基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP總體技術(shù)方案的研究和實(shí)現(xiàn)

鄭理華

1 城際軌道交通及城際鐵路列控系統(tǒng)概述

我國(guó)高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)已經(jīng)取得了舉世矚目的成績(jī)。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，區(qū)域和區(qū)域之間，區(qū)域內(nèi)部城市之間，省內(nèi)城市之間的人員和商品的流動(dòng)和流通也隨之相應(yīng)的增加。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和區(qū)域交通的需要，多個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域 (如珠三角，長(zhǎng)三角，長(zhǎng)株潭、青榮、鄭開(kāi)、成綿樂(lè)等地區(qū))相繼規(guī)劃在現(xiàn)有高速鐵路的技術(shù)和運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)上，建設(shè)城際軌道交通系統(tǒng)，總里程近3000 km，預(yù)計(jì)在2015年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)珠三角莞惠線、佛肇線和長(zhǎng)株潭城際鐵路。城際鐵路必將是未來(lái)區(qū)域和省內(nèi)重要城市之間交通的大通道和主通道。

為了增強(qiáng)運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率，根據(jù)客運(yùn)專線“高速度、高密度、跨線運(yùn)行”的實(shí)際特點(diǎn)，城際鐵路列控系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增了站間自動(dòng)運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車及車站通過(guò)、折返作業(yè)、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、車門/屏蔽門 (或安全門，以下簡(jiǎn)稱屏蔽門)防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制、列車運(yùn)行節(jié)能控制等自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)功能。城際鐵路列控系統(tǒng)地面設(shè)備配置，兼容CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)，與CTCS-2相關(guān)的地面設(shè)備設(shè)置方式維持不變。地面設(shè)置專用的精確定位應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)列車精確定位;設(shè)置通信控制服務(wù)器 (CCS)，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門控制和運(yùn)行計(jì)劃處理;設(shè)置車載ATO設(shè)備，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛;采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車-地雙向通信。城際鐵路整體車載結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 城際鐵路車載設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2 城際列控車載ATP的新增關(guān)鍵功能

從城際列控系統(tǒng)總體構(gòu)成和技術(shù)總體方案中可以看出，CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的安全功能是城際列控系統(tǒng)的安全基石，在此基礎(chǔ)上增加了城際列控特有的ATP和ATO功能。從研究開(kāi)發(fā)成本和周期、列控技術(shù)的積累和掌握、系統(tǒng)自主化等角度出發(fā)，尤其是考慮到既有CTCS-2級(jí)列控車載設(shè)備的安全性和可用性，并經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)實(shí)踐充分證明，以既有CTCS-2級(jí)列控車載設(shè)備作為安全和技術(shù)基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行城際鐵路列控車載ATP的研究和開(kāi)發(fā)，是一條最優(yōu)路徑。

在最優(yōu)路徑確定的基礎(chǔ)上，選用CTCS2-200C型ATP車載設(shè)備作為現(xiàn)有CTCS-2級(jí)列控ATP的原型。通過(guò)分析和比對(duì)CTCS-2級(jí)列控和城際鐵路列控系統(tǒng)ATP功能，確定出CTCS2-200C型ATP車載設(shè)備所要新增和升級(jí)的主要ATP功能為：車-地雙向安全通信、列車停準(zhǔn)停穩(wěn)、車門使能、車門防護(hù)能、站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)、新增模式 (CS，SL，AM)及其轉(zhuǎn)換、自動(dòng)折返等。同時(shí)可以確定，城際鐵路列控系統(tǒng)新增的ATP功能，是為了滿足和適應(yīng)城際鐵路ATO功能的需要而隨之增加的，新增的和既有CTCS-2的ATP功能是ATO設(shè)備工作的基礎(chǔ)，是整體車載設(shè)備的安全基礎(chǔ)。如果在現(xiàn)有CTCS2-200C型ATP車載設(shè)備的基礎(chǔ)上無(wú)法設(shè)計(jì)出合理的、新的整體方案，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)整體功能的擴(kuò)充，無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述關(guān)鍵新增功能，將會(huì)直接導(dǎo)致與之配合的ATO設(shè)備無(wú)法正常工作，從而影響城際鐵路列控系統(tǒng)非CTCS-2功能的正常實(shí)現(xiàn)。

