高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

趙隨海，宋鵬飛，林海桐，方力一

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

0 引言

調(diào)度集中是對調(diào)度區(qū)段內(nèi)管轄的信號設(shè)備進(jìn)行集中控制和管理的技術(shù)裝備，是一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、外部接口種類多且復(fù)雜的綜合系統(tǒng)[1-2]。隨著高速鐵路在我國的飛速發(fā)展，新建線路和既有設(shè)備的升級、改造逐漸增多，如何確保設(shè)備改造、軟件升級后調(diào)度集中系統(tǒng)軟件功能的完整性和穩(wěn)定性，如何對行車作業(yè)人員進(jìn)行日常的培訓(xùn)演示，成為目前亟需解決的問題。

在調(diào)度集中系統(tǒng)相關(guān)的仿真研究方面，王建英[3]采用部分實物仿真方式設(shè)計模擬系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，采用進(jìn)路自動生成算法、控制命令自動生成算法、列車群自動追蹤運(yùn)行算法等，結(jié)合電器集中聯(lián)鎖和計算機(jī)聯(lián)鎖，構(gòu)建了1 ∶ 1的仿真實驗環(huán)境；周妍等[4]依據(jù)管控一體化思想，以列車運(yùn)行計劃編制、調(diào)整和半實物沙盤列車運(yùn)行仿真為基礎(chǔ)，構(gòu)建了行車調(diào)度指揮一體化仿真實驗平臺。這2種方法都基于半實物仿真，涉及的設(shè)備較多，搭建仿真環(huán)境過程復(fù)雜。程鋼[5]提出了基于計算機(jī)聯(lián)鎖和車站控制終端機(jī)的模擬仿真方法，該方法側(cè)重于聯(lián)鎖關(guān)系的模擬仿真，側(cè)重于行車作業(yè)人員的培訓(xùn)方面。

為提高仿真平臺可操作性，減少設(shè)備投入，滿足軟件升級改造前的仿真測試需求和行車作業(yè)人員日常的培訓(xùn)需要，以調(diào)度集中系統(tǒng)的軟件和行車數(shù)據(jù)[6]為基礎(chǔ)，采用一體化技術(shù)實現(xiàn)調(diào)度集中相關(guān)信號設(shè)備的綜合仿真，分析列車受力模型[7-9]，研究列車速度控制曲線，實現(xiàn)基于虛擬列車群運(yùn)行過程的一體化仿真測試平臺。

1 高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 功能模塊設(shè)計

高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺的主要功能模塊可以劃分為信號設(shè)備仿真、列車運(yùn)行仿真、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和外部接口模塊。高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）信號設(shè)備仿真模塊依據(jù)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)鎖、車站列控中心、臨時限速服務(wù)器和移動閉塞中心的綜合仿真。按照規(guī)定的算法和規(guī)則，對各類操作事件進(jìn)行響應(yīng)和反饋。主要功能包括操作事件的沖突檢查和響應(yīng)、列調(diào)車進(jìn)路命令的生成和觸發(fā)執(zhí)行、車站與區(qū)間聯(lián)鎖邏輯的仿真實現(xiàn)、臨時限速執(zhí)行過程仿真和移動授權(quán)的計算。

（2）列車運(yùn)行過程仿真模塊以線路和列車參數(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)仿真的信號狀態(tài)、調(diào)度集中操作事件和故障輸入狀態(tài)等信息，動態(tài)分析列車受力模型，調(diào)整列車運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)列車運(yùn)行過程的仿真。

（3）接口模塊實現(xiàn)系統(tǒng)功能模塊間的數(shù)據(jù)傳輸、操作事件的交換和人機(jī)事件的響應(yīng)。主要包括列車運(yùn)行階段計劃、進(jìn)路和站場設(shè)備的操作、模擬仿真列車、臨時限速的生成及故障狀態(tài)的輸入等。

（4）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊采用Oracle數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)實現(xiàn)對線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、列車相關(guān)性能參數(shù)和動態(tài)調(diào)度指揮信息的讀取和更新存儲。

圖 1 高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Function and structure of integrated simulation and test platform for high-speed railway Centralized Traf fi c Control

1.2 層級結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和信息處理邏輯，可將該一體化仿真測試平臺劃分為交互層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層3層結(jié)構(gòu)。高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)層級設(shè)計示意圖如圖2所示。

圖 2 高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)層級設(shè)計示意圖Fig.2 System level design diagram of integrated simulation and test platform for high-speed railway Centralized Traf fi c Control

（1）交互層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、操作事件的交換和人機(jī)事件的響應(yīng)。主要包括仿真測試平臺與調(diào)度集中之間的數(shù)據(jù)和操作事件的交互，如下達(dá)階段計劃、設(shè)置臨時限速及故障事件的輸入等。

