CTCS—3列控系統中RBC的功能需求及切換

姚向龍 孫卓

摘 要：無線閉塞中心（RBC）是CTCS-3級列控系統中的核心設備，負責根據地面設備提供的信息及與車載設備的交互生成行車許可，使列車在RBC的管轄范圍內的線路上安全運行，RBC與車載設備之間通過專用無線通信系統即GSM-R網絡進行信息的互換。該文對CTCS-3列控系統中RBC的功能需要進行了分析；采用配備2部通信電臺的車載設備進行了RBC切換過程分析，并在此基礎上運用狀態分析法對RBC切換過程進行了形式化建模和驗證。

關鍵詞：RBC CTCS-3 功能需要 切換

中圖分類號：U284 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0009-02

近幾年來，隨著我國高速鐵路產業飛速發展，列車控制系統（CTCS）也進入了大發展階段。目前，我國CTCS-2列車超速防護系統已經在200～250 km/h的高鐵線路獲得成功應用[1]，但CTCS-2級別系統對300 km/h以上的高速列車控制存在限制。為解決機車提速、客運安全等問題以滿足市場的更高需求，我國吸取歐洲列車控制系統（ETCS）先進經驗，將研究方向從CTCS-2（點式應答器和軌道電路信息的 ATP 系統）轉向CTCS-3（軌道電路和無線通信（GSM-R）的ATP系統）。

CTCS-3是應用于300 km/h及以上高速鐵路（客運專線）的控制模式[2]。該系統包括車載子系統和地面子系統，而地面子系統是由若干設備組合而成，其中無線閉塞中心（Radio Block Center，以下均簡稱RBC）屬于核心部分，它是基于故障安全計算機平臺的信號控制系統，是實現CTCS-3級別系統列控的關鍵因素[3]。

RBC是通過接受外部地面系統信息與列車車載設備信息，而后生成控制指令，在RBC管轄范圍內得以控制線路上的列車安全。然而單套RBC的控制范圍有限，相鄰RBC控制范圍邊界的列控安全切換變得尤為重要。該文正是針對這一需求，研究了RBC的功能需求、切換過程等問題，并對RBC切換的詳細過程進行了建模。

1 無線閉塞中心（RBC）設備功能分析

1.1 RBC系統結構

RBC主要由無線閉塞單元（RBU）、協議適配器（VIA）、RBC本地維護終端、地面司法記錄器（WJ-RU）、ISDN服務器、交換機等設備組成，如圖1所示。

1.2 RBC功能分析

與RBC相連的外部設備主要包括：聯鎖系統、調度集中（CTC）系統、監控工作站、相鄰RBC、列控中心、維護工作站、GSM-R接入服務器等。

1.3 RBC功能需求分析

RBC在CTCS-3級列控系統主要參與包括注冊與啟動、注銷、進出動車段、等級轉換、行車許可、RBC切換、自動過分相、重聯與摘解、臨時限速、降級情況、災害防護、調車作業、人工解鎖進路、特殊進路等14個運營場景，是CTCS-3級別列控系統的地面核心設備。RBC設備功能如表1所示。

1.4 RBC的性能要求

RBC設備與列車完成建立通信任務需要單位時間N，其從收到列車報告開始到實現對每列車授權（MA）的控制需要單位時間N，也就是說，RBC控制運行周期為[0，T]；列車需要在[0，U]區間收到RBC的MA信息；前行與續行列車之間的運行距離大于保護距離；列車的最大運行速度小于線路限速。

注：N為RBC的控制周期，T=5 N、U=8 N。

2 CTCS-3級別列車控制系統RBC切換過程分析

RBC-RBC列控權限切換一般均是通過相鄰RBC直接通信的方式[4]。RBC在切換過程中，RBC1負責向RBC2發送切換預告信息、切換通告信息、進路請求信息等；而RBC2負責向RBC1發送進路信息、列車控制權通報等信息。作為另外一種可選的RBC切換方式，相鄰RBC設備間可以不進行列控信息的傳輸與交換，RBC通過分界點相鄰聯鎖交叉互聯的方式，獲得在分界點交叉重疊的進路授權信息，并由車載設備在相鄰RBC設備中重新連接注冊，實現列車控制權在2個RBC間的安全切換。

