200C型列控車載設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及核心部件深化研究

■ 李輝 范明 李一楠

200C型列控車載設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及核心部件深化研究

■ 李輝 范明 李一楠

200C型列控車載設(shè)備是中國第一代CTCS列控車載設(shè)備，基于引進國外的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)列車運行安全防護功能。在200C設(shè)備中有部分核心部件和關(guān)鍵技術(shù)作為非技術(shù)轉(zhuǎn)讓項目，給200C設(shè)備的功能擴展、系統(tǒng)升級，以及運用和維護帶來極大困難。以核心部件CFSK模塊替代方案和系統(tǒng)軟件升級為例，詳細介紹200C關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)深化研究的過程和成果，為全面實現(xiàn)列控車載設(shè)備自主化提供借鑒。

列控車載設(shè)備；關(guān)鍵技術(shù)；核心部件；自主化；自動過分相

1 概述

2007年，原鐵道部從國外技術(shù)引進了CTCS2-200C型列控車載設(shè)備（簡稱200C設(shè)備，見圖1），設(shè)備的技術(shù)轉(zhuǎn)讓方為法國CSEE公司，技術(shù)受讓實施方是以中國鐵道科學(xué)研究院作為牽頭方的聯(lián)合體。

圖1 CTCS2-200C型列控車載設(shè)備

為了深入掌握200C設(shè)備的核心技術(shù)，自2009年起，項目組在技術(shù)引進的基礎(chǔ)上，全面研究200C設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，進行了國產(chǎn)化CFSK板替代進口CRNB50板、國產(chǎn)化應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）設(shè)備替代進口BTM設(shè)備、200C軟件客專適應(yīng)性優(yōu)化、自動過分相功能實現(xiàn)及C2+列車自動駕駛（ATO）功能擴展等自主創(chuàng)新工作，完成了產(chǎn)品開發(fā)、安全認證、型式試驗、現(xiàn)場測試等環(huán)節(jié)，最終替代產(chǎn)品實現(xiàn)了現(xiàn)場商用。

2 國產(chǎn)CFSK板替代進口CRNB50板

軌道電路信息接收是C2車載設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)之一，在200C設(shè)備中由CRN模塊完成。該模塊為外方核心技術(shù)，也是200C設(shè)備運用和維護的薄弱環(huán)節(jié)。如何用自主化CFSK模塊替代引進CRN模塊的全部功能，是深化研究的主要任務(wù)之一。

2.1 總體方案

在深入研究200C設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過多次方案比選及論證，提出了最優(yōu)化的CFSK板替代方案。在現(xiàn)有200C硬件不變的基礎(chǔ)上，采用自主研發(fā)的二乘二取二CFSK模塊，接收CTCS-0級和CTCS-2級軌道電路連續(xù)信息。替代方案的核心是基于主控軟件修改軌道電路相關(guān)函數(shù)調(diào)用程序，底層程序和應(yīng)用程序主體不變，主要對主控應(yīng)用處理單元軟件進行修改，修改內(nèi)容包括：列控車載設(shè)備（ATP）主控程序中軌道電路信息調(diào)用、優(yōu)化載頻一致性判斷、根據(jù)應(yīng)答器信息切換上下行載頻、增加CFSK運行數(shù)據(jù)和故障記錄等；CFSK軟件的修改則主要是為適應(yīng)CTCS-2級車載設(shè)備應(yīng)用做了必要的優(yōu)化。替代系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，紅色區(qū)域為CFSK替代的CTVMS模塊。

2.2 關(guān)鍵算法設(shè)計

（1）軌道電路信息調(diào)用修改。軌道電路信息調(diào)用的原則：在任何級別下，都不再使用CRN的譯碼結(jié)果，修改在CTCS-2級下軌道電路信息的調(diào)用邏輯。首先判斷CFSK板的狀態(tài)，當CFSK板正常時，將CFSK板的譯碼結(jié)果直接發(fā)給安全計算機；當CFSK板異常時，將CFSK板的故障信息發(fā)送給安全計算機。

（2）優(yōu)化載頻一致性判斷。當列車在CTCS-2級線路運行時，車載設(shè)備通過應(yīng)答器［CTCS-1］包得到軌道電路的數(shù)據(jù)，包括軌道電路的起點、長度、載頻和末端的信號機類型。車載設(shè)備以此和實際收到的載頻進行比較，如果不一致，則提示司機載頻不一致，刪除線路數(shù)據(jù)同時觸發(fā)最大常用制動，保證行車安全。當列車經(jīng)過絕緣節(jié)收到新的載頻時，CRN立即將該載頻信息傳給安全計算機，而CFSK為了譯碼的可靠性，經(jīng)3次比較后載頻和低頻信息一起傳給安全計算機。為了提高車載設(shè)備對CFSK譯碼的延時容限，對載頻判斷的算法進行了修改。

