CTCS2-200C型ATP車載設備自動過分相功能的設計與實現

李一楠，徐樂英，劉德超

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

隨著我國鐵路運行速度的提高，列車通過分相區時間間隔變得更短，如果司機頻繁瞭望線路上的分相區標志牌并手動完成斷主斷、合主斷的操作，一旦出現失誤將會引起故障。因此利用自動控制方式實現過分相功能成為必然。目前我國在不同等級線路上采用了不同的自動過分相方法，降低了司機疲勞度，提高了運輸安全和自動化程度。自動過分相大體分為兩種技術：（1）車載過分相控制裝置與地面磁感應裝置實現自動過分相；（2）車載ATP設備與無線閉塞中心（RBC）或地面應答器實現自動過分相。

1 自動過分相工作原理

1.1 地面感應裝置實現自動過分相

在200 km/h線路上運行的動車組，均采用地面感應裝置實現自動過分相。由車載控制裝置和地面感應器兩部分組成。地面感應器可提供分相預告信號、即時斷電信號、自動恢復信號，為車載控制裝置提供是否臨近分相點或已過分相點的判斷依據。車載控制裝置根據接收到的地面感應器信號，進行自動過分相功能的相應控制。

1.2 CTCS-2級車載ATP自動過分相

車載列車自動防護（ATP）設備根據地面設備提供的分相區信息，在適當位置給動車組過分相裝置發送指令，實現自動過分相。對于CTCS-3級列車控制系統（以下簡稱：列控系統），分相區信息與列車行車許可一起由RBC提供給列車。

對于CTCS-2級列控系統，分相區信息由地面應答器提供給列車，前方自動過分相信息來自地面應答器。正常情況下，車載ATP設備在收到分相預告應答器的報文ETCS-68包信息后，輸出分析有效信號為高電平，此時應由車載ATP設備控制自動過分相，直到列車通過分相區600 m后，分相有效信號降為低電平。

2 技術方案

2.1 總體技術方案

本方案設計基于成熟的，滿足CTCS2級列控系統功能要求的CTCS2-200C型ATP車載設備。根據ATP輸出的分相有效指令，由車輛控制器判斷采用ATP 控制方式還是車輛控制方式。如果分相有效指令為高電平，則由ATP控制過分相；如果分相有效指令為低電平，則由車輛控制過分相。分相控制原理如圖1所示。

圖1 分相控制原理圖

分相有效置位時機：收到過分相應答器信息。

分相有效復位時機：分相區結束點后600 m。

分相指令置位時機：列車行至分相區起始位置前3 s～10 s處（具體時間由車輛給出）。

分相指令復位時機：分相區結束點后130 m。

司機-車載設備接口（DM I）聲音輸出時機：列車行至分相區起始位置前10 s處。

DM I聲音復位時機：分相區起始位置處。

2.2 硬件改造

為實現自動過分相功能，CTCS2-200C型ATP車載設備（以下簡稱200C）硬件改造主要涉及以下4個方面。

（1）EVC-A/B組匣增加布線

增加組匣內部安全輸入輸出插件（mTORE）到繼電器插件（COR6U）的布線，實現組匣內部繼電器之間的邏輯關系以及2個指令（“分相有效”和“分相指令”）的繼電器結點輸出。

（2）控制組匣增加開關和布線

由于200C已經沒有足夠的轉換開關觸點，所以需要在控制組匣上再增加一個轉換開關（組匣已預留安裝孔位），實現分相的隔離功能，通過開關可以強制200C輸出“分相指令”有效和“分相指令”無效。

