基于移動閉塞的重載鐵路列控系統(tǒng)仿真研究

侯明明 馬睿杰

摘要 在分析國能集團重載列車信號系統(tǒng)現(xiàn)狀及列車駕駛培訓(xùn)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合國能集團重載列車運營的特殊性與既有LKJ系統(tǒng)的局限性，以及重載移動閉塞列控系統(tǒng)的運營現(xiàn)狀，研究重載鐵路列控仿真平臺、列車與運營線路耦合數(shù)學(xué)模型、運營場景及相應(yīng)的培訓(xùn)考核規(guī)則。仿真實例與研究分析表明，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)仿真重載列車功能業(yè)務(wù)，高度還原現(xiàn)場實際作業(yè)場景，能實現(xiàn)移動閉塞列控系統(tǒng)體系與系統(tǒng)化的培訓(xùn)考核，對國能集團移動閉塞列車的駕駛培訓(xùn)考核具有較好的指導(dǎo)意義，同時為國能集團全面推廣移動閉塞列控系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 高速動車組；列控系統(tǒng)；培訓(xùn)考核；案例場景

中圖分類號 U284.44文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0005-03

0 引言

重載鐵路是我國鋼鐵、煤炭、礦石、建筑材料等大重型貨物運輸?shù)闹饕ǖ?。對重載鐵路列車司機而言，其所需要熟練掌握的重載列車車載信號控制原理、操作邏輯以及不同車型制動測試及故障處理的方法，難度較大、不易學(xué)習(xí)且在鐵路現(xiàn)場實際中很容易引發(fā)事故，尤其涉及既有系統(tǒng)的升級和改造、更換新型信號系統(tǒng)，需要對其開展更系統(tǒng)全面和體系化的培訓(xùn)[1]。因此，對于重載鐵路列控系統(tǒng)，應(yīng)基于真實信號系統(tǒng)的控制原理、界面風(fēng)格、操作邏輯對其進行仿真處理，并將現(xiàn)場案例場景與故障、非正常場景注入其中，對列車司機進行列控系統(tǒng)專項培訓(xùn)，此舉不僅不影響正常重載鐵路的正常運營，還能極大縮短培訓(xùn)周期以及提高培訓(xùn)效率[2]。

1 重載鐵路信號簡介

1.1 重載鐵路

重載鐵路相較于普通鐵路著重關(guān)注列車重點、軸重以及單線年運量等相關(guān)指標(biāo)，1986年要求列車重量至少達到5 000 t，軸重在21 t及以上，單線年運2 000萬噸及以上；1994年要求列車重量至少達到5 000 t，軸重在25 t及以上，在至少150 km的線路區(qū)段上單線年運量至少達到2 000萬噸；2005年要求列車重量至少達到8 000 t，軸重在27 t及以上，在至少150 km的線路區(qū)段上單線年運量至少達到4 000萬噸[3]。

重載鐵路所運營列車相較于地鐵列車與高速動車組有很多差異：①列車牽引重量大，編組多、編組長，縱向沖擊大。②列車受空氣制動波速傳播速度呈現(xiàn)非線性特征的限制，制動命令傳遞時間長，制動時間長。③列車受到長大下坡道等因素影響，重載列車以空氣制動為主，長大下坡道需采取循環(huán)制動。④受充放風(fēng)時間、過分相、低速緩解限制、臨時限速、不同作業(yè)模式等因素限制，以人工駕駛為主[4]。

1.2 重載移動閉塞

重載鐵路列控移動閉塞系統(tǒng)是在既有固定閉塞三顯示或四顯示模式基礎(chǔ)上，新增地面應(yīng)答器、RBC、北斗設(shè)備以及車載列控，升級改造既有CTC/TDCS、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、通信設(shè)備等[5]，實現(xiàn)完全基于無線通信的車地雙向高速通信。應(yīng)用RBC與車載設(shè)備完成列車占用檢測及完整性檢查；應(yīng)答器信息用于列車定位和測距修正列車位置信息[6]；結(jié)合速度傳感器、加速度計、地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)、異構(gòu)衛(wèi)星北斗設(shè)備及應(yīng)答器信息實現(xiàn)列車的精準(zhǔn)定位、測速、測距等，進而實現(xiàn)重載列車的安全準(zhǔn)點運行[7]。

