高速鐵路CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

韓笑　梁天曉

摘 要：隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路CTC系統(tǒng)作為指揮列車運(yùn)行的中樞神經(jīng)，在保證列車的安全、準(zhǔn)點(diǎn)、高速運(yùn)行方面具有重要的作用。文章介紹CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)符合高職院校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)需求的CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能模塊包括：列車運(yùn)行圖計(jì)劃編制與下達(dá)、停車股道選擇、臨時(shí)限速調(diào)度命令編制與下達(dá)、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)接口模塊。采用白盒測(cè)試方法，針對(duì)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)功能設(shè)計(jì)測(cè)試用例，完成系統(tǒng)的部分核心功能進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果。論證了該系統(tǒng)在鐵路運(yùn)輸、信號(hào)等領(lǐng)域高職學(xué)生專業(yè)技能學(xué)習(xí)中的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：CTC;實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);白盒測(cè)試

中圖分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.005

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，新一代調(diào)度集中（Centralized Traffic Control，簡(jiǎn)稱CTC）成為高速鐵路系統(tǒng)中重要的技術(shù)裝備[1]。它主要用于控制中心（調(diào)度員）對(duì)某一調(diào)度區(qū)段的信號(hào)設(shè)備的集中控制，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行直接管理與指揮。長(zhǎng)期以來，鐵路列車調(diào)度指揮人員熟悉了TDCS系統(tǒng)的操作模式，往往一下子難以適應(yīng)CTC系統(tǒng)的操作界面和操作方法，而對(duì)于應(yīng)急處理方面，職工也不可能利用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備進(jìn)行演練。同時(shí)，由于鐵路行車指揮工作的特殊性與鐵路設(shè)備的限制，相關(guān)專業(yè)學(xué)生在校不能得到與工作現(xiàn)場(chǎng)一致的培訓(xùn)和練習(xí)。因此，為提高列車調(diào)度指揮人員的操作技能和鐵路運(yùn)輸、信號(hào)等專業(yè)學(xué)生技能的培養(yǎng)，開發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)CTC系統(tǒng)一致的模擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)已迫在眉睫。高速鐵路CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)不僅可用于學(xué)校學(xué)生專業(yè)技能培養(yǎng)也可以用于鐵路職工技能培訓(xùn)。

1 CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)CTC中心系統(tǒng)的列控工作站、助調(diào)工作站和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察調(diào)研，分析得出CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能模塊主要包括：列車運(yùn)行圖的繪制、站內(nèi)停車股道選擇、臨時(shí)限速設(shè)置模塊、行車數(shù)據(jù)管理等其他功能模塊。文章以京滬高鐵線路為背景，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建立高速鐵路CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，設(shè)置北京南站、濟(jì)南西站和上海虹橋站3個(gè)車站。

1.2 CTC中心仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 列車運(yùn)行圖模塊設(shè)計(jì)

列車的運(yùn)行圖是列車運(yùn)行計(jì)劃的主要表現(xiàn)形式，可展示管轄區(qū)域內(nèi)所有列車的運(yùn)行情況。使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編制和調(diào)整列車運(yùn)行計(jì)劃是CTC中心系統(tǒng)的功能之一，是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)。該模塊功能主要包括：載入已有列車運(yùn)行計(jì)劃、加開、移動(dòng)、組合、刪除和分解列車運(yùn)行計(jì)劃以及列車運(yùn)行計(jì)劃的下達(dá)。

1.2.2 站內(nèi)停車股道選擇模塊設(shè)計(jì)

CTC系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程遙控的功能，即列車調(diào)度員在控制中心遠(yuǎn)程控制管轄區(qū)段內(nèi)的所有信號(hào)設(shè)備，辦理接車進(jìn)路、發(fā)車進(jìn)路以及通過進(jìn)路，部分車站還需辦理調(diào)車進(jìn)路，以保證車站內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)的有序進(jìn)行。CTC中心系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將列車運(yùn)行計(jì)劃下達(dá)到CTC車站子系統(tǒng)中，禮車運(yùn)行計(jì)劃中包含有列車進(jìn)站時(shí)在站內(nèi)停車股道信息、列車車次號(hào)信息、機(jī)車編組號(hào)信息、列車運(yùn)行方向信息等。站內(nèi)停車股道選擇功能是在系統(tǒng)下發(fā)列車運(yùn)行計(jì)劃時(shí)，確定并修改列車經(jīng)過各個(gè)車站時(shí)所占用股道的狀況，并與其他有用的信息，如列車車次號(hào)信息、機(jī)車編組號(hào)信息、列車運(yùn)行方向信息等，結(jié)合成列車運(yùn)行計(jì)劃通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到CTC車站子系統(tǒng)。該模塊設(shè)計(jì)主要包括：站場(chǎng)圖設(shè)計(jì)、進(jìn)路檢查和列車軌跡顯示。

1.2.3 臨時(shí)限速設(shè)置模塊設(shè)計(jì)

臨時(shí)限速TSR（Temporary Speed Restriction）是系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行中的列車在遇到臨時(shí)和意外情況（如線路維護(hù)、災(zāi)害）時(shí)給予的限速，臨時(shí)限速設(shè)置模塊設(shè)置在CTC中心系統(tǒng)中。當(dāng)有線路因施工、天氣等方面影響需要列車限速行駛時(shí)，列車調(diào)度員可以通過該模塊編制線路限速調(diào)度命令，設(shè)置系統(tǒng)限速值。核對(duì)命令后，可以生成臨時(shí)限速命令，并保存在臨時(shí)限速命令列表中。臨時(shí)限速調(diào)度命令中包括：限速原因、調(diào)度命令號(hào)、線路號(hào)、起始里程標(biāo)、終點(diǎn)里程標(biāo)、限速值、計(jì)劃執(zhí)行開始與結(jié)束時(shí)間等信息[2]。

