CTCS3級(jí)列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉 霄，張亞?wèn)|，郭 進(jìn)

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度越來(lái)越高，行車(chē)間隔不斷縮短，如何保障高速鐵路的行車(chē)安全，成為當(dāng)前高速鐵路科學(xué)發(fā)展的重大科研問(wèn)題。高速鐵路系統(tǒng)由高速列車(chē)［1］、列控系統(tǒng)［2］、牽引供電［3］、鐵路線路［4］等子系統(tǒng)組成。其中列控車(chē)載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為高速列車(chē)的運(yùn)行提供控制信號(hào)，它的正確與否，對(duì)行車(chē)安全起著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外針對(duì)列控車(chē)載子系統(tǒng)進(jìn)行了大量的仿真研究，文獻(xiàn)［5-7］提出了車(chē)載中列車(chē)速度防護(hù)的算法;文獻(xiàn)［8-9］按照不同的功能模塊劃分實(shí)現(xiàn)了列控車(chē)載仿真系統(tǒng);文獻(xiàn)［10-12］對(duì)列控車(chē)載子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試。上述研究提供了很多設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試方法，但是缺少和高速列車(chē)、牽引供電、鐵路線路等其他高速鐵路子系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，與高速鐵路實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況相差較大，仿真結(jié)果的可信性較低。

本文通過(guò)研究如何實(shí)現(xiàn)高速鐵路耦合大系統(tǒng)下列控車(chē)載子系統(tǒng)與其他專業(yè)子系統(tǒng)之間的協(xié)同仿真，驗(yàn)證高速鐵路設(shè)計(jì)的安全性能，對(duì)于保障我國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

1 列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)對(duì)外接口及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)對(duì)外接口

在高速鐵路耦合大系統(tǒng)中，車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)從列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)獲取列車(chē)控制方式、緩解、啟動(dòng)指令和任務(wù)結(jié)束命令等;根據(jù)列控地面子系統(tǒng)提供的移動(dòng)授權(quán)信息，結(jié)合高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)計(jì)算得到的列車(chē)位置和速度信息，完成列車(chē)速度防護(hù)曲線的計(jì)算，并生成控制命令;向自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)和牽引傳動(dòng)子系統(tǒng)發(fā)送行車(chē)指導(dǎo)信息;實(shí)時(shí)記錄仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，存入高速鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)不同專業(yè)系統(tǒng)間的耦合仿真，較好地模擬了高速鐵路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況。車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與耦合大系統(tǒng)間的接口如圖1所示。

圖1 車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與耦合大系統(tǒng)接口框圖

1.2 車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)耦合大系統(tǒng)的功能需求，車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)交互及處理、車(chē)載計(jì)算與速度防護(hù)(ATP)、DMI和仿真數(shù)據(jù)記錄等4個(gè)子功能模塊，如圖2所示。

圖2 車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)交互及處理模塊負(fù)責(zé)完成車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與列控地面、列車(chē)自動(dòng)駕駛、高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)、牽引傳動(dòng)子系統(tǒng)和高速鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交互，并對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。車(chē)載計(jì)算與速度防護(hù)(ATP)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)交互及處理模塊提供的列車(chē)運(yùn)行參數(shù)、移動(dòng)授權(quán)等信息，計(jì)算生成最限制速度曲線和目標(biāo)－距離速度防護(hù)曲線，實(shí)現(xiàn)速度防護(hù)。DMI模塊根據(jù)規(guī)范［13］，完成列車(chē)運(yùn)行信息的顯示，并提供司機(jī)輸入數(shù)據(jù)接口。仿真數(shù)據(jù)記錄模塊實(shí)時(shí)將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)存入高速鐵路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 CTCS3級(jí)列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)保障行車(chē)安全，記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)等，因此它的設(shè)計(jì)一方面要研究速度防護(hù)算法，根據(jù)從自動(dòng)駕駛、高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)和列控地面子系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)仿真邏輯，實(shí)現(xiàn)速度防護(hù);另一方面要考慮與自動(dòng)駕駛等子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時(shí)序。由于車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)需要與多個(gè)子系統(tǒng)建立通信連接，啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，因此需要嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)交互的內(nèi)容及時(shí)序，確保高速鐵路耦合大系統(tǒng)協(xié)同仿真順利進(jìn)行。

2.1 列車(chē)速度防護(hù)曲線計(jì)算

列車(chē)速度防護(hù)曲線包括緊急制動(dòng)曲線和常用制動(dòng)曲線［14］。緊急制動(dòng)曲線保證了列車(chē)在最不利的情況下采取制動(dòng)，而不會(huì)超出目標(biāo)距離和目標(biāo)速度。常用制動(dòng)曲線是為降低列車(chē)觸發(fā)緊急制動(dòng)頻度，提高列車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性而設(shè)定的。因此，緊急制動(dòng)曲線是列車(chē)速度防護(hù)曲線計(jì)算的核心。當(dāng)前列車(chē)速度防護(hù)多采用目標(biāo)－距離模式曲線方式［15-16］。該方式根據(jù)一次制動(dòng)曲線進(jìn)行制動(dòng)，能有效減小行車(chē)間隔。根據(jù)該方式，進(jìn)行列車(chē)緊急制動(dòng)曲線計(jì)算的方法如圖3所示。