（2）應(yīng)用層是該平臺的核心，是仿真功能的實現(xiàn)層。依據(jù)確定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入和邏輯運(yùn)算規(guī)則，實現(xiàn)對交互層操作事件的響應(yīng)，并產(chǎn)生相對應(yīng)的反饋和報警提示。

（3）數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)文件的維護(hù)和管理，并將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的處理。

2 高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信號設(shè)備仿真

高速鐵路線路上，區(qū)間和車站內(nèi)的地面信號設(shè)備分別由車站列控中心和車站計算機(jī)聯(lián)鎖進(jìn)行編碼和控制，通過安全通信協(xié)議實現(xiàn)兩者的信息交互。信號設(shè)備仿真平臺對區(qū)間和車站內(nèi)的軌道區(qū)段進(jìn)行載頻和低頻信息的同步計算，通過軟件模塊之間的數(shù)據(jù)交互，監(jiān)視仿真列車運(yùn)行位置，綜合相鄰車站、相鄰區(qū)段的編碼信息、信號機(jī)狀態(tài)及臨時限速狀態(tài)等，實現(xiàn)對車站列控中心和車站計算機(jī)聯(lián)鎖的一體化仿真。信號設(shè)備仿真主要包括故障仿真模塊、臨時限速服務(wù)器仿真模塊、無線閉塞中心仿真模塊和接口集群仿真模塊。

（1）故障仿真模塊主要實現(xiàn)對機(jī)械和電氣系統(tǒng)的故障進(jìn)行仿真。

（2）臨時限速服務(wù)器仿真模塊主要完成臨時限速調(diào)度命令的管理，通過安全通信協(xié)議與調(diào)度集中系統(tǒng)連接，接收調(diào)度集中發(fā)送的臨時限速調(diào)度命令信息，仿真臨時限速的下達(dá)、校驗、設(shè)置和取消過程。

（3）無線閉塞中心仿真模塊主要實現(xiàn)仿真列車的管理和行車許可的計算，采用RSSP-II鐵路信號安全通信協(xié)議與調(diào)度集中系統(tǒng)連接，向調(diào)度集中傳遞列車靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)、實時速度和移動授權(quán)位置等信息。

（4）接口集群仿真模塊主要實現(xiàn)對多個車站和外部接口的一體化設(shè)計。采用調(diào)度集中與各系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的接口方式和信息交互協(xié)議，簡化了仿真平臺的搭建過程，既實現(xiàn)了仿真功能的一體化，又保證了接口方式的差異化，確保仿真結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果的一致性。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括路網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)、列車性能參數(shù)和列車運(yùn)行計劃數(shù)據(jù)。

（1）路網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采用專用繪圖工具，以信號設(shè)備和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施為基本單位，采用點(diǎn)線模型[10]對路網(wǎng)信息進(jìn)行精準(zhǔn)的描述，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。信號設(shè)備包括信號機(jī)、區(qū)間閉塞分區(qū)、道岔和股道等，主要的參數(shù)包括信號機(jī)位置、線路參數(shù)、公里標(biāo)、允許的最大速度等。基礎(chǔ)設(shè)施的描述主要包括橋梁、坡度、曲率半徑、隧道的位置和長度。

（2）列車性能參數(shù)為列車運(yùn)行仿真提供基本的列車數(shù)據(jù)，由列車基本編組信息和牽引制動性能參數(shù)2部分組成。列車編組信息包括動車組類型、換算長度、計算重量和最高運(yùn)行速度。列車性能參數(shù)包括牽引力曲線和制動力曲線。

（3）列車運(yùn)行計劃包括基本圖、日班計劃和3小時階段計劃，為系統(tǒng)提供列車運(yùn)行的徑路和時刻表信息。列車運(yùn)行計劃為按圖自動仿真列車規(guī)定了列車運(yùn)行順序、接發(fā)車類型和發(fā)車時刻，也是調(diào)度集中系統(tǒng)進(jìn)路自動觸發(fā)的依據(jù)。

2.3 列車運(yùn)行過程仿真

列車運(yùn)行過程的仿真是在線路參數(shù)和列車牽引計算的基礎(chǔ)上，基于時間計算實現(xiàn)對列車運(yùn)行狀態(tài)(列車速度曲線、列車位置、工況選擇等)的仿真。

2.3.1 仿真列車運(yùn)行策略

系統(tǒng)可以按照定時策略和節(jié)時策略仿真列車運(yùn)行[11]，自動實現(xiàn)接入和始發(fā)列車的自動加車、終到和交出列車的自動減車。仿真系統(tǒng)操作員可以動態(tài)調(diào)整列車的運(yùn)行策略。

