基于CTCS-3級列車控制場景下的CTC仿真系統(tǒng)研究與設(shè)計

段雯譽(yù)，楊 揚(yáng)，李毓磊

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

我國從2005年開始進(jìn)行高速鐵路的建設(shè)，至今已陸續(xù)開通了京廣、京滬、鄭西、哈大等高鐵線路[1]。在這些線路中，分散自律調(diào)度集中（CTC）系統(tǒng)（簡稱：CTC系統(tǒng)）作為列車運(yùn)行調(diào)度與控制的核心，用于保證高速鐵路動車組高速度、高密度運(yùn)行[2]，屬于必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

高速鐵路CTC系統(tǒng)設(shè)置了與無線閉塞中心（RBC）、計算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）、列車控制中心（TCC）、臨時限速服務(wù)器（TSRS）等設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信接口[1]。在動車組運(yùn)行過程中，CTC通過與RBC、TCC等列車控制系統(tǒng)地面設(shè)備進(jìn)行信息交換，實(shí)時監(jiān)視列車運(yùn)行狀態(tài)、地面設(shè)備工作狀態(tài)，向列車控制設(shè)備下達(dá)臨時限速命令。通過設(shè)置CTC車站子系統(tǒng)，車站可實(shí)現(xiàn)階段計劃接收和列車進(jìn)路自動控制[4]。針對CTC系統(tǒng)這些功能特性，本文借助CTCS-3級列車控制仿真平臺，設(shè)計CTC仿真系統(tǒng)，模擬CTCS-3級列車控制場景下的高速鐵路行車指揮與控制流程。

1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 仿真基礎(chǔ)平臺

CTC仿真系統(tǒng)借助CTCS-3級列車控制仿真平臺。該平臺具有RBC仿真和車載人機(jī)交互接口（DMI）仿真功能，同時，在車站層面可進(jìn)行車站CBI仿真、TCC仿真、站場和區(qū)間信號設(shè)備仿真，可模擬動車組在CTCS-3級列車控制等級下的運(yùn)行場景。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的CTC仿真系統(tǒng)主要對鐵路局集團(tuán)公司CTC中心和車站子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并加入模擬TSRS，仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。CTC中心內(nèi)設(shè)表示工作站、列調(diào)工作站和通信服務(wù)器，通信服務(wù)器負(fù)責(zé)與RBC、TSRS、CTC中車站子系統(tǒng)間建立調(diào)度數(shù)據(jù)通信以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)CTC中心的數(shù)據(jù)交互。CTC中心可管轄最多15個車站，對調(diào)度區(qū)段內(nèi)的每個車站設(shè)置調(diào)度集中車站子系統(tǒng)，車站子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)車務(wù)終端和自律機(jī)[4]，自律機(jī)與CBI、TCC間設(shè)置車站調(diào)度局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車站子系統(tǒng)的信息交換。TSRS負(fù)責(zé)與臨時限速命令執(zhí)行設(shè)備RBC 和TCC建立網(wǎng)絡(luò)通信，下達(dá)臨時限速命令。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 通信接口設(shè)計

CTC仿真系統(tǒng)包含CTC中心通信服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信接口和車站自律機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信接口，自律機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信接口實(shí)現(xiàn)與CTC中心通信服務(wù)器、TCC、CBI一對一的網(wǎng)絡(luò)通信，接口設(shè)計較為簡單，本文主要介紹CTC中心通信服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)計。

