高速铁路列车运行控制系统虚拟仿真实验教学研究

马秀飞，王柏华

（江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心，徐州 221116）

0 引言

随着我国高速铁路的迅速发展，高铁行业从业人员逐步增多，人才培养需求旺盛。高速铁路列车运行控制系统是铁路信号控制的核心，是一个复杂庞大、设备种类繁多且价格昂贵的系统[1-2]。目前，我国铁路行业的列控设备处于全天候的持续工作状态，对列控设备的各类操作关乎铁路行车安全，稍有不慎，可能引发铁路行车事故，给铁路运输造成巨大损失。除了在“垂直”天窗点内，其他时间禁止对列控设备进行各类非指令性操作，实际运行中的列控设备给予人员操作演示和实践学习的空间太小。完整的真实列控系统由于设备规模大、成本高昂、不能单站运行、需要车地配合等原因，很难实现实验室建设。因此，我中心联合北京中智天成信息技术有限公司开发了一套集成度高、运行条件简单、具有实验和实训功能的高铁列控虚拟仿真系统，以满足相关专业学生教学和职工培训的需求。

1 高铁列控虚拟仿真系统简介

本系统具有以下特点：

（1）完整的列控系统仿真

本系统除了仿真列控主机外，还包括CTC、计算机联锁、TCC、车载等设备仿真，以及线路数据仿真，提供了庞大完整的仿真功能。

（2）强大的室外仿真环境

高铁列控设备的特点之一是不能单站或单区间运行，需要较长的线路环境，实验室不具备该条件。本系统的线路仿真服务器提供了系统运行所需要的室外环境，并可随意设置各种正常或故障状态，如线路占用、灾害、灯丝断丝等，使系统可实现各种条件下的仿真。线路仿真服务器还可以模拟列车运行，通过牵引计算控制列车运行速度，并按照真实车长在轨道上等比例显示，保持与室外行车的一致性。

（3）数据图形化显示

列控系统的运转需要庞大的数据做为基础，列控系统内部存在着大量的数据交互，而这些数据的查看和理解需要时间，而且数据变化多，稍纵即逝，实验者不容易观察到。为了将抽象复杂的数据形象直观的让实验者看到，本系统的线路仿真服务器提供了数据的图形化显示方式，在列车收到应答器报文或行车许可后，可以立即绘制出行车许可曲线，一目了然，方便观察。

（4）具有语音提示功能

1.1 临床资料 回顾性分析2012年5月至2016年12月江苏省中医院收治的52例SAP患者，其中男性32例，女性20例；年龄28～76岁，平均年龄（47.3±12.7）岁；胆源性胰腺炎29例，暴饮暴食10例，高脂血症8例，病因不明5例。所有患者的诊断均符合《急性胰腺炎诊治指南》［5］，本研究经过本院的伦理委员会审查同意，所有纳入人群均签署知情同意书；排除合并严重心肝肾或其他全身系统性疾病、机械性肠梗阻、肠道占位或正在参加其他药物试验者。

列控系统内部的状态是动态变化的，每种事件都是瞬间发生，且很多事件的发生都与数据变化有关系，用户无法及时捕捉。本系统提供了关键事件语音提示功能，使得用户不会错过任何一个关键事件。

（5）数据与现场保持一致

本系统使用郑西客运专线数据，该线路为CTCS-3级列控系统，从中截取荥阳南至洛阳南三站两区间做为本系统运行的环境，实现了实验环境与现场环境数据的一致。

下面以高铁列控系统综合仿真实验为例，说明本系统在高速铁路列车运行控制实验教学中的应用。

2 高铁列控系统综合仿真实验设计

实验内容主要包括：仿真排列进路，下达和取消限速信息，查看应答器报文，观察车载模式曲线和行车许可信息的变化，仿真各种故障，观察系统运行情况；两列列车一前一后同向运行，前车采用手动控制，后车采用ATP控制，观察列车追踪运行情况。

2.1 排列进路

例如：在荥阳南站排列进路X3-SF。

操作方法：在联锁软件界面下方的全景区域点击第一个车站，使联锁界面显示荥阳南站；在荥阳南站联锁软件上依次单击X3和SF按钮；进路排列成功后，会以白色光带显示，出站信号机X3开放点绿灯，如图1所示。

图1 联锁进路排列结果

2.2 下达限速信息

在CTC软件主菜单上点击“限速下达”菜单，弹出限速下达窗口，起始位置和结束位置分别选则荥阳南、5953，限速值200，即在荥阳南站的5953区段下达一条限速命令，限速值为200km/h，如图2所示。

