基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)新增功能測(cè)試方法

史立柱

(國(guó)能新朔準(zhǔn)池鐵路（山西）有限責(zé)任公司，山西朔州 036002)

1 概述

重載鐵路是承擔(dān)大型貨物或原材料運(yùn)輸?shù)蔫F路，具有列車(chē)總重大、行車(chē)密度大和運(yùn)量大的特點(diǎn)，其在鐵路運(yùn)輸中占有重要地位，并在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中也起到了至關(guān)重要的作用。隨著國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，為列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度、運(yùn)行效率與安全性等也提出更高的要求。

基于北斗的普速鐵路列控系統(tǒng)在既有信號(hào)設(shè)備（聯(lián)鎖、軌道電路、LKJ）基礎(chǔ)上，增加列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)、列車(chē)輔助駕駛設(shè)備、數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備、臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）設(shè)備、以及應(yīng)答器組，打造最高安全等級(jí)（SIL4級(jí)）的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of system structure

基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)主要功能包括列車(chē)占用檢查、安全防護(hù)距離、軌道電路發(fā)碼、應(yīng)答器設(shè)置、臨時(shí)限速命令管理、控車(chē)轉(zhuǎn)換、列車(chē)多源融合定位與測(cè)速測(cè)距、衛(wèi)星定位及短報(bào)文通信等。

系統(tǒng)采用基于北斗的多源融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)主動(dòng)精準(zhǔn)定位，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)線路數(shù)據(jù)（含限速信息）車(chē)-地信息傳輸。軌道電路實(shí)現(xiàn)列車(chē)占用檢查并提供行車(chē)許可，車(chē)載設(shè)備計(jì)算目標(biāo)距離連續(xù)速度模式曲線，監(jiān)控列車(chē)安全運(yùn)行[1-4]。

基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)與傳統(tǒng)列控系統(tǒng)相比，最大的區(qū)別在于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。傳統(tǒng)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的無(wú)線覆蓋全線，列車(chē)在正常工作狀態(tài)下的運(yùn)行過(guò)程中始終與地面無(wú)線閉塞中心設(shè)備保持無(wú)線通信會(huì)話建立狀態(tài)，以獲得實(shí)時(shí)的移動(dòng)授權(quán)，控制列車(chē)安全運(yùn)行。基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)僅在站內(nèi)覆蓋了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至區(qū)間時(shí)將通過(guò)站內(nèi)提前發(fā)送的區(qū)間線路數(shù)據(jù)等信息，結(jié)合區(qū)間軌道電路狀態(tài)保證列車(chē)安全運(yùn)行。由于重載鐵路一般存在全線基礎(chǔ)設(shè)施改造困難、線路里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，使用這種列控方案能顯著降低建設(shè)成本和后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度。根據(jù)上述新特點(diǎn)，針對(duì)基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)中各設(shè)備的功能特點(diǎn)的測(cè)試驗(yàn)證以及工程數(shù)據(jù)測(cè)試等工作提出了新的要求和挑戰(zhàn)[5-7]。

2 基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)

在車(chē)站覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)情況下，該系統(tǒng)由CTC、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（Computer Based Interlocking,CBI）、TSRS、車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備、列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)以及車(chē)站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中地面的數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備負(fù)責(zé)和列車(chē)建立通信會(huì)話，當(dāng)列車(chē)在站內(nèi)時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與車(chē)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙向通信，并根據(jù)列車(chē)位置信息實(shí)現(xiàn)列車(chē)管理；通過(guò)以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、TSRS通信，根據(jù)進(jìn)路、道岔、信號(hào)機(jī)狀態(tài)和TSRS下達(dá)的臨時(shí)限速信息計(jì)算列車(chē)運(yùn)行路徑下的線路信息和臨時(shí)限速信息，實(shí)時(shí)生成無(wú)線報(bào)文消息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向車(chē)載設(shè)備發(fā)送線路信息及臨時(shí)限速信息。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至區(qū)間時(shí)通過(guò)北斗短報(bào)文通信方式與車(chē)載設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急通信，接收車(chē)載設(shè)備發(fā)送的線路數(shù)據(jù)校驗(yàn)請(qǐng)求信息，并將線路數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果通過(guò)北斗短報(bào)文方式發(fā)送給車(chē)載設(shè)備。

