鐵路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下CTCS-3 級列車運行仿真系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)研究

吉原冶

（中國鐵路沈陽局集團有限公司吉林電務(wù)段，吉林 吉林 132001）

1 研究背景

自黨的十八大以來，我國科技發(fā)展有了許多突破性的進展，中國高鐵也逐漸成為我們國家的一個金字招牌。由于中國人口眾多，能夠進行大規(guī)模運輸?shù)蔫F路事業(yè)必然會得到更加深入的發(fā)展。鐵路相對于其他交通方式而言，更加安全便捷。因此，提高運輸效率的高速鐵路發(fā)展是必然存在的一個課題。高鐵在世界上已經(jīng)有50 年的歷史了。我國高鐵技術(shù)雖然相比日本歐洲等國家興起的晚，但是，發(fā)展十分迅猛。中國正在建設(shè)一個前所未有的高鐵系統(tǒng)，預(yù)計2020 年將超過30500 公里(19000 英里)。在這個項目中，中國計劃連接27 個省的首都，這將大大方便出差工作的人和旅行者。該系統(tǒng)包括11 條高鐵線路。目前，超過1.9 萬公里的系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，這大大減少了市民的出行時間。我國目前已經(jīng)形成了“四縱四橫”的鐵路網(wǎng)絡(luò)，未來還會實現(xiàn)“八縱八橫”。由此可見，我國高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)躋身世界前列。但是，高鐵的發(fā)展不是一蹴而就的，我國鐵路一共經(jīng)歷了六次大提速。CRH 系列是第六次全國鐵路提速的核心，該系統(tǒng)于2007年4 月18 日實施。2017 年，中國高鐵為全國33 個省級行政區(qū)中的29 個提供服務(wù)，運營里程超過25000 公里，占世界高速鐵路軌道交通總里程的三分之二。中國是世界上使用鐵路最廣泛的國家，據(jù)統(tǒng)計，2017 年，共有17.13 億人次出行，總里程達到70 億人次。伴隨著高速鐵路的發(fā)展，CTCS 也飛速地成長起來。由于中國鐵路火車和路線的多樣性，高速和低速的列車混合運行，所以運行比國外復(fù)雜得多。采用先進的仿真技術(shù)對先進的列車控制系統(tǒng)進行研究，是十分必要的。

2 我國研究現(xiàn)狀

CTCS 建立的目的是為了定義中國鐵路信號系統(tǒng)。CTCS將成為中國鐵路信號系統(tǒng)的標準。現(xiàn)有的信號系統(tǒng)將與新的信號系統(tǒng)互通使用。在未來，所有的信號系統(tǒng)、國外系統(tǒng)或國產(chǎn)系統(tǒng)、軌旁系統(tǒng)和機載系統(tǒng)都必須符合CTCS 標準。除了互操作性外，CTCS 設(shè)計期間還需要考慮信號系統(tǒng)之間的接口標準，從現(xiàn)有信號傳輸?shù)紺TCS 的降級，子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸形式、安全性和可靠性，增加容量、易于維護、更低的投資和開放市場等。在我國鐵路科研人員的不懈努力下，學(xué)習(xí)了其他國家的經(jīng)驗后，我國設(shè)計出了適合本國國情的高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)，即CTCS 列控系統(tǒng)。我國列控系統(tǒng)一共有5 個級別，從CTCS-0 級到CTCS-4 級?？偟膩碚f，是級別越高，速度越快，且在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可降級。

（1）CTCS-0 級列控系統(tǒng)：它由現(xiàn)有軌道電路、鐵路中通用的機車信號(與中國鐵路網(wǎng)絡(luò)上六種軌道電路的數(shù)字微處理器兼容的機車信號，該信號多年前由北京交通大學(xué)的研究小組設(shè)計)和列車運行組成監(jiān)督系統(tǒng)。在0 級的情況下，軌旁信號是主要信號，而機車信號是輔助信號。它是CTCS 最基本的模式。實現(xiàn)0 級的唯一方法是配備車載系統(tǒng)。CTCS-0 僅適用于時速低于120 公里的列車。

（2）CTCS-1 級列控系統(tǒng)：它由現(xiàn)有的軌道電路、應(yīng)答器和ATP 系統(tǒng)組成。它的速度在120 ～160 公里/小時。在這個級別上，不需要閉塞信號，而是基于車載系統(tǒng)為主要信號進行操作。必須在線路上安裝應(yīng)答器。軌道電路的要求比第0 級的要求高，是CTCS-0 的加強版。

（3）CTCS-2 級列控系統(tǒng)：它包括數(shù)字軌道電路(或多信息的模擬軌道電路)、應(yīng)答器(balise)和ATP 系統(tǒng)。它適用于時速超過160 公里的火車。在第2 級沒有任何軌旁信號。ATP 是速度-距離的控制模式。數(shù)字軌道電路可以比模擬軌道電路傳輸更多的信息。ATP 系統(tǒng)可以獲得列車控制所需的所有信息。在這個級別上，固定閉塞模式仍然適用。該系統(tǒng)體現(xiàn)了中國鐵路信號的特點。

