新型列控系統無線閉塞中心測試平臺研究

郝 建，楊志杰，盧佩玲，呂方瑤，單一龍

(1.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081; 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

引言

列車運行控制系統(簡稱“列控系統”)是確保高速鐵路安全運營的核心技術裝備,以高安全性、高可靠性的技術手段監控列車運行速度并進行超速防護,保障列車安全運行的同時提高線路通行效率[1]。《CTCS技術規范總則(暫行)》確立了我國列控系統的技術體系,按系統條件和功能將鐵路列控系統劃分為0～4共5個等級,其中CTCS-2與CTCS-3級列控系統是目前我國高速鐵路中應用最廣泛、技術最成熟的控制系統[2-3]。

近年來,西部地區鐵路建設逐漸提上日程,中老鐵路、拉林鐵路、若和鐵路等一大批工程項目落地。這些線路的自然地理環境和氣候條件普遍較為惡劣,因此對鐵路信號系統的裝備水平提出了新的要求[4-6]。

CTCS-2與CTCS-3級列控系統均需要依靠地面設備對列車進行定位和完整性檢查,系統結構相對復雜、軌旁設備較多、建設及運營維護成本較高。因此,在既有且逐步完善的CTCS技術體系下研究新型列控系統既是發展需求,也是客觀運用需要[3]。

新型列控系統(CTCS-N,簡稱為“CN系統”)相比既有C2/C3系統的優點主要包括以下4個方面。

(1)提高運輸效率。列車在區間以移動閉塞方式追蹤運行,列車追蹤間距更短[7-8]。

(2)列車定位更加精確。采用多源融合的列車自主定位方式和更安全的列車完整性檢查手段[9-11]。

(3)運維更加便捷。車站采用一體化控制,減少設備和接口數量,提高系統可靠性。執行單元電子化、模塊化,減少軌旁設備。增加智能運維功能[3]。

(4)采用基于IP的車地無線通信技術[12]。

新型列控系統主要由車載設備和地面設備構成。地面設備主要分為軌旁設備、站內設備與中心設備3類。軌旁設備包括站間計軸設備、無源應答器、信號機與轉轍機等;站內設備包括聯鎖列控一體化(TIS)設備、軌道電路、調度集中系統(CTC)車站分機、衛星差分基站等;中心設備包括無線閉塞中心(RBC)、臨時限速服務器(TSRS)、CTC中心、列控維護中心(TCMC)、GSM-R網絡設備、衛星地基增強系統(GBAS)等。車載設備主要分為車載ATP設備和列尾設備兩類。車載ATP設備主要由主控單元、人機界面單元(DMI)、應答器信息接收單元(BTM)、測速測距單元、列車完整性檢查單元、電子地圖單元、無線通信單元以及衛星接收天線等組成[3]。

其中,無線閉塞中心(RBC)作為新型列控系統的地面核心設備,實時控制列車的追蹤間隔,保證其管轄范圍內列車的行車安全,必須通過完善的測試手段保證其功能安全性與可靠性。

1 新型列控系統無線閉塞中心

新型列控系統中,無線閉塞中心(RBC)是地面信號系統信息及指令的收集與交互中心[13]。根據TIS給出的站內及區間設備狀態、TSRS臨時限速及特定引導信息、CTC控制指令、相鄰RBC的移交信息、列車發送的位置報告及完整性狀態,結合線路靜態參數,生成列車行車許可等控制信息,通過無線通信方式發送給車載設備,確保管轄范圍內列車安全高效運行。RBC與外圍設備接口如圖1所示。

圖1 RBC與外圍設備接口Fig.1 RBC interfaces with external eevices

CN系統與C3系統相比,RBC功能的主要區別在于以下6個方面。

(1)新增列車包絡的計算。列車包絡即RBC邏輯中的列車位置。C3系統中,后方列車以前行列車所在閉塞分區入口處作為追蹤終點;而CN系統可將后方列車追蹤終點延伸至前行列車包絡后端,進一步縮短追蹤間隔。RBC根據列車報告的位置信息及完整性狀態進行列車包絡的計算,對于有完整性信息的列車,其列車包絡為列車安全確認后端到最大安全前端的范圍,如圖2所示。

圖2 列車包絡示意Fig.2 Schematic of train envelope

(2)CN系統中,兩車站間除接近區段外,不設置軌道電路,而是將區間劃分為若干長度固定的虛擬閉塞分區。虛擬閉塞分區只存在于軟件邏輯中,其占用狀態由RBC綜合列車位置報告、站間計軸狀態等信息計算得到。

