滬杭高速鐵路C3列控室內仿真系統研究

于長洪，崔新民，王現軍

(北京全路通信信號研究設計院，北京 100073)

1 實驗室建設目的和滬杭高速鐵路列控系統

1.1 建設目的

滬杭高速鐵路系統集成就是將地面和車載所有設備進行連接、調試、測試的過程;為了保障系統集成質量，確保工程工期，降低現場試驗各項成本，同時為了保證動態聯調聯試時的人車安全，提高現場工作效率，建設了滬杭高速鐵路C3列控室內仿真系統。

1.2 列控系統概述

CTCS-3級列控系統是基于GSM-R無線通信實現車-地信息雙向傳輸，無線閉塞中心(RBC)生成行車許可，軌道電路實現列車占用檢查，應答器實現列車定位。CTCS-2級列控系統通過軌道電路和應答器實現車地列控信息傳輸，列控中心(TCC)完成軌道電路編碼和狀態采集、有源應答器報文編碼、站間安全信息傳輸功能。

1.3 滬杭高速鐵路信號系統

滬杭高速鐵路信號系統包括:行車調度指揮系統、閉塞和列控系統、車站聯鎖系統、信號集中監測系統和電源系統等。滬杭高速鐵路行車調度指揮采用分散自律調度集中系統(CTC)，可與本線臨時限速服務器接口，在中心實現對臨時限速調度命令的擬定和生成。

滬杭高速鐵路車站聯鎖系統(CBI)實現各站聯鎖控制，并且通過信號安全數據通信網向RBC提供基于進路條件的信號授權信息，向TCC提供站內進路狀態并接收TCC傳來的區間軌道電路狀態和運行方向等信息。

臨時限速服務器實現線路臨時限速命令的生成，通過信號安全數據通信網同時下達給RBC和TCC，保證RBC和TCC生成的臨時限速命令的一致性。

信號集中監測系統提供滬杭客運信號設備的運用狀況監測。

為了確保滬杭高速鐵路CTCS－3級列控系統按計劃正常開通和運營，特建立C3仿真實驗室，針對列控系統的關鍵技術，按照工程實際集成方案，選擇典型配置進行室內仿真試驗工作。

2 滬杭高速鐵路列控仿真系統

2.1 滬杭高速鐵路概況

滬杭高速鐵路工程范圍主要包括:上海虹橋站(不含)DK2+210至杭州東站(不含)DK155+017.38，正線線路長度160 km。春申線路所至上海南站(含)聯接線，筧橋聯絡線等。新建和改建松江南站、金山北站、嘉善南站、嘉興南站、桐鄉站、海寧西站、余杭南站及101線路所、春申線路所、筧橋線路所;上海南站、筧橋站等車站。滬杭客運專線線路示意如圖1所示。

滬杭高速鐵路列控系統采用CTCS-3級列車運行控制系統，作為運營速度350 km/h高速動車組的主用列控系統，CTCS-2級作為350 km/h高速動車組降級備用系統，按滿足最高速度300 km/h進行設計。滬杭高速鐵路列車正向按自動閉塞追蹤運行，反向按自動站間閉塞運行。CTCS-3級列控系統反向運行最高速度300 km/h，CTCS-2級列控系統反向運行最高速度250 km/h。

2.2 C3列控室內仿真系統的總體目標

(1)確保滬杭高速鐵路信號系統集成方案各組成子系統功能的正確性和有效性;確保各子系統間的接口連接功能正確、可靠;確保CTCS-3級與CTCS-2級列控功能及級間轉換等功能正確，保證具備工程開通的技術條件。

