CTCS—3列控系統(tǒng)中RBC的功能需求及切換

姚向龍 孫卓

摘 要：無線閉塞中心（RBC）是CTCS-3級列控系統(tǒng)中的核心設(shè)備，負責根據(jù)地面設(shè)備提供的信息及與車載設(shè)備的交互生成行車許可，使列車在RBC的管轄范圍內(nèi)的線路上安全運行，RBC與車載設(shè)備之間通過專用無線通信系統(tǒng)即GSM-R網(wǎng)絡(luò)進行信息的互換。該文對CTCS-3列控系統(tǒng)中RBC的功能需要進行了分析；采用配備2部通信電臺的車載設(shè)備進行了RBC切換過程分析，并在此基礎(chǔ)上運用狀態(tài)分析法對RBC切換過程進行了形式化建模和驗證。

關(guān)鍵詞：RBC CTCS-3 功能需要 切換

中圖分類號：U284 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0009-02

近幾年來，隨著我國高速鐵路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，列車控制系統(tǒng)（CTCS）也進入了大發(fā)展階段。目前，我國CTCS-2列車超速防護系統(tǒng)已經(jīng)在200～250 km/h的高鐵線路獲得成功應(yīng)用[1]，但CTCS-2級別系統(tǒng)對300 km/h以上的高速列車控制存在限制。為解決機車提速、客運安全等問題以滿足市場的更高需求，我國吸取歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）先進經(jīng)驗，將研究方向從CTCS-2（點式應(yīng)答器和軌道電路信息的 ATP 系統(tǒng)）轉(zhuǎn)向CTCS-3（軌道電路和無線通信（GSM-R）的ATP系統(tǒng)）。

CTCS-3是應(yīng)用于300 km/h及以上高速鐵路（客運專線）的控制模式[2]。該系統(tǒng)包括車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)，而地面子系統(tǒng)是由若干設(shè)備組合而成，其中無線閉塞中心（Radio Block Center，以下均簡稱RBC）屬于核心部分，它是基于故障安全計算機平臺的信號控制系統(tǒng)，是實現(xiàn)CTCS-3級別系統(tǒng)列控的關(guān)鍵因素[3]。

RBC是通過接受外部地面系統(tǒng)信息與列車車載設(shè)備信息，而后生成控制指令，在RBC管轄范圍內(nèi)得以控制線路上的列車安全。然而單套RBC的控制范圍有限，相鄰RBC控制范圍邊界的列控安全切換變得尤為重要。該文正是針對這一需求，研究了RBC的功能需求、切換過程等問題，并對RBC切換的詳細過程進行了建模。

1 無線閉塞中心（RBC）設(shè)備功能分析

1.1 RBC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RBC主要由無線閉塞單元（RBU）、協(xié)議適配器（VIA）、RBC本地維護終端、地面司法記錄器（WJ-RU）、ISDN服務(wù)器、交換機等設(shè)備組成，如圖1所示。

1.2 RBC功能分析

與RBC相連的外部設(shè)備主要包括：聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度集中（CTC）系統(tǒng)、監(jiān)控工作站、相鄰RBC、列控中心、維護工作站、GSM-R接入服務(wù)器等。

1.3 RBC功能需求分析

RBC在CTCS-3級列控系統(tǒng)主要參與包括注冊與啟動、注銷、進出動車段、等級轉(zhuǎn)換、行車許可、RBC切換、自動過分相、重聯(lián)與摘解、臨時限速、降級情況、災(zāi)害防護、調(diào)車作業(yè)、人工解鎖進路、特殊進路等14個運營場景，是CTCS-3級別列控系統(tǒng)的地面核心設(shè)備。RBC設(shè)備功能如表1所示。

1.4 RBC的性能要求

RBC設(shè)備與列車完成建立通信任務(wù)需要單位時間N，其從收到列車報告開始到實現(xiàn)對每列車授權(quán)（MA）的控制需要單位時間N，也就是說，RBC控制運行周期為[0，T]；列車需要在[0，U]區(qū)間收到RBC的MA信息；前行與續(xù)行列車之間的運行距離大于保護距離；列車的最大運行速度小于線路限速。

注：N為RBC的控制周期，T=5 N、U=8 N。

2 CTCS-3級別列車控制系統(tǒng)RBC切換過程分析

RBC-RBC列控權(quán)限切換一般均是通過相鄰RBC直接通信的方式[4]。RBC在切換過程中，RBC1負責向RBC2發(fā)送切換預(yù)告信息、切換通告信息、進路請求信息等；而RBC2負責向RBC1發(fā)送進路信息、列車控制權(quán)通報等信息。作為另外一種可選的RBC切換方式，相鄰RBC設(shè)備間可以不進行列控信息的傳輸與交換，RBC通過分界點相鄰聯(lián)鎖交叉互聯(lián)的方式，獲得在分界點交叉重疊的進路授權(quán)信息，并由車載設(shè)備在相鄰RBC設(shè)備中重新連接注冊，實現(xiàn)列車控制權(quán)在2個RBC間的安全切換。