（3）機柜增加布線

增加組匣到機柜之間的布線，實現組匣信號從機柜的輸出。

（4）機車布線更換

在200C機柜既有的P2接口增加2組信號，實現ATP與車輛控制器的連接，實現200C的自動過分相功能。

2.3 軟件修改

軟件修改主要涉及3個方面：主機軟件，DM I軟件，地面分析軟件。

2.3.1 主機軟件修改

（1）報文解析模塊：主要實現對ETCS-68信息的解析和傳遞。

（2）過分相控制模塊：分相功能控制。

（3）列車接口模塊：增加與分相功能相關的輸入輸出。

（4）DM I接口模塊：增加分相功能相關的通信信息。

（5）運行數據記錄模塊：增加分相功能的相關記錄。

（6）列車運行監控記錄（LKJ）通信模塊：增加分相相關通信信息，用于動態監測系統（DMS）的信息傳輸。

2.3.2 DM I軟件修改

（1）圖標管理模塊：增加分相功能相關圖標。（2）通信模塊：與主機軟件通信匹配。

2.3.3 地面分析軟件修改

（1）數據解析模塊：數據分析軟件對ETCS-68信息包正確解析。

（2）數據顯示模塊：數據分析軟件增加分相功能相關數據記錄的顯示。

3 方案實現

根據上述技術方案進行軟件修改和硬件改造，實現200C雙路冗余自動過分相功能。

3.1 增加輸入輸出通道

200C有兩條輸入輸出鏈路（A鏈、B鏈），輸出指令時，安全計算機（CCTE）將輸出指令通過Profibus總線發送至mTORE插件（輸入輸出板），MTORE插件再通過相關繼電器輸出至列車。接收回讀信號時，mTORE將相關繼電器狀態通過Profibus總線發送至CCTE。為了實現A鏈、B鏈自動過分相輸入輸出功能冗余，每條輸入輸出鏈路增加分相有效輸出、分相指令輸出、分相有效回讀、分相指令回讀、分相隔離輸入、分相禁止輸入，200C系統中，E代表輸入，S代表輸出。A、B兩鏈分相有效輸出和分相指令輸出邏輯如圖2所示。

圖2 輸入輸出邏輯示意圖

3.2 ETCS-68包處理

ETCS-68包描述前方特殊區段信息，既有版本軟件對ETCS-68包不處理，因此需要對該數據包解析。ETCS-68包結構中，D_TRACKCOND字段指示到特殊區段的距離，L_ TRACKCOND字段指示特殊區段的長度，M_TRACKCOND字段描述特殊區段類型，該字段值為9（二進制值為1001）時代表分相區。一個ETCS-68包可以嵌套多段特殊區段描述，通過N_ITER字段值來說明嵌套描述次數。

當接收到應答器組描述的報文時：（1）對數據包進行有效性判斷，如方向有效、報文長度描述正確、數據包內容正確、存儲空間剩余等。（2）只針對ETCS-68包中描述的分相區（M_TRACKCOND == 9）進行處理，其他特殊區段不處理。特殊區段存儲數量最大為15個，如果數量大于15則會報錯。每當接收到新的ETCS-68包時，如果數據有效，則刪除所有已經存儲的特殊區段，并存儲新的ETCS-68包中描述的特殊區段，即接收到有效的ETCS-68包描述后，刪除舊數據，使用新數據。

3.3 分相區管理

每次讀取到ETCS-68包時，安全計算機將ETCS-68包描述的分相區依次存儲（在一個ETCS-68包中可以描述多個分相區），在應用層處理分相區數據時，采取先存儲、先讀取的原則。

當接收到一個新的、有效的ETCS-68包描述前方分相區后，將刪除之前存儲的所有分相區信息，采用新的分相區描述。如圖 3所示，應答器組A描述分相區1和分相區2，當ATP接收到應答器組B后，分相區1和分相區2信息將被刪除，只執行分相區3的輸出指令。

分相有效輸出持續到分相區結束點之后600 m，因此在處理分相區信息時，必須保留分相區信息直到越過分相區結束點600 m，如圖 4所示。

圖 3 采用最新的分相區描述

如圖5所示，如果兩個分相區相隔較近，即分相區1的結束點和分相區2的起始點距離在600 m內，則將這兩個分相區合并為一個分相區，避免在兩個分相區之間分相有效和分相指令輸出瞬間跳變。

