CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—軌旁仿真子系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張思楊，楊 揚(yáng)，竇 磊

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

CTCS-3級列控系統(tǒng)是基于無線通信網(wǎng)絡(luò)（GSM-R）的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，由無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，由GSM-R實(shí)現(xiàn)車地信息雙向傳輸，由軌道電路完成列車占用檢查，由應(yīng)答器提供定位信息[1]。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，對鐵道信號相關(guān)專業(yè)的人才需求越來越大。目前，國內(nèi)很多高校均開設(shè)了鐵道信號專業(yè)，并在本科教學(xué)中將CTCS-3級列控系統(tǒng)納入教學(xué)范疇。但由于高校在教學(xué)方面往往缺乏實(shí)際的信號設(shè)備，使得學(xué)生對CTCS-3級列控系統(tǒng)基本理論難以深入的理解和掌握。

在過去的研究中，為了滿足對CTCS-3級列控系統(tǒng)進(jìn)行功能測試的需求，鐵路領(lǐng)域內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)建立了CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真測試平臺[2-4]。這類軟件出于對列控系統(tǒng)功能進(jìn)行測試的目的，很難完全根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況模擬CTCS-3級列控系統(tǒng)的工作流程并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行機(jī)制的可視化[5]，不適用于實(shí)際的教學(xué)需求。

因此，根據(jù)CTCS-3級列控系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，使用高速鐵路客運(yùn)專線真實(shí)線路數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)仿真技術(shù)，建立適用于高校本科教學(xué)的CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尤為重要。學(xué)生可通過操作CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，加深對CTCS-3級列控系統(tǒng)原理的理解和掌握，對于提高教學(xué)質(zhì)量、推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合有重要的意義[6]。本文重點(diǎn)研究CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中軌旁仿真子系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

1 CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由調(diào)度集中（CTC）仿真子系統(tǒng)、無線閉塞中心（RBC）仿真子系統(tǒng)、列控中心（TCC）仿真子系統(tǒng)、軌旁（TBS）仿真子系統(tǒng)、聯(lián)鎖（CBI）仿真子系統(tǒng)和車載仿真子系統(tǒng)組成。

1.2 各子系統(tǒng)功能概述

調(diào)度集中仿真子系統(tǒng)主要完成列車運(yùn)行計劃的制定與下發(fā)，臨時限速的設(shè)置與下發(fā)，以及分散自律控制等工作；無線閉塞中心仿真子系統(tǒng)主要完成移動授權(quán)的計算、等級轉(zhuǎn)換、RBC切換等工作；列控中心仿真子系統(tǒng)主要完成軌道區(qū)段低頻碼的編制，有源應(yīng)答器報文的編制和區(qū)間改變運(yùn)行方向等工作；軌旁仿真子系統(tǒng)主要完成軌旁基本設(shè)備的參數(shù)存儲、狀態(tài)控制、設(shè)備監(jiān)測等工作；聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)主要進(jìn)行進(jìn)路處理等工作，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)聯(lián)鎖控制；車載仿真子系統(tǒng)主要分為人機(jī)界面、安全計算機(jī)和車地通信模塊，可模擬列車運(yùn)行工作。

其中，軌旁仿真子系統(tǒng)是CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，主要以軌道電路、應(yīng)答器、站內(nèi)信號機(jī)與站內(nèi)道岔為研究對象，以軟件方式完成上述軌旁基礎(chǔ)設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)備管理，并配備設(shè)備監(jiān)測與故障模擬功能，方便本科教學(xué)使用。

2 總體設(shè)計

2.1 功能需求

軌旁仿真子系統(tǒng)的功能需求如下：

（1）具有人機(jī)交互界面，能展示CTCS-3級列控中心仿真子系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)全部線路的軌旁設(shè)備狀態(tài)，包括軌道區(qū)段低頻碼、信號機(jī)點(diǎn)燈、應(yīng)答器報文、道岔狀態(tài)等參數(shù)；

（2）存儲的數(shù)據(jù)為中國高速鐵路客運(yùn)專線真實(shí)線路數(shù)據(jù)；

（3）可監(jiān)測并更新軌旁設(shè)備的狀態(tài)，具有對軌旁設(shè)備參數(shù)的存儲和發(fā)送功能；

（4）可以設(shè)置軌道電路故障（包括故障占用和分路不良）、應(yīng)答器故障（包括發(fā)送錯誤消息和無法發(fā)送報文）、信號機(jī)故障（包括紅燈燈絲斷絲和信號機(jī)滅燈）、道岔故障（包括失去表示），以及所有故障的還原功能；

（5）可與列控中心仿真子系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)、車載仿真子系統(tǒng)相互通信。

2.2 總體框架設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)上述功能需求，軌旁仿真子系統(tǒng)設(shè)計了4個模塊：數(shù)據(jù)存儲模塊，人機(jī)交互模塊，內(nèi)部邏輯處理模塊，通信處理模塊。軌旁仿真子系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌旁仿真子系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)存儲模塊主要用于存儲軌旁設(shè)備參數(shù)、線路數(shù)據(jù)，以及與本系統(tǒng)通信的車載信息。