圖2 CFSK模塊替代結(jié)構(gòu)示意

①計算列車所在區(qū)段的載頻最小范圍Dmin和最大范圍Dmax。

式中：D_Max、 D_Min分別為列車最大安全位置、列車最小安全位置；D_Sen為CFSK傳感器距列車車頭的距離；v為列車當前的速度；Δt為考慮CFSK載頻譯碼和傳輸?shù)难訒r。

②查找應(yīng)答器數(shù)據(jù)中該范圍內(nèi)的所有載頻集F。

式中：D_Starti、D_Endi分別為應(yīng)答器數(shù)據(jù)中第i段軌道電路的起點和終點。

③將實際收到的載頻f0與有效載頻集F比較，如果f0∈F，則載頻一致，否則為不一致。

（3）根據(jù)應(yīng)答器信息切換上下行載頻。在CTCS-2級區(qū)段，載頻的選擇命令不但要由司機發(fā)車時通過人機界面（DMI）選擇實現(xiàn)，更多情況是采用應(yīng)答器信息自動切換上下行命令，替代方案增加了發(fā)送應(yīng)答器上下行信息命令給CFSK模塊功能，從而實現(xiàn)在CTCS-2級區(qū)段與原系統(tǒng)的載頻切換處理機制保持一致。

（4）增加CFSK運行數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)記錄。在SAM數(shù)據(jù)記錄中添加CFSK相關(guān)信息，其中包括：低頻信息、載頻信息、信號幅度、CFSK運行狀態(tài)、CFSK接收的當前軌道電路類型。通過這些運行和狀態(tài)記錄可以更好地進行系統(tǒng)維護，有利于故障查找和判定。

該方案設(shè)計合理、簡便易行，只需拆下CRNB50和CPOV板件，以及2G感應(yīng)器和TVM接線盒等設(shè)備，并更換已經(jīng)灌裝替代程序的CCTE板件即可。該方案無需更改配線，不會影響設(shè)備啟機和自檢。通過國產(chǎn)CFSK板替代，200C設(shè)備在軌道電路接收方面徹底擺脫了國外供應(yīng)商的束縛，滿足CTCS0/2級運用要求。該項創(chuàng)新優(yōu)化了200C系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，顯著降低了200C設(shè)備總成本，符合CTCS-2級技術(shù)規(guī)范。

3 系統(tǒng)軟件升級

3.1 200C軟件客專適應(yīng)性優(yōu)化

200C軟件的最初設(shè)計只滿足在既有CTCS-0/2級線路上的運用，隨著高速鐵路（客運專線）的快速發(fā)展，出現(xiàn)了更多新需求和復(fù)雜的現(xiàn)場運用場景。為解決這些問題，項目組自主完成對軟件的適應(yīng)性修改，優(yōu)化并完成的軟件功能主要包括：

（1）大號碼道岔處理優(yōu)化。

（2）京津城際鐵路應(yīng)答器特殊處理。由于京津城際鐵路北京南站7道進站地面應(yīng)答器未按照線路實際情況描述鏈接關(guān)系（不符合CTCS規(guī)范），導(dǎo)致應(yīng)答器丟失觸發(fā)制動。對200C軟件側(cè)線丟失應(yīng)答器防護功能進行了特殊處理，即70-2-4-15和70-2-4-16兩組應(yīng)答器丟失按地面鏈接反應(yīng)處理（無反應(yīng)）。

（3）提高進站效率。為提高京津城際鐵路的進站效率，完全模式（FS）轉(zhuǎn)入部分模式（PS3）的轉(zhuǎn)換條件由原來的300 m改為150 m。

（4）ETCS-46包兼容性。為解決接收ETCS-46信息包時200C報應(yīng)答器信息錯誤的問題，根據(jù)應(yīng)答器規(guī)范的報文定義，在軟件中增加相關(guān)代碼，正確識別和解析ETCS-46包信息。

（5）加強側(cè)向應(yīng)答器安全防護。為加強側(cè)向應(yīng)答器防護功能，提高系統(tǒng)安全性，將接收到默認報文加入到防護條件中，當側(cè)向進站接收到默認報文時會觸發(fā)最大常用制動，速度低于45 km/h時轉(zhuǎn)入PS模式，刪除線路數(shù)據(jù)。

（6）增加與動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)DMS廠家提出的需求，修改ATP與列車運行監(jiān)控裝置（LKJ）通信協(xié)議，增加向DMS傳輸應(yīng)答器信息、載頻信息、工況信息、司機操作信息、ATP各模塊狀態(tài)等信息。