(2)試驗和驗證系統安全性，確認在已知的失效模式下，保證系統故障-安全性滿足信號系統的設計要求。

圖1 杭客高速鐵路線路示意

(3)試驗和驗證系統可靠性、確認系統各種冗余方案的有效性、保證系統在故障恢復期間的可用性。

(4)進行室內各項場景測試和數據交付測試，完成被測軟件的發布工作。

(5)針對聯調聯試和試運行期間現場故障重現及問題解決的驗證測試。

2.3 CTCS-3列控系統實驗室試驗需考慮的因素

(1)參考武廣客運專線CTCS-3列控系統的試驗經驗，針對滬杭高速鐵路的關鍵技術特點，進行選擇性試驗。

(2)根據《信號系統集成實施方案》，考慮滬杭高速鐵路按虹橋站至101線路所CTCS-2級列控，101線路所至筧橋線路所CTCS-3級列控，筧橋線路所經筧橋站至杭州站的方案開通。

(3)按照CTCS-3級列車運行控制系統結構圖的列控系統方案(圖2)，根據滬杭高速鐵路設置2套RBC設備管轄全線約153 km的正線線路，并且在嘉善南站和嘉興南站相鄰2套RBC的控制邊界重疊的情況。

圖2 CTCS-3級列車運行控制系統結構

(4)考慮iLOCK型計算機聯鎖是首次應用在CTCS-3級列控系統客運專線的情況。

(5)考慮RBC連接數量較多的CBI和TSR的實際情況。

2.4 實驗室測試范圍

(1)自虹橋站至101線路所進站信號機外為CTCS-2級，并在此進行C2和C3的級間轉換;

(2)自101線路所至嘉善南站CTCS-3級，其中101線路所由春申線路所區域聯鎖控制;

(3)自嘉善南站至嘉興南站CTCS-3級，并在兩站間進行相鄰RBC控制權切換;

(4)自嘉興南站經中繼站2至桐鄉站CTCS-3級。

2.5 重點測試內容

考慮到CTCS-3技術的成熟性，本次實驗室試驗的重點是iLOCK計算機聯鎖系統、無線閉塞中心和臨時限速服務器，主要測試的內容包括:

(1)計算機聯鎖CBI、列控中心TCC(含區間中繼站)、無線閉塞中心RBC、臨時限速服務器TSR和安全數據網的基本功能;

(2)無線閉塞中心RBC通過GSM－R與實物車載通信功能;

(3)區域計算機聯鎖系統功能;

(4)CBI、TCC(含區間中繼站)、RBC、TSR 相互之間的所有接口功能;

(5)CTCS-2級列控系統功能、CTCS-3級列控系統功能，以及C2與C3級間切換的功能;

(6)相鄰RBC行車許可控制權交接功能;

(7)RBC連接5個聯鎖站及1個TSR的穩定性;

(8)安全性和可用性;

(9)其他特殊功能;

(10)現場故障重現試驗，及整改驗證試驗。

圖3為實驗室試驗系統配置。

圖3 試驗系統配置

2.6 仿真系統組成和各接口連接方式

實驗室仿真測試系統采用與工程一樣的接口方式:使用安全數據以太網1、2以及串口422兩種通信方式，其中只有CTC與CBI上位機采用422通信方式，其余均為冗余以太網。

CBI—TCC:冗余以太網;

CBI—RBC:冗余以太網;

CBI—CBI:冗余以太網;

CBI—CTC:冗余422串口;

CTC—RBC:冗余以太網;

CTC—TSR:冗余以太網;

CTC—TCC:冗余422串口;

TCC—TSR:冗余以太網;

TCC—TCC:冗余以太網;

CSM均采用以太網與各系統維護機連接。

實驗室仿真測試系統主要包括:實物系統包括2套RBC實物系統、1套TSR實物系統、3套iLOCK實物聯鎖系統、1套K5B列控中心實物系統;仿真系統包括仿真支撐系統、仿真模型集、實物接口適配系統、接口監測系統、數據配置系統、人機界面系統等7個主要部分。

(1)實物系統

實物系統在實驗室中是既可以作為被測試對象，又可以為其他被測試對象提供測試環境，實物系統通過實物接口平臺接收仿真系統的測試指令，執行既定功能并將輸出結果反饋給仿真系統。

