CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)軌旁設(shè)備仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 瑞，楊志杰

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是基于GSM-R無線通信實(shí)現(xiàn)車地信息雙向傳輸，無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，具備CTCS-2級(jí)功能的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。建立CTCS-3級(jí)仿真測(cè)試平臺(tái)，可根據(jù)具體線路設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)列控系統(tǒng)的各個(gè)部分的功能和性能進(jìn)行數(shù)字化仿真與測(cè)試，對(duì)保證設(shè)計(jì)方案正確性、提高實(shí)驗(yàn)效率、減少試驗(yàn)周期與試驗(yàn)成本、確保列車在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)下行車安全具有重要意義。本文重點(diǎn)研究了CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)中軌旁仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)介紹

1.1 列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)功能

列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)的主要功能是仿真CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的工作原理，采用仿真設(shè)備與實(shí)際設(shè)備相結(jié)合的半實(shí)物仿真辦法，為關(guān)鍵設(shè)備或關(guān)鍵部件提供功能測(cè)試環(huán)境，不僅可以進(jìn)行各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的功能測(cè)試、安全性測(cè)試和互聯(lián)互通測(cè)試，還具有故障注入與分析、實(shí)際測(cè)試案例的演示和結(jié)果分析以及測(cè)試案例的回放等功能。

1.2 列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

（1）仿真平臺(tái)服務(wù)器：主要完成仿真初始化設(shè)置、仿真過程的管理和回放、同步各個(gè)仿真設(shè)備的工作；（2）數(shù)據(jù)庫：主要存放仿真線路的所有線路數(shù)據(jù)，如應(yīng)答器信息、軌道信息等；（3）顯示平臺(tái)服務(wù)器：主要用于仿真過程中的平面站場(chǎng)圖顯示；（4）車站設(shè)備部分：包括聯(lián)鎖設(shè)備、列控中心設(shè)備、無線閉塞中心（RBC）、GSM-R設(shè)備等；（5）車載設(shè)備部分：包括車載仿真設(shè)備、司機(jī)控制平臺(tái)等；（6）地面設(shè)備部分：軌旁子系統(tǒng)等；（7）三維視景顯示部分：用于仿真過程中的三維視景顯示。

仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)整體框圖

其中，軌旁子系統(tǒng)是仿真平臺(tái)的重要組成部分，它主要包括應(yīng)答器模塊和軌道電路模塊，是聯(lián)系車載設(shè)備與地面設(shè)備的橋梁，對(duì)保證列車的安全運(yùn)行起著重要作用。下面將對(duì)軌旁子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)介紹。

2 軌旁子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軌旁子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求及主要功能

列車在CTCS-3下安全高速行駛，需接收地面應(yīng)答器以及軌道電路信息。其中，應(yīng)答器信息主要包括線路數(shù)據(jù)、最大允許速度、軌道電路參數(shù)、臨時(shí)限速信息和列車等級(jí)切換等信息，而軌道電路信息主要用于檢測(cè)軌道區(qū)段是否有列車占用和獲取信號(hào)機(jī)狀態(tài)。因此，在CTCS-3級(jí)仿真平臺(tái)中專門設(shè)計(jì)了軌旁子系統(tǒng)。它的主要功能是從相關(guān)設(shè)備獲取有源應(yīng)答器信息和軌道電路信息，將它們存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并擇機(jī)發(fā)送給車載仿真設(shè)備。應(yīng)答器模塊用于處理應(yīng)答器報(bào)文信息，并擇機(jī)將報(bào)文發(fā)送給仿真車載系統(tǒng)。軌道電路模塊用于處理軌道電路信息，并擇機(jī)將列車所在軌道的軌道信息發(fā)送給仿真車載系統(tǒng)。

2.2 軌旁子系統(tǒng)的外部接口

在仿真平臺(tái)中，軌旁子系統(tǒng)主要與列控中心、仿真車載設(shè)備以及仿真平臺(tái)服務(wù)器通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，并且通過SQL Server服務(wù)管理器從數(shù)據(jù)庫讀取相關(guān)線路信息。軌旁子系統(tǒng)與其它設(shè)備的信息流如圖2。

