城際鐵路CTCS2-200C擴(kuò)展單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程林芳，徐效寧，李一楠

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

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，連接區(qū)域性城市的城際鐵路具有廣闊的發(fā)展前景。目前，以正在建設(shè)的穗莞深 ( 廣州—東莞—深圳 )、莞惠 ( 東莞—惠州 ) 城際鐵路為代表的珠三角城際軌道交通已確定采用 CTCS2＋ATO 模式的列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)城際鐵路 CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)的特點(diǎn)，在既有 CTCS2-200C 設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出基于CTCS2-200C 擴(kuò)展的城際鐵路列控車載設(shè)備構(gòu)成方案。該方案對(duì)既有 CTCS2-200C 設(shè)備改動(dòng)較小，在保證安全性的前提下，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵模塊擴(kuò)展單元進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)城際鐵路列控系統(tǒng)的功能需求。

1 基于 CTCS2-200C 擴(kuò)展的城際鐵路列控車載設(shè)備

1.1 城際鐵路列控車載設(shè)備構(gòu)成和功能

根據(jù)《 城際鐵路 CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案 》[1]，城際鐵路列控系統(tǒng)車載設(shè)備由ATP ( 列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng) ) 與 ATO ( 列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng) ) 2 個(gè)部分構(gòu)成，車載設(shè)備滿足《 CTCS-3 級(jí)列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范 》[2]中 CTCS-2 運(yùn)行等級(jí)相關(guān)的要求，城際鐵路車載設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

（1）ATP 設(shè)備。ATP 設(shè)備由車載安全計(jì)算機(jī)( VC )、GSM-R 無(wú)線通信單元 ( RTU )、軌道電路信息接收單元 ( TCR )、應(yīng)答器信息接收模塊 ( BTM )、司法記錄單元 ( JRU )、人機(jī)界面( DMI )、列車接口單元 ( TIU ) 及測(cè)速測(cè)距單元( SDU ) 等組成。ATP 設(shè)備具備 GSM-R 車地通信、車門防護(hù)功能，同時(shí)支持車門與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制及ATO 自動(dòng)駕駛等功能；當(dāng) ATP 判定列車停車位置與運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)誤差超過(guò)安全停車窗時(shí)，禁止向車輛發(fā)出開(kāi)門允許信息，并向通信控制服務(wù)器 ( CCS ) 發(fā)送停準(zhǔn)停穩(wěn)信息；ATP 通過(guò)車輛提供的繼電器接口條件實(shí)現(xiàn)折返功能；ATP 通過(guò) DMI 提供系統(tǒng)預(yù)選模式(“預(yù)選 ATO”、“預(yù)選無(wú) ATO”)設(shè)定功能。DMI 應(yīng)支持 ATO 功能相關(guān)的控制、狀態(tài)、報(bào)警等信息顯示及操作。

（2）ATO 設(shè)備。ATO 設(shè)備具有站間自動(dòng)運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車、車站通過(guò)、折返駕駛、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、列車運(yùn)行節(jié)能控制、車門自動(dòng)控制，以及設(shè)備診斷、記錄和報(bào)警等功能。

1.2 基于 CTCS2-200C 擴(kuò)展的城際鐵路列控車載設(shè)備構(gòu)成

圖1 城際鐵路車載設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)城際鐵路列控車載設(shè)備構(gòu)成和功能，提出基于 CTCS2-200C 擴(kuò)展的城際鐵路列控車載設(shè)備構(gòu)成方案。該方案在 CTCS2-200C 的基礎(chǔ)上增加擴(kuò)展單元，擴(kuò)展單元分別與列車自動(dòng)運(yùn)行 ATO、移動(dòng)終端 MT、司法記錄器 JRU 連接，其列控車載設(shè)備構(gòu)成圖如圖 2 所示。CTCS2-200C 利用原與 LKJ 連接的 RS422 接口，與擴(kuò)展單元進(jìn)行安全通信。CTCS2-200C 硬件不需修改，只對(duì)軟件進(jìn)行較小的變動(dòng)，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)城際鐵路列車自動(dòng)駕駛、精確定位、站臺(tái)門控制和運(yùn)行計(jì)劃處理等功能。

圖2 基于 CTCS2-200C 擴(kuò)展的列控車載設(shè)備構(gòu)成

2 CTCS2-200C 擴(kuò)展單元設(shè)計(jì)

CTCS2-200C 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。

2.1 擴(kuò)展單元與列車接口

根據(jù)城際鐵路的車輛接口說(shuō)明，列車傳送至ATP 的輸入信號(hào)如表 1 所示，ATP 發(fā)送至列車的輸出信號(hào)如表 2 所示。

表1 列車傳送至 ATP 的輸入信號(hào)

表2 ATP 發(fā)送至列車的輸出信號(hào)

相對(duì)于既有 ATP 設(shè)備，城際鐵路 ATP 設(shè)備新增9 路輸入信號(hào)和 3 路輸出信號(hào)。因 CTCS2-200C 硬件限制，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。智能 IO 模塊是計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中通過(guò) SIL4 認(rèn)證的成熟產(chǎn)品，具有完善的自診斷功能，系統(tǒng)周期性檢測(cè)采集驅(qū)動(dòng)回路是否正確，任意一路采集或驅(qū)動(dòng)回路故障均可及時(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)，保證命令的正確執(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。

