高速鐵路列車運行控制系統虛擬仿真實驗教學研究

馬秀飛，王柏華

（江蘇師范大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心，徐州 221116）

0 引言

隨著我國高速鐵路的迅速發展，高鐵行業從業人員逐步增多，人才培養需求旺盛。高速鐵路列車運行控制系統是鐵路信號控制的核心，是一個復雜龐大、設備種類繁多且價格昂貴的系統[1-2]。目前，我國鐵路行業的列控設備處于全天候的持續工作狀態，對列控設備的各類操作關乎鐵路行車安全，稍有不慎，可能引發鐵路行車事故，給鐵路運輸造成巨大損失。除了在“垂直”天窗點內，其他時間禁止對列控設備進行各類非指令性操作，實際運行中的列控設備給予人員操作演示和實踐學習的空間太小。完整的真實列控系統由于設備規模大、成本高昂、不能單站運行、需要車地配合等原因，很難實現實驗室建設。因此，我中心聯合北京中智天成信息技術有限公司開發了一套集成度高、運行條件簡單、具有實驗和實訓功能的高鐵列控虛擬仿真系統，以滿足相關專業學生教學和職工培訓的需求。

1 高鐵列控虛擬仿真系統簡介

本系統具有以下特點：

（1）完整的列控系統仿真

本系統除了仿真列控主機外，還包括CTC、計算機聯鎖、TCC、車載等設備仿真，以及線路數據仿真，提供了龐大完整的仿真功能。

（2）強大的室外仿真環境

高鐵列控設備的特點之一是不能單站或單區間運行，需要較長的線路環境，實驗室不具備該條件。本系統的線路仿真服務器提供了系統運行所需要的室外環境，并可隨意設置各種正常或故障狀態，如線路占用、災害、燈絲斷絲等，使系統可實現各種條件下的仿真。線路仿真服務器還可以模擬列車運行，通過牽引計算控制列車運行速度，并按照真實車長在軌道上等比例顯示，保持與室外行車的一致性。

（3）數據圖形化顯示

列控系統的運轉需要龐大的數據做為基礎，列控系統內部存在著大量的數據交互，而這些數據的查看和理解需要時間，而且數據變化多，稍縱即逝，實驗者不容易觀察到。為了將抽象復雜的數據形象直觀的讓實驗者看到，本系統的線路仿真服務器提供了數據的圖形化顯示方式，在列車收到應答器報文或行車許可后，可以立即繪制出行車許可曲線，一目了然，方便觀察。

（4）具有語音提示功能

1.1 臨床資料 回顧性分析2012年5月至2016年12月江蘇省中醫院收治的52例SAP患者，其中男性32例，女性20例；年齡28～76歲，平均年齡（47.3±12.7）歲；膽源性胰腺炎29例，暴飲暴食10例，高脂血癥8例，病因不明5例。所有患者的診斷均符合《急性胰腺炎診治指南》［5］，本研究經過本院的倫理委員會審查同意，所有納入人群均簽署知情同意書；排除合并嚴重心肝腎或其他全身系統性疾病、機械性腸梗阻、腸道占位或正在參加其他藥物試驗者。

列控系統內部的狀態是動態變化的，每種事件都是瞬間發生，且很多事件的發生都與數據變化有關系，用戶無法及時捕捉。本系統提供了關鍵事件語音提示功能，使得用戶不會錯過任何一個關鍵事件。

（5）數據與現場保持一致

本系統使用鄭西客運專線數據，該線路為CTCS-3級列控系統，從中截取滎陽南至洛陽南三站兩區間做為本系統運行的環境，實現了實驗環境與現場環境數據的一致。

下面以高鐵列控系統綜合仿真實驗為例，說明本系統在高速鐵路列車運行控制實驗教學中的應用。

2 高鐵列控系統綜合仿真實驗設計

實驗內容主要包括：仿真排列進路，下達和取消限速信息，查看應答器報文，觀察車載模式曲線和行車許可信息的變化，仿真各種故障，觀察系統運行情況；兩列列車一前一后同向運行，前車采用手動控制，后車采用ATP控制，觀察列車追蹤運行情況。

2.1 排列進路

例如：在滎陽南站排列進路X3-SF。

操作方法：在聯鎖軟件界面下方的全景區域點擊第一個車站，使聯鎖界面顯示滎陽南站；在滎陽南站聯鎖軟件上依次單擊X3和SF按鈕；進路排列成功后，會以白色光帶顯示，出站信號機X3開放點綠燈，如圖1所示。

圖1 聯鎖進路排列結果

2.2 下達限速信息

在CTC軟件主菜單上點擊“限速下達”菜單，彈出限速下達窗口，起始位置和結束位置分別選則滎陽南、5953，限速值200，即在滎陽南站的5953區段下達一條限速命令，限速值為200km/h，如圖2所示。

圖2 限速下達

設置完成后點擊“生成命令”按鈕生成限速命令，點擊“下達”按鈕將限速命令下達到RBC和列控中心，在窗口的限速列表中將會顯示該條限速信息，并顯示執行結果。在CTC站場圖上也可以看到該限速信息的顯示，如圖3中標黃部分表示該區段有限速。