圖3 緊急制動(dòng)曲線計(jì)算方法

首先，根據(jù)目標(biāo)距離確定制動(dòng)終點(diǎn)，從制動(dòng)終點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算，以ΔS為步長(zhǎng)，根據(jù)公式(1)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果v2大于或等于最限制速度，并將該段起點(diǎn)作為制動(dòng)起點(diǎn)。

式中 v1——列車(chē)制動(dòng)初速度，km/h;

w1——單位坡道附加阻力，N/kN;

w0——單位基本阻力，N/kN;

b——單位制動(dòng)力，N/kN;

r——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù);

v2——列車(chē)制動(dòng)末速度，km/h。

2.2 速度防護(hù)仿真實(shí)現(xiàn)

為保障列車(chē)安全運(yùn)行，提高舒適性，車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)需要根據(jù)從高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)獲得的列車(chē)當(dāng)前位置和速度，以速度防護(hù)曲線為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)進(jìn)行超速判斷。當(dāng)列車(chē)超速時(shí)，及時(shí)向列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的制動(dòng)命令。

列車(chē)速度防護(hù)過(guò)程需要綜合考慮列車(chē)運(yùn)行等級(jí)、故障情況等因素。不同等級(jí)下速度防護(hù)曲線計(jì)算所需的數(shù)據(jù)獲取方式不同;根據(jù)故障－安全原則，發(fā)生故障時(shí)，車(chē)載子系統(tǒng)進(jìn)行降級(jí)運(yùn)行或轉(zhuǎn)換行車(chē)模式，并將相應(yīng)的控制信息發(fā)送給其他子系統(tǒng)。具體算法流程如圖4所示。

圖4中的列車(chē)速度防護(hù)的算法充分考慮了CTCS2級(jí)、CTCS3級(jí)以及故障、運(yùn)行等情況，為高速鐵路耦合大系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行提供了安全、可靠的控制信息。

2.3 協(xié)同仿真時(shí)序控制

在高速鐵路耦合大系統(tǒng)下進(jìn)行協(xié)同仿真時(shí)，列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)的啟動(dòng)，運(yùn)行和結(jié)束過(guò)程都牽涉到與其他子系統(tǒng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互，因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)序控制。由于需要設(shè)計(jì)與多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通信接口，為提高程序的性能，本文采用多線程方法，通過(guò)控制線程創(chuàng)建時(shí)機(jī)，控制啟動(dòng)時(shí)序。協(xié)同仿真運(yùn)行過(guò)程中，分別在每個(gè)線程中設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù);最后各線程根據(jù)從列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)獲得的仿真結(jié)束指令發(fā)出任務(wù)結(jié)束信息。協(xié)同仿真時(shí)序見(jiàn)圖5。

圖4 速度防護(hù)算法流程

3 仿真測(cè)試

車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)DMI界面見(jiàn)圖6。

車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)將從高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)獲得的列車(chē)當(dāng)前速度、位置等信息以速度表盤(pán)的形式顯示;根據(jù)從列控地面子系統(tǒng)接收的移動(dòng)授權(quán)以及線路數(shù)據(jù)，生成制動(dòng)曲線，顯示在坐標(biāo)區(qū);當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間、GSM－R連接狀態(tài)、制動(dòng)預(yù)警信息等也以文本或圖標(biāo)的形式顯示。

圖5 協(xié)同仿真時(shí)序圖

圖6 車(chē)載DMI界面顯示

本文以“鄭西客運(yùn)專線”的實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)同仿真。

3.1 追蹤運(yùn)行測(cè)試

測(cè)試結(jié)果如圖7。圖7(a)為追蹤列車(chē)G1005，圖7(b)為前行列車(chē) G1003，從地面子系統(tǒng)界面(圖7(c))可以看出，G1005的目標(biāo)點(diǎn)為G1003所在閉塞分區(qū)的始端K965+768。

圖7 列車(chē)追蹤運(yùn)行

3.2 故障設(shè)置

設(shè)置GSM－R故障或RBC故障，仿真結(jié)果如圖8所示。GSM－R/RBC故障前，列車(chē)處于CTCS3級(jí)運(yùn)行，坐標(biāo)區(qū)用藍(lán)色陰影顯示最限制速度曲線，見(jiàn)圖8(a);故障后，車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)進(jìn)入CTCS2級(jí)部分監(jiān)控模式，坐標(biāo)區(qū)顯示常用制動(dòng)曲線和緊急制動(dòng)曲線，如圖8(b)所示。