3 無線形式化建模語言CPN（Coloured Perti Nets）

目前應用于形式化建模的方法很多，包括CAN、UML、CSPM、CPN等，但在眾多的建模方法中，著色Petri網（CPN）形式化建模語言是應用較為成熟的一種，其可用于系統設計、規范、仿真和驗證，特別適合具有通信、同步和資源共享過程的系統建模。CPN是一種可用圖形表示的組合模型，具有直觀、易懂和易用的優點，既可以描述系統靜態結構，又可以描述系統的動態行為； 既有豐富的系統描述手段和系統行為分析技術，又為計算機科學提供堅實的概念基礎[5]。

Petri網是對離散并行系統的數學表示，在1960年首次被卡爾·A·佩特里用于描述異步的、并發的計算機系統模型，既有嚴格的數學表述方式，也有直觀的圖形表達方式。而所謂的著色Petri網，其實是一種在普通Petri網基礎上衍生出的適用于描述并行和異構網絡的系統分析和設計工具，它的最大優點就是具有直觀性及嚴謹的數學理論基礎[6]。目前，Petri網被當做是動態圖形工具而廣泛應用，其不但可以表述類似流程圖、框圖等具備可視性描述功能的圖表外，還能夠標記和模擬系統的活動行為，簡單來說，作為理論和實踐之間的通信媒介，Petri網對人們的相互交流提供了便利。

4 基于著色Petri的RBC切換過程分析

理論研究發現，在RBC切換過程中，采用2部電臺可保證列車能不減速越過切換邊界，延長了車載設備與RBC的通信連接時間[7]。列車兩部無線通信電臺均可正常工作時，車地通信遵循RBC交接協議A；只有一部無線通信電臺能夠正常工作時，車地通信遵循RBC交接協議B。（注：在RBC切換過程中，交接協議A是雙電臺并發工作才能夠對列車行事管轄權；交接協議B是只有一部電臺正常工作時對列車行事管轄權。）故采用2部電臺進行形式化模型的構建，以驗證其實際應用可行性。

無線消息CPN模型的構建采用CPN Tool工具交互仿真方式進行分析。構建步驟為：（1）建立RBC切換過程的簡要模型，對該過程中所經歷時間進行描述；（2）擴展及細化簡要模型，通過結合移交RBC、接收RBC以及車載設備等3個變遷，對切換過程中的信息傳輸進行描述。切換變遷過程模型如圖2所示，圖中名詞含義如表2所示。

運用CPN Tool進行模型，用狀態分析法對RBC切換過程模型進行校驗。結果表明，仿真模型的動態行為符合雙電臺RBC的切換流程。由此說明，采用2部電臺降低切換過程中列車制動減速的風險，從而提高RBC切換過程可靠性。

5 結語

CTCS-3級列控系統是鐵路“十一五”規劃中具有全局性、戰略性、前瞻性的十項重大專項之一。搞好CTCS-3級列控系統的技術開發，對我國鐵路列控系統的技術發展和通信信號裝備技術水平的提高具有深遠的意義。相比我們已經掌握的CTCS-2 級列控系統，CTCS-3級中增加了許多新設備，RBC就是其中之一。RBC系統的安全性、可靠性、可用性、可維護性將直接關系到C3系統能否正常運行，RBC的切換只是其中的一個問題而已。相信隨著武廣、鄭西、廣深港等一批客運專線工程的開通運營，我們必將構成符合我國國情、路情、具有自主知識產權的CTCS-3級列控技術體系。

參考文獻

[1] 李亮，鄭樂藩.CTCS-2級列控系統幾個問題的探討[J].鐵道通信信號，2008（5）：17-18.

[2] 章慧，張勇.CTCS3級列控系統車載設備測試方法研究[J].鐵路計算機應用，2008，17（4）：23-27.

[3] 科技運[2008]34號CTCS-3級列控系統總體技術方案（V1.0）[S].

[4] 宋沛東，張勇.CTCS3仿真測試平臺RBC仿真子系統的設計與實現[J].中國科技信息，2008（1）：100-101.

[5] 鐵道部科學技術司.CTCS-3級列控系統系統需求規范（SRS）[M].北京：鐵道部科學技術司，2008.

[6] 袁崇義.Petri網原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2005.

[7] 江志斌.Petri網及其在制造系統建模與控制中的應用[M].北京：機械工業出版社，2004.