CTCS-2至CTCS-3等級(jí)轉(zhuǎn)換的研究及仿真

曹雅鑫

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

CTCS-2至CTCS-3等級(jí)轉(zhuǎn)換的研究及仿真

曹雅鑫

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

分析CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)換至CTCS-3級(jí)的具體流程以及轉(zhuǎn)換過程中的車地信息交互。以西南交通大學(xué)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)為研究對(duì)象，針對(duì)該系統(tǒng)CTCS-2級(jí)至CTCS-3級(jí)等級(jí)轉(zhuǎn)換的功能空缺，在車載子系統(tǒng)中增加等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊，完善地面子系統(tǒng)相關(guān)功能，并對(duì)CTCS-2級(jí)至CTCS-3級(jí)的等級(jí)轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行仿真測(cè)試。結(jié)果表明，該平臺(tái)能夠正確地完成CTCS-2級(jí)至CTCS-3級(jí)的等級(jí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中超速防護(hù)功能及司機(jī)提示功能，并對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中車地仿真消息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和顯示。

CTCS；等級(jí)轉(zhuǎn)換；仿真平臺(tái)

CTCS-3級(jí)（簡(jiǎn)稱：C3）列控系統(tǒng)與CTCS-2級(jí)（簡(jiǎn)稱：C2）列控系統(tǒng)是中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS，Chinese Train Control System）的重要組成部分。C3級(jí)列控系統(tǒng)集成C2級(jí)列控系統(tǒng)，在一定線路條件下，要進(jìn)行C2級(jí)與C3級(jí)列控系統(tǒng)的等級(jí)轉(zhuǎn)換。C3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)原則將等級(jí)轉(zhuǎn)換場(chǎng)景作為14個(gè)主要場(chǎng)景之一，并給出車載設(shè)備等級(jí)轉(zhuǎn)換過程和列控系統(tǒng)應(yīng)遵守的原則[1]。本文對(duì)C2級(jí)至C3級(jí)等級(jí)轉(zhuǎn)換流程以及等級(jí)切換過程中車地信息交互進(jìn)行了詳細(xì)研究。以西南交通大學(xué)C3級(jí)列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)為依托，開發(fā)等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)，對(duì) C2級(jí)至C3級(jí)的正常轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了仿真。

1 C2至C3等級(jí)轉(zhuǎn)換原理

1.1 C2級(jí)切換至C3級(jí)流程

C2級(jí)轉(zhuǎn)換至C3級(jí)過程中需設(shè)置GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接注冊(cè)信息應(yīng)答器組（GRE）、無(wú)線閉塞中心（RBC）、連接應(yīng)答器組 （RL），等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組（YG）、等級(jí)轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器組（ZX）。

當(dāng)列車經(jīng)過GRE應(yīng)答器組時(shí)，車載設(shè)備根據(jù)GRE應(yīng)答器組報(bào)文信息注冊(cè)到正確的GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)列車運(yùn)行至RL應(yīng)答器組時(shí)，車載設(shè)備按照RL的信息呼叫RBC，之后RBC會(huì)向車載系統(tǒng)發(fā)送位置報(bào)告參數(shù)和行車許可參數(shù)，車載系統(tǒng)向RBC反饋確認(rèn)信息并報(bào)告列車位置，至此車載設(shè)備與RBC的連接建立完成。

列車經(jīng)過YG應(yīng)答器組，車載設(shè)備收到Y(jié)G發(fā)送的定位信息后向RBC報(bào)告列車位置，RBC向車載發(fā)送行車許可以及等級(jí)轉(zhuǎn)換信息。

在通過ZX應(yīng)答器組時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行等級(jí)轉(zhuǎn)換，切換為C3級(jí)控車單元，此后以C3級(jí)速度–距離模式曲線進(jìn)行超速防護(hù)，至此C2級(jí)至C3級(jí)的等級(jí)轉(zhuǎn)換完成。