通信服務(wù)器與調(diào)度區(qū)段范圍內(nèi)的多個RBC、TSRS，以及每個車站子系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，通信機(jī)制各不相同，且每種通信機(jī)制下都有各自的通信幀格式，處理方法為：通信服務(wù)器將一定時間接收到的RBC數(shù)據(jù)幀、TSRS數(shù)據(jù)幀、車站子系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分類存儲，把同類數(shù)據(jù)幀合成通用數(shù)據(jù)包，組成通用發(fā)送幀，將通用發(fā)送幀發(fā)送至CTC中心。數(shù)據(jù)幀、通用發(fā)送幀關(guān)系如圖2所示。如果數(shù)據(jù)包超過通用發(fā)送幀規(guī)定長度，則將通信數(shù)據(jù)包拆分，組成2個或多個通用發(fā)送幀。CTC中心收到通用發(fā)送幀后，按數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)幀數(shù)目等信息進(jìn)行解包。同理，CTC中心將要同時發(fā)送的反饋或命令信息按目標(biāo)設(shè)備分類、組成通用幀，發(fā)送至通信服務(wù)器，由通信服務(wù)器解包，組成數(shù)據(jù)幀，發(fā)送至目標(biāo)設(shè)備。

2.2 CTC中心

CTC中心列調(diào)工作站負(fù)責(zé)行車指揮和臨時限速命令設(shè)置，表示工作站負(fù)責(zé)顯示車站站場作業(yè)情況和列車區(qū)間運(yùn)行情況[5]，調(diào)度中心對車站的遠(yuǎn)程人工控制功能也集成到表示工作站中。

2.2.1 行車指揮

列調(diào)工作站制定列車運(yùn)行計劃，選擇從本地數(shù)據(jù)文件中讀取基本運(yùn)行圖，選擇一列或多列車次進(jìn)行計劃加車，系統(tǒng)對添加車次自動進(jìn)行間隔時間沖突檢測。

列調(diào)工作站將列車運(yùn)行計劃下發(fā)至所屬各站車站子系統(tǒng)，各站按運(yùn)行計劃模擬開行列車，并向CTC中心發(fā)送列車實(shí)際運(yùn)行到發(fā)點(diǎn)，列調(diào)工作站根據(jù)各車實(shí)際運(yùn)行到發(fā)點(diǎn)進(jìn)行自動報點(diǎn)，繪制實(shí)際運(yùn)行圖。根據(jù)運(yùn)行計劃執(zhí)行情況對列車運(yùn)行計劃內(nèi)車次進(jìn)行人工調(diào)整，生成列車運(yùn)行調(diào)整計劃，下發(fā)至各站。對于實(shí)際按圖行車模擬效果較好的列車運(yùn)行圖，可保存至本地數(shù)據(jù)文件中。行車指揮流程如圖3所示。

2.2.2 信號設(shè)備監(jiān)視與控制

表示工作站通過多臺顯示器全屏顯示全線所有信號設(shè)備和列車的實(shí)時狀態(tài)，包括相鄰車站信號設(shè)備狀態(tài)、列車運(yùn)行狀態(tài)、線路布局、臨時限速命令執(zhí)行狀態(tài)。信號設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行數(shù)據(jù)分別由信號設(shè)備仿真軟件、車載DMI仿真軟件生成。

在表示工作站中加入單站顯示模式，在單站顯示模式下設(shè)置控制按鈕，在中心操作方式下，提供與車站控制臺相同的控制功能[6]，進(jìn)行車站列車進(jìn)路辦理和取消、閉塞、聯(lián)鎖等作業(yè)。

2.2.3 臨時限速

列調(diào)工作站設(shè)置調(diào)度命令終端，仿真臨時限速命令擬定、執(zhí)行過程。仿真TSRS負(fù)責(zé)接收CTC中心擬定的臨時限速命令，向模擬RBC、模擬TCC下達(dá)列車控制限速命令，模擬列車控制限速流程[7]。CTC仿真系統(tǒng)臨時限速命令（包含取消列車控制限速命令）擬定流程如圖4所示。