（2）人機(jī)交互模塊使用線路數(shù)據(jù)與設(shè)備參數(shù)仿真繪制全線可視化界面，完成界面視圖需求；同時可進(jìn)行故障設(shè)置、參數(shù)查看等界面操作，滿足人機(jī)交互需求。

（3）內(nèi)部邏輯處理模塊根據(jù)固定線路數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)以及人機(jī)操作指令，按照CTCS-3級列控軌旁設(shè)備的工作原理，模擬軌旁設(shè)備的工作機(jī)制，更新設(shè)備狀態(tài)；同時，當(dāng)軌旁設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時，向通信處理模塊發(fā)送指令，驅(qū)使通信處理模塊向列控中心仿真子系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)、車載仿真子系統(tǒng)發(fā)送信息。

（4）通信處理模塊采用基于TCP/IP協(xié)議的Socket通信技術(shù)[7]，實(shí)現(xiàn)與其他3個仿真子系統(tǒng)的通信連接；接收列控中心仿真子系統(tǒng)發(fā)送的軌道區(qū)段低頻碼、有源應(yīng)答器報文，聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)發(fā)送的站內(nèi)道岔驅(qū)動信息、站內(nèi)信號機(jī)點(diǎn)燈信息，以及車載仿真子系統(tǒng)發(fā)送的列車信息（包括位置里程、列車長度、啟機(jī)股道等），并將解析后的有效信息存入數(shù)據(jù)存儲模塊。同時，通信處理模塊在接收到內(nèi)部邏輯處理模塊發(fā)送的信息發(fā)送指令后，調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，將軌道區(qū)段占用信息發(fā)送給列控中心仿真子系統(tǒng)，將站內(nèi)信號機(jī)、站內(nèi)道岔和站內(nèi)軌道區(qū)段狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)，將列車始端占用的軌道區(qū)段低頻碼、列車正經(jīng)過的應(yīng)答器報文發(fā)送給車載仿真子系統(tǒng)。

3 核心功能的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在軌旁仿真子系統(tǒng)中，內(nèi)部邏輯處理模塊作為系統(tǒng)核心部分，主要用于處理應(yīng)答器、軌道電路、站內(nèi)信號機(jī)與站內(nèi)道岔的功能邏輯，下面將詳細(xì)描述其功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

3.1 應(yīng)答器

應(yīng)答器分為有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器，當(dāng)列車駛過應(yīng)答器時，應(yīng)答器向列車發(fā)送包括線路坡度、橋隧信息、分相信息等在內(nèi)的報文信號，確保列車可以安全、高效地運(yùn)行[8]。

軌旁仿真子系統(tǒng)根據(jù)《CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則（V2.0）》[9]編制無源應(yīng)答器報文，并與來自列控中心仿真子系統(tǒng)的有源應(yīng)答器報文共同組成應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)。

當(dāng)列車駛過應(yīng)答器，即列車位置里程與應(yīng)答器里程相隔較近（約10 m）時，判斷該應(yīng)答器是否故障，若設(shè)置應(yīng)答器無法發(fā)送報文，則不發(fā)送報文；若設(shè)置應(yīng)答器發(fā)送錯誤消息，則控制通信處理模塊隨機(jī)組幀，發(fā)送無效報文；若應(yīng)答器正常，則控制通信處理模塊發(fā)送包含有效信息的應(yīng)答器報文。由于在CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計中，車載仿真子系統(tǒng)與軌旁仿真子系統(tǒng)之間的通信周期很短，車載仿真子系統(tǒng)能及時發(fā)送最新位置里程給軌旁仿真子系統(tǒng)，因此在仿真環(huán)境下車速并未影響應(yīng)答器報文傳輸。

3.2 軌道電路

在軌旁仿真子系統(tǒng)中，軌道電路可完成故障檢測、列車占用檢查與發(fā)送軌道電路低頻碼的功能。軌道電路邏輯處理流程如圖2所示。

圖2 軌道電路邏輯處理流程圖

（1）判斷軌道區(qū)段是否存在故障。若軌道區(qū)段分路不良，則保持軌道區(qū)段始終為空閑狀態(tài)；若軌道區(qū)段故障占用，則直接設(shè)置軌道電路為占用狀態(tài)。

（2）若軌道區(qū)段正常，則開始進(jìn)行列車占用檢查。當(dāng)列車完全在區(qū)間運(yùn)行時，根據(jù)列車位置里程與列車長度，計算列車始終端里程，并與軌道區(qū)段始終端里程進(jìn)行比較，從而判斷列車所占用的軌道區(qū)段。