圖 5 兩個分相區相隔較近時合并為一個分相區

3.4 指令輸出邏輯

方案設計中，車載ATP需向車輛提供兩個輸出，分析有效和分相指令。分相有效輸出和分相指令輸出時機如圖6所示。

圖 6 分相有效輸出和分相指令輸出示意圖

由于涉及到邏輯性的描述較多，利用圖表形式描述將更加清晰明確。下文的邏輯圖中，其中帶弧線的條件表示邏輯“與”，不帶弧線的條件表示邏輯“或”。

3.4.1 分相有效輸出高電平邏輯

分相有效輸出高電平邏輯如圖7所示。

圖 7 分相有效輸出高電平邏輯

3.4.2 分相指令輸出高電平邏輯

分相指令輸出高電平邏輯如圖8所示。

3.5 隔離和禁止

圖 8 分相指令輸出高電平邏輯

自動過分相功能具備硬件隔離開關，該開關有“正?！?、“隔離”、“禁止”3個檔位。當處于隔離檔位時，ATP不處理分相區數據，自檢功能正常，能夠記錄故障數據，DM I提示“自動過分相輸出被隔離”，但不向DM I發送自動過分相其他故障信息。一旦將隔離開關置于“隔離”位，隔離狀態不可恢復，除非重啟系統?！敖埂睜顟B與“隔離”狀態的唯一區別是，“禁止”狀態下不向DM I發送任何自動過分相相關文本，包括“自動過分相輸出被隔離”文本信息。

3.6 系統原理圖

綜上所述，系統設計為采用雙機冗余的方法，A/B組匣分別用兩組繼電器控制分相有效、分相指令的送出。S10輸出高電平，使分相有效繼電器閉合送出分相有效信號，同時也會把+24 V EMTORE信號送至E10端，作為繼電器動作的反饋信號；S11輸出高電平，使分相指令繼電器閉合送出分相指令信號，同時也把+24 V EMTORE信號送至E11端，作為繼電器動作的反饋信號。在控制組匣（CPR）增加旋鈕開關，可以控制ATP自動過分相功能處于正常、隔離或禁止位。如圖9所示。

4 仿真驗證

利用200C車載設備仿真測試平臺對經過硬件改造和軟件修改的試驗樣機進行了系統安全測試。測試包括新增功能案例測試，DM I語音、圖標和文本消息測試，輸入輸出接口測試等自動過分相相關的專項測試。此外，為確保新增自動過分相功能未對原系統安全性和可用性造成影響，必須進行全面的系統測試。

經過系統仿真測試驗證，CTCS-200C型ATP設備實現了自動過分相功能，滿足自動過分相總體技術方案要求。

圖 9 系統原理圖

5 結束語

經過方案論證和仿真測試驗證，本文提出的基于CTCS2-200C型ATP設備實現自動過分相功能的方案設計具備可行性。與原地面感應器過分相設備實現互補，系統安全性得到加強，有利于鐵路安全運營。

參考文件：

[1] 中國鐵路總公司. 鐵總運[2014]29號. CTCS-2級列控車載設備暫行技術規范[S]. 北京：中國鐵路總公司，2014.

[2] 中國鐵路總公司. 鐵總運[2014]30號. CTCS-2/3級列控車載設備人機界面(DM I)顯示暫行規范[S]. 北京：中國鐵路總公司，2014.

[3] 中華人民共和國鐵道部. 鐵運[2012]211號. CTCS-3級列控車載設備技術規范（暫行）[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，2012.

[4] 中華人民共和國鐵道部. 科技運[2010]136號. CTCS-2級列控系統應答器應用原則（V2.0）[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，2010.

[5] 中華人民共和國鐵道部. 科技運[2007]45號. 既有線CTCS-2列控系統車載設備技術規范[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，2007.

[6] 中華人民共和國鐵道部. 科技運[2009]號. 客運專線列控系統（CTCS）系統運營需求規范[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，2009.