高速鐵路CTC仿真培訓系統的設計與應用

馬文暉 楊 斐 馮國斌

(1. 中國鐵路青藏集團有限公司， 西寧 810007； 2. 甘肅省工業交通自動化工程技術研究中心， 蘭州 730070；3. 蘭州安信鐵路科技有限公司， 蘭州 730070)

1 CTC仿真培訓系統功能需求

我國高速鐵路調度指揮使用調度集中系統(Centralized Traffic Control System, CTC)，運輸指揮人員通過CTC實現對整條線路列車的調度工作。本文通過對計算機仿真軟件研究(流程如圖1所示)，設計并開發了針對高原地區的高速鐵路CTC仿真培訓系統。調度指揮人員利用仿真培訓系統進行反復訓練，可進一步提高自身職業技能，成為具備創新型知識的優秀職工[1-3]。

圖1 仿真軟件研究流程簡圖

CTC仿真系統是CTCS-3級列車控制仿真平臺的一個子模塊，平臺包括RBC仿真和車載人機交互接口仿真兩個功能，不僅可實現車站模塊的車站CBI仿真、TCC仿真、站場以及區間信號設備仿真等功能，還也可模擬車輛在CTCS-3級列車控制等級下的運行情況。高速鐵路CTC完成規定功能需依賴聯鎖、列控、TSRS、RBC、GSM-R等系統。通過對CTC系統功能進行分析，得到4個目前需要解決的需求[4-6]。

(1)目前，大多數信號仿真系統只能實現部分仿真或普速仿真，但現場的運輸調度員工因工作需要，急需一套完整的高速鐵路CTC仿真培訓系統，用于崗前培訓和日常練習，以確保快速、安全上崗。

(2)鐵路局期望有一套與日常工作環境無較大差異的培訓流程，在調度員和車站值班員上崗之前，可對其進行與崗位工作內容相同環境下的培訓。為此，亟需一套高速鐵路CTC仿真系統，通過操作流程培訓，使運輸人員熟悉工作線路、車站布局結構以及站規、站細等各方面的內容，以便快速上崗。同時，培訓系統需具有更新的能力，若發生實際調度臺管轄范圍變更、車站站場維修改造、基本圖變換等情況，系統可同步聯網更新，調度指揮人員便可在仿真系統上提前訓練，確保高速鐵路運營安全。

(3)目前，對非正常情況下行車處置流程的培訓和教學嚴重不足。鐵路局對非正常情況的作業流程制定了多項操作規章，單獨靠理論學習，不僅枯燥乏味，也不易掌握實際作業流程。因此，要求培訓系統需具備提前預設故障、歷史故障、現場復現等功能，并可對處理故障流程進行判分，從而提高教學和學習效率。

(4)新線開通之前，鐵路局調度所會對線路進行滿圖負荷仿真試運行，以了解線路的滿負荷運行能力，同時，對整條線路的運輸流量瓶頸進行測評和推練，推斷出可能出現的列車交匯集中點，為以后線路正常運行提供有價值的改善依據，提高線路的運輸能力和運輸效益。

針對上述需求，通過技術優化、流程再造、維修體系標準等手段將標準化作業流程、智能測量終端與物聯網、互聯網技術相結合，以應急指揮、生產、安全、質量、信息為首要任務，提高設備質量、縮短故障處理時間為目標。研發高速鐵路CTC仿真培訓系統時不我待。

2 高速鐵路CTC仿真培訓系統功能

作為一個功能復雜的培訓系統，高速鐵路CTC仿真培訓系統的功能模塊分為：(1)仿真通信子系統；(2)仿真多個信號子系統；(3)仿真車輛；(多個仿真子系統的集成整合及列車智能走行。CTC仿真系統的整體架構示意如圖2所示。

