CTCS-2級(jí)與CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)兼容性仿真研究

郭麗娜，王俊峰

（北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100044）

我國(guó)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）根據(jù)功能要求、運(yùn)行速度和設(shè)備配置，分為0級(jí)～4級(jí)。目前我國(guó)正在大力發(fā)展建設(shè)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)。除了速度上的差別外，與CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)相比，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)增加了無線閉塞中心（RBC）來下達(dá)行車許可（MA），通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)了車-地間的雙向通信。

CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的后備系統(tǒng)。在一些特殊狀況下，列車需要在運(yùn)行中從CTCS-3級(jí)控車降級(jí)為CTCS-2級(jí)控車。鑒于CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)在設(shè)備和運(yùn)行速度上都存在較大差異，因此從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層面上解決二者的兼容性問題十分必要。其中，應(yīng)答器設(shè)置和降級(jí)切換是CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)兼容性問題中兩個(gè)比較重要的問題。

1 應(yīng)答器的間距設(shè)置

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)答器的布置需要同時(shí)滿足CTCS-3級(jí)和CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的需求。

相鄰應(yīng)答器的距離應(yīng)大于列車在以最高速度壓過應(yīng)答器能夠完整接收?qǐng)?bào)文這段時(shí)間走過的距離?？紤]的因素有列運(yùn)行速度（V）和報(bào)文傳遞時(shí)間（t）。CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的運(yùn)行速度為300 km/h～350 km/h。報(bào)文分為長(zhǎng)幀報(bào)文和短幀報(bào)文。傳送長(zhǎng)幀報(bào)文時(shí)，應(yīng)答器與車載天線的有效作用時(shí)間為5.1 ms，傳送短幀報(bào)文時(shí)，應(yīng)答器與車載天線的有效作用時(shí)間為3.6 ms。由此可以得出兩個(gè)應(yīng)答器之間的距離S為：

因此，只要按CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的應(yīng)答器距離也滿足CTCS-2級(jí)的要求。計(jì)算得到傳送長(zhǎng)幀報(bào)文，要求相鄰兩個(gè)應(yīng)答器的距離應(yīng)該大于0.5 m，即應(yīng)答器組內(nèi)的間距只要大于0.5 m就可同時(shí)滿足CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)的要求。

2 降級(jí)切換

2.1 降級(jí)情況

降級(jí)切換通常是由突發(fā)故障導(dǎo)致的，往往不是在級(jí)間切換邊界進(jìn)行，沒有級(jí)間切換應(yīng)答器，不符合正常的級(jí)間切換條件。因此，研究突發(fā)狀況的降級(jí)過程，確保CTCS-2和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的可靠切換，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 降級(jí)過程

本文主要研究以下幾種故障的降級(jí)過程。

2.2.1 車載設(shè)備故障模式

車載設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通過GSM-R向RBC請(qǐng)求注銷；同時(shí)，列車觸發(fā)常用制動(dòng)，直到速度降至滿足CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)運(yùn)行所允許的速度；告知RBC速度降至CTS-2級(jí)允許速度，RBC發(fā)送注銷許可， RBC釋放對(duì)列車的控制；切換為CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)控車運(yùn)行。

2.2.2 地面設(shè)備故障

地面設(shè)備種類比較多，本文只研究其中的RBC故障和應(yīng)答器故障。

（1） RBC故障

RBC采用雙套冗余設(shè)備。如果兩個(gè)RBC都發(fā)生故障，列車與RBC通信超時(shí)，那么列車自動(dòng)觸發(fā)最大常用制動(dòng)，直到速度降至CTCS-2級(jí)控車允許的速度，切換為CTCS-2級(jí)系統(tǒng)控車運(yùn)行。當(dāng)列車壓過RBC連接應(yīng)答器組時(shí)，重新嘗試與RBC建立連接，直到連接成功，切換至CTCS-3級(jí)控車。

（2） 應(yīng)答器故障

當(dāng)壓過一個(gè)應(yīng)答器，沒有收到報(bào)文，或報(bào)文出現(xiàn)錯(cuò)誤，列車向RBC報(bào)告當(dāng)前列車位置，并觸發(fā)最大常用制動(dòng)，直至速度降至CTCS-2級(jí)允許的速度。然后向RBC請(qǐng)求斷開連接，RBC發(fā)送注銷命令，列車切換為CTCS-2級(jí)系統(tǒng)控車，RBC刪除該車信息。列車行至下一組應(yīng)答器，如果應(yīng)答器報(bào)文正確，則人工切換為CTCS-3級(jí)控車，但仍按CTCS-2級(jí)的速度距離曲線行車。與RBC建立連接后，列車按照CTCS-3級(jí)的速度距離曲線行車。

