基于CTCS-3級列控場景的TCC仿真系統研究與設計

張 瑞，楊 揚 ，張乃心，沈 澤

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

列控中心（TCC, Train Control Center）是中國列車運行控制系統(CTCS, Chinese Train Control System)的核心組成部分[1]。在CTCS-2 級列控系統中，TCC 根據軌道區段占用/出清狀態、進路信息、臨時限速信息等，生成行車許可，通過軌道電路和有源應答器發送給車載設備[2]。在CTCS-3 級列控系統中，TCC 不僅滿足后備系統的需求，而且同時參與系統的正常運行，實時將區間和站內的軌道區段狀態發送給聯鎖系統(CBI, Computer Based InterLocking)，并由CBI 轉發至無線閉塞中心（RBC，Radio Block Center）[3]。由于TCC 無可視化展示界面，無法直觀監控系統運行，且功能邏輯復雜、外部接口眾多、信息交互的可靠性和實時性要求較高，對于系統故障排查和電務人員培訓十分不便。因此，本文基于CTCS-3 級列控仿真系統環境，對TCC 系統進行仿真設計，在實現其功能的基礎上，提供二、三維可視化的監控平臺，將內部邏輯結構透明化，實時監控與其他子系統的通信狀態和交互信息。

1 系統架構

1.1 CTCS-3級列控仿真系統整體架構

CTCS-3 級列控仿真系統整體架構可分為調度中心設備層、網絡通信層、地面設備層和車載設備層4個部分[4]。各個設備層通過通信層實現相互關聯，保證子系統之間的信息交互，最終實現CTCS-3 級列控仿真系統的整體功能。仿真平臺的4 層體系結構保證了列車在不同場景下的模擬運行。系統的整體架構如圖1 所示。

1.2 TCC仿真子系統整體架構

TCC 是地面設備層的重要組成之一，主要由安全主機單元、通信接口單元、輔助維護單元和驅采單元組成。通過網絡通信層與仿真平臺的其他子系統進行數據交互，實現地面信息的實時處理與傳送[5]。TCC 仿真子系統整體架構如圖2 所示。

1.3 TCC與其他子系統的通信設計

TCC 仿真系統分別與調度集中(CTC, Centralized Traffic Control)仿真系統、臨時限速服務器(TSRS,Temporary Speed Restriction Sever)、CBI 仿真系統、軌旁設備模擬系統及鄰站TCC 仿真系統相互通信[6]。其中，CTC 仿真系統包含了TSRS 的功能。系統之間采用RJ45 以太網接口連接，數據傳輸采用TCP/IP協議，以500 ms 為固定周期交互數據[7]，系統設置通信異常處理機制：3 s 之內收不到有效數據，則判定通信中斷，并自動啟動通道重連；6 s 之內仍收不到有效數據，表示通信中斷且重連失敗，則將所有危險側信息全部置為安全側，同時給出通信中斷報警提示。TCC 仿真系統的通信內容如圖3 所示。

3 系統功能設計

3.1 軌道電路低頻編碼及點燈功能設計

TCC 仿真系統分別對區間和站內軌道電路進行低頻編碼[8]。

（1）區間軌道電路編碼及點燈功能

根據軌旁的區間軌道區段占用信息、鄰站TCC的邊界信息和聯鎖的車站進路信息，確定區間運行方向，按照編碼規則依次推算出全線的低頻碼序。

區間信號機點燈時，根據碼序與信號機顯示的對應關系，在推算出軌道電路低頻碼的同時將閉塞分區的通過信號機置為相匹配的燈光顯示[9]。區間編碼和點燈的程序設計流程如圖4 所示。

（2）站內軌道電路編碼

根據軌旁的站內軌道區段占用信息、CBI 的車站進路信息和TSRS 的臨時限速信息，按照無進路、接車進路和發車進路不同情況的編碼規則進行編碼[3] [10]，當進路有車占用時，需考慮咽喉區碼序保持功能。站內編碼程序設計流程，如圖5 所示。

3.2 有源應答器報文編制功能設計

TCC 仿真系統的有源應答器報文編制功能分為應答器邏輯報文編制和應答器報文編碼2 部分。

（1）應答器邏輯報文編制

根據車站進路信息、臨時限速信息，結合有源應答器的信息構成、數據范圍和臨時限速管轄范圍，對進站信號機有源應答器組JZ、反向進站信號機有源應答器組FJZ、出站信號機有源應答器組CZ、反向出站信號機有源應答器組FCZ 實時編制邏輯報文，并存入對應信息包的結構體中[11]。

（2）應答器報文編碼

按照應答器報文定義原則，對邏輯報文進行實時組幀，生成應答器用戶報文[12]，如應答器鏈接包【ETCS-5】、線路坡度包【ETCS-21】、線路速度包【ETCS-27】、軌道區段包【CTCS-1】、臨時限速包【CTCS-2】、絕對停車包【CTCS-5】等，并對用戶報文進行二進制實時編碼，生成應答器報文。

3.3 臨時限速及信號降級處理功能設計

當TCC 收到CTC 下達的臨時限速命令時, 首先預存所有限速命令，然后驗證每條命令的可執行性[13]，若驗證成功，TCC 向CTC 反饋該限速命令的狀態，CTC 收到該狀態后，發送該臨時限速執行命令；若驗證失敗，TCC 向CTC 發送該臨時限速命令驗證失敗的錯誤回執，CTC 收到此回執后，將撤銷該限速命令。

當TCC 收到CTC 發送的臨時限速執行命令時，首先檢查該命令是否驗證通過，若已通過驗證，則立即執行限速命令，生成臨時限速包，下達給管轄范圍內的有源應答器，同時向CTC 反饋該限速命令的狀態；若未通過驗證，則不執行該限速命令，同時向CTC 發送該臨時限速命令不可執行的錯誤回執[14]。