3 新增測(cè)試內(nèi)容分析

通過(guò)對(duì)新增列控設(shè)備的功能特點(diǎn)，以及特定功能驗(yàn)證的分析，需要在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋邊界點(diǎn)測(cè)試、臨時(shí)限速邊界測(cè)試、列車(chē)特殊控車(chē)模式、區(qū)間應(yīng)急通信等方面的測(cè)試方法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.1 車(chē)站覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)邊界點(diǎn)測(cè)試

在車(chē)站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，列車(chē)接收到車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備發(fā)送的列車(chē)運(yùn)行前方臨時(shí)限速信息、線路信息后，以不引起列車(chē)制動(dòng)為最小原則，同時(shí)考慮列車(chē)與車(chē)站控制設(shè)備通信容忍安全余量。需要針對(duì)車(chē)站覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的L無(wú)線覆蓋值進(jìn)行測(cè)試。

如圖2所示，測(cè)試前提應(yīng)使列車(chē)在進(jìn)入L無(wú)線覆蓋起點(diǎn)4097信號(hào)機(jī)前，排列A站的通過(guò)進(jìn)路，同時(shí)確保列車(chē)在4097信號(hào)機(jī)前的列車(chē)速度達(dá)到列車(chē)最高允許運(yùn)行速度。觀察列車(chē)在與車(chē)站控制設(shè)備建立通信的最大允許鏈接時(shí)間內(nèi)完成建鏈時(shí)，列車(chē)不降速運(yùn)行并通過(guò)A站。

圖2 車(chē)站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)示意Fig.2 Schematic diagram of station wireless network coverage area

3.2 臨時(shí)限速范圍邊界點(diǎn)測(cè)試

當(dāng)列車(chē)出站后，接收到車(chē)站控制設(shè)備發(fā)送的臨時(shí)限速信息，車(chē)站控制設(shè)備管轄的臨時(shí)限速范圍，以在列車(chē)與下一個(gè)相鄰車(chē)站的車(chē)站控制設(shè)備建立連接時(shí)，列車(chē)前方臨時(shí)限速信息不引起列車(chē)制動(dòng)為基本原則。考慮車(chē)站控制設(shè)備設(shè)計(jì)為管轄單個(gè)車(chē)站，因此，以上一相鄰站反向進(jìn)站信號(hào)機(jī)作為臨時(shí)限速管轄左邊界，以下一相鄰正向進(jìn)站信號(hào)機(jī)作為臨時(shí)限速管轄右邊界，作為車(chē)站控制設(shè)備的臨時(shí)限速管轄范圍。

1）無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)的臨時(shí)限速邊界點(diǎn)測(cè)試

如圖3所示，在A站管轄范圍末端（B站X進(jìn)站信號(hào)機(jī)）左右兩側(cè)分別設(shè)置臨時(shí)限速TSR-1和TSR-2。當(dāng)列車(chē)在A站無(wú)線管轄范圍內(nèi)，A站的車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備僅會(huì)將TSR-1限速命令發(fā)送給車(chē)輛。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至B站無(wú)線管轄范圍內(nèi)，且與B站的車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備注冊(cè)成功時(shí)，應(yīng)能同時(shí)收到由B站的車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備發(fā)送的TSR-1與TSR-2的臨時(shí)限速命令。

圖3 臨時(shí)限速區(qū)管轄范圍示意Fig.3 Schematic diagram of jurisdiction of temporary speed restriction zone

2）無(wú)線覆蓋范圍外的臨時(shí)限速邊界測(cè)試

如圖4所示，當(dāng)列車(chē)處于A站無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，在A站管轄范圍末端（B站X進(jìn)站信號(hào)機(jī)）設(shè)置臨時(shí)限速TSR-1。A站的車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備僅會(huì)將TSR-1限速命令發(fā)送給車(chē)輛。

圖4 無(wú)線覆蓋范圍邊界臨時(shí)限速測(cè)試示意1Fig.4 Schematic Diagram No.1 of temporary speed restriction test for the wireless coverage boundary