3 城際列控車載ATP的總體技術(shù)方案

依據(jù)城際鐵路整體車載結(jié)構(gòu) (圖1所示)，以及確定的ATP新增功能，同時(shí)確保原有CTCS-2列控車載設(shè)備的安全功能不受任何影響，提出了一種完全基于現(xiàn)有CTCS2-200C的安全功能，在其原有CTCS-2級(jí)安全功能不做任何改動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)新增ATP功能的城際列控ATP整體設(shè)計(jì)思路。

城際動(dòng)車組與列控車載設(shè)備之間的接口如表1和表2所示，其中動(dòng)車組傳送至ATP的輸入信號(hào)如表1所示，ATP發(fā)送至動(dòng)車組的輸出信號(hào)如表2所示。

表1 動(dòng)車組傳送至ATP的輸入信號(hào)

表2 ATP發(fā)送至動(dòng)車組的輸出信號(hào)

ATP車載整體技術(shù)方案如圖2所示，其特點(diǎn)是完全不改變CTCS2-200C與車輛既有的接口，CTCS2-200C自身的機(jī)柜和組匣不做任何改動(dòng)，即通過(guò)既有的RS-422，與擴(kuò)展單元部分以安全通信方式，實(shí)時(shí)獲取新增接口內(nèi)容和無(wú)線通信消息，通過(guò)相應(yīng)的軟件升級(jí)，完成和實(shí)現(xiàn)新增的ATP關(guān)鍵功能。

圖2 基于CTCS2-200C及擴(kuò)展單元的列控車載ATP設(shè)備總體構(gòu)成圖

為了保證通信方式獲取的接口信息和無(wú)線通信消息安全、可靠，CTCS-200C擴(kuò)展單元硬件采用成熟的二乘二取二安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)。二乘二取二安全計(jì)算機(jī)由功能完全相同的2套子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為Ⅰ通道 (由計(jì)算機(jī)A和B組成的故障-安全通道)和Ⅱ通道 (由計(jì)算機(jī)C和D組成的故障-安全通道)。2個(gè)通道構(gòu)成主備冗余關(guān)系，每個(gè)通道采用2臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算，并對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較。如果結(jié)果一致，則進(jìn)行系統(tǒng)輸出;如果結(jié)果不一致或自監(jiān)測(cè)出現(xiàn)故障，則判斷該通道故障，自動(dòng)切換到另一正常通道工作。

新增的IO信號(hào)由擴(kuò)展單元通過(guò)智能IO模塊進(jìn)行處理，擴(kuò)展單元負(fù)責(zé)從智能IO模塊獲取城際鐵路新增的動(dòng)車組輸入給ATP的信號(hào)，同時(shí)將ATP輸出給動(dòng)車組的新增IO信號(hào)，提交給智能IO模塊處理。智能IO模塊是通過(guò)SIL4認(rèn)證的成熟產(chǎn)品，已應(yīng)用于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，具有完善的自診斷功能，任意一路采集或驅(qū)動(dòng)回路故障，均可被及時(shí)檢出。智能IO模塊硬件采用二取二結(jié)構(gòu)，具有雙CPU結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙CPU間比較校驗(yàn)，確保命令的正確執(zhí)行。CPU負(fù)責(zé)通過(guò)CAN總線的通信、雙CPU之間的通信、采集驅(qū)動(dòng)命令的執(zhí)行及采集驅(qū)動(dòng)回路的自診斷等工作。信息傳輸采用CRC編碼和正反碼重傳機(jī)制等冗余技術(shù)，以保證信息安全傳輸。

當(dāng)裝備了基于CTCS2-200C及擴(kuò)展單元的列控車載ATP設(shè)備的城際動(dòng)車組，進(jìn)入到C2/C3客運(yùn)專線運(yùn)行時(shí)，正常情況下，城際列控車載ATP設(shè)備將按照C2安全功能+城際新增ATP功能運(yùn)行。如有異常，即使圖2中的擴(kuò)展單元及虛線部分設(shè)備都處于關(guān)機(jī)狀態(tài)或不工作，列控車載ATP設(shè)備將按照原C2安全功能運(yùn)行，能夠確保城際動(dòng)車組在城際線上完成C2功能運(yùn)行。

