CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺研究

張小舟 張亞東 郭 進

隨著我國高速鐵路和客運專線的大規模建設,CTCS-2級列車運行控制系統得到了廣泛地應用與發展。列控系統的建設使鐵路信號技術產生了巨大變化,原有的以地面信號為主的控制方式轉換為以車載信號為主的控制方式,傳統的繼電邏輯、地面信號系統分散孤立,列車以人工控制為主的控制模式向數字化、車-地一體化、綜合化、自動化模式發展。這些重大轉變給信號系統的設計、驗證帶來了許多新課題,原有的鐵路信號設計、審核、驗證方法不能適用于現代以列控系統為核心的信號系統。因此,根據我國高速鐵路和客運專線建設的實際情況,研究 CTCS-2級列車運行控制系統的設計、方案優化及驗證、試驗方法是十分必要的。本文根據中國列車運行控制系統 CTCS的分級、設計方案和相關技術規范等,研究列控系統工程數據和設計方案的數字化驗證試驗問題,利用先進的分布式計算機數字化仿真技術和工具,構建面向高速鐵路 CTCS-2級列控系統工程設計的數字化驗證試驗平臺,可以提高列控工程設計質量,縮短現場測試周期,降低測試成本。

1 數字化驗證平臺的總體架構

根據 CTCS-2級列控系統總體技術方案,結合列控工程數據和方案的數字化驗證需求,利用分布式計算機數字化仿真技術,構建高速鐵路 CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺。數字化驗證平臺由五大子系統組成,分別為:控制中心仿真子系統、計算機聯鎖仿真子系統、列控中心仿真子系統、車載設備仿真子系統和數據庫管理子系統。數字化驗證平臺總體架構如圖 1所示。

2 數字化驗證平臺各子系統功能及數據交互

2.1 控制中心仿真子系統

控制中心仿真子系統主要由全線運行顯示、仿真控制、統計分析等 3部分組成。該子系統實時讀取數據庫管理子系統的動、靜態數據,完成整條線路和站場的圖形顯示和設備狀態的動態顯示。同時,該子系統實時接收車載設備仿真子系統的列車運行信息,完成列車運行顯示。控制中心仿真子系統可以給列控中心、計算機聯鎖等地面設備仿真子系統發送故障設置、臨時限速、進路控制等命令,完成系統仿真控制功能。還可以對試驗數據進行統計、分析,并可回放,輔助設計人員進行方案評估。

圖 1 CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺總體架構

2.2 車載設備仿真子系統

車載設備仿真子系統主要由列車運行計算、ATP超速防護和司機駕駛 DMI等 3部分組成。該子系統實時與列控中心仿真子系統、控制中心仿真子系統和數據庫管理子系統等進行通信,接收地面設備仿真子系統發送的軌道電路編碼、臨時限速和線路數據等;進行信息有效性檢查并進行相關處理;結合動車組數據,計算并生成 ATP超速防護曲線 (包括緊急制動曲線、常用制動曲線、報警及允許緩解曲線),實時檢查當前列車運行速度。當列車運行速度超出報警速度則觸發聲光報警,當速度超過 NBI則觸發常用制動,當速度超過 EBI則觸發緊急制動。該子系統可以對司機駕駛 DMI界面和 ATP各種工作模式進行仿真。

2.3 計算機聯鎖仿真子系統

計算機聯鎖仿真子系統主要由站場繪制、操作命令處理和已建進路處理等 3部分組成。該子系統與控制中心、車載設備等仿真子系統通信,獲取進路控制命令和列車位置,完成車站進路鎖閉與解鎖等邏輯控制功能。

2.4 列控中心仿真子系統

列控中心仿真子系統主要由軌道電路編碼、信號機點燈、有源應答器報文生成、區間運行方向控制等 4部分組成。該子系統實時與數據庫管理子系統通信,根據列車位置、管轄內軌道區段狀態、邊界條件、進路條件等信息,完成區間軌道電路編碼、站內軌道電路編碼和區間信號機顯示控制。該子系統還可以根據車站計算機聯鎖仿真子系統的改方請求,完成區間運行方向及閉塞控制功能。

2.5 數據庫管理子系統

數據庫管理子系統包含線路靜態數據庫服務器和線路動態數據庫服務器。線路靜態數據庫服務器存放線路基本數據,這些基本數據主要通過導入列控地面設備,由計算機輔助設計軟件生成用戶數據表,包括信號點軌道區段表、應答器位置表、線路坡度表、線路速度表和列車進路數據表。數據庫管理子系統將上述用戶數據表初始化成線路靜態數據。線路動態數據庫服務器存放線路信號設備的狀態信息和列車運行的動態信息,包括區間設備表、站內設備表、無源應答器報文表、有源應答器報文表。該子系統主要完成線路靜態數據和地面信號狀態動態數據的存儲和管理功能,并作為數字化驗證平臺的數據交互中心。

3 數字化驗證平臺的實現

根據數字化驗證平臺總體架構和各子系統功能及數據交互,采用 VC++6.0開發平臺和 TCP/IP通信協議,利用分布式計算機數字化仿真技術,實現 CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺。并根據合寧線真實線路數據、列控工程數據和動車數據,進行數字化驗證試驗。車載設備仿真子系統 DMI,如圖 2所示。

圖2 車載設備仿真子系統 DMI

在數字化驗證試驗過程中,DMI實時顯示目標距離、目標速度、允許速度和列車運行速度等信息,給出超速防護曲線,實時監控列車運行速度。車載設備仿真子系統可以對數字化驗證試驗過程中所接收到的地面線路數據和控車信息進行合理性檢查,例如:檢查區間無源應答器存儲的線路坡度、線路速度和信號點軌道區段等數據的長度是否一致,如果發現有誤,則給出報錯信息,并將錯誤信息記錄下來,為列控工程數據的核對提供依據。

CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺多車追蹤驗證試驗如圖 3所示。數字化驗證平臺還可以進行各種故障設置試驗,如:應答器故障、軌道電路故障和信號機故障等。通過 CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺,可以對各種運行工況下的列控系統進行數字化試驗,從而為列控系統設計方案的性能分析和優化提供豐富的實驗數據。

圖 3 多車追蹤運行驗證試驗

4 結束語

本文介紹的 CTCS-2級列控系統數字化驗證平臺,已被中鐵第一勘察設計院和中鐵第二勘察設計院等單位采用,并被成功應用于國內多條高速鐵路和客運專線的設計當中,提高了設計質量和效率,縮短了現場聯調周期,降低了成本,取得了很大的經濟效益和社會效益。

[1] CTCS-2級技術條件.鐵運函[2005]21號.

[2] 周明,胡斌.計算機仿真原理及其應用[M].武漢:華中科技大學出版社,2005.

[3] 鐵道部運輸局.CTCS技術規范總則.2003.

[4] 鐵道部運輸局.既有線提速 CTCS2區段車站列控中心通信接口協議.2006.

[5] 鐵道部運輸局.客運專線 CTCS-2級列控中心接口協議 (暫行).2008.

(責任編輯:張 利)