（3）當(dāng)列車在站內(nèi)運(yùn)行時，進(jìn)路上道岔位置固定且鎖閉，所以可在進(jìn)路始端信號開放后，根據(jù)道岔位置搜索進(jìn)路，然后再將列車始終端里程與進(jìn)路內(nèi)方各軌道區(qū)段始終端里程比較，判斷列車占用的站內(nèi)軌道區(qū)段。

（4）經(jīng)過上述處理，當(dāng)軌道區(qū)段狀態(tài)發(fā)生變化時，控制通信處理模塊將軌道區(qū)段狀態(tài)反饋至列控中心仿真子系統(tǒng)與聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)。同時，將列車始端占用的軌道區(qū)段低頻碼發(fā)送給車載仿真子系統(tǒng)。

3.3 站內(nèi)信號機(jī)與站內(nèi)道岔

在軌旁仿真子系統(tǒng)中，站內(nèi)信號機(jī)的顯示、站內(nèi)道岔的位置變動均由聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)控制。站內(nèi)信號機(jī)根據(jù)聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)發(fā)送的信號顯示點(diǎn)燈，并將站內(nèi)信號機(jī)顯示信息反饋至聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)。站內(nèi)道岔根據(jù)聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)發(fā)送的驅(qū)動信息驅(qū)使道岔轉(zhuǎn)換到相應(yīng)位置，并將道岔位置信息反饋給聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)置站內(nèi)道岔失去表示后，可在聯(lián)鎖操作員的指示下，設(shè)置人工扳動道岔至定位或反位，以供聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)辦理引導(dǎo)總鎖閉。

4 工作流程與仿真結(jié)果

4.1 工作流程

軌旁仿真子系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示。

圖3 軌旁仿真子系統(tǒng)工作流程圖

（1）啟動系統(tǒng)，自動導(dǎo)入高速鐵路客運(yùn)專線真實(shí)線路數(shù)據(jù)，初始化軌道電路低頻碼為HU碼、站內(nèi)信號機(jī)點(diǎn)紅燈、站內(nèi)道岔均在定位、有源應(yīng)答器報文設(shè)為默認(rèn)報文；

（2）根據(jù)線路數(shù)據(jù)編制無源應(yīng)答器報文，繪制全線可視化界面；

（3）建立與列控中心仿真子系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)的通信連接，打開車載通信接口；

（4）在完成上述系統(tǒng)初始化工作后，軌旁仿真子系統(tǒng)開始接收并解析其他子系統(tǒng)發(fā)送的信息；

（5）根據(jù)已有的線路數(shù)據(jù)、配合接收的有效信息及軌旁內(nèi)部操作指令，進(jìn)行邏輯計算，更新軌道電路、應(yīng)答器、站內(nèi)信號機(jī)和站內(nèi)道岔的狀態(tài)參數(shù)；

（6）向列控中心仿真子系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)、車載仿真子系統(tǒng)發(fā)送規(guī)定的信息；

（7）更新系統(tǒng)視圖界面，重新接收并解析其他仿真子系統(tǒng)發(fā)送的信息，開始新一輪系統(tǒng)工作。

4.2 仿真結(jié)果

本系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法、Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多線程技術(shù)，在Visual Studio 2012開發(fā)環(huán)境下，使用C++語言編程實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)鄭西高速鐵路客運(yùn)專線真實(shí)線路數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測試。

本文以列車在下行區(qū)間正向運(yùn)行并通過X→IG接車進(jìn)路進(jìn)站的情況為例，說明軌旁仿真子系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

（1）啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)入初始化階段。

（2）軌旁仿真子系統(tǒng)建立與列控中心仿真子系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)、車載仿真子系統(tǒng)的通信連接。列車占用下行進(jìn)站信號機(jī)X的接近區(qū)段，進(jìn)站信號機(jī)X點(diǎn)黃燈，道岔3、道岔5均在定位。隨后，列車駛?cè)胝緝?nèi)，進(jìn)站信號機(jī)X滅燈，列車依次占用3DG、5DG、IG。

（3）軌旁仿真子系統(tǒng)還可設(shè)置設(shè)備故障，并可通過界面查看設(shè)備狀態(tài)參數(shù)以及與其他子系統(tǒng)的通信報文。

軌旁仿真子系統(tǒng)仿真效果如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了適用于本科教學(xué)使用的CTCS-3級列控軌旁仿真子系統(tǒng)，與列控中心其他仿真子系統(tǒng)相互配合，模擬實(shí)現(xiàn)了軌道電路、應(yīng)答器、站內(nèi)信號機(jī)與站內(nèi)道岔的功能，達(dá)到了預(yù)期的功能需求。目前，該系統(tǒng)已在西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)投入使用，教學(xué)效果良好，且預(yù)留了對接實(shí)物設(shè)備的接口，在后續(xù)的研究中，可連接實(shí)物設(shè)備，使CTCS-3級列控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往半實(shí)物化方向發(fā)展，進(jìn)一步解決CTCS-3級列控系統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生難以深入理解的問題。

圖4 軌旁仿真子系統(tǒng)運(yùn)行界面