4 城際列控車載ATP總體方案測(cè)試

從整體的角度出發(fā)，以圖2所示的虛擬邊界線的上下部分有機(jī)地理解城際列控ATP系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)圖2的虛擬邊界線的下半部分為ATP功能的實(shí)現(xiàn)部分，虛擬線的上半部分為ATP實(shí)現(xiàn)城際ATP新增功能提供必要的外部條件。基于上述的有機(jī)理解，對(duì)基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，通過(guò)CTCS2-200C目標(biāo)仿真模擬器和仿真擴(kuò)展單元軟件搭建測(cè)試環(huán)境，使其能夠與圖2所示的列控車載ATP總體結(jié)構(gòu)做到完全對(duì)應(yīng)，全面模擬列車運(yùn)行真實(shí)環(huán)境，對(duì)基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，測(cè)試環(huán)境如圖3所示。

圖3 基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

200C目標(biāo)模擬器是實(shí)驗(yàn)室用于ATP設(shè)備的系統(tǒng)集成、驗(yàn)證和測(cè)試工具，通過(guò)執(zhí)行測(cè)試人員所編寫的測(cè)試場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)ATP運(yùn)行環(huán)境的仿真，利用監(jiān)測(cè)工具來(lái)記錄并分析ATP的運(yùn)行狀態(tài)。在該測(cè)試環(huán)境中，目標(biāo)模擬器模擬BTM、速度脈沖、發(fā)送軌道電路信息、提供200C設(shè)備安全輸入輸出控制，模擬列車接口、電源控制、運(yùn)行測(cè)試腳本，并給系統(tǒng)提供各種測(cè)試數(shù)據(jù)。仿真擴(kuò)展單元運(yùn)行于PC機(jī)，與CTCS-200C的雙路RS-422口連接，通過(guò)安全通信協(xié)議，為200C提供新增的列車IO輸入信息、無(wú)線輸入消息和ATO輸入信息等，同時(shí)200C可將新增的IO輸出、無(wú)線輸出消息和輸出給ATO的信息發(fā)送給仿真擴(kuò)展單元。

通過(guò)編寫城際鐵路列控功能測(cè)試案例和測(cè)試序列，測(cè)試內(nèi)容包括既有CTCS-2級(jí)安全功能和城際鐵路新增ATP功能，將200C目標(biāo)模擬器和200C擴(kuò)展單元仿真軟件配合使用，模擬城際動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用環(huán)境，即可對(duì)基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP進(jìn)行功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠完全實(shí)現(xiàn)既有CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)安全功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了城際列控ATP車載新功能。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以確認(rèn)，基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP的總體技術(shù)方案的正確性、可行性、實(shí)用性。

5 總結(jié)

在CTCS-2級(jí)列控車載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究和實(shí)現(xiàn)城際列控車載總體技術(shù)方案，對(duì)于城際鐵路具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義，既可充分利用CTCS-2級(jí)列控車載系統(tǒng)的技術(shù)成果和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)又能降低城際鐵路列控車載系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度;可以確保城際列控車載系統(tǒng)的安全性完全基于和保持原有的CTCS-2級(jí)列控車載系統(tǒng)的安全性，同時(shí)還增加了城際鐵路其特有的安全功能，使得城際列控車載系統(tǒng)的安全性得到進(jìn)一步提升。

現(xiàn)階段總體技術(shù)方案的研究和實(shí)現(xiàn)，可以使目前的CTCS-2級(jí)列控車載系統(tǒng)成功升級(jí)為滿足和符合《暫行總體技術(shù)規(guī)范》的城際列控車載系統(tǒng)，也為進(jìn)一步優(yōu)化、完善城際列控車載系統(tǒng)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。城際鐵路研究和起步時(shí)間不長(zhǎng)，目前尚未有最終的城際列控車載系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，城際列控車載系統(tǒng)及其相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，還需要隨著城際鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)踐不斷地完善和優(yōu)化，其功能、安全性和可用性將會(huì)隨之豐富和提升。

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