高鐵列車調(diào)度員CTC實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

郭峰 李慶鋒 李鵬飛 潘榮坤

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速鐵路在我國得到了快速發(fā)展，逐漸形成了高鐵網(wǎng)絡(luò)。高鐵具有快速、舒適、行車間隔短、安全和環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，這強(qiáng)力吸引著人們以高鐵作為出行方式的首選。但如果發(fā)生行車安全事故，其帶來的后果是不堪設(shè)想的，因此行車安全是鐵路永恒不變的主題。而高鐵列車調(diào)度員作為行車的管理者和指揮者，肩負(fù)著列車運(yùn)行安全的重要使命，因此有必要加強(qiáng)對高鐵列車調(diào)度員的能力培訓(xùn)。正常情況下，采用的培訓(xùn)模式都脫離了設(shè)備，多以“對話”方式進(jìn)行。由此可見，這種方式并不能帶來高效、滿意的培訓(xùn)結(jié)果。CTC系統(tǒng)以其先進(jìn)的功能，輔助列車調(diào)度員輕松完成行車作業(yè)，且起到了保障行車安全的目的。但是，在突發(fā)情況下，高鐵列車調(diào)度員由于自身業(yè)務(wù)水平、決策能力和處置經(jīng)驗(yàn)等的限制，導(dǎo)致無法有效、快速地處置行車突發(fā)事件，這將對行車安全產(chǎn)生致命打擊。綜上，對高鐵列車調(diào)度員是有必要時(shí)刻進(jìn)行強(qiáng)化演練和培訓(xùn)，從而有效保證行車安全。這迫切需要一套CTC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，輔助高鐵列車調(diào)度員完成日常訓(xùn)練，保障高鐵行車安全。

近年來，相關(guān)學(xué)者和專家對高鐵列車調(diào)度員實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)都進(jìn)行了大量研究，且成果頗豐。宋鵬飛等基于CTC實(shí)際數(shù)據(jù)，研究集聯(lián)鎖、閉塞、列控和通信等為一體的仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了無差異化的教學(xué)；馬文暉等針對鐵路現(xiàn)場中調(diào)度員對工作的需求，詳細(xì)分析了CTC系統(tǒng)功能，從功能仿真出發(fā)，設(shè)計(jì)了CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；張曉梅從CTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，通過數(shù)據(jù)建模、模型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫建立和仿真編程實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)；何宏偉對現(xiàn)有設(shè)備做出分析，從系統(tǒng)環(huán)境、教學(xué)功能和日常管理三方面出發(fā)，融合多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對仿真實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行了研究；陳世忠等提出一套鐵路調(diào)度實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)，能進(jìn)行非正常情況設(shè)置，全過程反映列車調(diào)度員的處置流程和執(zhí)行情況。

通過這些研究成果，為本文提供了大量的參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)。基于這些成果，本文也將著重對高鐵列車調(diào)度員實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期對實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有所助力，最終促進(jìn)高鐵行車日益安全。

一、高鐵列車調(diào)度員培訓(xùn)現(xiàn)狀分析

目前，針對鐵路行車人員實(shí)操訓(xùn)練，主要采用的是“對話”方式進(jìn)行，達(dá)不到訓(xùn)練的效果，無法真實(shí)體驗(yàn)操作過程。通過現(xiàn)有訓(xùn)練模式分析，在許多方面都存在問題，主要集中在以下幾點(diǎn)。

1.培訓(xùn)模式方面

當(dāng)前高鐵列車調(diào)度員的培訓(xùn)，主要采用線下理論培訓(xùn)的傳統(tǒng)模式，缺乏列車調(diào)度員動手操作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，較大程度上影響到列車調(diào)度員解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，采用教員講解、學(xué)員聽課的形式，受教員的教學(xué)水平、知識儲備和學(xué)員技能不同的影響，若采用同一情景、同一環(huán)境下教學(xué)，使得培訓(xùn)結(jié)果因人而異，無法針對不同的學(xué)員做到因材施教。這種模式不僅加大了培訓(xùn)強(qiáng)度，也延長了列車調(diào)度員的培養(yǎng)、培訓(xùn)周期。

2.應(yīng)急處置培訓(xùn)方面

日常演練多在“天窗”時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，采用“口頭對話”方式進(jìn)行，難以還原現(xiàn)場實(shí)景化的演示操作，只是按照固定流程完成應(yīng)急處置。而且，日常對于非正常行車處置培訓(xùn)方面，都局限于規(guī)章和案例講解，學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥，無法真正領(lǐng)會處置流程。

因此，急需一套CTC實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)，模擬真實(shí)作業(yè)環(huán)境，解決目前高鐵列車調(diào)度員培訓(xùn)所面臨的問題。

二、詳解CTC實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)

1.實(shí)訓(xùn)仿真平臺簡介

利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、自動化控制技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)集成技術(shù)，綜合設(shè)計(jì)CTC實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)。構(gòu)建具備運(yùn)行圖終端、助調(diào)終端、調(diào)度命令終端、調(diào)度監(jiān)督終端以及實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)的仿真平臺。