（7）DEF故障的解決。列車接口自檢時，每隔一定時間間隔發(fā)出一條指令，然后檢查回讀。各個鏈路的時間間隔根據(jù)繼電器類型不同而不同，交權(quán)模塊自檢時間間隔設(shè)置為2．5 s，即每2．5 s改變一次輸出，然后檢查回讀。通過對該繼電器性能分析和測試驗證，證明2．5 s的時間間隔有很大余量，在程序中調(diào)整至2．2 s，每個步驟縮短0．3 s，10個檢測步驟共縮短3 s。這樣DEF自檢在22 s內(nèi)完成，保持和I73版底層一致。經(jīng)過實驗室數(shù)千次的啟動測試驗證，未發(fā)生DEF故障導(dǎo)致的啟動不成功情況。

（8）測速測距模塊（CODOU）通信故障的解決。通過對安全計算機與CODOU通信機制的深入研究，確定方案為基于CODOU與主機通信冗余結(jié)構(gòu)及狀態(tài)實時檢測機制，軟件在啟動自檢時，優(yōu)化對CODOU狀態(tài)的檢測裕度。軟件修改后結(jié)合集成測試結(jié)果，數(shù)千次啟動均未出現(xiàn)CODOU通信故障情況。

通過200C軟件客專適應(yīng)性優(yōu)化，項目組按照原鐵道部技術(shù)轉(zhuǎn)讓的要求，掌握了200C設(shè)備軟件優(yōu)化和功能性修改技術(shù)，并通過對200C設(shè)備軟件的深入分析，具備了進一步優(yōu)化200C設(shè)備的能力，完全打破了外方對200C設(shè)備軟件修改控制的格局；同時，軟件優(yōu)化大大降低了200C設(shè)備的故障率，目前，設(shè)備整體故障率已降低至原故障率的20%以下。

3.2 自動過分相功能實現(xiàn)

為了進一步完善既有CTCS-2級列控車載設(shè)備功能，實現(xiàn)既有設(shè)備與CTCS-3級列控車載設(shè)備的CTCS-2級功能一致性，中國鐵路總公司提出了既有設(shè)備實現(xiàn)自動過分相功能的需求。根據(jù)鐵總運［2014］29號《CTCS-2級列控車載設(shè)備暫行技術(shù)規(guī)范》對于分相控制的相關(guān)要求，項目組進行了200C設(shè)備軟硬件的適應(yīng)性設(shè)計和修改。

由于原200C設(shè)備不具備自動過分相功能，并且在硬件設(shè)計中未預(yù)留自動過分相接口，項目組通過對200C設(shè)備硬件接口的詳細分析及列車接口板件（MTORE）的深入研究，提出擴展使用MTORE板輸入輸出的硬件方案，并配套相應(yīng)的軟件方案，最終實現(xiàn)了原200C設(shè)備不具備的自動過分相功能。自動過分相軟件修改主要涉及3方面：主機軟件、DMI軟件和地面分析軟件。

（1）主機軟件修改。

報文解析模塊：主要實現(xiàn)對［ETCS-68］信息的解析和傳遞；

過分相控制模塊：分相功能控制；

列車接口模塊：增加與分相功能相關(guān)的輸入輸出；

DMI接口模塊：增加分相功能相關(guān)的通信信息；

運行數(shù)據(jù)記錄模塊：增加分相功能的相關(guān)記錄；

LKJ通信模塊：增加分相相關(guān)通信信息，用于DMS的信息傳輸。

（2）DMI軟件修改。

圖標管理模塊：增加分相功能相關(guān)圖標；

通信模塊：與主機軟件通信匹配。

（3）地面分析軟件修改。

數(shù)據(jù)解析模塊：數(shù)據(jù)分析軟件對［ETCS-68］信息包正確解析；

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。

200C設(shè)備新增的自動過分相功能完全滿足中國鐵路總公司相關(guān)規(guī)范的要求。

3.3 C2+ATO功能擴展

為更好地適應(yīng)城際軌道交通的需要，結(jié)合我國鐵路信號系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和城際軌道交通用戶需求，項目組對200C軟件進行適應(yīng)性修改，滿足了C2+ATO的總體技術(shù)方案。

（1）增加與200C擴展單元的通信模塊。實現(xiàn)ATP獲取無線模塊設(shè)備狀態(tài)、ATO設(shè)備狀態(tài)、IO及其他外設(shè)狀態(tài)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)、通信控制服務(wù)器（CCS）注冊/注銷狀態(tài)、門控狀態(tài)信息，以及ATP發(fā)送ATO允許、門控許可、屏蔽門開關(guān)許可信息。

（2）實現(xiàn)精確定位功能。實現(xiàn)接收并正確解析地面精確定位應(yīng)答器報文信息，獲得運營停車點位置信息，列車停穩(wěn)后，啟動精確定位判斷列車準確停在運營停車點的安全停車窗范圍內(nèi)（-0．5～0．5 m）。