圖2 軌旁子系統(tǒng)與其他設(shè)備的信息流

2.3 軌旁子系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.3.1 應(yīng)答器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)答器模塊是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)中的重要組成部分，向列車發(fā)送線路數(shù)據(jù)、最大允許速度、軌道電路參數(shù)、臨時(shí)限速信息和列車等級(jí)切換等信息，以保證列車可以安全高效地運(yùn)行。

在仿真平臺(tái)中，應(yīng)答器報(bào)文采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，每條應(yīng)答器報(bào)文都是由一個(gè)50 bit的報(bào)文幀頭、若干信息包以及一個(gè)8 bit的結(jié)束包構(gòu)成，共計(jì)830 bit。830 bit的初始用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過FFFIS信道編碼算法（歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器編碼算法）處理后，變成913 bit的成形數(shù)據(jù)，再加上算法中的一些參數(shù)（包括：3 bit控制位、12 bit擾碼位、10 bit附加位和85 bit校驗(yàn)位），就形成了1 023 bit的長報(bào)文，如圖3。

根據(jù)無源應(yīng)答器報(bào)文信息固定不變的特性，在程序設(shè)計(jì)中，首先將所有無源應(yīng)答器報(bào)文數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中。有源應(yīng)答器的報(bào)文數(shù)據(jù)則是接收列控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，再根據(jù)應(yīng)答器編號(hào)存放到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的位置。仿真過程中，仿真平臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)計(jì)算出列車當(dāng)前位置，需要發(fā)送應(yīng)答器報(bào)文時(shí)，將應(yīng)答器編號(hào)發(fā)送給軌旁子系統(tǒng)。軌旁子系統(tǒng)再根據(jù)應(yīng)答器編號(hào)，在數(shù)據(jù)庫中尋找到相應(yīng)的應(yīng)答器報(bào)文，進(jìn)行FFFIS編碼后擇機(jī)發(fā)送給車載仿真設(shè)備。

具體程序流程圖如圖4。

圖3 應(yīng)答器報(bào)文的組幀過程

圖4 應(yīng)答器模塊程序流程圖

2.3.2 軌道電路模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

仿真過程中，軌旁子系統(tǒng)和列控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信（周期約為50 ms），獲取線路上軌道信息，并根據(jù)軌道編號(hào)將其保存到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的位置。同時(shí)，仿真平臺(tái)服務(wù)器會(huì)將列車當(dāng)前所在軌道編號(hào)發(fā)送給軌旁子系統(tǒng)，然后軌旁子系統(tǒng)根據(jù)軌道編號(hào)，在數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的載頻和低頻信息，擇機(jī)發(fā)送給車載仿真設(shè)備。程序流程圖如圖5。

圖5 軌道電路模塊程序流程圖

3 仿真軟件關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 多線程技術(shù)

多線程技術(shù)是目前多種操作系統(tǒng)支持的主要技術(shù)之一，對(duì)改進(jìn)程序的結(jié)構(gòu)及提高計(jì)算機(jī)的性能起著很大的作用，可以提高程序的響應(yīng)速度，使多CPU系統(tǒng)更加有效，占用系統(tǒng)更少的資源，改善性能等。

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)中，軌旁子系統(tǒng)需和其他4種設(shè)備進(jìn)行通信，另外由于一條仿真線路可能有很多列控中心，所以軌旁子系統(tǒng)還需對(duì)每一個(gè)列控中心都應(yīng)有一個(gè)獨(dú)立的端口進(jìn)行通信。軌旁子系統(tǒng)將會(huì)和很多設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信，為了保證軌旁子系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確地接收到各個(gè)設(shè)備發(fā)送的信息，軟件設(shè)計(jì)中采用了多線程技術(shù)，即每對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備開辟一條新的線程，各個(gè)線程獨(dú)立工作，互不影響，這樣提高了程序的響應(yīng)速度，使CPU系統(tǒng)更加高效。