如圖5所示，當(dāng)列車(chē)越過(guò)A站無(wú)線覆蓋范圍4107信號(hào)機(jī)，且與A站車(chē)站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備完成注銷(xiāo)后，在A站管轄范圍末端（B站X進(jìn)站信號(hào)機(jī)）設(shè)置臨時(shí)限速TSR-1。列車(chē)將無(wú)法收到臨時(shí)限速TSR-1。因此要求調(diào)度員在下達(dá)區(qū)間臨時(shí)限速時(shí)，確保該區(qū)間內(nèi)無(wú)列車(chē)運(yùn)行。

圖5 無(wú)線覆蓋范圍邊界臨時(shí)限速測(cè)試示意2Fig.5 Schematic Diagram No.2 of temporary speed restriction test for the wireless coverage boundary

3.3 臨時(shí)限速功能故障測(cè)試

1）臨時(shí)限速移交站通信故障

當(dāng)列車(chē)A站出發(fā)后，列車(chē)使用A站預(yù)告發(fā)送的臨時(shí)限速進(jìn)行控制運(yùn)行，當(dāng)列車(chē)在進(jìn)入B站建鏈范圍內(nèi)，若未能與B站建立通信更新臨時(shí)限速信息，為確保行車(chē)安全，列車(chē)應(yīng)該在A站往B站方向的臨時(shí)限速管轄范圍末端停車(chē)后轉(zhuǎn)入人工模式，由司機(jī)按照相關(guān)無(wú)限速下的安全行駛速度要求駕駛列車(chē)進(jìn)站。

2）區(qū)間通信故障

當(dāng)列車(chē)A站出發(fā)后，列車(chē)使用A站預(yù)告發(fā)送的臨時(shí)限速進(jìn)行控制運(yùn)行，當(dāng)列車(chē)尚未進(jìn)入B站建鏈范圍內(nèi)，且在進(jìn)入?yún)^(qū)間無(wú)線覆蓋盲區(qū)后無(wú)法通過(guò)應(yīng)急通信方式與A站進(jìn)行連接，為確保行車(chē)安全，此時(shí)列車(chē)應(yīng)該停車(chē)后轉(zhuǎn)入人工模式，由司機(jī)按照相關(guān)無(wú)限速下的安全行駛速度要求駕駛列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行。

3.4 列車(chē)特殊控車(chē)模式

為保證重載鐵路既有機(jī)車(chē)控制設(shè)備在跨制式運(yùn)行及區(qū)間故障模式下與基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)間的互通性，在測(cè)試過(guò)程中也需要重點(diǎn)對(duì)區(qū)間信號(hào)故障降級(jí)模式下的走停走功能及ATP與LKJ不停車(chē)切換功能進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試。

1）走停走功能測(cè)試

機(jī)車(chē)牽引的列車(chē)運(yùn)行至自動(dòng)閉塞區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)前，車(chē)載設(shè)備收到地面發(fā)送HU碼時(shí)，停車(chē)持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 min，司機(jī)選擇“解鎖”并確認(rèn)后，解除停車(chē)控制轉(zhuǎn)為走停走模式，并以20 km/h監(jiān)控列車(chē)越過(guò)該信號(hào)機(jī)直至次一架信號(hào)機(jī)，如圖6所示。測(cè)試應(yīng)對(duì)停車(chē)持續(xù)時(shí)間2 min以內(nèi)及2 min以外分別設(shè)置前置條件，對(duì)地面收HU碼或其他碼序分別設(shè)置前置條件，并對(duì)模式轉(zhuǎn)換后列車(chē)運(yùn)行速度是否按照20 km/h進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

圖6 走停走測(cè)試示意Fig.6 Schematic diagram of go-stop-go test

2）與LKJ不停車(chē)切換測(cè)試

車(chē)載ATP設(shè)備在通常模式（FS）控制列車(chē)運(yùn)行時(shí)，收到轉(zhuǎn)入LKJ控車(chē)的預(yù)告應(yīng)答器信息，通過(guò)DMI提示司機(jī)前方將切換至LKJ控車(chē)。車(chē)載ATP設(shè)備接收到LKJ回復(fù)的控車(chē)狀態(tài)后，將控車(chē)權(quán)切換至LKJ，車(chē)載ATP設(shè)備進(jìn)入后臺(tái)工作，在通過(guò)切換應(yīng)答器后，通過(guò)DMI提示司機(jī)已切換至LKJ控車(chē)。切換場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 ATP切換LKJ測(cè)試示意Fig.7 Schematic diagram of the test about ATP switching to LKJ