（1）定時策略是以調(diào)度集中基本圖為基礎(chǔ)，通過周期回歸計算的方法實時計算預(yù)計前方車站的到達(dá)時間，并與基本圖的運(yùn)行時刻進(jìn)行比較，綜合線路上的其他在線列車和信號開放情況不斷調(diào)整列車運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到按圖行車的目的。

（2）節(jié)時策略以線路和列車允許速度為基礎(chǔ)，在滿足信號和列車追蹤間隔的條件下以最大速度仿真列車的運(yùn)行過程。這種列車運(yùn)行的方式，區(qū)間運(yùn)行時分最小，可以檢測調(diào)度集中系統(tǒng)階段計劃調(diào)整的有效性，適用于調(diào)度員日常操作的演練和培訓(xùn)。

2.3.2 牽引計算

列車的運(yùn)行是一個復(fù)雜的過程，會受到來自不同方向、大小各不相同的多種作用力的影響。為了簡化列車受力的分析和計算，仿真測試平臺將仿真列車看作單質(zhì)點(diǎn)模型[8]，僅考慮與列車運(yùn)行速度相關(guān)的作用力，包括牽引力、阻力和制動力。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊按照列車類型，采用矢量化的方式存儲了列車牽引力和制動力特性曲線，并利用關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)修正曲線，擬合列車牽引力、阻力和制動力函數(shù)。仿真列車模塊將列車運(yùn)行過程所受的合力抽象為列車類型、線路參數(shù)、工況和運(yùn)行速度相關(guān)的函數(shù)。

式中：c為列車所受合力；x為列車類型；y為線路參數(shù)，包括線路的曲率半徑、隧道長度和坡度等；z為列車工況定義，包括牽引加速、惰行和制動；v為列車的運(yùn)行速度。

2.3.3 控車速度計算

我國高速鐵路大部分采用固定閉塞方式，因此，該一體化仿真測試平臺在計算列車當(dāng)前運(yùn)行速度時，以列車運(yùn)行前方移動授權(quán)內(nèi)每一個閉塞分區(qū)的起點(diǎn)再減去一定的安全距離作為目標(biāo)距離點(diǎn)，以每一個閉塞分區(qū)內(nèi)的最低允許速度作為目標(biāo)速度(包括信號設(shè)備、橋梁、隧道、曲線、臨時限速等的速度限制)。按照列車類型計算對應(yīng)速度的制動力和阻力，反向推算列車制動曲線，以計算所得的最低速度和相應(yīng)的速度曲線作為仿真列車的速度控制曲線。列車當(dāng)前允許速度可以抽象為目標(biāo)速度與距離的函數(shù)。

式中：V為列車當(dāng)前允許速度；υ為閉塞分區(qū)允許的速度；δ為列車距離該速度點(diǎn)的距離(并減去安全距離)。

因此，列車運(yùn)行前方移動授權(quán)范圍內(nèi)各閉塞分區(qū)反向推算的列車當(dāng)前的允許速度為

式中：Vc為列車當(dāng)前允許速度；Vi(i= 1，2，…，n)為移動授權(quán)范圍內(nèi)各閉塞分區(qū)反向推算的允許速度的集合。

仿真列車速度控制曲線示意圖如圖3所示。

圖 3 仿真列車速度控制曲線示意圖Fig.3 Permissible speed curve of simulation train

以不同速度值對應(yīng)的閉塞分區(qū)的起點(diǎn)，反向推算出當(dāng)前的速度值，采用當(dāng)前線路的允許速度和各推算曲線的最低速度和相應(yīng)的速度曲線模擬列車的運(yùn)行。如圖3所示，當(dāng)前時刻列車運(yùn)行速度控制曲線為a-b-c-d-e-f-g。仿真測試平臺的列車管理模塊以100 ms為一個周期，循環(huán)計算仿真列車的速度控制曲線。

仿真列車綜合當(dāng)前列車速度、控車速度和相鄰列車的關(guān)系，根據(jù)列車的運(yùn)行策略動態(tài)調(diào)整列車的加速運(yùn)行、勻速運(yùn)行、惰行和制動時機(jī)。

2.4 故障狀態(tài)輸入

故障狀態(tài)仿真通過人為因素設(shè)置自然災(zāi)害、設(shè)備和列車的故障狀態(tài)，模擬對列車運(yùn)行過程的影響，以提高作業(yè)人員對行車故障的應(yīng)急處置能力。故障狀態(tài)可以抽象為時間、空間和列車的函數(shù)。