1.2 等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中超速防護(hù)和司機(jī)提示

在C2級(jí)轉(zhuǎn)換為C3級(jí)過程中，當(dāng)列車距轉(zhuǎn)換邊界一定距離（列車需走行5 s），車載設(shè)備將請(qǐng)求司機(jī)確認(rèn)即將進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，列車等級(jí)轉(zhuǎn)換后5 s內(nèi)允許司機(jī)繼續(xù)進(jìn)行確認(rèn)。若司機(jī)在整個(gè)過程中不進(jìn)行確認(rèn)，則觸發(fā)最大常用制動(dòng)，司機(jī)確認(rèn)后緩解[2]。

在等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)前控車單元與目標(biāo)控車單元實(shí)時(shí)通信，當(dāng)前控車單元將實(shí)際速度與目標(biāo)控車單元計(jì)算的允許速度相比較，當(dāng)實(shí)際速度高于允許速度時(shí)，則由當(dāng)前控車單元觸發(fā)常用制動(dòng)，待實(shí)際速度降至目標(biāo)控車單元允許速度以下再進(jìn)行等級(jí)切換。

2 C2級(jí)轉(zhuǎn)換至C3級(jí)的數(shù)據(jù)交互流程

C3級(jí)列控系統(tǒng)中，車地傳輸信息基于變量、信息包、消息和報(bào)文[3]。C2級(jí)向C3級(jí)轉(zhuǎn)換時(shí)，車地信息主要通過RBC和應(yīng)答器來(lái)傳輸。列車到達(dá)GRE應(yīng)答器組，收到P45信息包，利用其中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示號(hào)NID_MN注冊(cè)相應(yīng)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

之后列車到達(dá)RL應(yīng)答器組，收到P42信息包，車載設(shè)備利用其中的RBC標(biāo)識(shí)號(hào)NID_RBC和無(wú)線電話號(hào)碼NID_RADIO向RBC發(fā)送連接請(qǐng)求，之后經(jīng)過3個(gè)無(wú)線消息M155、M32、M159交互后與RBC建立連接。

緊接著RBC通過M24消息中包含的P57，P58信息包向車載傳遞行車許可參數(shù)和位置報(bào)告參數(shù)，列車收到該消息后通過M129中的P0信息包向RBC報(bào)告位置。之后RBC通過M24中的P3信息包向車載傳遞其它配置參數(shù)。在參數(shù)配置完成后車載設(shè)備和RBC周期發(fā)送M136和M24消息，等待列車到達(dá)YG應(yīng)答器組。

當(dāng)列車收到Y(jié)G應(yīng)答器組的P79信息包后，車載設(shè)備根據(jù)此信息包中的位置信息向RBC報(bào)告列車位置。RBC隨后向列車發(fā)送M3消息，此消息包含等級(jí)轉(zhuǎn)換命令信息包P41，該信息包中變量D_ LEVELTR和M_LECELTR分別表示距等級(jí)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的距離和將要切換的等級(jí)，列車在到達(dá)ZX時(shí)根據(jù)此信息自動(dòng)執(zhí)行等級(jí)轉(zhuǎn)換。在M3消息中還包含行車許可信息包P15，此為轉(zhuǎn)換過程中列車第1次收到RBC的行車許可信息。

列車到達(dá)ZX應(yīng)答器組后接收Z(yǔ)X應(yīng)答器組發(fā)送的P79信息包，列車根據(jù)已經(jīng)接收到的等級(jí)轉(zhuǎn)換信息在此處執(zhí)行等級(jí)轉(zhuǎn)換。至此等級(jí)轉(zhuǎn)換完成。在等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中，YG與ZX應(yīng)答器組均不傳遞等級(jí)轉(zhuǎn)換信息，僅傳遞定位信息。C2級(jí)切換至C3級(jí)的數(shù)據(jù)交互如圖1所示。