3.2 面向?qū)ο蠓椒ǖ膽?yīng)用

面向?qū)ο蟮姆抡娼７椒ú捎梅先藗冋J(rèn)識(shí)世界的思維方式對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象，它更接近于人類的思維規(guī)律，因而設(shè)計(jì)出的軟件系統(tǒng)能夠更直接、自然地反映客觀現(xiàn)實(shí)中的問題。

UML（Unified Modeling Language）是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，運(yùn)用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)記和定義實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蟮拿枋龊徒！Ｔ赨ML中，類圖描述了系統(tǒng)中的類及其相互之間的關(guān)系，其本質(zhì)反映了系統(tǒng)中對(duì)象的類型以及對(duì)象間的各種靜態(tài)關(guān)系。

本文在設(shè)計(jì)軌旁子系統(tǒng)時(shí)，采用了面向?qū)ο蟮能浖幊谭椒?。將軌旁子系統(tǒng)與各個(gè)設(shè)備的通信接口和與各個(gè)設(shè)備通信的數(shù)據(jù)處理分別設(shè)置為一個(gè)類，將與每個(gè)設(shè)備通信的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律封裝到類中，映射成相應(yīng)對(duì)象的屬性與方法。根據(jù)不同對(duì)象的相互作用與聯(lián)系定義特定的函數(shù)接口，按照面向?qū)ο髮哟位浖Y(jié)構(gòu)完成各個(gè)對(duì)象模塊中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。軌旁子系統(tǒng)簡(jiǎn)單UML類圖如圖6。

這樣做提高了目標(biāo)系統(tǒng)的可重用性，減少了軟件生命周期后續(xù)階段的工作量和可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高了軟件的可維護(hù)性，易于擴(kuò)充和修改，能夠適應(yīng)不斷增加的需求。

圖6 軌旁子系統(tǒng)簡(jiǎn)易UML類圖

4 仿真流程

在仿真測(cè)試過程中，組織良好、描述規(guī)范的測(cè)試案例集能夠高效地指導(dǎo)測(cè)試工作的執(zhí)行。因此，在針對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)需制定測(cè)試案例集與測(cè)試序列集。本文僅列舉測(cè)試序列001如表1。

表1 測(cè)試序列001：車載設(shè)備模式轉(zhuǎn)換、RBC切換

按照上述測(cè)試序列表要求排列進(jìn)路，當(dāng)?shù)孛鏃l件滿足后仿真開始，圖7為鞏義南站側(cè)線發(fā)車進(jìn)路。仿真開始后，列車從鞏義南3G側(cè)線發(fā)車，車載仿真設(shè)備啟動(dòng)，軌旁子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)進(jìn)行通信。仿真平臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)計(jì)算列車位置，當(dāng)列車越過軌道絕緣節(jié)時(shí)，向軌旁子系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前軌道編號(hào)信息，軌旁子系統(tǒng)根據(jù)接收到的軌道信息，在數(shù)據(jù)庫中查到相應(yīng)的信息發(fā)送給車載仿真設(shè)備；當(dāng)列車即將經(jīng)過一組應(yīng)答器時(shí)，向軌旁子系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答器編號(hào)信息，軌旁子系統(tǒng)根據(jù)接收到的應(yīng)答器編號(hào)，在數(shù)據(jù)庫中查到相應(yīng)的應(yīng)答器報(bào)文信息，進(jìn)行FFFIS編碼后，發(fā)送給車載仿真設(shè)備。

仿真運(yùn)行過程中軌旁子系統(tǒng)顯示如圖8。

5 結(jié)束語

本文主要對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)中的軌旁子系統(tǒng)進(jìn)行了研究。系統(tǒng)的主要功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，與列控中心等其他子系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)送應(yīng)答器報(bào)文和軌道電路信息，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 鞏義南站側(cè)線發(fā)車進(jìn)路顯示圖

圖8 軌旁子系統(tǒng)仿真運(yùn)行圖

[1]韓 胤，張 勇. CTCS-3級(jí)仿真系統(tǒng)中無線閉塞中心的仿真[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，15（7）.

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