式中：y為故障狀態(tài)；γ為故障的時間范圍；φ為故障的空間區(qū)域；μ為故障列車。

通過設(shè)置參數(shù)γ可以將故障的設(shè)置方式分為實時故障和延時預(yù)設(shè)置故障2種。實時故障由系統(tǒng)管理人員在操作終端上實時進(jìn)行設(shè)置或取消；延時預(yù)設(shè)置可以由系統(tǒng)管理人員設(shè)置信號設(shè)備的故障狀態(tài)和故障的時間范圍等，系統(tǒng)通過時間輪詢的方式觸發(fā)預(yù)設(shè)置的故障。

參數(shù)φ表示故障的空間區(qū)域，用以描述自然災(zāi)害和相關(guān)的信號設(shè)備故障。自然災(zāi)害包括雨雪、大風(fēng)和基礎(chǔ)設(shè)施故障等；設(shè)備故障包括軌道區(qū)段紅光帶、道岔擠岔或失表示、信號機(jī)故障關(guān)閉、進(jìn)路不能完全解鎖、軌道區(qū)段停電和失去分路等狀態(tài)。

參數(shù)μ描述故障的列車和故障狀態(tài)，主要表現(xiàn)為列車故障停車。

通過對調(diào)度集中系統(tǒng)故障狀態(tài)的分析和總結(jié)，結(jié)合信號設(shè)備和列車仿真模型的計算，以查表的方法向仿真系統(tǒng)的管理人員提供故障設(shè)備和故障狀態(tài)設(shè)置表，簡化故障輸入過程。

3 實例驗證

為驗證該仿真平臺的有效性，以中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司調(diào)度集中系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建成渝客運(yùn)專線(成都東—重慶)一體化仿真測試平臺。成渝客運(yùn)專線列車調(diào)度臺包含成都東城際場、華興村線路所、簡陽南、資陽北、資中北、內(nèi)江北、隆昌北、榮昌北、大足南、永川東和璧山共11個車站，日均開行65對動車組列車。該仿真測試平臺以既有成渝客運(yùn)專線的調(diào)度集中軟件、線路數(shù)據(jù)和基本圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對計算機(jī)聯(lián)鎖、車站列控中心、臨時限速服務(wù)器和無線閉塞中心的綜合仿真。

仿真平臺依據(jù)列車運(yùn)行調(diào)整計劃、列車屬性、線路限制條件、進(jìn)路狀態(tài)按圖仿真列車的運(yùn)行過程，實現(xiàn)聯(lián)鎖進(jìn)路、區(qū)間狀態(tài)、臨時限速和移動授權(quán)等信號設(shè)備的仿真。調(diào)度集中系統(tǒng)依據(jù)仿真測試平臺輸出的信號設(shè)備狀態(tài)，自動跟蹤列車運(yùn)行，采集列車到發(fā)時刻，生成仿真列車運(yùn)行實績圖如圖4所示。

圖4為成渝客專臺一體化仿真測試平臺根據(jù)階段計劃，按照定時策略仿真列車運(yùn)行，調(diào)度集中系統(tǒng)自動生成的列車運(yùn)行實績圖(成都南站和璧山站不在成渝客運(yùn)專線列車調(diào)度臺的管轄范圍內(nèi))。通過分析圖中列車在各區(qū)間的運(yùn)行時分，并與基本圖相比較，僅有個別區(qū)間運(yùn)行時分有1 min的差別，而此差別是由于調(diào)度集中系統(tǒng)的列車運(yùn)行時分以分鐘作為最小單位，從而導(dǎo)致仿真列車的運(yùn)行時分與基本圖運(yùn)行時刻之間存在時間差。

圖 4 仿真列車運(yùn)行實績圖Fig.4 Actual train graph of simulation train

由此可見，該一體化仿真測試平臺能基本還原列車的運(yùn)行軌跡，實現(xiàn)了對計算機(jī)聯(lián)鎖、區(qū)間邏輯編碼、臨時限速和無線閉塞中心的仿真，可以應(yīng)用于調(diào)度集中系統(tǒng)軟件功能和性能的測試，也可以作為行車作業(yè)人員日常的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

高速鐵路調(diào)度集中一體化仿真測試平臺采用一體化仿真技術(shù)，實現(xiàn)了調(diào)度集中外部接口系統(tǒng)的綜合仿真，并通過列車牽引計算和故障狀態(tài)的輸入，實現(xiàn)了虛擬列車運(yùn)行過程的仿真。這種方法簡化了仿真環(huán)境的結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備間的相關(guān)度，為調(diào)度集中系統(tǒng)的設(shè)備改造和軟件功能測試，以及行車指揮人員的操作演練提供了重要的軟件基礎(chǔ)。經(jīng)過實例驗證，證明該仿真測試平臺實現(xiàn)了調(diào)度集中相關(guān)軟件的功能仿真，在行車作業(yè)人員的日常培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，以及調(diào)度集中軟件的升級改造、軟件功能測試、故障現(xiàn)象還原等方面發(fā)揮了重要作用。