圖1 C2級(jí)切換至C3級(jí)數(shù)據(jù)交互示意圖

3 等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

C3級(jí)列控仿真平臺(tái)包括車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)。車載子系統(tǒng)可以對(duì)列車運(yùn)行過程中動(dòng)力學(xué)參數(shù)仿真計(jì)算，根據(jù)相關(guān)信息生成超速防護(hù)曲線，并通過列車界面顯示模塊顯示相關(guān)信息。地面子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車站及區(qū)間的軌道電路編碼、移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算、車站進(jìn)路控制、臨時(shí)限速管理、應(yīng)答器報(bào)文的存儲(chǔ)與發(fā)送、全線運(yùn)行顯示等功能。

本文以C3級(jí)列控仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，為其增加等級(jí)轉(zhuǎn)換功能。在地面子系統(tǒng)的列控中心模塊中增加與等級(jí)轉(zhuǎn)換相關(guān)的應(yīng)答器組。在車載子系統(tǒng)中增加等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊，該模塊根據(jù)接收的地面信息實(shí)現(xiàn)C2至C3控車單元的切換、速度比較和司機(jī)提示功能，亦可實(shí)時(shí)顯示等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中列車狀態(tài)參數(shù)和車地信息交互內(nèi)容。等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)的總體框架圖如圖2所示。

圖2 等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)的總體框架圖

3.2 等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)應(yīng)答器設(shè)置

在系統(tǒng)原有應(yīng)答器的基礎(chǔ)上，增設(shè)與等級(jí)轉(zhuǎn)換相關(guān)的應(yīng)答器組。列車等級(jí)切換應(yīng)避免在制動(dòng)過程中進(jìn)行，故等級(jí)轉(zhuǎn)換區(qū)域應(yīng)該盡量設(shè)置在區(qū)間。假設(shè)列車以C2級(jí)列控系統(tǒng)的最高速度250 km/h運(yùn)行，依據(jù)CTCS-3級(jí)技術(shù)規(guī)范中無(wú)線覆蓋范圍的要求，并結(jié)合仿真線路相關(guān)參數(shù)條件，確定相關(guān)應(yīng)答器位置。仿真線路上等級(jí)轉(zhuǎn)換相關(guān)應(yīng)答器設(shè)置如表1所示。

表1 等級(jí)轉(zhuǎn)換應(yīng)答器設(shè)置表

3.3 等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)仿真消息設(shè)計(jì)

在實(shí)際的列車等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中涉及到一系列的信息交互，仿真系統(tǒng)中地面應(yīng)答器報(bào)文在原有系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)計(jì)，因此本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)RBC與車載設(shè)備的仿真消息。在等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)4個(gè)仿真消息，其中，D1用來(lái)與RBC建立連接并傳遞相關(guān)配置參數(shù)，D2向RBC報(bào)告列車位置，D3傳遞等級(jí)轉(zhuǎn)換命令信息，D4用于列車注冊(cè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中車地通信通過Socket實(shí)現(xiàn)，各仿真消息中變量以字符串形式傳遞。仿真消息設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 仿真消息設(shè)計(jì)表

3.4 仿真平臺(tái)等級(jí)轉(zhuǎn)換流程

在C2級(jí)轉(zhuǎn)換至C3級(jí)的仿真過程中，車載設(shè)備收到GRE應(yīng)答器組報(bào)文后向地面發(fā)送D4消息注冊(cè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)。收到RL應(yīng)答器組報(bào)文后通過接收地面發(fā)送的D1消息與RBC建立連接，由等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊啟動(dòng)C3控車單元。列車收到Y(jié)G應(yīng)答器組的報(bào)文后向地面發(fā)送D2消息報(bào)告列車位置，RBC向車載設(shè)備發(fā)送D3消息報(bào)告等級(jí)轉(zhuǎn)換信息。列車到達(dá)ZX應(yīng)答器組所在位置后，等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊關(guān)閉C2控車單元，等級(jí)轉(zhuǎn)換完成。C2級(jí)至C3級(jí)等級(jí)轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