2 重載鐵路列控系統(tǒng)仿真研究

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

重載鐵路列控仿真系統(tǒng)以朔黃鐵路“肅寧北到滄州西”線路及軌旁設(shè)備為基礎(chǔ)，以升級改造后的神華號列車為研究臷體，以移動閉塞列控系統(tǒng)為核心，以現(xiàn)場重載鐵路列車實際運營場景為依據(jù)，以教學(xué)管理為輔助，結(jié)合鐵路現(xiàn)場實際構(gòu)建神華號列車駕駛操作臺、列車網(wǎng)絡(luò)、RBC、LTE網(wǎng)絡(luò)、速度傳感器、加速度計、地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)、異構(gòu)衛(wèi)星北斗設(shè)備、移動閉塞列控設(shè)備、萬噸重載動力學(xué)、線路三維場景等模型，運用重載動力學(xué)與RBC和ATP協(xié)同聯(lián)動計算列尾包絡(luò)、行車許可以及列車進路相關(guān)信息，構(gòu)建集信號、供電、線路、場景等于一體的重載鐵路列控專項培訓(xùn)設(shè)備，實現(xiàn)“1∶1沉浸式”全仿真，能精準(zhǔn)仿真還原重載鐵路移動閉塞列車的原理與實際作業(yè)和運營場景，能較好地滿足鐵路現(xiàn)場實際的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)培訓(xùn)、故障處置培訓(xùn)、非正常作業(yè)培訓(xùn)及考核評價與統(tǒng)計決策分析等需要。重載鐵路列控仿真總體業(yè)務(wù)框架如圖1所示：

2.2 軟件仿真設(shè)計

2.2.1 重載移動閉塞模塊

（1）車載列控仿真模塊。重載列車車載列車運行控制設(shè)備主要包括列車運行控制核心模塊、HMI人機交互界面、ATP與車輛接口模塊、LKJ與ATP及車輛接口模塊等組成?；诹熊囘\行控制原理及聯(lián)鎖控制邏輯和地鐵實際線路的運營場景，依據(jù)重載列車運行控制系統(tǒng)功能業(yè)務(wù)框架和通信機制構(gòu)建的地面列車運行控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模；并根據(jù)真實列車實際行車組織與運營調(diào)整要求，結(jié)合萬噸重載鐵路長大下坡、特殊困難區(qū)段、重載列車相關(guān)的功能特性以及運營場景等信息生成相應(yīng)的行車許可；再通過地面列車運行控制模塊與重載車載列車運行控制設(shè)備進行通信。重載列車仿真模塊通過行車許可得到重載列車的目標(biāo)運行速度、目標(biāo)運行距離與基礎(chǔ)固定及可變線路信息，結(jié)合重載鐵路列車列尾、牽引計算、動力學(xué)及制動曲線，監(jiān)控重載列車運行?；谲壍澜煌ㄟ\營聯(lián)控網(wǎng)絡(luò)平臺，將ATP與LKJ-15C核心計算模塊及DMI人機交互界面進行連通，并與重載鐵路列車仿真模塊進行數(shù)據(jù)交互與命令控制。

（2）地面環(huán)境服務(wù)仿真模塊。地面環(huán)境服務(wù)包括列控地面基礎(chǔ)設(shè)備、聯(lián)鎖、基礎(chǔ)線路設(shè)備、供電設(shè)備等，其中列控設(shè)備主要包括信號機、道岔、軌道電路、應(yīng)答器、RBC、LTE網(wǎng)絡(luò)、速度傳感器、加速度計、地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)、異構(gòu)衛(wèi)星北斗設(shè)備等。重載鐵路列車通過通信仿真模塊，實現(xiàn)BTM、TCR模塊與地面列車運行控制仿真模塊進行數(shù)據(jù)傳輸與命令控制交互，能實現(xiàn)相關(guān)數(shù)運營及設(shè)備信息的時序仿真及聯(lián)動控制，能模擬車地雙向通信、地面列控聯(lián)鎖邏輯及供電與通信等功能，還能模擬與再現(xiàn)地面軌旁設(shè)備、信號設(shè)備以及故障及非正常突發(fā)事件等場景。重載移動閉塞列控系統(tǒng)仿真業(yè)務(wù)及功能界面如圖2所示。

2.2.2 重載鐵路列車仿真模塊

根據(jù)重載鐵路列車功能特點、重載移動閉塞列控系統(tǒng)專項培訓(xùn)需求及典型場景案例，結(jié)合現(xiàn)場實際操作與應(yīng)用培訓(xùn)便捷等需求，以神華號信號升級改造列車為載體，按照真實列車設(shè)備構(gòu)成及控制原理進行仿真建模，能正確反映列車的固有控制邏輯關(guān)系，能實時精準(zhǔn)響應(yīng)參訓(xùn)司機各項實作與處置流程，并能根據(jù)列車運行控制原理及運營調(diào)整計算神華號列車的相關(guān)運行條件及運營狀態(tài)信息。

2.2.3 教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)

教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)是重載鐵路列車仿真場景的控制中樞，能實現(xiàn)運行場景編輯設(shè)計、場景運行監(jiān)控、整個訓(xùn)練過程管理等。該教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)能實現(xiàn)人員信息管理、教學(xué)資源管理、教學(xué)過程及培訓(xùn)數(shù)據(jù)管理、考核評價成績管理以及統(tǒng)計分析等?；谝苿娱]塞的重載鐵路列控系統(tǒng)的教學(xué)場景制作流程及實現(xiàn)框架如圖3所示。