3 無線形式化建模語言CPN（Coloured Perti Nets）

目前應(yīng)用于形式化建模的方法很多，包括CAN、UML、CSPM、CPN等，但在眾多的建模方法中，著色Petri網(wǎng)（CPN）形式化建模語言是應(yīng)用較為成熟的一種，其可用于系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)范、仿真和驗證，特別適合具有通信、同步和資源共享過程的系統(tǒng)建模。CPN是一種可用圖形表示的組合模型，具有直觀、易懂和易用的優(yōu)點，既可以描述系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)，又可以描述系統(tǒng)的動態(tài)行為； 既有豐富的系統(tǒng)描述手段和系統(tǒng)行為分析技術(shù)，又為計算機科學提供堅實的概念基礎(chǔ)[5]。

Petri網(wǎng)是對離散并行系統(tǒng)的數(shù)學表示，在1960年首次被卡爾·A·佩特里用于描述異步的、并發(fā)的計算機系統(tǒng)模型，既有嚴格的數(shù)學表述方式，也有直觀的圖形表達方式。而所謂的著色Petri網(wǎng)，其實是一種在普通Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上衍生出的適用于描述并行和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析和設(shè)計工具，它的最大優(yōu)點就是具有直觀性及嚴謹?shù)臄?shù)學理論基礎(chǔ)[6]。目前，Petri網(wǎng)被當做是動態(tài)圖形工具而廣泛應(yīng)用，其不但可以表述類似流程圖、框圖等具備可視性描述功能的圖表外，還能夠標記和模擬系統(tǒng)的活動行為，簡單來說，作為理論和實踐之間的通信媒介，Petri網(wǎng)對人們的相互交流提供了便利。

4 基于著色Petri的RBC切換過程分析

理論研究發(fā)現(xiàn)，在RBC切換過程中，采用2部電臺可保證列車能不減速越過切換邊界，延長了車載設(shè)備與RBC的通信連接時間[7]。列車兩部無線通信電臺均可正常工作時，車地通信遵循RBC交接協(xié)議A；只有一部無線通信電臺能夠正常工作時，車地通信遵循RBC交接協(xié)議B。（注：在RBC切換過程中，交接協(xié)議A是雙電臺并發(fā)工作才能夠?qū)α熊囆惺鹿茌牂?quán)；交接協(xié)議B是只有一部電臺正常工作時對列車行事管轄權(quán)。）故采用2部電臺進行形式化模型的構(gòu)建，以驗證其實際應(yīng)用可行性。

無線消息CPN模型的構(gòu)建采用CPN Tool工具交互仿真方式進行分析。構(gòu)建步驟為：（1）建立RBC切換過程的簡要模型，對該過程中所經(jīng)歷時間進行描述；（2）擴展及細化簡要模型，通過結(jié)合移交RBC、接收RBC以及車載設(shè)備等3個變遷，對切換過程中的信息傳輸進行描述。切換變遷過程模型如圖2所示，圖中名詞含義如表2所示。

運用CPN Tool進行模型，用狀態(tài)分析法對RBC切換過程模型進行校驗。結(jié)果表明，仿真模型的動態(tài)行為符合雙電臺RBC的切換流程。由此說明，采用2部電臺降低切換過程中列車制動減速的風險，從而提高RBC切換過程可靠性。

5 結(jié)語

CTCS-3級列控系統(tǒng)是鐵路“十一五”規(guī)劃中具有全局性、戰(zhàn)略性、前瞻性的十項重大專項之一。搞好CTCS-3級列控系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)，對我國鐵路列控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和通信信號裝備技術(shù)水平的提高具有深遠的意義。相比我們已經(jīng)掌握的CTCS-2 級列控系統(tǒng)，CTCS-3級中增加了許多新設(shè)備，RBC就是其中之一。RBC系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性、可維護性將直接關(guān)系到C3系統(tǒng)能否正常運行，RBC的切換只是其中的一個問題而已。相信隨著武廣、鄭西、廣深港等一批客運專線工程的開通運營，我們必將構(gòu)成符合我國國情、路情、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列控技術(shù)體系。

參考文獻

[1] 李亮，鄭樂藩.CTCS-2級列控系統(tǒng)幾個問題的探討[J].鐵道通信信號，2008（5）：17-18.

[2] 章慧，張勇.CTCS3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備測試方法研究[J].鐵路計算機應(yīng)用，2008，17（4）：23-27.

[3] 科技運[2008]34號CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案（V1.0）[S].

[4] 宋沛東，張勇.CTCS3仿真測試平臺RBC仿真子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國科技信息，2008（1）：100-101.

[5] 鐵道部科學技術(shù)司.CTCS-3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）[M].北京：鐵道部科學技術(shù)司，2008.

[6] 袁崇義.Petri網(wǎng)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[7] 江志斌.Petri網(wǎng)及其在制造系統(tǒng)建模與控制中的應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.