圖2 CTC仿真系統整體架構示意圖

2.1 通信子系統的仿真

CTC仿真系統首先要滿足階段計劃的生成、進路控制和命令執行3個功能，同時還要滿足日常教學和學習的功能。高速鐵路CTC仿真培訓系統的幾個功能需使用局域網進行數據交流，系統中教學和維護模塊的部分工作是由教師機負責、管理和監督的。該系統的網絡通信由抗干擾能力強的以太網交換機完成，通信子系統完成CTC與GSM-R的交互信息功能和FAS臺功能。數據幀、通用發送幀關系結構如圖3所示。

圖3 數據幀、通用發送幀關系結構圖

2.2 信號子系統仿真

高速鐵路完成CTC運行的核心信號系統模塊有聯鎖、列控中心、TSRS和RBC， CTC仿真系統需要完成以上模塊的仿真。

(1)聯鎖仿真

模塊主要模擬聯鎖模塊的功能，具有系統所仿真線路的聯鎖表。接收CTC仿真系統的各種控制命令并正確執行，向CTC仿真系統發送站場信息以及與CTC系統交互非常站控或分散自律控制模式等。

(2)列車控制中心仿真

列控中心仿真模塊主要包括區間方向判斷和低頻碼信息計算。與CTC仿真模塊進行區間和低頻碼信息的數據交流，同時完成當前所在區間列車占用與出清狀態的檢查，接收CTC仿真模塊的控制命令，并檢查區間是否有車。

(3)TSRS仿真

TSRS仿真模塊的主要任務為接收CTC的限速命令并執行限速命令，與此同時向CTC仿真培訓系統上傳限速命令的執行狀態，生成執行日志文件，以便后期查看限速命令的下達過程。

(4)RBC仿真

RBC仿真模塊除向CTC仿真系統傳輸車輛仿真信息外，還要接收CTC仿真系統接口傳輸的文本信息，按照培訓人員的操作指令進行仿真車輛的創建、注冊等，結合聯鎖、車速等實現列車仿真運行，使其具備移動授權功能。通過這個模塊可完成編制基本圖、調整運行圖、生成實際運行圖等功能。運行圖調整設計流程如圖4所示，CTC中心行車指揮流程如圖5所示。

圖4 運行圖調整設計流程圖

圖5 CTC中心行車指揮流程圖

3 CTC仿真培訓系統的實現

3.1 硬件設備配置

在硬件的基礎配置上，重點完成了工作站系統搭建的設置，其中包括了各種服務器、交換機、Intel AMT (主動管理技術)等相關設備，還涉及到卡、聲卡驅動等。系統設備應包括局域網設備、服務器、交換機和工作站操作系統補丁，同時還要將電腦硬件設備對應的驅動程序準確安裝并配置成功。

服務器配置主要完成數據庫配置的任務，用于存儲保障列車行車的運行圖數據、各種基礎性的線路數據表以及仿真的站場圖等，服務器由小型機和其相關設備組成，小型機使用Unix操作系統。

網絡交換機拓撲能夠避免總線故障而引起的全線網絡故障，單個節點發生故障不會影響整個網絡，每位用戶的帶寬能夠達到100 Mbit/s，且可重新配置網絡。

3.2 軟件體系設計

培訓系統軟件由現場車站自律機和調度指揮控制中心軟件兩部分組成。調度指揮中心軟件按其各自功能分成接口通信功能和服務應用功能。服務應用功能是給調度員準備的終端軟件，是提供給信號設備維修人員系統維護與網絡管理的軟件。CTC仿真培訓系統的軟件模塊邏輯關系如圖6所示。

圖6 CTC仿真培訓系統的軟件模塊邏輯圖

由圖6可知，調度臺的操作指令第一步流向應用服務器和通信服務器，然后流向前置機，最后由車站值班員憑借車務終端設備將其傳輸給自律機。

4 結束語

針對當前高速鐵路現場人員的工作實際，本文通過分析CTC系統的功能需求，在CTCS-3級仿真培訓系統的平臺上，搭建了CTC系統仿真培訓系統。在該系統下模擬高速鐵路列車運行環境，測試即將投入使用的軟件數據，并通過與聯鎖和列控設備的接口模擬，構建模擬真實環境進行功能試驗。本仿真培訓系統為獨立系統，是專為提高車務人員業務水平而開發的培訓系統。