2.2 擴(kuò)展單元與移動(dòng)終端 MT 接口

城際鐵路地面設(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。CTCS2-200C 增加移動(dòng)終端 MT，實(shí)現(xiàn)車地信息的雙向通信。由于城際鐵路采用 GSM-R 公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，車載和地面設(shè)備必須進(jìn)行加密，以保證數(shù)據(jù)安全。基于CTCS2-200C的城際鐵路車載無(wú)線功能結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

CTCS2-200C 擴(kuò)展單元與移動(dòng)終端MT的接口模塊劃分為安全功能模塊 ( SFM ) 和通信功能模塊( CFM )。SFM 實(shí)現(xiàn)安全層提供安全相關(guān)傳輸系統(tǒng)的功能，主要包括通過(guò)“對(duì)等實(shí)體驗(yàn)證”建立安全連接、通過(guò)“消息源認(rèn)證”安全數(shù)據(jù)傳輸、安全連接的釋放及高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?；CFM 主要實(shí)現(xiàn)傳輸、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路層提供基于 GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的電路交換承載業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)功能。

2.3 擴(kuò)展單元與列車自動(dòng)運(yùn)行 ATO 接口

城際鐵路列控系統(tǒng)設(shè)置 ATO 設(shè)備以實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛，CTCS2-200C擴(kuò)展單元 ATO 接口模塊實(shí)現(xiàn) ATP 和 ATO 的信息交互，以及向 ATO 發(fā)送無(wú)線報(bào)文等功能。

（1）擴(kuò)展單元發(fā)送給 ATO 的信息。①ATP 控車信息：列車速度、列車位置、允許速度、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離等。②無(wú)線報(bào)文：[ CTCS-21 ] ATO 運(yùn)行計(jì)劃、[CTCS-22]折返信息、[ CTCS-2 ] 開(kāi)關(guān)門命令確認(rèn)和 [ CTCS-31 ] PIS 信息包。

（2）ATO 發(fā)送給擴(kuò)展單元的信息。①ATO 控車信息：ATO 牽引/制動(dòng)狀態(tài)、門控命令、折返狀態(tài)、跳停標(biāo)志等。②無(wú)線報(bào)文：[ CTCS-25 ] ATO 運(yùn)行計(jì)劃報(bào)告和 [ CTCS-26 ] C2ATO 車載狀態(tài)。

2.4 擴(kuò)展單元與司法記錄器接口

司法記錄器用于記錄車載設(shè)備的數(shù)據(jù)和控制信息，其中用于事故調(diào)查的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在防撞擊存儲(chǔ)器上，以免發(fā)生事故時(shí)被損壞。在基于 CTCS2-200C擴(kuò)展的列控車載設(shè)備中，司法記錄器通過(guò) RS422串口與擴(kuò)展單元連接。根據(jù)城際鐵路列控系統(tǒng)的特點(diǎn)，除 CTCS-2 級(jí)車載設(shè)備規(guī)范[3]規(guī)定的內(nèi)容以外，擴(kuò)展單元還將 ATO 的關(guān)鍵控車信息發(fā)送給 JRU記錄。上述信息通過(guò) [JRU-14] STM 包存儲(chǔ)，確保與現(xiàn)有的JRU設(shè)備兼容。

圖3 車載無(wú)線功能劃分

3 系統(tǒng)測(cè)試

基于該方案設(shè)計(jì)的城際鐵路列控車載設(shè)備主要進(jìn)行以下仿真測(cè)試。

（1）利用 200C 目標(biāo)模擬器和仿真擴(kuò)展單元軟件搭建測(cè)試環(huán)境，對(duì) CTCS2-200C 進(jìn)行測(cè)試，基于目標(biāo)模擬器搭建的測(cè)試環(huán)境如圖 4 所示。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 CTCS2-200C的 RS422 口連接，為 200C 提供新增的列車 IO 信息、無(wú)線消息和 ATO 信息等。

圖4 基于目標(biāo)模擬器搭建的測(cè)試環(huán)境

（2）利用龍廈鐵路中三站兩區(qū)間的數(shù)據(jù)搭建仿真測(cè)試平臺(tái)，對(duì) ATP 設(shè)備、ATO 設(shè)備、CCS 設(shè)備、無(wú)線通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)及列控中心等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

仿真測(cè)試結(jié)果表明：基于 CTCS2-200C 擴(kuò)展的列控車載設(shè)備能夠滿足城際鐵路的需要。該方案對(duì)既有 CTCS2-200C 設(shè)備改動(dòng)較小，在保證安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)城際鐵路列控系統(tǒng)的功能需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò) CTCS2-200C 擴(kuò)展單元集成 ATO、CCS、RTU 等相關(guān)設(shè)備構(gòu)成城際鐵路 CTCS2+ATO 列控車載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城際鐵路列控系統(tǒng)功能。經(jīng)方案論證和仿真測(cè)試，基于 CTCS2-200C 城際列控車載設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù) CTCS2-200C 擴(kuò)展單元方案設(shè)計(jì)合理可行。該城際鐵路列控系統(tǒng)有利于提高信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)化程度，降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國(guó)城際軌道交通運(yùn)營(yíng)管理水平。

[1] 中國(guó)鐵路總公司. 城際鐵路 CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案[S]. 北京：中國(guó)鐵路總公司，2013.

[2] 中國(guó)人民共和國(guó)鐵道部. CTCS-3級(jí)列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范( 暫行 )[S]. 北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2012.

[3] 中國(guó)鐵路總公司. CTCS-2級(jí)列控車載設(shè)備暫行技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)鐵路總公司，2014.