圖3 C2級(jí)至C3級(jí)等級(jí)轉(zhuǎn)換流程

3.5 等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊工作流程

等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊在車載系統(tǒng)接收到地面發(fā)送的D1消息后啟動(dòng)C3控車單元，C3控車單元為列車計(jì)算C3級(jí)超速防護(hù)曲線。之后等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊會(huì)比較列車行駛速度與C3級(jí)控制單元的允許速度，如果當(dāng)前列車速度超過允許速度，則等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊通過C2級(jí)控車單元使列車制動(dòng)，直至列車速度低于允許速度。同時(shí)，等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車位置，當(dāng)列車位置處于司機(jī)提示區(qū)時(shí)通過文字和報(bào)警音在車載界面顯示模塊中給出相應(yīng)表示，若司機(jī)始終未進(jìn)行確認(rèn)，則列車觸發(fā)最大常用制動(dòng)。等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊工作流程如圖4所示。

圖4 等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊工作流程圖

3.6 等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)測(cè)試

測(cè)試過程中首先啟動(dòng)地面子系統(tǒng)，初始化地面子系統(tǒng)中的線路以及相關(guān)應(yīng)答器信息。之后啟動(dòng)車載子系統(tǒng)，車載子系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)等級(jí)為C2級(jí)，此時(shí)車載界面顯示模塊中顯示控車單元為CTCS-2，無(wú)RBC連接，最大允許速度250 km/h，移動(dòng)授權(quán)的長(zhǎng)度為10個(gè)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度。當(dāng)切換完成后，車載界面顯示模塊顯示此時(shí)控車單元為CTCS-3，與RBC建立連接，最大允許速度為350 km/h，移動(dòng)授權(quán)距離增加至15個(gè)閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度。當(dāng)列車處于司機(jī)確認(rèn)區(qū)，要通過文字和警報(bào)音對(duì)司機(jī)進(jìn)行提示，司機(jī)需按壓右側(cè)警惕按鈕對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換操作進(jìn)行確認(rèn)。列車等級(jí)轉(zhuǎn)換前后DMI對(duì)比如圖5所示。

圖5 等級(jí)轉(zhuǎn)換前后車載顯示界面

在等級(jí)轉(zhuǎn)換仿真平臺(tái)運(yùn)行過程中，等級(jí)轉(zhuǎn)換控制模塊實(shí)時(shí)記錄等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中的車地信息交互以及列車狀態(tài)等信息，可以對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中各模塊的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)C2級(jí)至C3級(jí)轉(zhuǎn)換流程、車地信息交互等問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，以西南交通大學(xué)C3級(jí)列控仿真平臺(tái)為依托，實(shí)現(xiàn)了C2級(jí)至C3級(jí)等級(jí)轉(zhuǎn)換功能，可仿真列車從C2級(jí)轉(zhuǎn)換至C3級(jí)的全過程，轉(zhuǎn)換過程中根據(jù)虛擬消息對(duì)控車單元進(jìn)行切換，對(duì)列車進(jìn)行超速防護(hù)，并提示司機(jī)對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換進(jìn)行確認(rèn)。該平臺(tái)為今后研究列車等級(jí)轉(zhuǎn)換過程提供了參考。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.科技運(yùn)34號(hào) CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2008.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.運(yùn)基信號(hào)170號(hào) CTCS-2/CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)等級(jí)轉(zhuǎn)換應(yīng)用原則(V1.0)[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2011.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.科技運(yùn)127號(hào) CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)需求規(guī)范(SRS)[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2008.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Level transition from CTCS-2 to CTCS-3

CAO Yaxin
( School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The detail information exchange and the process of the level transition from CTCS-2 to CTCS-3 were expounded in this article.The simulation platform of the CTCS-3 was taken as the research object.Because the existing system was lack of the level transition function,the level transition controlling module was added into the train-mount system to improve relevant functions of the ground system.The simulation test showed that the simulation platform could correctly complete the level transition from CTCS-2 to CTCS-3,implement the function of speed protection and driver confrmation in the process of level transition,record and display the simulation message between the train and ground equipment.

CTCS;level transition;simulation platform

U284.48∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0044-04

2015-06-04

曹雅鑫，在讀碩士研究生。