2.3 典型場景設(shè)計

基于重載鐵路現(xiàn)場實際、相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及要求構(gòu)建相應(yīng)的課程場景體系，重載鐵路列車運行場景主要包括一次出乘標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、正常作業(yè)場景、故障作業(yè)場景、非正常突發(fā)場景以及現(xiàn)場實際運營的特殊場景等。首先，基于重載鐵路列車故障維護處理手冊及線路運營條件，梳理歸整各場景的設(shè)備及觸發(fā)條件；然后，根據(jù)各場景的運行和觸發(fā)條件設(shè)置各場景的運行時序及運營狀態(tài)；再次，根據(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)要求及規(guī)范，通過教學(xué)教務(wù)管理軟件設(shè)置各場景的考核評價規(guī)則；最后，通過教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)對重載鐵路列車運行控制系統(tǒng)進行專項培訓(xùn)與考核。

2.4 硬件仿真設(shè)計

根據(jù)重載鐵路列車駕駛操縱臺體及功能業(yè)務(wù)框架與屬性和運營狀態(tài)等，結(jié)合重載鐵路現(xiàn)場實際與線路運營場景和重載鐵路基于移動閉塞的列控專項培訓(xùn)需求，歸整簡化設(shè)計DMI屏、LKJ-15C、列車駕駛等相關(guān)功能按鍵等，應(yīng)用驅(qū)采控制電路將相關(guān)組件進行狀態(tài)采集與驅(qū)動控制，將其與列控仿真系統(tǒng)進行聯(lián)動聯(lián)控，并應(yīng)用便攜式列控仿真試驗臺將核心服務(wù)計算機、DMI屏、功能組件及驅(qū)采控制設(shè)備進行組裝設(shè)計?；谝苿娱]塞的重載鐵路列控實訓(xùn)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)及框架如圖4所示：

3 系統(tǒng)功能

3.1 正常作業(yè)場景模擬

①ATP啟動流程操作模擬。②ATP級間切換功能仿真培訓(xùn)。③ATP模式間切換功能仿真培訓(xùn)。④ATP超速防護等核心功能仿真培訓(xùn)。⑤DMI人機交互仿真。⑥ATP聲音仿真。

3.2 故障與非正常場景模擬

（1）車載設(shè)備故障。ATP故障仿真模擬及處理方法/流程實現(xiàn)：模擬各型ATP常見的故障類型，例如安全主機故障、DMI黑屏、軌道電路接收單元故障、應(yīng)答器信息丟失等，并能夠進行各故障多種處理方法及流程的仿真培訓(xùn)。

（2）地面設(shè)備故障。地面環(huán)境故障、非正常仿真模擬及處理方法/流程實現(xiàn)：模擬地面信號系統(tǒng)設(shè)備故障等，例如各類信號機故障、軌道電路發(fā)碼故障、非列車占用紅光帶、各類應(yīng)答器故障等，并能夠模擬培訓(xùn)與調(diào)度/車站相關(guān)的處理流程。

（3）其他故障。網(wǎng)絡(luò)通信故障、通信故障、RBC故障等。

4 實驗仿真

4.1 模式轉(zhuǎn)換

重載移動閉塞ATP上電后，檢測信號設(shè)備未被隔離時，列控系統(tǒng)默認(rèn)進入待機模式。停車狀態(tài)下，司機輸入列車編組與車輛信息，通過DMI選擇進入出段模式，車載ATP設(shè)備提示司機確認(rèn)進入出段模式；司機確認(rèn)后，車載ATP設(shè)備進入出段模式。若列車在運行過程中選擇了出入段模式，則不會提示進行出入段模式，其他模式轉(zhuǎn)為出入段模式需判斷是否為零速。

4.2 等級轉(zhuǎn)換

列車在LKJ模式運行過程中收到LKJ自動切換條件或收到手動切換LKJ命令時，LKJ切換模塊判斷是否滿足LKJ自動切換完全監(jiān)控模式的條件，當(dāng)接收到有效MA信息，計算限速有效且當(dāng)前列車速度低于限速，以及列車完整性完整時，則自動轉(zhuǎn)入完全監(jiān)控模式，繼承原模式時司機的輸入數(shù)據(jù)、測距誤差、機車位置、列車車尾位置、列車完整性、MA信息。超速防護速度根據(jù)MA進行計算。

5 結(jié)語

該文分析了國能集團重載列車信號系統(tǒng)現(xiàn)狀及列車駕駛培訓(xùn)需求，結(jié)合國能集團重載列車運營的特殊性與既有LKJ系統(tǒng)的局限性以及重載移動閉塞列控系統(tǒng)的運營現(xiàn)狀，研發(fā)設(shè)計重載鐵路列控仿真平臺、列車與運營線路耦合數(shù)學(xué)模型、運營場景及相應(yīng)的培訓(xùn)考核規(guī)則。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)仿真重載列車功能業(yè)務(wù)，高度還原現(xiàn)場實際作業(yè)場景，能實現(xiàn)移動閉塞列控系統(tǒng)體系與系統(tǒng)化的培訓(xùn)考核，對國能集團移動閉塞列車的駕駛培訓(xùn)考核具有較好的指導(dǎo)意義，同時為國能集團全面推廣移動閉塞列控系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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