RBC依據虛擬閉塞分區狀態計算行車許可。當區間閉塞制式為移動閉塞時,RBC不再以閉塞分區為單位計算行車許可,行車許可終點或為前行列車的包絡后端,或為防護區入口,或為其最大長度的末端。如圖3所示。

圖3 行車許可計算示意Fig.3 Schematic of movement authority calculation

(3)由于區間缺少軌道電路等列車占用檢查設備,CN系統設計了“頭篩”與“尾篩”邏輯,用于RBC判斷列車頭部與尾部所在虛擬區段有無隱藏車輛,以實現列車安全防護及縮短追蹤間隔。“頭篩”即確認列車頭部有無隱藏車輛,“完成頭篩”是RBC為通信列車分配行車許可的前提條件;“尾篩”即確認列車尾部有無隱藏車輛,“完成尾篩”是RBC為后方列車分配可抵達當前列車包絡后端的前提條件。

當出現列車闖入防護區段或完整性狀態丟失等故障情形時,RBC將列車“頭篩”或“尾篩”標志置為“未完成”并將相關區段設為防護區,從而完成對列車的安全防護。

(4)故障場景下防護區的設置與解除。防護區是RBC在判斷某些區段可能存在隱藏車輛,防止其他通信列車與隱藏車輛發生碰撞危險而設置的區域。例如列車完整性丟失場景,列車完整性得不到檢查,列車后方可能出現因脫鉤產生的隱藏車輛,RBC會將列車最后一次具備完整性的位置報告中列車包絡后端到列車最新位置報告的最小安全后端范圍設置為防護區,防護區會隨列車位置報告的更新向前延伸。列車完整性丟失場景下防護區的設置如圖4所示。

圖4 列車完整性丟失后防護區設置Fig.4 Setting up of protection area after train integrity loss

同樣,在車地通信超時場景中,RBC在規定時間內未收到車載設備的應用消息,RBC無法對列車進行定位,列車可能位于其行車許可范圍內的任何位置。因此RBC將列車最后一次位置報告中的包絡后端到其行車許可終點范圍設置為防護區,防護區可根據當前設備狀態向前延伸。防護區延伸到實體區段時,需根據實體區段的占用狀態進行判斷:區段為空閑狀態,不設置為防護區,否則設置為防護區。車地通信超時場景下防護區的設置如圖5所示。

圖5 車地通信超時后防護區設置Fig.5 Setting up of protection area after timeout of train-RBC communication

當故障場景中對應故障恢復且未引入其他故障,或經過人工確認后,RBC可解除相應防護區,并恢復列車原有狀態。

(5)特定引導功能。特定引導是一種施工條件下的特定行車辦法。當TIS因車站施工、維修等,無法正常辦理列車進路可采用特定引導方式保證列車繼續運行。

特定引導車站采用固定進路接發列車,行車方式分為兩種:特定引導接車,正常發車;特定引導接車,人工信號發車。特定引導命令由TSRS以特殊臨時限速形式發送給RBC,RBC根據命令類型向列車發送包含特定引導信息的行車許可。

(6)調車防護功能。在C3系統調車作業場景中,RBC收到車載設備轉入調車模式的請求后,不再發送行車數據。若車載設備已轉為調車模式,RBC將結束與列車的通信會話,此后列車冒進防護功能由布設于調車信號機前的有源應答器組實現。但在裝備CN系統的線路中,未布設有源應答器,需由RBC對其管轄范圍內車站調車作業進行安全防護。

通過在調車信號機前布設無源應答器組,采用調車防護應答器列表實現列車冒進防護功能。調車信號開放后,RBC根據TIS發送的調車進路信息向車載設備發送該進路上可途徑的全部應答器組列表;調車信號關閉后,RBC向車載設備發送應答器組空列表。若列車在調車過程中越過列表中未包含的應答器組時,將觸發緊急制動,轉為冒進模式,完成安全防護。

從以上主要差異項可看出,CN系統RBC相較C3系統RBC已有許多邏輯變化和功能提升。若要驗證目標需求及保證系統功能正確,必須通過完善的測試技術及全面的測試案例得以實現。但既有RBC測試平臺仍存在諸多問題,例如人工配置數據過多、站場類型適用范圍有限、自動化程度不高、無法滿足上述差異功能的測試需求等,研究適用于新型列控系統RBC的測試平臺為當務之急。

