贮存在车载设备上的列车运行控制系统。

3.4.3CTCS2级

CTCS2级是基于轨道和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统；CTCS2级面向提速干线和高速新线，采用车-地一体化设计；CTCS2级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

CTCS2级原本是CTCS技术规范中的一个应用等级，但经铁道部组织专家研究，已形成一种固定模式，构成一个系统，因为没有为这个系统另取名就称其为CTCS2级系统，它立足于国产化的地面设备，车载信号设备也已技术引进，功能比较齐全并适合国情。

以后提到CTCS2级的很多地方，实际上应严格称为符合CTCS2级标准的列控系统。

轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息；点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息。

CTCS2级采取目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）。

目标距离控制模式根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线，不设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动方式。

（1）地面子系统组成

Ø列控中心：

根据列车占用情况及进路状态计算行车许可及静态列车速度曲线并传送给列车。

Ø轨道电路：

完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传送控制信息。

车站与区间采用同制式的轨道电路。

Ø点式信息设备：

用于向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息等。

（2）车载子系统组成

Ø连续信息接收模块：

完成轨道电路信息的接收与处理。

Ø点式信息接收模块：

完成点式信息的接收与处理。

Ø测速模块：

实时检测列车运行速度并计算列车走行距离。

Ø设备维护记录单元：

对接收信息、系统状态和控制动作进行记录。

Ø车载安全计算机：

对列车运行控制信息进行综合处理，生成控制速度与目标距离模式曲线，控制列车按命令运行。

Ø人机界面：

车载设备与机车乘务员交互的设备。

Ø运行管理记录单元：

规范机车乘务员驾驶，记录与运行管理相关的数据。

Ø预留无线通信接口。

CTCS2级采取闭塞方式称为准移动闭塞方式，准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用分区的始端，留有一定的安全距离，而后行列车从最高速开始一次制动曲线的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。

目标点相对固定，在同一闭塞分区内不依前行列车的走行而变化，而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的。

空间间隔的长度是不固定的，由于要与移动闭塞相区别，所以称为准移动闭塞。

显然其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。

3.4.4CTCS3级

CTCS3级是基于无线传输信息（如GSM-R）并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统；CTCS3级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞；CTCS3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。

无线通信系统实现地车间连续、双向的信息传输，行车许可由地面列控中心产生，通过无线通信系统传送到车上。

（1）地面子系统组成

Ø无线闭塞中心（RBC）：

使用无线通信手段的地面列车间隔控制系统。

它根据列车占用情况及进路状态向所管辖列车发出行车许可和列车控制信息。

所使用的安全数据通道不能用于话音通信。

Ø无线通信（GSM-R）地面设备：

作为系统信息传输平台完成地－车间大容量的信息交换。

Ø点式设备：

主要提供列车定位信息。

Ø轨道电路：

主要用于列车占用检测及列车完整性检查。

（2）车载子系统组成

Ø无线通信（GSM-R）车载设备：

作为系统信息传输平台完成车－地间大容量的信息交换。

Ø点式信息接收模块：

完成点式信息的接收与处理。

Ø测速模块：

实时检测列车运行速度并计算列车走行距离。

Ø设备维护记录单元：

对接收信息、系统状态和控制动作进行记录。

Ø车载安全计算机：

对列车运行控制信息进行综合处理，生成目标距离模式曲线，控制列车按命令运行。

Ø人机接口：

车载设备与机车乘务员交互的接口。

Ø运行管理记录单元：

规范机车乘务员驾驶，记录与运行管理相关的数据。

CTCS3级和2级一样，采取目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）和准移动闭塞方式。

由于其实现了地车间连续、双向的信息传输，所以功能更丰富些，实时性更强些。

3.4.5CTCS4级

CTCS4级是完全基于无线传输信息（如GSM-R）的列车运行控制系统；CTCS4级面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞；CTCS4级由地面无线闭塞中心（RBC）和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查；点式设备提供列车用于测距修正的定位基准信息；CTCS4级地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式，它不设轨道占用检查设备，采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能，闭塞分区是以计算机技术虚拟设定的。

移动闭塞的追踪目标点是