CTCS2-200C型ATP車載設(shè)備自動(dòng)過分相功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李一楠，徐樂英，劉德超

（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)鐵路運(yùn)行速度的提高，列車通過分相區(qū)時(shí)間間隔變得更短，如果司機(jī)頻繁瞭望線路上的分相區(qū)標(biāo)志牌并手動(dòng)完成斷主斷、合主斷的操作，一旦出現(xiàn)失誤將會(huì)引起故障。因此利用自動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)過分相功能成為必然。目前我國(guó)在不同等級(jí)線路上采用了不同的自動(dòng)過分相方法，降低了司機(jī)疲勞度，提高了運(yùn)輸安全和自動(dòng)化程度。自動(dòng)過分相大體分為兩種技術(shù)：（1）車載過分相控制裝置與地面磁感應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相；（2）車載ATP設(shè)備與無線閉塞中心（RBC）或地面應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相。

1 自動(dòng)過分相工作原理

1.1 地面感應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相

在200 km/h線路上運(yùn)行的動(dòng)車組，均采用地面感應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相。由車載控制裝置和地面感應(yīng)器兩部分組成。地面感應(yīng)器可提供分相預(yù)告信號(hào)、即時(shí)斷電信號(hào)、自動(dòng)恢復(fù)信號(hào)，為車載控制裝置提供是否臨近分相點(diǎn)或已過分相點(diǎn)的判斷依據(jù)。車載控制裝置根據(jù)接收到的地面感應(yīng)器信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)過分相功能的相應(yīng)控制。

1.2 CTCS-2級(jí)車載ATP自動(dòng)過分相

車載列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）設(shè)備根據(jù)地面設(shè)備提供的分相區(qū)信息，在適當(dāng)位置給動(dòng)車組過分相裝置發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相。對(duì)于CTCS-3級(jí)列車控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱：列控系統(tǒng)），分相區(qū)信息與列車行車許可一起由RBC提供給列車。

對(duì)于CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)，分相區(qū)信息由地面應(yīng)答器提供給列車，前方自動(dòng)過分相信息來自地面應(yīng)答器。正常情況下，車載ATP設(shè)備在收到分相預(yù)告應(yīng)答器的報(bào)文ETCS-68包信息后，輸出分析有效信號(hào)為高電平，此時(shí)應(yīng)由車載ATP設(shè)備控制自動(dòng)過分相，直到列車通過分相區(qū)600 m后，分相有效信號(hào)降為低電平。

2 技術(shù)方案

2.1 總體技術(shù)方案

本方案設(shè)計(jì)基于成熟的，滿足CTCS2級(jí)列控系統(tǒng)功能要求的CTCS2-200C型ATP車載設(shè)備。根據(jù)ATP輸出的分相有效指令，由車輛控制器判斷采用ATP 控制方式還是車輛控制方式。如果分相有效指令為高電平，則由ATP控制過分相；如果分相有效指令為低電平，則由車輛控制過分相。分相控制原理如圖1所示。

圖1 分相控制原理圖

分相有效置位時(shí)機(jī)：收到過分相應(yīng)答器信息。

分相有效復(fù)位時(shí)機(jī)：分相區(qū)結(jié)束點(diǎn)后600 m。

分相指令置位時(shí)機(jī)：列車行至分相區(qū)起始位置前3 s～10 s處（具體時(shí)間由車輛給出）。

分相指令復(fù)位時(shí)機(jī)：分相區(qū)結(jié)束點(diǎn)后130 m。

司機(jī)-車載設(shè)備接口（DM I）聲音輸出時(shí)機(jī)：列車行至分相區(qū)起始位置前10 s處。

DM I聲音復(fù)位時(shí)機(jī)：分相區(qū)起始位置處。

2.2 硬件改造

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相功能，CTCS2-200C型ATP車載設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱200C）硬件改造主要涉及以下4個(gè)方面。

（1）EVC-A/B組匣增加布線

增加組匣內(nèi)部安全輸入輸出插件（mTORE）到繼電器插件（COR6U）的布線，實(shí)現(xiàn)組匣內(nèi)部繼電器之間的邏輯關(guān)系以及2個(gè)指令（“分相有效”和“分相指令”）的繼電器結(jié)點(diǎn)輸出。

（2）控制組匣增加開關(guān)和布線

由于200C已經(jīng)沒有足夠的轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點(diǎn)，所以需要在控制組匣上再增加一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)（組匣已預(yù)留安裝孔位），實(shí)現(xiàn)分相的隔離功能，通過開關(guān)可以強(qiáng)制200C輸出“分相指令”有效和“分相指令”無效。

（3）機(jī)柜增加布線

增加組匣到機(jī)柜之間的布線，實(shí)現(xiàn)組匣信號(hào)從機(jī)柜的輸出。

（4）機(jī)車布線更換

在200C機(jī)柜既有的P2接口增加2組信號(hào)，實(shí)現(xiàn)ATP與車輛控制器的連接，實(shí)現(xiàn)200C的自動(dòng)過分相功能。