2.2.3 無線通信設(shè)備故障

GSM-R故障時(shí)，車載與RBC通信中斷。列車按原有的行車許可行車，并嘗試與RBC通信，仍通信超時(shí)，列車觸發(fā)最大常用制動(dòng)。將速度降至CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)允許的運(yùn)行速度，列車切換為CTCS-2級(jí)控車，關(guān)閉與RBC通信連接。直到列車壓過下一個(gè)RBC連接應(yīng)答器組，嘗試通過GSMR連接RBC，發(fā)出呼叫請(qǐng)求，直到列車與RBC建立連接后，切換成CTCS-3級(jí)控車。

3 仿真設(shè)計(jì)

3.1 兼容性驗(yàn)證仿真模型

采用HLA（高層體系結(jié)構(gòu)）方式建模，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

HLA提供了一套基于模擬系統(tǒng)開發(fā)與互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。在HLA中，整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)聯(lián)邦，具有相對(duì)獨(dú)立功能的模塊作為聯(lián)邦成員。各成員模塊間通過RTI相互通信。HLA的優(yōu)點(diǎn)在于RTI提供底層通信，不需考慮通信的問題，只需設(shè)計(jì)上層應(yīng)用模型即可。

本模型仿真的是列車在模擬線路上的運(yùn)行過程。圖1為本模型的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

圖1中，應(yīng)答器、RBC、車載和故障庫共同構(gòu)成一個(gè)聯(lián)邦。它們各自都是該聯(lián)邦中的一個(gè)聯(lián)邦成員。聯(lián)邦成員通過“發(fā)布”確定向外發(fā)送的信息，通過“訂購”確定接收的信息。每個(gè)輸入端口都有與其相對(duì)應(yīng)的輸出端口。

3.2 仿真模型中聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)傳遞

聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)傳遞如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)流圖

3.2.1 應(yīng)答器聯(lián)邦成員

應(yīng)答器聯(lián)邦成員主要用于模擬鐵路線路，訂購車載成員的位置信息，向車載成員發(fā)布應(yīng)答器報(bào)文。編寫應(yīng)答器數(shù)據(jù)表，其中包括應(yīng)答器編號(hào)及其在線路上的位置。線路的模擬以應(yīng)答器作為參考點(diǎn)。始發(fā)站為起點(diǎn)，每組應(yīng)答器最先被壓過的應(yīng)答器位置是確定的，組內(nèi)其他應(yīng)答器的位置是可更新的。當(dāng)組內(nèi)應(yīng)答器的間隔設(shè)置發(fā)生變化時(shí)，以組內(nèi)第1個(gè)被壓過的應(yīng)答器位置為基準(zhǔn)，組內(nèi)其他應(yīng)答器位置根據(jù)間隔的設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行更新。通過讀取應(yīng)答器報(bào)文數(shù)據(jù)表向車載成員發(fā)送報(bào)文。當(dāng)收到應(yīng)答器故障信息，則根據(jù)故障類型對(duì)列車運(yùn)行前方應(yīng)答器發(fā)送的報(bào)文情況進(jìn)行設(shè)置。

3.2.2 車載成員

車載成員是模擬一輛列車以一定的速度運(yùn)行和在運(yùn)行過程中與其他相關(guān)設(shè)備的通信，即與應(yīng)答器和RBC通信。車載成員向應(yīng)答器成員和RBC成員發(fā)送列車位置信息，從應(yīng)答器成員處接收?qǐng)?bào)文，從RBC成員處獲得行車許可。當(dāng)收到車載故障信息和GSM-R通信故障信息后，根據(jù)信息類型，自動(dòng)進(jìn)行降級(jí)處理。

3.2.3 RBC成員

RBC成員根據(jù)列車運(yùn)行情況，向列車發(fā)送行車許可。當(dāng)出現(xiàn)RBC故障和GSM-R通信故障時(shí)，做與降級(jí)運(yùn)行相關(guān)的操作和處理。