2 RBC測試平臺關鍵技術

測試是保證設備質量的重要途徑,新型列控系統RBC測試平臺是保證測試案例運行的重要支撐[14]。設計RBC測試平臺,完成對新型列控系統RBC功能的全面測試,對驗證系統設計、確保性能指標、提高測試效率具有重要意義。

RBC測試平臺以新型列控系統總體架構為基礎,采用真實設備與仿真設備虛實結合的方式,忠實于真實邏輯的同時簡化物理結構,從而保證測試的真實性、靈活性與可信度[15]。設計RBC測試平臺架構如圖6所示。

圖6 新型列控系統RBC測試平臺架構Fig.6 Architecture of RBC test platform in new train control system

測試平臺主要包括列車運行仿真平臺、真實設備與仿真設備三部分。真實設備包括RBC、TSRS、TIS、車載ATP及相關網絡設備,仿真設備包括仿真TIS、仿真TSRS、仿真CTC、仿真車載ATP。RBC通過信號數據網與其他地面設備交互安全數據,通過車載仿真網或GSM-R與仿真ATP或真實ATP交互車地消息;列車運行仿真平臺通過仿真數據網與TIS設備交互采集類信息、進路信息,通過車載仿真網將列車運行路徑信息發送至仿真ATP或車載接口仿真。

作為測試平臺中線路數據的提供者以及RBC交互對象,本文將對列車運行仿真平臺與仿真設備進行重點研究。

2.1 列車運行仿真平臺

列車運行仿真平臺通過讀取列控數據,向列車提供其運行所需的線路數據,以站場圖形方式直觀顯示列車運行過程,整體結構如圖7所示,分為站場顯示界面與列車操作界面兩部分。

圖7 列車運行仿真平臺結構Fig.7 Structure of train operation simulation platform

站場顯示界面通過線路平面圖形動態顯示軌道區段、信號機、道岔、站內進路、應答器、列車位置等信息。列車操作界面顯示列車運行狀態、測試腳本列表,進行試驗操作及場景控制。

通過在站場顯示界面某一區段加載列車,仿真平臺將根據列車起始位置、方向,綜合TIS發送的進路信息、自身設置的進路信息、軌道區段信息、應答器數據等,自動計算列車運行路徑并以特定數據結構封裝,轉化為腳本數據發送至仿真ATP或車載接口仿真,驅動測試按序進行。同時根據車載ATP反饋的走行距離實時計算列車所處位置,將區段占用及計軸占用狀態等采集信息發送給TIS設備。

既有列車運行仿真平臺采用以列控數據為基礎的構建方式,應用過程中存在因人工配置數據過多、站場類型適配范圍有限等問題造成列車運行路徑計算錯誤、測試效率低下。新型列控系統中新增調車防護等功能使得上述缺陷更為凸顯,因此將構建邏輯調整為以模型為基礎,將線路模型劃分為車站與區間兩類。

在車站模型中,使用面向對象的思想對站內設備進行抽象,以信號機為頂點、以進路為邊建立站場結構的有向圖[16]。通過進路數據、應答器鏈接關系為該有向圖添加專有屬性,確定軌道區段及應答器組在進路中的具體位置。計算列車運行路徑時,按照列車運行方向對有向圖進行搜索,從而方便、準確地得到進路區段及應答器間的鏈接關系。

在區間模型中,以信號機或虛擬信號點為頂點、以閉塞分區為邊,按照線路方向將車站區間抽象為有向圖,并為該有向圖添加計軸、應答器及特殊區段等專有屬性。仿真平臺根據專有屬性為不同類型測試列車分別計算運行路徑,區分不同類型區段的界面顯示。列車在站內與區間越行時,搜索并匹配站內與區間具有相同頂點及方向的有向圖,完成運行路徑的接續。

通過底層構建方式的調整,加強各設備間的關聯關系,可有效避免在既有以數據構建方式中頻繁出現的搜索算法復雜、數據重復存儲、信息覆蓋等問題。

2.2 仿真設備

仿真設備是按照標準協議實現與RBC接口交互功能的仿真軟件。由于RBC管轄范圍較廣,接口設備眾多,為避免測試平臺網絡結構復雜,借鑒HLA(High Level Architecture)的結構體系對仿真設備進行布設[17-18]。將仿真TIS、仿真ATP等各類型設備視作不同聯邦成員,各車站設備、測試列車等作為聯邦成員個體,成員個體采用統一模塊化設計,以減少數據配置工作。按照數據類型的區別設置不同的承載網絡,提供底層數據服務支撐,成員個體間的信息交互均通過該網絡完成。