臨時限速設置分為區間及站內正線臨時限速和站內側線臨時限速。當TCC 收到區間及站內正線臨時限速時，按照臨時限速命令設置流程處理；當TCC 收到站內側線臨時限速時，由于客專線路站內均采用大號碼道岔，因此，除了按照流程處理以外，若限速值小于80 km/h，還需要向軌道電路編碼模塊發送信號機降級顯示信息[3]，對應區段由“UUS”降級為“UU”碼，否則對應區段保持“UUS”碼。臨時限速及信號降級處理流程如圖6 所示。

3.4 區間改變運行方向功能設計

TCC 仿真系統能夠實現正常改方和輔助改方的功能，以接車站改為發車站為例進行說明。

（1）正常改變區間運行方向

作為請求發車站的TCC（原接車站）需要根據本站聯鎖的發車請求信息、發車鎖閉狀態信息、接車站TCC 的允許改方命令，驅動本站方向口的方向繼電器動作，最終改為發車方向，并向本站聯鎖發送允許發車命令和區間方向信息。

（2）輔助改變區間運行方向

區間軌道區段因故不能正常改方時，可采用此方式。作為請求發車站的TCC（原接車站）需要破封按下總輔助按鈕及發車輔助按鈕，根據本站聯鎖的發車輔助辦理請求，向接車站發送輔助改方請求。當接收到接車站的允許輔助改方命令后，驅動本站方向口的方向繼電器動作，最終改為發車方向[15]。

3.5 模擬故障設置功能設計

TCC 仿真系統可以模擬列車運行過程中的各種故障場景。根據列車運行狀態，在不同的時機通過設置可視化交互界面中TCC 與CTC、CBI 及鄰站TCC 的通信故障，改變列車的運行情況。故障模擬可以為教學實踐環節提供多樣的故障場景和參數變化，驗證CTCS-3 仿真平臺的可靠性和安全性，展示各個子系統之間的相互制約關系。

3.6 通信數據透明化功能設計

TCC 仿真系統可以實時顯示通信數據包，并按照功能和類型自動整合形成數據查詢列表，包括接口數據包（如TCC 與CTC、CBI、軌旁及鄰站TCC的傳輸報文信息）、邏輯控制數據包（如軌道電路控制信息、站內和區間信號機控制信息、應答器報文）、狀態數據包、報警信息數據包。

數據查詢功能將抽象且繁多的二進制報文數據轉換為直觀、可讀性強的數據報表，明確每一位二進制數所代表的類型和含義，實時保存變化的數據信息，并將變化的內容高亮顯示，記錄變化的時間點,最多可記錄100 條時間點的數據。當列控仿真系統運行過程中出現數據傳輸錯誤或者故障狀態，且不能確定問題原因時，可以通過查詢數據列表的方式，找到數據變化時刻對應的二進制內容，根據表中對每一bit 位的含義表示，從而推斷出問題原因。

通過通信數據透明化功能設計，給學員提供了對底層數據信息理解的機會，傳輸數據包不再是一個黑盒，而是幫助學員更好分析問題的手段，具有良好的教學意義。查詢數據表如圖7 所示。

3.7 三維模型動態展示功能設計

TCC 仿真系統屬于二維功能型仿真范疇，雖然可以實現邏輯功能的完整性，但是缺乏與現場實際設備的結合效果，無法展示TCC 仿真系統的內部狀態變化。因此，通過3dsMax 軟件對TCC 機柜進行三維建模，利用Unity3D 軟件實現模型與二維TCC仿真系統通信，可實時動態展示機柜燈位。

TCC 仿真系統設有與三維TCC 機柜仿真模型通信的接口。這里主要包括與CTC 仿真系統、CBI仿真系統、軌旁模擬系統及鄰站TCC 仿真系統的通信狀態，分別用5 個變量來表示。三維模型通過Unity3D 腳本與TCC 仿真系統建立通信，解析接收到的5 個通信狀態變量，從而控制機柜中的指示燈變化。機柜的通信模塊包括TM426 站間通信模塊2 個、TM484 CTC 通信模塊1 個、TM486 TC 通信模塊1個以及TM492 LEU 通信模塊若干。變量與燈位的對應情況如表1 所示，通信模塊正面細節如圖8 所示。

表1 變量與燈位的對應表

4 仿真實現和結果

4.1 仿真實現

CTCS-3 級列控仿真平臺在Visio Studio 2012 環境下，基于MFC 框架，采用C++語言編程實現，并成功應用于鄭西客運專線的一段線路中，可根據站場線路的真實數據實現列車的運行。TCC 仿真系統基于列控仿真平臺運行。

4.2 仿真結果

CTCS-3 列控仿真平臺搭建完成后，一鍵自啟動，設置列車從華山北下行方向開始運行，圖9 是列車運行至渭南北站進站口前方區段的監控顯示結果。監控顯示主要展示區間和車站的線路情況、列車的占用出清、軌道電路編碼信息、應答器報文信息、區間運行方向、區間信號機點燈情況及與其他子系統的通信狀態。

5 結束語

TCC 仿真系統在CTCS-3 級列控仿真平臺的基礎上實現了其基本功能，并從教學培訓的角度出發，新增了通信數據包查詢功能和模擬故障設置功能。另外，為了使TCC 仿真系統具有更好的拓展性和真實性，設置了與Unity3D 環境下三維TCC 機柜模型通信的接口，通過逼真的三維模型，動態展示與其他子系統的通信狀態。TCC 仿真系統的實現為教學培訓提供了便利的平臺，解決了理論與實際脫節的教學弊端，對相關仿真系統的設計開發具有一定借鑒意義。