2.實(shí)訓(xùn)仿真平臺功能

（1）運(yùn)行圖終端

運(yùn)行圖終端系統(tǒng)是CTC系統(tǒng)的重要組成部分，是行車調(diào)度組織工作的重要工具，也是實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分。通過運(yùn)行圖終端系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行計(jì)劃編制和調(diào)整、計(jì)劃下達(dá)管理、列車屬性管理、列車節(jié)點(diǎn)屬性管理以及列車查找等相關(guān)功能。操作方式與實(shí)際調(diào)度臺運(yùn)行圖終端保持一致。

（2）助調(diào)終端

助調(diào)終端系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)路的自動排列，必要時(shí)可進(jìn)行人工干預(yù)，以及對道岔、信號機(jī)的相關(guān)操作。由自律機(jī)系統(tǒng)根據(jù)階段計(jì)劃，自動生成接發(fā)車進(jìn)路序列表，顯示車次號、計(jì)劃時(shí)間、觸發(fā)條件、股道、進(jìn)路類型、進(jìn)路名稱、觸發(fā)方式及狀態(tài)等信息。在助調(diào)終端可對觸發(fā)方式、股道等進(jìn)行人工干預(yù)。操作方式與實(shí)際調(diào)度臺助調(diào)終端保持一致。

（3）調(diào)度命令終端

調(diào)度命令終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令管理、編輯、審批、下發(fā)、簽收和查詢功能，以及列控限速命令的設(shè)置和下達(dá)功能。

列控限速管理模擬仿真TSRS，接受調(diào)度命令終端系統(tǒng)編制生成的列控限速命令，實(shí)現(xiàn)列控限速命令的激活校驗(yàn)、初始化、執(zhí)行、刪除等基本操作。操作方式與實(shí)際調(diào)度臺一致。

（4）調(diào)度監(jiān)督終端

調(diào)度監(jiān)督終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)段畫面/單站畫面自由切換，主要對站場示意圖、信號機(jī)、線路和車站等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過調(diào)度監(jiān)督終端系統(tǒng)，對列車運(yùn)行整個(gè)過程實(shí)施全程監(jiān)控。

（5）實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)

實(shí)訓(xùn)管理的對象主要為學(xué)員和訓(xùn)練內(nèi)容。具備學(xué)員登錄客戶端、創(chuàng)建訓(xùn)練內(nèi)容、更新訓(xùn)練內(nèi)容、接收訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練環(huán)境初始化的功能。通過教員創(chuàng)建并實(shí)時(shí)更新訓(xùn)練內(nèi)容，以符合實(shí)際作業(yè)規(guī)范，和滿足個(gè)性化訓(xùn)練的目的。

三、實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了與現(xiàn)實(shí)CTC系統(tǒng)功能吻合，最大程度復(fù)刻系統(tǒng)功能，需要對CTC實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真環(huán)境的搭建。主要包括調(diào)度臺CTC操作終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信接口服務(wù)器等，并通過數(shù)據(jù)庫與實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)互聯(lián)。具體如下圖所示。

圖1 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)環(huán)境結(jié)構(gòu)

2.通信、信號系統(tǒng)仿真

通過系統(tǒng)平臺的搭建，在現(xiàn)有CTC平臺的基礎(chǔ)上，仿真構(gòu)建一套與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境一致的仿真系統(tǒng)。RBC、GSM-R、聯(lián)鎖和TSRS是維持CTC仿真平臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心通信、信號系統(tǒng)，針對這幾部分內(nèi)容進(jìn)行功能仿真。

（1）RBC仿真

CTC仿真系統(tǒng)通過RBC接口服務(wù)器與RBC系統(tǒng)，采用專用數(shù)字通道進(jìn)行連接，兩者實(shí)現(xiàn)信息互通功能。CTC能從RBC接受列車信息，列車相關(guān)信息包含了列車車次號、速度、位置、長度以及移動授權(quán)等。除了從RBC處接受列車信息以外，RBC還需要從CTC接受文本信息，按照系統(tǒng)的指令對仿真列車進(jìn)行創(chuàng)建、注冊，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行仿真。

（2）GSM-R仿真

CTC仿真系統(tǒng)通過GSM-R接口服務(wù)器與GSM-R系統(tǒng)，采用專用數(shù)字通道或者以太網(wǎng)進(jìn)行連接，兩者實(shí)現(xiàn)信息互通功能。CTC可向GSM-R發(fā)送無線調(diào)度命令、無線進(jìn)路預(yù)告等信息。CTC從GSM-R接受無線車次校核信息、調(diào)度命令、進(jìn)路預(yù)告等信息。

（3）聯(lián)鎖仿真

CTC仿真系統(tǒng)通過車站自律機(jī)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備連接，兩者實(shí)現(xiàn)信息互通功能，雙方需要保證控制指令的完整傳達(dá)和執(zhí)行。CTC可向計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送控制指令，并接受來自于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)反饋的信號設(shè)備狀態(tài)以及設(shè)備報(bào)警等重要信息?？刂浦噶畎ㄅ帕羞M(jìn)路、總?cè)斯そ怄i、道岔解鎖、信號機(jī)操作等相關(guān)指令。