2.2.1 需求分析

明確仿真設備主要實現功能,由接口協議著手,分析雙方間交互內容,關聯不同類型交互信息并作層次化處理。以仿真TIS為例,仿真TIS主要負責排列進路、設置地面設備狀態,根據區段占用信息調整進路狀態。接口層面,仿真TIS將列車進路、調車進路及區間閉塞方向信息發送至列車運行仿真平臺,用于仿真平臺計算測試腳本;將站內軌道區段狀態、區間閉塞方向、區間閉塞分區狀態、站內列車進路信息、站內調車進路信息、災害區狀態、道岔狀態、站內信號狀態、站間計軸狀態和區間閉塞制式等發送至RBC,RBC綜合各設備信息計算行車許可及設置區段防護。仿真TIS接收來自仿真平臺發送的站內軌道區段占用狀態、區間閉塞分區占用狀態、計軸占用狀態等采集信息;接收來自RBC的區間虛擬區段邏輯占用狀態,用于進路接近鎖閉的判斷。

由于進路中包含站內軌道區段、道岔及信號設備信息,與區間閉塞方向及閉塞分區狀態緊密關聯,可將軟件邏輯結構進行層次化設計,如圖8所示。排列進路時,根據進路類型設置軌道區段鎖閉狀態、道岔位置、信號機狀態、區間閉塞方向,反之相關設備狀態變化時更新進路狀態。

圖8 仿真TIS邏輯結構Fig.8 Logical structure of TIS simulation

為驗證RBC在某些故障場景下的安全側處理,需對各設備添加手動操作功能,完成接口間的故障注入[19-20]。

2.2.2 軟件設計

基于仿真TIS設計思路,設計仿真TIS界面如圖9所示。

圖9 仿真TIS界面Fig.9 Interface of TIS simulation

仿真TSRS主要完成臨時限速命令及特定引導命令的擬定和下發。將初始化命令、電子地圖版本等消息發送至RBC,同時接收RBC反饋的臨時限速執行狀態、初始化狀態等。設計仿真TSRS界面如圖10所示。

圖10 仿真TSRS界面Fig.10 Interface of TSRS simulation

仿真CTC主要完成緊急停車命令、閉塞制式切換命令、文本消息的擬定和下發,設置列車端頭命令及虛擬區段狀態命令。同時接收RBC發送的列車信息、虛擬區段狀態信息、命令反饋信息和閉塞制式狀態。設計仿真CTC界面如圖11所示。

圖11 仿真CTC界面Fig.11 Interface of CTC simulation

仿真ATP主要完成與RBC的車地消息交互。可進行列車長度、完整性狀態、運行模式等參數的修改,完成速度控制、退行及換端操作;接收列車運行仿真平臺發送的測試腳本,根據自身走行距離執行測試腳本,在特定位置觸發對應腳本事件;將實時速度、位置及腳本執行情況反饋至仿真平臺。

仿真ATP可實現車地消息的編輯與故障插入,根據車地消息交互流程自動完成運行模式切換。設計仿真ATP界面如圖12所示。

圖12 仿真ATP界面Fig.12 Interface of ATP simulation

3 RBC測試平臺功能驗證

從RBC典型運用場景及RBC相較于C3系統的提升功能中選取部分測試場景,通過對比RBC測試結果與預期結果的一致性,驗證本文所提出的RBC測試平臺是否符合設計需求。

3.1 行車許可計算場景

測試場景:列車1位于A站1G,向B站方向發車;列車2位于A站2G,向B站方向發車,與列車1在區間追蹤運行。

由仿真CTC設置區間閉塞制式為“移動閉塞”,由A站及B站仿真TIS設置區間自動閉塞,列車1與列車2分別向RBC注冊。在A站仿真TIS辦理XI到S發車進路,在仿真平臺中加載列車1初始位置,生成測試腳本并發送至列車1。列車1在IG末端越過BXI應答器組后完成定位,經過確認前方軌道空閑(TAF)流程,根據RBC分配的行車許可運行至區間。辦理A站X2到S發車進路,加載列車2初始位置,列車2根據測試腳本運行至2G末端越過BX2應答器組,同樣經過TAF流程后獲得行車許可。