(2)仿真支撐平臺

仿真支撐平臺是系統實驗室仿真測試環境的核心，由仿真應用服務器、仿真數據庫服務器、仿真數據備份服務器、仿真同步控制服務器、實物接入服務器、記錄服務器組成，運行仿真管理軟件，實現仿真場景模擬、仿真腳本運行、測試流程控制、向被測系統輸出測試指令、接收被測系統的反饋等功能。

(3)仿真模型集

仿真模型集包括:列控地面設備仿真模型、列車仿真模型、環境仿真模型等，在仿真支撐平臺的控制下，與被測實物設備連接，共同構成半實物仿真系統。針對聯鎖、列控中心系統和CTC系統建立起基于真實軟件的聯鎖模型、列控中心模型和CTC模型。

(4)實物系統接口平臺

實物系統接口平臺是實物設備與仿真支撐平臺之間的軟、硬件接口，實現被測實物設備的接入，是連接仿真模型和實物系統的紐帶。

(5)接口監測系統

實現對仿真測試過程中系統間接口數據的采集和分析。實驗室構建接口監測包括“CBI—RBC”、“CBI—TCC”、“ATP Um 接口”、“ATP Igsmr接口”、“RBC PRI接口”、“RBC—TSR”、“TSR—TCC”等接口數據的采集和分析，作為測試期間重要的問題分析基礎。

(6)數據配置系統

數據配置系統實現實驗室環境所需數據的生成和配置。

(7)人機界面

人機界面是仿真測試系統接收測試人員干預，反饋和顯示測試結果的人－機交互平臺。

根據滬杭高速鐵路實驗室建設的實際情況，前期仿真測試系統實施將按如下方案實施(后期可能擴展到全線設備):

①實物設備配置2套RBC、2套車載ATP、3套iLOCK聯鎖設備、2套 K5B列控中心實物設備、1套TSR，實物系統間的連接關系與現場一致。3套iLOCK聯鎖系統部署在嘉善南站、嘉興南站和春申線路所。2套K5B列控中心實物設備部署在嘉善南站和春申線路所;

②配置1個室內型基站BTS，接入院GSM－R實驗室核心網。RBC通過傳輸通道以ISDN PRI接口接入移動交換中心(MSC)，ATP通過GSM－R Um接口接入BTS;

③配置1臺仿真應用服務器(同時用作仿真同步控制服務器、實物接入服務器和記錄服務器)、1臺數據庫服務器;

④建立2個站的聯鎖模型、4個站的列控中心模型、1套CTC模型。信號系統仿真模型運行在模型工作站中;

⑤配置2套ATP接口平臺、3套iLOCK聯鎖設備接口平臺、2套K5B列控中心接口平臺;

⑥配置1套接口監測系統，監測和分析“聯鎖—RBC”、“聯鎖—TCC”、“ATP Igsmr接口”、“RBC PRI接口”、“RBC—TSR”、“TSR—TCC”接口的數據;

⑦配置系統監控界面終端1套;

⑧仿真運行界面終端1套;

⑨司機模擬駕駛臺終端1套;

⑩實物ATP設備和實物駕駛臺終端1套;

2.7 C3列控仿真系統的實施

滬杭高速鐵路C3測試系統以既有武廣高速鐵路試驗方案為基礎，針對滬杭高速鐵路工程數據編制測試大綱，明確需要測試的功能、性能和預期的結果，編制測試案例，提出測試條件，按照規定的測試序列進行測試，通過對測試記錄的分析和評判確定被系統的有效性。

2.7.1 功能場景試驗

根據C3列控系統技術條件，功能場景在實驗室測試的主要內容如下。

(1)系統啟動:測試各系統投入/退出功能及對整體系統的影響;

(2)行車許可:測試各種條件下C2列控編碼功能和C3行車許可功能;

(3)級間轉換:測試正常的級間轉換在轉換區域自動進行;特殊情況下，停車后由司機進行級間轉換;

(4)進出動車段:在動車段內按CTCS－2級的部分監控模式運行，通過出站口的應答器組并得到相應的信息后，在聯絡線按CTCS－2級的完全監控模式運行，模式轉換自動進行;