（4）TSRS仿真

CTC仿真系統(tǒng)通過TSRS接口服務(wù)器與TSRS系統(tǒng)，采用專用數(shù)字通道進(jìn)行連接，兩者實(shí)現(xiàn)信息互通功能。CTC系統(tǒng)可向TSRS發(fā)送臨時(shí)限速調(diào)度命令，以及臨時(shí)限速命令的激活和執(zhí)行，并從TSRS處接受限速命令激活和執(zhí)行結(jié)果，以及臨時(shí)限速的狀態(tài)信息。

四、仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.模擬列車運(yùn)行技術(shù)

模擬列車運(yùn)行是仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵，而列車的牽引、制動過程是模擬列車運(yùn)行的核心所在，系統(tǒng)根據(jù)列車實(shí)際速度和列控允許速度的差距，完成列車制動或者牽引，實(shí)現(xiàn)列車位移。

（1）線路允許速度的確定

由于實(shí)際中的線路情況復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境多變，導(dǎo)致列車運(yùn)行至不同地段，使得允許速度受不同條件限制，包括線路臨時(shí)限速、橋梁和曲線限速等。因此，列車運(yùn)行允許速度應(yīng)分地段取各限速條件對應(yīng)的最小值，即

圖2 線路區(qū)段允許速度

（2）列控允許速度曲線的建立

通過以上方法，得到列控允許速度曲線，如下圖所示。

圖3 列控允許速度曲線

（3）模擬列車運(yùn)行

2.進(jìn)路觸發(fā)檢測技術(shù)

列車在站到發(fā)及通過，需要提前排列相應(yīng)進(jìn)路。CTC系統(tǒng)中，通過進(jìn)路序列實(shí)現(xiàn)進(jìn)路排列。因此，進(jìn)路觸發(fā)是仿真系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)路觸發(fā)時(shí)機(jī)受時(shí)空關(guān)系邏輯控制，在列車到達(dá)或通過之前10分鐘或者提前8個(gè)閉塞分區(qū)觸發(fā)進(jìn)路，開放信號；在列車出發(fā)之前1-2分鐘觸發(fā)進(jìn)路，開放信號。但是，這并不代表只要列車進(jìn)路觸發(fā)時(shí)機(jī)滿足觸發(fā)條件，即可排列進(jìn)路。區(qū)間和車站內(nèi)存在列車群，可能多列車同時(shí)滿足這樣的時(shí)空條件，且這些列車的進(jìn)路之間存在共同部分。所以，在觸發(fā)進(jìn)路之前，需要由系統(tǒng)激活進(jìn)路觸發(fā)檢測機(jī)制，符合要求后方可進(jìn)行進(jìn)路觸發(fā)。

當(dāng)多列列車的進(jìn)路觸發(fā)時(shí)機(jī)滿足時(shí)空條件后，由系統(tǒng)遍歷區(qū)間、車站內(nèi)所有列車，獲取這些列車的到發(fā)、通過時(shí)刻以及線路占用信息。通過檢測本列車前方徑路是否被占用，并根據(jù)列車到發(fā)、通過時(shí)刻優(yōu)先檢測，若無占用，則觸發(fā)進(jìn)路。進(jìn)路觸發(fā)檢測機(jī)制如下圖所示。

圖4 進(jìn)路觸發(fā)檢測機(jī)制流程

通過模擬列車運(yùn)行和進(jìn)路觸發(fā)檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)虛擬列車的自走行，為高鐵列車調(diào)度員的培訓(xùn)提供了環(huán)境基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

按照上述內(nèi)容以及仿真設(shè)計(jì)，構(gòu)建的CTC實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)。

1.改變了傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式

通過實(shí)訓(xùn)仿真平臺，真實(shí)還原與現(xiàn)場一致的作業(yè)場景，極大解決了理論和實(shí)際脫節(jié)的問題，加強(qiáng)了對學(xué)員實(shí)踐能力的培養(yǎng)，減少由于人員因素差異對培訓(xùn)結(jié)果的影響，減輕了培訓(xùn)負(fù)荷，縮短了培訓(xùn)周期，作用效果明顯。

2.通過實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)，可由教員根據(jù)教學(xué)安排自行創(chuàng)建培訓(xùn)內(nèi)容，并下發(fā)至學(xué)員，通過系統(tǒng)加載內(nèi)容進(jìn)行訓(xùn)練。尤其是針對行車突發(fā)應(yīng)急事件，通過CTC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)突發(fā)應(yīng)急事件預(yù)演，使高鐵列車調(diào)度員熟悉整個(gè)操作流程，從而保障了行車安全。

基于實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)建CTC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，通過不斷演練培訓(xùn)，提升了高鐵列車調(diào)度員的業(yè)務(wù)水平、決策能力和處置經(jīng)驗(yàn)，保障了高鐵行車安全，適應(yīng)了我國高速鐵路的發(fā)展需求。