因此，測(cè)試方法中需要針對(duì)LKJ的切換條件前置模式的預(yù)置，可通過(guò)環(huán)境注入報(bào)文的方式，復(fù)用圖示中的信號(hào)機(jī)2837外方500 m處布置的一組無(wú)源應(yīng)答器作為預(yù)告應(yīng)答器，在出站信號(hào)機(jī)2797外方1 000 m處布置一組應(yīng)答器作為切換應(yīng)答器。在整個(gè)切換過(guò)程中關(guān)注ATP與LKJ之間在預(yù)告及切換下的消息交互環(huán)節(jié)，以及最終控制模式進(jìn)行重點(diǎn)功能驗(yàn)證。

3.5 區(qū)間應(yīng)急通信

由于列車(chē)運(yùn)行至區(qū)間后，存在一定范圍的無(wú)線覆蓋盲區(qū)。因此當(dāng)車(chē)載設(shè)備在此區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致列車(chē)降級(jí)運(yùn)行或停車(chē)。當(dāng)車(chē)載設(shè)備故障恢復(fù)后，需要對(duì)車(chē)載設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)的線路數(shù)據(jù)與當(dāng)前實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，以使其快速投入正常的工作模式。車(chē)載設(shè)備將連接北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，啟動(dòng)故障恢復(fù)程序，通過(guò)北斗短報(bào)文的通信方式與數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備進(jìn)行通信交互。

針對(duì)區(qū)間內(nèi)有數(shù)據(jù)變化和無(wú)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分別的測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

1） 數(shù)據(jù)無(wú)變化

如圖8所示，列車(chē)由A站發(fā)車(chē)時(shí)，在無(wú)線覆蓋盲區(qū)內(nèi)設(shè)置一處臨時(shí)限速TSR-1，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至無(wú)線覆蓋盲區(qū)后，未到達(dá)臨時(shí)限速TSR-1起點(diǎn)位置時(shí)，將車(chē)載設(shè)備重啟。此時(shí)車(chē)載設(shè)備恢復(fù)工作后，將通過(guò)北斗衛(wèi)星采用短報(bào)文通信方式與A站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。此時(shí)由于區(qū)間內(nèi)未發(fā)生數(shù)據(jù)變化，車(chē)載設(shè)備將根據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果信息判斷已存儲(chǔ)的線路信息有效，使用線路信息計(jì)算控車(chē)曲線，列車(chē)進(jìn)入通常模式，恢復(fù)正常運(yùn)行。列車(chē)將正常處理TSR-1的臨時(shí)限速命令。

圖8 區(qū)間數(shù)據(jù)無(wú)變化示意Fig.8 Schematic diagram of no data change in the section

2） 數(shù)據(jù)有變化

如圖9所示，列車(chē)由A站發(fā)車(chē)時(shí)，在無(wú)線覆蓋盲區(qū)內(nèi)設(shè)置一處臨時(shí)限速TSR-1，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至無(wú)線覆蓋盲區(qū)后，未到達(dá)臨時(shí)限速TSR-1起點(diǎn)位置時(shí)，將車(chē)載設(shè)備重啟。此時(shí)在B站進(jìn)站信號(hào)機(jī)外方設(shè)置TSR-2，車(chē)載設(shè)備恢復(fù)工作后，將通過(guò)北斗衛(wèi)星采用短報(bào)文通信方式與A站數(shù)據(jù)管理控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。由于區(qū)間內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)變化，車(chē)載設(shè)備將根據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果信息判斷已存儲(chǔ)的線路信息無(wú)效，使用最低運(yùn)行速度控制列車(chē)運(yùn)行至B站無(wú)線覆蓋范圍后，再投入正常運(yùn)行。

圖9 區(qū)間數(shù)據(jù)有變化示意Fig.9 Schematic diagram of data change in the section

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于北斗的重載鐵路列控系統(tǒng)新增功能及接口，完成了相關(guān)測(cè)試方法設(shè)計(jì)。針對(duì)不具備全線覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重載鐵路，實(shí)施有針對(duì)性的列控系統(tǒng)功能測(cè)試方法，對(duì)未來(lái)推動(dòng)重載鐵路升級(jí)改造及功能驗(yàn)證提供了可行的解決方案。