（4）CTCS-3 級列控系統(tǒng)：它由軌道電路、應(yīng)答器和ATP 和GSM-R 組成。在3 級，軌道電路用來檢查列車前方區(qū)段是否空閑和列車是否完整。列車運行的信息已經(jīng)不用通過軌道電路來傳輸了，而是通過GSM-R。所有關(guān)于列車運行信息的數(shù)據(jù)都由GSM-R 傳輸。GSM-R 是該級別的核心。在這個層次上，固定閉塞系統(tǒng)的原理仍然適用。該系統(tǒng)比起上一級系統(tǒng)行駛速度更快，可降級使用。RBC 跟據(jù)軌道的特點(如坡度和限速)、軌道占用率和聯(lián)鎖路線狀態(tài)，通過無線電通信系統(tǒng)將“速-距”監(jiān)控信息發(fā)送到車輛設(shè)備，以確保該區(qū)域內(nèi)列車的安全。運行閉塞方式為準移動閉塞。

（5）CTCS-4 級列控系統(tǒng)：這是CTCS 系統(tǒng)的最高級。移動閉塞系統(tǒng)的功能可以在這一級別實現(xiàn)。列車與列車之間的信息傳輸：軌旁設(shè)備主要由GSM-R 組成。GPS 或應(yīng)答器用于確定火車位置。列車完整性檢查由車載系統(tǒng)完成。軌道電路只在車站使用。為了降低系統(tǒng)的維護成本，該系統(tǒng)將路邊系統(tǒng)的數(shù)量減少到最小。對于同一線路上不同密度的列車運行，可以對列車進行非常靈活的調(diào)度。

3 國內(nèi)外列控仿真系統(tǒng)

高速列車運行是一個復(fù)雜的系統(tǒng)和過程，涉及機車動力學(xué)、通信和信號、軌道等，仿真系統(tǒng)為設(shè)計、測試和分析提供了一個實用的平臺。自動列車控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，使其具有良好的計算機基礎(chǔ)。列控系統(tǒng)對安全要求極高，因此，在開通前必須對列控系統(tǒng)進行測試和驗證，以確保其安全。我們可以通過計算機仿真測試技術(shù)解決這一問題。

由于國外鐵路發(fā)展較早，它們對列控系統(tǒng)的仿真起步也比較早。外國的鐵路領(lǐng)域仿真發(fā)展于20 世紀70 年代。在列控車載系統(tǒng)仿真方面，目前，世界上有10 多個國家和地區(qū)的高速鐵路運營，全球鐵路總里程超過1 萬公里。高速鐵路因為他們的快速和大量的運輸、能源節(jié)約的經(jīng)濟影響以及安全和舒適的服務(wù)，已經(jīng)成為許多國家建設(shè)的重點計劃。然而，如何進一步提高高速鐵路的效率和安全性，是一個普遍存在的問題。英國鐵路研究公司在1970 年設(shè)計了它的第一個列車運行模擬器。這個強大的模擬器叫作GATTS，它只能運行在大型計算機上，因此，并不是那么友好，它需要復(fù)雜的技能和計算機知識建立和運行進行模擬。1987 年，VISION 和OSLO 模擬器被開發(fā)出了新版本，該版本充分利用了現(xiàn)代計算機技術(shù)。視覺設(shè)計是一種易于使用的模擬器，且具有建模的能力。目前，正在使用或計劃在不久的將來在英國鐵路上建造該系統(tǒng)。它對用戶是友好的，所以即使是基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃者，不是計算機專家也可以操作它。

我國列控系統(tǒng)仿真發(fā)展較晚，但由于我國人口較多，客貨混跑，列控系統(tǒng)急需發(fā)展，因此，在迫切的需要下，運行控制系統(tǒng)的仿真發(fā)展迅猛。仿真可以解決許多問題，諸如設(shè)計方案優(yōu)化問題、系統(tǒng)適應(yīng)性問題、技術(shù)條件可行性問題等。通過仿真不僅節(jié)省了人力物力，也使許多由于實際實驗次數(shù)有限并沒有發(fā)現(xiàn)的問題，在仿真的多次測試中得到了發(fā)現(xiàn)并得以解決。但仿真畢竟只是仿真，不可能和實際運行一模一樣，或多或少都會存在一些偏差。而我們要做的，就是讓仿真盡可能的貼近真實的列車運行情況。為此，我們還有很長的路要走。

4 課題的研究意義

像鐵路這種消耗資金比較多、發(fā)生事故等后果較嚴重的大型系統(tǒng)，仿真不僅節(jié)省資金和人力物力，很大程度上也能避免悲劇的發(fā)生，這是十分必要的。實際上可能發(fā)生的問題多種多樣，用仿真可以進行測試，查漏補缺。列車運行控制系統(tǒng)仿真實驗平臺不僅節(jié)省大量人力、物力，也更加保險。對鐵路運行的安全性進行了驗證，使結(jié)果更加可信，能夠提高安全。目前，我國高鐵主要研究對象為CTCS-3 級列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是已應(yīng)用的系統(tǒng)中時速最快的一個。由于鐵路領(lǐng)域注重安全與效率，那么，如何實現(xiàn)又快又安全幾乎已經(jīng)成為了一個永恒的話題。對CTCS-3 級列控系統(tǒng)進行仿真來確定其安全性是必不可少的內(nèi)容。