高速鐵路CTC系統仿真技術的研究

張 晶

(中國鐵路武漢局集團有限公司電務處，武漢 430071)

調度集中系統(CTC) 是綜合了鐵道信號和通信技術，自動收集列車行車信息并集中指揮行車的先進控制系統，是保證行車安全、提高鐵路運輸生產效率、改善行車指揮人員工作條件的重要行車設備。CTC系統已廣泛應用于國內高速鐵路、客專、城際和既有鐵路等線路上。目前高速鐵路正處于快速發展的階段，因為CTC系統施工頻繁，為確保天窗點內施工的準確和高效，在現場開通前進行CTC系統仿真測試非常重要。

1 CTC仿真系統技術現狀

國內現有CTC模擬仿真系統研究主要注重于人工操作培訓，缺乏對CTC仿真試驗的研究，無法實現CTC系統改造升級的試驗目的，且未涉及CTC仿真培訓多學員多區段技術的研究。

因此，在現有CTC系統的基礎上，建立一套與實際運營行車環境一致的CTC仿真系統，作為CTC仿真測試平臺，切實有效地提高電務施工的準確性和安全性，同時亦可以作為維護人員技能培訓平臺，提高維護人員日常維護和應急處置能力。2016年，武漢局集團公司與有關廠家根據現場的需求，研發了高速鐵路CTC仿真系統。

2 CTC仿真系統功能需求

CTC仿真系統依據CTC系統的技術規范、接口協議、系統功能需求、設備配置等進行仿真，做到與CTC系統的功能相一致。CTC仿真系統需要通過軟件模擬CTC系統和CTC系統外部接口運行的各項功能。CTC仿真系統采用真實的CTC系統，實現CTC系統中心、調度臺和車站設備的基本功能。CTC仿真系統的核心是模擬CTC系統運行的各種外部接口設備，包括CTC與聯鎖、列控、TSR、RBC、GSM-R等系統的接口仿真，從而實現場景設置、故障場景再現和非正常情況的運行等模擬功能，滿足CTC系統仿真測試和仿真培訓等需求。

3 CTC仿真系統方案

高速鐵路CTC仿真系統采用軟件實現CTC功能，并且確保軟件、數據版本、接口協議與實際在用系統完全一致，最大程度保證了對生產系統的復制和再現。該技術配置若干套CTC仿真環境，以支持多調度臺協同模擬仿真。仿真環境包含CTC系統仿真運行所需后臺服務器、終端和相關的模擬軟件，其中包括應用服務器、通信服務器、車站自律機以及聯鎖、列控、RBC、無線車次校核、無線調度命令和列車運行等模擬軟件。實現室外設備狀態采集、設備驅動、列車運行功能、運行圖的加載和編輯功能等。

3.1 系統結構

在仿真環境下，不同調度臺連接到同一套CTC模擬環境中，調度臺間互相影響，實現協同指揮。在多個調度臺集成演練方式下，不同的調度臺按照不同的管轄區段和鄰臺關系聯合演練，系統可為這些調度臺提供一個仿真環境；在調度臺獨立演練方式下，不同的調度臺按照自己的管轄區段進行獨立演練，不同調度臺間無任何關系，并且互不影響，系統可為這些調度臺分別提供完全獨立的多個模擬仿真環境。系統功能邏輯如圖1所示。

3.2 系統部署

CTC仿真系統數量等于模擬調度臺數量，保證所有模擬調度臺能同時進行同一個區段的模擬操作。一套CTC仿真系統至少包括2個調度區段的數據和后臺軟件。

圖1 CTC仿真系統功能邏輯示意圖Fig.1 Schematic diagram of function logic of CTC simulation system

CTC仿真系統硬件包括數據庫服務器、應用服務器、自律機模擬服務器、綜合信息處理服務器、模擬集成服務器、模擬輔助單元、接口服務器、用戶操作終端、控制臺終端、網絡設備和打印機等。系統采用獨立局域網，如圖2所示。