（3）擴展模式管理功能。為實現(xiàn)城際鐵路列控系統(tǒng)功能，在原有200C設(shè)備模式管理功能的基礎(chǔ)上，擴展了對機車信號模式（CS）、休眠模式（SL）和自動駕駛模式（AM）的管理功能，并很好地調(diào)配了新增模式與既有模式之間的關(guān)系。

通過C2+ATO的功能擴展，為200C設(shè)備在城際軌道交通中的應(yīng)用提供了可能性，也實現(xiàn)了我國自主建立的城際軌道交通自動駕駛應(yīng)用。

4 其他技術(shù)深化研究成果

4.1 國產(chǎn)BTM設(shè)備替代進口BTM設(shè)備

應(yīng)答器信息接收是200C設(shè)備另一個關(guān)鍵技術(shù)。在200C設(shè)備故障統(tǒng)計中，BTM相關(guān)故障占很大比例。由于BTM為非轉(zhuǎn)讓技術(shù)，因此對其故障的分析處理成為當務(wù)之急。項目組首先對進口BTM設(shè)備與200C安全計算機平臺的通信接口進行了詳細分析，在無外方技術(shù)人員及文件的支持下，完全破解了200C設(shè)備的Profibus通信握手協(xié)議、總線令牌邏輯及CTODL同步協(xié)議，實現(xiàn)了國產(chǎn)BTM設(shè)備與主控單元的無縫銜接及進口BTM設(shè)備的替代。方案的實施不用對原有設(shè)備接口做任何變動，現(xiàn)場保留原設(shè)備電纜，即可直接實現(xiàn)設(shè)備替換。

國產(chǎn)BTM設(shè)備具備良好的抗干擾性能，有效解決了進口BTM設(shè)備在CRH2型動車組及部分CRH5型動車組上存在受外界干擾易發(fā)故障的慣性問題，通過在CRH2057/58車上的替代，為西安鐵路局減少直接經(jīng)濟損失約600萬元。

國產(chǎn)BTM設(shè)備的替代，填補了國產(chǎn)BTM設(shè)備與列控車載設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)的空白，進一步提升了國產(chǎn)設(shè)備在200C設(shè)備中的整體比例，深化了200C設(shè)備的國產(chǎn)替代進程。

4.2 單套200C設(shè)備雙端應(yīng)用的實現(xiàn)

目前成熟運營的200C設(shè)備均裝備在動車組上，接觸網(wǎng)作業(yè)車上檢修設(shè)備眾多，其列車接口和機械安裝與動車組有明顯區(qū)別，且接觸網(wǎng)作業(yè)車又有其特殊的雙端操作等運用要求，因此需要對車載設(shè)備與接觸網(wǎng)作業(yè)車的電氣接口、安裝機械接口及車輛制動等參數(shù)進行適配，以滿足接觸網(wǎng)作業(yè)車的運用需求。

為實現(xiàn)200C設(shè)備在接觸網(wǎng)作業(yè)車上的安裝適配，項目組深入研究200C設(shè)備與接觸網(wǎng)作業(yè)車接口的需求，優(yōu)化了200C設(shè)備現(xiàn)有的列車接口方案，通過增加雙端切換及接口轉(zhuǎn)換邏輯的方式，完成了200C設(shè)備與接觸網(wǎng)作業(yè)車的列車接口適配，從而實現(xiàn)了單套200C設(shè)備控制雙端DMI及軌道電路接收感應(yīng)器的功能。該項目已經(jīng)通過了中國鐵路總公司方案評審及試驗評審。

單套200C設(shè)備雙端應(yīng)用的實現(xiàn)，為我國機車使用ATP設(shè)備提供了解決方案，使ATP設(shè)備可應(yīng)用于動車組以外的車型上，為ATP的發(fā)展提供了更廣闊的前景。

5 結(jié)束語

200C設(shè)備的深入優(yōu)化研究提升了國產(chǎn)設(shè)備在200C設(shè)備中的整體占有比例，深化了200C設(shè)備的國產(chǎn)替代進程，并優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了200C設(shè)備總體成本，為200C設(shè)備的市場競爭力提供了有力保證。目前項目組繼續(xù)優(yōu)化完善200C設(shè)備，積極適應(yīng)新需求，開拓200C設(shè)備的潛在市場。隨著國產(chǎn)化和自主化工作的深入，200C列控車載設(shè)備已逐漸擺脫了國外供應(yīng)商的束縛，具有良好的發(fā)展前景。項目成果已在沈陽、北京、上海、烏魯木齊等12個鐵路局得到應(yīng)用和推廣，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

李 輝：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，副研究員，北京，100081

范 明：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，研究員，北京，100081

李一楠：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，副研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 盧敏

U284

A

1672-061X（2015）02-0103-04

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2013X001-B）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道科學(xué)研究院科學(xué)技術(shù)獎一等獎。