圖3 限速信息顯示

2.3 查看應答器報文

為了方便學生更好地理解應答器復雜的報文結構和含義，本系統對于應答器報文的每一部分都進行了具體詳細的描述，線路仿真服務器軟件上顯示的所有應答器的報文都可以實時查看，只需要點擊想要查看的應答器圖標即可。例如：點擊SF處應答器組（69-2-2-29號），彈出如圖4所示的報文窗口，可以看到報文中包含了剛下達的臨時限速信息（圖中標藍部分的最后一行的描述信息顯示“臨時限速的限制速度：40×5km/h”，表示相應區段的限速值為200km/h）。

2.4 添加ATP列車

在線路仿真服務器上，在想要添加列車的位置上單擊鼠標右鍵，例如滎陽南站3G，彈出如圖5菜單，點擊“添加列車”，彈出列車編輯窗口，可依次設置列車編號、運行方向、初速度、站名、初始區段和長度，如圖6為列車添加成功的界面。

圖4 應答器報文

圖5 線路仿真服務器右鍵菜單

圖6 列車添加成功界面

2.5 ATP列車注冊

在DMI車載軟件上依次輸入司機號、車次號，執行制動測試，選擇運行等級為“CTCS-3”，使用默認的RBC ID和電話號碼，連接上RBC后，設置列車長度，選擇載頻為“下行載頻”，列車啟動完成。點擊“目視”按鈕，進入目視模式，列車限速40km/h，如圖7所示為DMI目視模式界面。使用鍵盤的向上“↑”和向下“↓”按鍵控制速度，按“↑”鍵列車牽引或取消制動，按“↓”鍵列車制動或取消牽引。

圖7 DMI目視模式界面

2.6 觀察車載模式曲線的變化

當列車車尾越過出站信號機后，列車將收到RBC的行車許可，并產生模式曲線，列車的運行模式由目視轉為完全監控模式，如圖8所示，圖中右側藍色部分為模式曲線，中間的凹槽為剛剛設置的臨時限速。

圖8 DMI完全監控模式界面

2.7 觀察行車許可信息

在線路仿真軟件上可以觀察到：列車車頭越過出站信號機位置時收到了C2報文數據，列車上方繪制出了C2行車許可數據的圖形；當列車車尾越過出站信號機且車尾出清后，列車收到了C3行車許可數據，在C2數據下面繪制出了C3行車許可數據的圖形。在C2和C3的圖形上，都可以看到限速信息，以黃線表示，如圖9所示。行車許可曲線下方的白色曲線是線路坡度曲線。

列車運行過程中，如果前方出現區段占用，行車許可將發生變化。例如：點擊前方區段6069BG，使其占用，線路仿真服務器軟件上C3行車許可數據曲線立刻縮回，C2數據曲線無變化；車載DMI的模式曲線也將同時變化，目標距離變短；當再次點擊6069BG區段使其空閑，C3行車許可數據曲線立刻延長。

圖9 列車車尾越過出站信號機時的行車許可信息

2.8 取消限速

在CTC上點擊限速取消菜單，選中要取消的限速，即可取消該條限速命令。限速取消后線路仿真服務器中C3行車許可數據曲線的限速會同時消失，C2數據曲線的限速信息依然存在，如圖10所示。這說明限速取消的信息列車已經通過RBC收到，但未能通過C2的通道傳送給車載，因為列車已經越過出站信號機，無法收到有源應答器中的限速信息。

圖10 限速取消后的行車許可信息變化

2.9 仿真故障

本系統具有各種故障仿真功能，例如仿真線路發生災害、軌道電路分路不良、占用故障、信號機燈絲斷絲、GSM-R通信基站故障、應答器數據丟失等，可以觀察故障發生時出現的現象。例如：在6069BG上點擊右鍵，彈出如圖11所示菜單，選擇“災害”，6069BG變為紅色虛線表示該區段出現災害。觀察6069BG前后區段發碼情況的變化，發現6069BG入口的綠燈變為紅燈，相鄰的6051BG入口的綠燈變為黃燈，如圖12所示。

2.10 列車追蹤運行仿真

在ATP列車前方再添加一列“手動列車”。例如：在6069BG上單擊右鍵，選擇添加列車，在彈出的窗口中單擊“手動添加列車”按鈕，在列車列表中選中該列車，如圖13所示，在右側的初始化信息中設置初速度為50，點擊“確定”按鈕。

圖11 軌道區段設置菜單

圖12 區段設置“災害”后的發碼變化情況

圖13 手動添加列車界面

在車載DMI界面上為ATP列車加速，嘗試超越手動添加的列車，觀察現象。會發現ATP列車始終無法越過前車所在的閉塞分區入口，說明列車自動防護功能起到了應有的作用，可以實現安全地列車追蹤運行。

3 結語

本文分析了高速鐵路列車運行控制實驗教學中存在的問題，提出了利用高鐵列控虛擬仿真系統軟件進行實驗教學的解決方法，以高鐵列控系統綜合仿真實驗為例來說明該仿真系統的應用，分別介紹了進路排列、限速信息的下達與取消、應答器報文的查看、車載模式曲線和行車許可信息的觀察、故障仿真、列車追蹤運行的實驗操作方法。通過實驗，有利于學生掌握整個高鐵列控系統的組成、工作過程和故障分析，增強解決列控系統實際問題的動手能力。