該測試案例中,兩車在仿真平臺中的位置及列車1的運行腳本如圖13所示。

圖13 仿真平臺中兩車位置及列車1的運行腳本Fig.13 Position of the two trains in the simulation platform and the operation scripts of train No.1

由圖14中RBC維護終端所示,RBC向列車2分配的行車許可終點為列車1包絡后端,符合預期設計。

圖14 兩車追蹤時RBC計算的行車許可Fig.14 Movement authority calculated by RBC when two trains are tracking

3.2 設置區段防護與空閑場景

測試場景:列車1與列車2在區間追蹤運行,設置列車1完整性丟失后兩車繼續運行。

兩車區間追蹤運行,列車1行至2291G區段,在列車1仿真ATP中將完整性狀態設置為“不完整”。

由圖15中維護終端所示,RBC將列車1丟失完整性后所經過區段均設置為防護區,且列車2行車許可終點在防護區入口處保持不變,符合預期設計。

圖15 RBC成功設置防護區Fig.15 RBC Sets protection area successfully

由仿真CTC按序依次向RBC下發防護區內虛擬區段空閑命令,如圖16所示。

圖16 CTC設置虛擬區段空閑命令Fig.16 Set idle command of virtual segment in CTC

RBC根據CTC命令對虛擬區段狀態進行檢查,符合空閑條件時將解除對應防護區,并更新列車2行車許可終點,如圖17所示。

圖17 RBC成功解除對應防護區Fig.17 RBC lifts protection area successfully

3.3 調車防護場景

測試場景:列車位于A站1G,車長為200 m,SH運行模式,車頭運行至IIAG區段后折返運行至IIG。

A站仿真TIS辦理S1到D5、D5到D1進路,在仿真平臺A站1G加載列車,仿真ATP以SH模式向RBC注冊。注冊成功并完成定位后,RBC向列車發送調車授權信息,包含列車當前位置至前方首個調車進路末端范圍內的全部應答器組列表,如圖18所示。

圖18 RBC提供調車授權消息Fig.18 Shunting authorisation message from RBC

列車運行至IIAG區段后,車尾位于1/9WG區段,仿真TIS辦理折返調車進路D19到XII。RBC按照車頭位置向列車發送調車授權信息,包含列車LRBG到前方調車進路防護應答器范圍內的全部應答器組,如圖19所示。

圖19 列車折返時RBC提供的調車授權消息Fig.19 Shunting authorisation message from RBC when the train turn Back

3.4 特定引導場景

測試場景:列車在區間運行,前方車站為特定引導接車站。

在仿真TSRS中擬定下發A站特定引導行車命令,如圖20所示。由于特定引導行車計劃車站接車進路可能未排列,若要生成列車通過A站的測試腳本,需從列車運行仿真平臺中手動辦理接車進路,如圖21所示。

圖20 TSRS擬定下發特定引導行車命令Fig.20 Preparation and issuance of specific guidance command in TSRS

圖21 仿真平臺中手動排列進路以生成測試腳本Fig.21 Manually control the CBI route in the CTCS simulation platform to generate test scripts

列車行車許可抵達A站進站信號機,RBC根據特定引導計劃向列車發送接車進路范圍的特定引導行車信息,如圖22所示。

圖22 RBC向列車送包含特定引導信息的行車許可Fig.22 RBC sends movement authority containing specific guidance information to the train

上述場景中,測試平臺滿足新型列控系統RBC的正常運作及測試過程中的各環節需求,且RBC測試結果與預期一致。

4 結語

新型列控系統的試驗與應用標志著我國在該方面的研究工作已經走在鐵路信號領域前沿,但因許多新技術、新功能在國內甚至國際范圍內尚無成熟應用,可借鑒案例甚少,必須對關鍵核心設備進行系統且全面的測試。本文以解決既有RBC測試平臺應用中的問題、無法滿足新型列控系統測試需求為研究背景,通過比較C3系統與新型列控系統中RBC的功能差異,分析新型列控系統工程數據,將邏輯構建方式由以數據為基礎調整為以模型為基礎,同時對仿真設備統一采用模塊化、層次化設計。選取新型列控系統中部分典型場景,對新型列控系統RBC測試平臺功能進行了驗證,驗證結果表明,本文設計的測試平臺可以完成RBC多場景測試任務。該測試平臺的運用將為指導修訂更細致完善的新型列控系統相關規范提供重要依據,對新型列控系統在更多線路的推廣實施具有重要意義。