圖2 CTC仿真系統部署圖Fig.2 Deployment diagram of CTC simulation system

3.3 系統軟件結構

圖3 CTC仿真系統軟件結構圖Fig.3 Software structure diagram of CTC simulation system

CTC仿真系統軟件構造了5大功能模塊，即總控臺模塊、分控臺模塊、模擬集成服務模塊、模擬輔助單元模塊、模擬場景編輯器模塊，如圖3所示。其中，總控臺模塊，作為本系統內部的核心軟件，負責部署需要模擬運行的場景，完成向分控臺發送啟動和關閉命令，向模擬集成服務發送站場表示信息，向模擬輔助單元發送添加運行線等控制功能；分控臺模塊，負責接收總控臺發來的指令，根據總控臺指令啟動、關閉、重啟、監控模擬集成服務、模擬輔助單元和CTC仿真系統中的各子系統，并向調度員提供相應操作功能等；模擬集成服務模塊，負責向CTC系統提供外部接口，包括聯鎖、列 控、RBC、TSR和GSM-R等 外 部 接口系統，模擬列車的實際運行，模擬外部信號設備狀態，根據總控臺指令添加和刪除列車紅光帶等；模擬輔助單元模塊，負責加載CTC系統運行線環境、完成CTC系統的車次確認，模擬實現對調度命令和階段計劃的簽收和回執功能等；模擬場景編輯器模塊，負責編輯和導入實際的歷史運行圖、日班計劃圖和基本圖等，完成對模擬情景運行圖的編輯功能、定時設置設備狀態情景的功能等。

5大功能模塊實現的系統核心功能：模擬外部接口功能、列車運行功能、現場設備狀態（故障設置）功能、初始運行圖或站場圖自動導入和車次號自動確認功能、控制臺啟動運行環境功能、調度員控制列車開行狀態、調度員操作流程引導和監控功能等。

3.4 系統關鍵技術

1）聯鎖邏輯實現技術

模擬聯鎖軟件實現列車進路的排列功能。模擬聯鎖軟件啟動后加載指定車站，向CTC系統發送站場消息。操作碼位轉表示碼位：模擬聯鎖軟件收到自律機發來的操作命令后，根據相關通信協議解析數據包，辦理相關操作，并發送該操作完成后的狀態碼位。

2）車站列控中心邏輯實現技術

研究區間信號狀態計算，實現列車在區間運行的信號狀態變化。模擬列控中心，根據前方區間占用情況、進站信號機狀態和相關的進路狀態計算本區間的低頻碼值。

3）無線閉塞服務器邏輯實現技術

研究模擬CTCS-3(簡稱C3)列車移動授權功能。C3列車移動授權功能要計算高鐵列車運行前方以當前速度行駛的最大距離。模擬RBC實現邏輯，根據列車所在位置向列車運行前方設置指定距離區間或已開放的進路即為移動授權的距離。

4）無線傳輸系統邏輯實現技術

模擬無線車次號功能。無線車次號功能要實現列車車次與模擬信號系統中列車車次的同步校驗功能。當列車越過通過信號機時向GSM-R接口機發送無線車次信息。

5）車載速度曲線控制技術

研究車載速度曲線控制技術，模擬列車運行速度曲線，在仿真系統中模擬高鐵列車的運行速度，采用恒定加速度啟動或制動模擬列車運行。

4 系統的建設

由中國鐵路武漢局集團有限公司電務處牽頭，組織卡斯柯公司和武漢電務段成立課題組，電務處組織現場實施和測試驗證，卡斯柯公司作為技術支持單位，一同排定計劃。2016年4月，對電務及運輸部門進行調研，明確CTC仿真系統的功能和場景需求，形成了較完整地需求文檔并制定研究計劃。2016年5月，結合現有CTC系統結構和外部接口，設計CTC仿真支撐環境，完成系統方案和架構設計。2016年6月至8月，在對系統開發環境、系統軟件功能、硬件配置要求等內容進行充分研究的基礎上，解決了系統安全性、可靠性等一系列問題，完成CTC外部支持環境的模擬軟件開發，包括模擬聯鎖、TCC、TSRS、RBC、GSM-R等系統以及和CTC接口軟件的開發，并進行初步測試。2016年9月至10月，重點解決車載速度曲線、C3移動授權、區間信號狀態計算等關鍵技術，完成列車的模擬運行和真實場景再現功能，并進行初步測試。2016年11至12月，完成京廣高鐵一臺和京廣高鐵樞紐臺現場仿真環境的搭建和現場測試工作，達到預期結果。經過實際驗證，系統特征符合設計特性要求。

5 應用效果及結論

該系統于2016年在武漢局集團公司TDCS/CTC中心進行應用，利用該系統進行武九客專CTC站細功能測試，漢宜、合武客專CTC雙路傳輸功能測試，車站中心里程、接觸網分項里程數據驗證等仿真測試，確保TDCS/CTC軟件換裝的安全可靠。該系統的應用提高了CTC系統施工管理效率，可有效發現和解決CTC系統存在的問題和隱患，提高了使用及維護人員的業務水平和勞動效率，具有良好的應用意義。