2.3 軟件修改

軟件修改主要涉及3個(gè)方面：主機(jī)軟件，DM I軟件，地面分析軟件。

2.3.1 主機(jī)軟件修改

（1）報(bào)文解析模塊：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)ETCS-68信息的解析和傳遞。

（2）過分相控制模塊：分相功能控制。

（3）列車接口模塊：增加與分相功能相關(guān)的輸入輸出。

（4）DM I接口模塊：增加分相功能相關(guān)的通信信息。

（5）運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄模塊：增加分相功能的相關(guān)記錄。

（6）列車運(yùn)行監(jiān)控記錄（LKJ）通信模塊：增加分相相關(guān)通信信息，用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）的信息傳輸。

2.3.2 DM I軟件修改

（1）圖標(biāo)管理模塊：增加分相功能相關(guān)圖標(biāo)。（2）通信模塊：與主機(jī)軟件通信匹配。

2.3.3 地面分析軟件修改

（1）數(shù)據(jù)解析模塊：數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)ETCS-68信息包正確解析。

（2）數(shù)據(jù)顯示模塊：數(shù)據(jù)分析軟件增加分相功能相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的顯示。

3 方案實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述技術(shù)方案進(jìn)行軟件修改和硬件改造，實(shí)現(xiàn)200C雙路冗余自動(dòng)過分相功能。

3.1 增加輸入輸出通道

200C有兩條輸入輸出鏈路（A鏈、B鏈），輸出指令時(shí)，安全計(jì)算機(jī)（CCTE）將輸出指令通過Profibus總線發(fā)送至mTORE插件（輸入輸出板），MTORE插件再通過相關(guān)繼電器輸出至列車。接收回讀信號(hào)時(shí)，mTORE將相關(guān)繼電器狀態(tài)通過Profibus總線發(fā)送至CCTE。為了實(shí)現(xiàn)A鏈、B鏈自動(dòng)過分相輸入輸出功能冗余，每條輸入輸出鏈路增加分相有效輸出、分相指令輸出、分相有效回讀、分相指令回讀、分相隔離輸入、分相禁止輸入，200C系統(tǒng)中，E代表輸入，S代表輸出。A、B兩鏈分相有效輸出和分相指令輸出邏輯如圖2所示。

圖2 輸入輸出邏輯示意圖

3.2 ETCS-68包處理

ETCS-68包描述前方特殊區(qū)段信息，既有版本軟件對(duì)ETCS-68包不處理，因此需要對(duì)該數(shù)據(jù)包解析。ETCS-68包結(jié)構(gòu)中，D_TRACKCOND字段指示到特殊區(qū)段的距離，L_ TRACKCOND字段指示特殊區(qū)段的長(zhǎng)度，M_TRACKCOND字段描述特殊區(qū)段類型，該字段值為9（二進(jìn)制值為1001）時(shí)代表分相區(qū)。一個(gè)ETCS-68包可以嵌套多段特殊區(qū)段描述，通過N_ITER字段值來說明嵌套描述次數(shù)。

當(dāng)接收到應(yīng)答器組描述的報(bào)文時(shí)：（1）對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行有效性判斷，如方向有效、報(bào)文長(zhǎng)度描述正確、數(shù)據(jù)包內(nèi)容正確、存儲(chǔ)空間剩余等。（2）只針對(duì)ETCS-68包中描述的分相區(qū)（M_TRACKCOND == 9）進(jìn)行處理，其他特殊區(qū)段不處理。特殊區(qū)段存儲(chǔ)數(shù)量最大為15個(gè)，如果數(shù)量大于15則會(huì)報(bào)錯(cuò)。每當(dāng)接收到新的ETCS-68包時(shí)，如果數(shù)據(jù)有效，則刪除所有已經(jīng)存儲(chǔ)的特殊區(qū)段，并存儲(chǔ)新的ETCS-68包中描述的特殊區(qū)段，即接收到有效的ETCS-68包描述后，刪除舊數(shù)據(jù)，使用新數(shù)據(jù)。

3.3 分相區(qū)管理

每次讀取到ETCS-68包時(shí)，安全計(jì)算機(jī)將ETCS-68包描述的分相區(qū)依次存儲(chǔ)（在一個(gè)ETCS-68包中可以描述多個(gè)分相區(qū)），在應(yīng)用層處理分相區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，采取先存儲(chǔ)、先讀取的原則。

當(dāng)接收到一個(gè)新的、有效的ETCS-68包描述前方分相區(qū)后，將刪除之前存儲(chǔ)的所有分相區(qū)信息，采用新的分相區(qū)描述。如圖 3所示，應(yīng)答器組A描述分相區(qū)1和分相區(qū)2，當(dāng)ATP接收到應(yīng)答器組B后，分相區(qū)1和分相區(qū)2信息將被刪除，只執(zhí)行分相區(qū)3的輸出指令。

分相有效輸出持續(xù)到分相區(qū)結(jié)束點(diǎn)之后600 m，因此在處理分相區(qū)信息時(shí)，必須保留分相區(qū)信息直到越過分相區(qū)結(jié)束點(diǎn)600 m，如圖 4所示。