臨時限速具體執(zhí)行過程如圖5所示。在臨時限速命令列表區(qū)中，臨時限速分成3種狀態(tài)[8]：已擬定（灰色）、已激活（綠色）和已設(shè)置（執(zhí)行中為紅色，完全執(zhí)行為黃色），已擬定限速命令通過TSRS進(jìn)行激活校驗；對已激活限速命令進(jìn)行執(zhí)行，限速命令轉(zhuǎn)為已設(shè)置，若限速未被TCC與RBC完全執(zhí)行，則命令為執(zhí)行中狀態(tài)，待列車控制設(shè)備完全執(zhí)行該限速命令，命令變?yōu)橥耆珗?zhí)行狀態(tài)。臨時限速取消命令與設(shè)置命令過程相同，當(dāng)取消命令被激活，正在執(zhí)行的被取消命令也變?yōu)榫G色，與限速取消命令相對應(yīng)。

2.3 車站子系統(tǒng)功能設(shè)計

車站子系統(tǒng)自律機(jī)主要實(shí)現(xiàn)按圖排路功能，在分散自律模式下，車站子系統(tǒng)自律機(jī)接收列車運(yùn)行計劃[9]，根據(jù)車次號、占用股道、出入口號、始發(fā)終到標(biāo)志、到發(fā)時刻等信息進(jìn)行自律檢查，從聯(lián)鎖表中檢索待辦理列車進(jìn)路，生成列車進(jìn)路序列，將進(jìn)路序列送至車務(wù)終端顯示。

列車進(jìn)路自動控制過程如圖6所示，設(shè)列車進(jìn)路序列中進(jìn)路數(shù)目為n,自律機(jī)當(dāng)前處理的進(jìn)路序號為i。自律機(jī)內(nèi)存儲的列車進(jìn)路序列包含有未觸發(fā)、已觸發(fā)和已出清3種狀態(tài)，對于未觸發(fā)進(jìn)路，進(jìn)行觸發(fā)時機(jī)檢測；對于已觸發(fā)進(jìn)路，檢測進(jìn)路是否在規(guī)定時間內(nèi)建立；檢測進(jìn)路為已出清狀態(tài)，則延時一定時間后將該進(jìn)路刪除。

3 仿真結(jié)果

仿真系統(tǒng)采用C++ 面向?qū)ο缶幊陶Z言，軟件操作界面使用VC++集成開發(fā)環(huán)境下的 MFC 建立基于單文檔的界面框架。仿真系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)取自鄭西高速鐵路，系統(tǒng)設(shè)置一個CTC中心，仿真調(diào)度區(qū)段內(nèi)設(shè)有3個車站。

3.1 列車進(jìn)路自動控制

在CTC中心繪制列車運(yùn)行圖，列車運(yùn)行計劃包含下行車次（G101和G103）、上行車次（G112和G114）。將行車計劃下達(dá)至車站子系統(tǒng)自律機(jī)，自律機(jī)生成列車進(jìn)路序列，如圖7所示。自律機(jī)按進(jìn)路計劃觸發(fā)時間，自動控制列車進(jìn)路辦理，更新進(jìn)路狀態(tài)。

3.2 臨時限速設(shè)置

臨時限速管理界面如圖8所示，在鄭西高鐵下行線路設(shè)置正線限速，激活調(diào)度命令號為100004的限速命令；在渭南北站設(shè)置側(cè)線限速，激活并執(zhí)行該側(cè)線限速命令。

4 結(jié)束語

CTC系統(tǒng)是高速鐵路列車運(yùn)行指揮與調(diào)度的核心系統(tǒng)，是高速鐵路列車控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文在CTCS-3級列車控制系統(tǒng)RBC、TCC、車載設(shè)備以及CBI仿真的基礎(chǔ)上，對CTC系統(tǒng)基本的行車調(diào)度與控制過程進(jìn)行仿真設(shè)計，實(shí)現(xiàn)按運(yùn)行計劃模擬行車，列車進(jìn)路自動控制，信號設(shè)備監(jiān)控，模擬臨時限速的擬定、執(zhí)行與取消過程。CTC仿真系統(tǒng)完善了列車控制仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，更直觀地展現(xiàn)CTC系統(tǒng)功能特性以及控制流程，對與鐵路調(diào)度相關(guān)的教學(xué)培訓(xùn)具有一定的實(shí)用價值[7][10]。