1.2.4 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)

CTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理的基本模塊是數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫需要提供并保存了列車運(yùn)行計(jì)劃、站內(nèi)股道選擇信息和臨時(shí)限速設(shè)置模塊所需的數(shù)據(jù)信息[3]。數(shù)據(jù)管理模塊包括站場(chǎng)表示信息、計(jì)劃數(shù)據(jù)、限速調(diào)度命令等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及運(yùn)行圖數(shù)據(jù)、車站信息、區(qū)間行車信息等基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊包括列表List和數(shù)據(jù)庫。其中，數(shù)據(jù)庫可以大容量、長(zhǎng)時(shí)間地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)突然斷電或崩潰時(shí)對(duì)起到數(shù)據(jù)保護(hù)的作用，是數(shù)據(jù)管理模塊的核心[4]。List列表作為程序中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可以為程序中的各個(gè)模塊提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要包括：登陸信息表、基本計(jì)劃線表、列車信息表、車站信息表和臨時(shí)限速命令表。在數(shù)據(jù)庫中的表中包含靜態(tài)表與動(dòng)態(tài)表，如“列車運(yùn)行計(jì)劃線”與“用戶登錄信息”表是靜態(tài)表，其他數(shù)據(jù)表為動(dòng)態(tài)表，動(dòng)態(tài)表中的數(shù)據(jù)會(huì)可根據(jù)程序運(yùn)行情況進(jìn)行更新。

1.2.5 系統(tǒng)接口模塊設(shè)計(jì)

在CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，CTC中心系統(tǒng)需要通過系統(tǒng)接口與他信號(hào)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，處于核心地位。CTC中心系統(tǒng)與各模塊接口示意圖如圖1所示。

CTC中心系統(tǒng)與CTC車站子系統(tǒng)、無線閉塞中心（RBC）與列控中心之間通信使用RJ-45接口。以CTC中心系統(tǒng)與CTC車站子系統(tǒng)的通信協(xié)議為例，中心系統(tǒng)與車站子系統(tǒng)之間的通信協(xié)議如表1所示，發(fā)送字符串類型的數(shù)據(jù)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間用“#”分隔。CTC車站子系統(tǒng)向CTC中心系統(tǒng)發(fā)送的主要信息如表2所示。

2 CTC中心子系統(tǒng)的軟件測(cè)試

為保證軟件質(zhì)量，需要進(jìn)行軟件測(cè)試、軟件驗(yàn)證與確認(rèn)（V&V）[5]。下面將以程序中的站內(nèi)停車股道選擇模塊功能為例進(jìn)行白盒測(cè)試。

站內(nèi)停車股道選擇流程圖如圖2所示，根據(jù)流程圖可以得到對(duì)應(yīng)的站內(nèi)停車股道選擇的程序流圖，如圖3所示。程序流程圖中的流程和流圖中數(shù)字節(jié)點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，情況如表3所示。圖3所示的流圖中有5個(gè)區(qū)域，即有5條獨(dú)立的路徑，5條路徑與其對(duì)應(yīng)場(chǎng)景如表4所示。測(cè)試用例根據(jù)表4中的列車運(yùn)行場(chǎng)景與列車站內(nèi)停車股道的對(duì)應(yīng)情況生成。測(cè)試用例中包含：選擇股道的列車計(jì)劃線橫縱坐標(biāo)、在濟(jì)南站選擇的股道、對(duì)進(jìn)路檢查三的應(yīng)用情況。站內(nèi)停車股道選擇功能測(cè)試用例及期望路徑如表5所示。

表5中的line1、line2、line3表示北京南站、濟(jì)南西站和上海虹橋站車站中心線的縱坐標(biāo)。依次使用上述測(cè)試用例測(cè)試站內(nèi)停車股道選擇模塊，得出測(cè)試結(jié)果如表6所示。對(duì)比表5與表6，得出期望的停車股道與實(shí)際停車股道相同，即站內(nèi)停車股道選擇模塊符合設(shè)計(jì)要求。

3 高速鐵路CTC仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建立高速鐵路CTC仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)室CTC車站、聯(lián)鎖、列空中心、無線閉塞中心等多個(gè)仿真子系統(tǒng)相連。實(shí)現(xiàn)列車圖動(dòng)態(tài)編輯、列車運(yùn)行計(jì)劃下達(dá)、列車運(yùn)行站內(nèi)停車股道選擇與判斷、臨時(shí)限速調(diào)度命令的管理、數(shù)據(jù)庫后臺(tái)動(dòng)態(tài)更新等功能[6]。系統(tǒng)構(gòu)建了1：1仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，按照鐵路總公司調(diào)度所及車站的作業(yè)流程和要求，對(duì)相關(guān)專業(yè)在校生進(jìn)行培訓(xùn)，工作后可與企業(yè)無縫對(duì)接。

4 結(jié)語

結(jié)合鐵路運(yùn)輸與信號(hào)等專業(yè)高職學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求，設(shè)計(jì)了滿足系統(tǒng)需求的CTC仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的示范效果和應(yīng)用價(jià)值。使用白盒測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)的一些核心功能模塊進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)不同的功能模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試用例，得到測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)一致，能夠滿足大專院校的教學(xué)需求，滿足鐵路運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度指揮的要求。

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