圖 3 采用最新的分相區(qū)描述

如圖5所示，如果兩個(gè)分相區(qū)相隔較近，即分相區(qū)1的結(jié)束點(diǎn)和分相區(qū)2的起始點(diǎn)距離在600 m內(nèi)，則將這兩個(gè)分相區(qū)合并為一個(gè)分相區(qū)，避免在兩個(gè)分相區(qū)之間分相有效和分相指令輸出瞬間跳變。

圖 5 兩個(gè)分相區(qū)相隔較近時(shí)合并為一個(gè)分相區(qū)

3.4 指令輸出邏輯

方案設(shè)計(jì)中，車載ATP需向車輛提供兩個(gè)輸出，分析有效和分相指令。分相有效輸出和分相指令輸出時(shí)機(jī)如圖6所示。

圖 6 分相有效輸出和分相指令輸出示意圖

由于涉及到邏輯性的描述較多，利用圖表形式描述將更加清晰明確。下文的邏輯圖中，其中帶弧線的條件表示邏輯“與”，不帶弧線的條件表示邏輯“或”。

3.4.1 分相有效輸出高電平邏輯

分相有效輸出高電平邏輯如圖7所示。

圖 7 分相有效輸出高電平邏輯

3.4.2 分相指令輸出高電平邏輯

分相指令輸出高電平邏輯如圖8所示。

3.5 隔離和禁止

圖 8 分相指令輸出高電平邏輯

自動(dòng)過分相功能具備硬件隔離開關(guān)，該開關(guān)有“正常”、“隔離”、“禁止”3個(gè)檔位。當(dāng)處于隔離檔位時(shí)，ATP不處理分相區(qū)數(shù)據(jù)，自檢功能正常，能夠記錄故障數(shù)據(jù)，DM I提示“自動(dòng)過分相輸出被隔離”，但不向DM I發(fā)送自動(dòng)過分相其他故障信息。一旦將隔離開關(guān)置于“隔離”位，隔離狀態(tài)不可恢復(fù)，除非重啟系統(tǒng)。“禁止”狀態(tài)與“隔離”狀態(tài)的唯一區(qū)別是，“禁止”狀態(tài)下不向DM I發(fā)送任何自動(dòng)過分相相關(guān)文本，包括“自動(dòng)過分相輸出被隔離”文本信息。

3.6 系統(tǒng)原理圖

綜上所述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為采用雙機(jī)冗余的方法，A/B組匣分別用兩組繼電器控制分相有效、分相指令的送出。S10輸出高電平，使分相有效繼電器閉合送出分相有效信號(hào)，同時(shí)也會(huì)把+24 V EMTORE信號(hào)送至E10端，作為繼電器動(dòng)作的反饋信號(hào)；S11輸出高電平，使分相指令繼電器閉合送出分相指令信號(hào)，同時(shí)也把+24 V EMTORE信號(hào)送至E11端，作為繼電器動(dòng)作的反饋信號(hào)。在控制組匣（CPR）增加旋鈕開關(guān)，可以控制ATP自動(dòng)過分相功能處于正常、隔離或禁止位。如圖9所示。

4 仿真驗(yàn)證

利用200C車載設(shè)備仿真測(cè)試平臺(tái)對(duì)經(jīng)過硬件改造和軟件修改的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)安全測(cè)試。測(cè)試包括新增功能案例測(cè)試，DM I語(yǔ)音、圖標(biāo)和文本消息測(cè)試，輸入輸出接口測(cè)試等自動(dòng)過分相相關(guān)的專項(xiàng)測(cè)試。此外，為確保新增自動(dòng)過分相功能未對(duì)原系統(tǒng)安全性和可用性造成影響，必須進(jìn)行全面的系統(tǒng)測(cè)試。

經(jīng)過系統(tǒng)仿真測(cè)試驗(yàn)證，CTCS-200C型ATP設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)過分相功能，滿足自動(dòng)過分相總體技術(shù)方案要求。

圖 9 系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過方案論證和仿真測(cè)試驗(yàn)證，本文提出的基于CTCS2-200C型ATP設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過分相功能的方案設(shè)計(jì)具備可行性。與原地面感應(yīng)器過分相設(shè)備實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，系統(tǒng)安全性得到加強(qiáng)，有利于鐵路安全運(yùn)營(yíng)。

參考文件：

[1] 中國(guó)鐵路總公司. 鐵總運(yùn)[2014]29號(hào). 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.

[2] 中國(guó)鐵路總公司. 鐵總運(yùn)[2014]30號(hào). CTCS-2/3級(jí)列控車載設(shè)備人機(jī)界面(DM I)顯示暫行規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)鐵路總公司，2014.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部. 鐵運(yùn)[2012]211號(hào). 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.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部. 科技運(yùn)[2010]136號(hào). CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則（V2.0）[S]. 北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2010.

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部. 科技運(yùn)[2007]45號(hào). 既有線CTCS-2列控系統(tǒng)車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2007.

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部. 科技運(yùn)[2009]號(hào). 客運(yùn)專線列控系統(tǒng)（CTCS）系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)需求規(guī)范[S]. 北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2009.