3.2.4 故障庫成員

故障庫成員主要用來設(shè)置故障類型，對(duì)參數(shù)值的設(shè)定和方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。故障成員讀取故障數(shù)據(jù)表，根據(jù)故障數(shù)據(jù)表，向車載成員、應(yīng)答器成員和RBC發(fā)送故障類型和各設(shè)備因設(shè)置故障需要更新的參數(shù)，并存有預(yù)期結(jié)果腳本。預(yù)期結(jié)果腳本與測(cè)試結(jié)果做比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置得是否合理。

4 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兼容性方案驗(yàn)證

本文采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)上文所述的應(yīng)答器間隔設(shè)置和各種降級(jí)情況的過程進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是使用存檔的測(cè)試數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)測(cè)試過程。測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在獨(dú)立的數(shù)據(jù)文件中。因?yàn)閿?shù)據(jù)與腳本分離，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，如果要修改某一降級(jí)過程，只需修改相應(yīng)的腳本即可。

4.1 驗(yàn)證應(yīng)答器間隔距離

建立一個(gè)應(yīng)答器的編號(hào)和位置數(shù)據(jù)表。每個(gè)應(yīng)答器在這個(gè)數(shù)據(jù)表里都有其相應(yīng)的編號(hào)和其所在的位置的公里數(shù)。列車的位置與某個(gè)應(yīng)答器的位置一致時(shí)，該應(yīng)答器向列車發(fā)送相對(duì)應(yīng)的應(yīng)答器報(bào)文。即調(diào)用報(bào)文腳本，向列車發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文。當(dāng)應(yīng)答器間隔距離發(fā)生變化時(shí)，重新觸發(fā)一個(gè)行車案例：加載一輛列車，先以CTCS-2級(jí)最大允許速度行車，壓過應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器向列車發(fā)送長(zhǎng)報(bào)文。該報(bào)文是由應(yīng)答器腳本提供。然后將車載收到的信息與應(yīng)答器報(bào)文腳本對(duì)照，以驗(yàn)證該距離能否滿足CTCS-2級(jí)行車要求。然后切換至CTCS-3級(jí)最大允許速度，用同樣的方法進(jìn)行測(cè)試。如果在CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)都可以準(zhǔn)確收到報(bào)文，那么說明這個(gè)距離滿足兩級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)答器共用的要求。

4.2 降級(jí)測(cè)試

故障庫成員包含有一個(gè)故障數(shù)據(jù)表、4個(gè)故障腳本和4個(gè)預(yù)期結(jié)果腳本。故障數(shù)據(jù)表中每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一種導(dǎo)致降級(jí)的故障。周期性地讀取故障數(shù)據(jù)表，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)代表一種故障。每一項(xiàng)的正常數(shù)據(jù)為0，當(dāng)某一項(xiàng)數(shù)據(jù)變?yōu)?時(shí)，該項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的故障被激活，然后調(diào)用相應(yīng)的故障腳本，將故障腳本信息通過相應(yīng)的端口發(fā)送至相關(guān)的聯(lián)邦成員。對(duì)其他聯(lián)邦成員的參數(shù)進(jìn)行更新，設(shè)置降級(jí)驗(yàn)證場(chǎng)景。對(duì)于其他聯(lián)邦成員來說，由于內(nèi)部參數(shù)發(fā)生了變化，成員即調(diào)用相應(yīng)的降級(jí)處理腳本，對(duì)降級(jí)過程進(jìn)行模擬。記錄降級(jí)過程中各設(shè)備的狀態(tài)和結(jié)果，通過與預(yù)期結(jié)果腳本相比較，評(píng)判降級(jí)過程是否合理，是否達(dá)到了兼容性的要求。

如果參數(shù)設(shè)置不合理，可修改數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果處理方法不合理，可通過修改相應(yīng)的故障處理腳本實(shí)現(xiàn)對(duì)方案的修改。這樣，每一次修改都有針對(duì)性，且不會(huì)對(duì)其他模塊產(chǎn)生影響，提高了模型的可修改性和可重用性。

5 結(jié)束語

本文分析了CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)兼容性需要解決的問題，提出了解決方案。使用HLA的建模方法建立兼容性測(cè)試模型，并采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了測(cè)試案例。HLA建模方法提供了可靠的通信平臺(tái)，簡(jiǎn)化了模型。使用核心數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)測(cè)試增強(qiáng)了測(cè)試腳本的可修改性和可重用性。

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