圖8 GSM－R故障/RBC故障設(shè)置

3.3 臨時(shí)限速設(shè)置

在K940+000～K942+000間設(shè)置限速值為80 km/h的臨時(shí)限速，仿真結(jié)果如圖9所示。從速度表盤(pán)可以看出，臨時(shí)限速設(shè)置前(圖9(a))，當(dāng)前允許速度是350 km/h，目標(biāo)速度為0 km/h，坐標(biāo)區(qū)顯示目標(biāo)點(diǎn)為移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn);設(shè)置臨時(shí)限速后(圖9(b))，當(dāng)前允許速度為200 km/h，目標(biāo)速度為80 km/h，目標(biāo)點(diǎn)為臨時(shí)限速的起點(diǎn)。

3.4 仿真結(jié)果記錄

圖9 臨時(shí)限速設(shè)置

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)記錄見(jiàn)圖10。每隔1 s，車(chē)載仿真子系統(tǒng)向數(shù)據(jù)庫(kù)記錄一次仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，從圖10所示的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄表的表頭可以看出，記錄數(shù)據(jù)包括車(chē)次號(hào)(DMI_ID)，線路名(INLINENAME)，制動(dòng)預(yù)警時(shí)間圖標(biāo)編碼(C_INT_BM)等。

圖10 數(shù)據(jù)庫(kù)中的仿真數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)論

在高速鐵路耦合大系統(tǒng)的平臺(tái)下，研究列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)與高速列車(chē)、牽引供電和鐵路線路等子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了列控車(chē)載協(xié)同仿真子系統(tǒng)。本文以“鄭西客運(yùn)專線”實(shí)際線路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行列車(chē)追蹤、故障設(shè)置、臨時(shí)限速設(shè)置等仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)、牽引傳動(dòng)和自動(dòng)駕駛等各專業(yè)仿真子系統(tǒng)的可靠數(shù)據(jù)交互，能在復(fù)雜環(huán)境下保證列車(chē)安全運(yùn)行，可為高速鐵路耦合大系統(tǒng)進(jìn)行高速鐵路安全性仿真驗(yàn)證提供有力的保障。

［1］張衛(wèi)華，張曙光.高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及服役模擬［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(2):147-152.

［2］YANG Xiaojuan.The Development and Innovative Direction of Train Control System［C］∥the 2nd International Conference on Intelligent Control and Information Processing，Harbin，July 25－28，2011:442-445.

［3］蔣明.高速鐵路牽引供電與受電系統(tǒng)建模與仿真［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2012.

［4］龍?jiān)S友，時(shí)瑾，王英杰，等.高速鐵路線路線形動(dòng)力仿真及乘坐舒適度評(píng)價(jià)［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，9(3):26-33.

［5］Hairong Dong，Bin Ning，Baigen Cai，et al.Automatic Train Control System Development and Simulation for High-Speed Railways［J］.IEEE circuits and systems magazine，2010(2):6-18.

［6］HU Xiaohui，ZHOU Xingshe，DONG Jianwu.A Designing Method of Simulation Software for Chinese Train Control System Based on Hybrid Software Agent Model［C］//Proceedings of the Fifth International Conference on Machine Learning and Cybernetics.Dalian，2006:148-153.

［7］郭寧.CTCS2級(jí)列控系統(tǒng)超速防護(hù)仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［8］徐麗，張勇.CTCS3級(jí)列控系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，17(5):8-11.

［9］王黎.CTCS3級(jí)列控系統(tǒng)車(chē)載子系統(tǒng)仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［10］修桂生.CTCS－3級(jí)車(chē)載設(shè)備測(cè)試平臺(tái)——列車(chē)運(yùn)行仿真器的建模與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［11］徐麗.CTCS3列控系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)——車(chē)載設(shè)備仿真子系統(tǒng)的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2007.

［12］張仕雄.CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)測(cè)試序列合理性驗(yàn)證的研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012，12:103-105.

［13］中華人民共和國(guó)鐵道部.運(yùn)基信號(hào)［2008］670號(hào) CTCS-3級(jí)列控車(chē)載設(shè)備人機(jī)界面(DMI)顯示規(guī)范(V1.0)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［14］上官偉，蔡伯根，王晶晶，等.時(shí)速250 km以上高速列車(chē)制動(dòng)模式曲線算法［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，11(3):41-46.

［15］郭寧，楊巍，吳亮.CTCS2級(jí)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)超速防護(hù)仿真研究［J］.交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2007，5(4):122-126.

［16］Booth PD.Intermittent and continuous automatic train protection［C］∥IET Professional Development Course on Railway Signaling and Control Systems，Birmingham，UK，2010:86-113.