(5)自動過分相:當列車運行到距分相點前一定距離時，無線閉塞中心(RBC)/應答器向列車發送前方被激活的分相點信息，包括至分相點距離、分相區長度等;

(6)RBC切換:測試相鄰RBC控制區控制權交接功能;

(7)降級運行:當子系統故障(聯鎖或RBC等)、通信中斷以及進路被取消等場景下，列車將繼續以先前收到的行車許可運行，直至60 s后如果故障仍未消除，列車將實施最大常用制動。當速度低于CTCS-2級的允許速度時自動轉換到CTCS-2級控車;當故障消除并具備CTCS-3級控車條件時，自動轉換到CTCS-3級控車;

(8)臨時限速:測試C2和C3臨時限速功能;(9)災害防護:測試各系統災害防護功能;(10)特殊聯鎖:測試區域聯鎖控制及特殊聯鎖功能，以及進路取消、解鎖等對列控系統的影響;

(11)RBC多連接穩定性:測試單套RBC在連接5個聯鎖系統和1個臨時限速服務器條件下的穩定性;

(12)故障切換:測試各系統在故障情況下的系統可用性;

(13)故障安全:測試各系統在故障情況下的系統安全性。

2.7.2 數據集成測試

由于在各子系統根據輸入條件和接口文件完成各自軟件后并非就保證各項數據的正確性和完整性，需對所有接口間的數據以及RBC中存儲的列車速度、坡度、曲線、MA、分相信息等線路數據進行逐一核對驗證，所以就必須進行數據集成測試，主要包括:

(1)聯鎖數據集成測試;

(2)列控中心數據集成測試;

(3)RBC數據集成測試;

(4)臨時限速數據集成測試;

(5)各接口之間集成測試主要包括:聯鎖與RBC接口、聯鎖與列控中心接口、RBC與臨時限速服務器接口、RBC與ATP車載設備的接口、臨時限速服務器與列控中心接口等。

2.7.3 測試結果評審、軟件發布和現場實施

(1)測試評審

根據場景功能測試的輸出結果，確保各軟件在系統功能中是安全可靠的，并將系統軟件發布至數據測試組，由數據測試組完成各子系統和接口數據驗證測試以及各級列控數據測試，測試組提交測試報告和測試過程，四電集成單位組織各子系統根據測試問題進行分析，由相應負責的子系統解決并提交分析報告，由測試組再次進行系統性回歸測試;根據各類測試報告，由專家委員會討論是否對當前已完成測試的軟件版本進行發布。

(2)軟件發布

各子系統軟件在經專家委員會評審通過后由相配置管理人員將各子系統軟件發布至專用服務器，并為現場技術人員配置對應的下載權限。

(3)現場實施和驗收

現場工作人員根據其權被分配的下載權限，到指定的訪問路徑下載對應子系統現場安裝版軟件并與配置管理人員核對軟件的版本號，在核對一致后對現場需實施的系統進行安裝和調試，并完成調試記錄和簽署工作;在各子系統軟件安裝完成后由鐵路局組織進行靜態驗收和動態驗收，解決由于現場施工等原因造成的其他問題。

3 價值體現

自2009年底滬杭C3集成實驗室建設完成到2010年10月期間，由四電集成單位組織各子系統和相關專業進行了大量廣泛深入的系統性測試，并在繼承了我院已開通C3客運專線中武廣客運專線和滬寧城際客運專線的經驗基礎上進行思維創新、舉一反三，并集中經驗豐富的技術人員根據滬杭線路的特點編制適用于滬杭高速鐵路的各種組合場景，提前發現軟件中存在的缺陷，及時完成了由于各種列控數據變動造成數據更改的驗證，配合現場對發現的問題進行室內驗證等工作，使得滬杭高速鐵路在聯調聯試以及試運行期間整體平穩順利，為滬杭高速鐵路在2010年10月26日的順利開通運營奠定了堅實的列控系統基礎。

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