图2 限速下达

设置完成后点击“生成命令”按钮生成限速命令，点击“下达”按钮将限速命令下达到RBC和列控中心，在窗口的限速列表中将会显示该条限速信息，并显示执行结果。在CTC站场图上也可以看到该限速信息的显示，如图3中标黄部分表示该区段有限速。

图3 限速信息显示

2.3 查看应答器报文

为了方便学生更好地理解应答器复杂的报文结构和含义，本系统对于应答器报文的每一部分都进行了具体详细的描述，线路仿真服务器软件上显示的所有应答器的报文都可以实时查看，只需要点击想要查看的应答器图标即可。例如：点击SF处应答器组（69-2-2-29号），弹出如图4所示的报文窗口，可以看到报文中包含了刚下达的临时限速信息（图中标蓝部分的最后一行的描述信息显示“临时限速的限制速度：40×5km/h”，表示相应区段的限速值为200km/h）。

2.4 添加ATP列车

在线路仿真服务器上，在想要添加列车的位置上单击鼠标右键，例如荥阳南站3G，弹出如图5菜单，点击“添加列车”，弹出列车编辑窗口，可依次设置列车编号、运行方向、初速度、站名、初始区段和长度，如图6为列车添加成功的界面。

图4 应答器报文

图5 线路仿真服务器右键菜单

图6 列车添加成功界面

2.5 ATP列车注册

在DMI车载软件上依次输入司机号、车次号，执行制动测试，选择运行等级为“CTCS-3”，使用默认的RBC ID和电话号码，连接上RBC后，设置列车长度，选择载频为“下行载频”，列车启动完成。点击“目视”按钮，进入目视模式，列车限速40km/h，如图7所示为DMI目视模式界面。使用键盘的向上“↑”和向下“↓”按键控制速度，按“↑”键列车牵引或取消制动，按“↓”键列车制动或取消牵引。

图7 DMI目视模式界面

2.6 观察车载模式曲线的变化

当列车车尾越过出站信号机后，列车将收到RBC的行车许可，并产生模式曲线，列车的运行模式由目视转为完全监控模式，如图8所示，图中右侧蓝色部分为模式曲线，中间的凹槽为刚刚设置的临时限速。

图8 DMI完全监控模式界面

2.7 观察行车许可信息

在线路仿真软件上可以观察到：列车车头越过出站信号机位置时收到了C2报文数据，列车上方绘制出了C2行车许可数据的图形；当列车车尾越过出站信号机且车尾出清后，列车收到了C3行车许可数据，在C2数据下面绘制出了C3行车许可数据的图形。在C2和C3的图形上，都可以看到限速信息，以黄线表示，如图9所示。行车许可曲线下方的白色曲线是线路坡度曲线。

列车运行过程中，如果前方出现区段占用，行车许可将发生变化。例如：点击前方区段6069BG，使其占用，线路仿真服务器软件上C3行车许可数据曲线立刻缩回，C2数据曲线无变化；车载DMI的模式曲线也将同时变化，目标距离变短；当再次点击6069BG区段使其空闲，C3行车许可数据曲线立刻延长。

图9 列车车尾越过出站信号机时的行车许可信息

2.8 取消限速

在CTC上点击限速取消菜单，选中要取消的限速，即可取消该条限速命令。限速取消后线路仿真服务器中C3行车许可数据曲线的限速会同时消失，C2数据曲线的限速信息依然存在，如图10所示。这说明限速取消的信息列车已经通过RBC收到，但未能通过C2的通道传送给车载，因为列车已经越过出站信号机，无法收到有源应答器中的限速信息。

图10 限速取消后的行车许可信息变化

2.9 仿真故障

本系统具有各种故障仿真功能，例如仿真线路发生灾害、轨道电路分路不良、占用故障、信号机灯丝断丝、GSM-R通信基站故障、应答器数据丢失等，可以观察故障发生时出现的现象。例如：在6069BG上点击右键，弹出如图11所示菜单，选择“灾害”，6069BG变为红色虚线表示该区段出现灾害。观察6069BG前后区段发码情况的变化，发现6069BG入口的绿灯变为红灯，相邻的6051BG入口的绿灯变为黄灯，如图12所示。

2.10 列车追踪运行仿真

在ATP列车前方再添加一列“手动列车”。例如：在6069BG上单击右键，选择添加列车，在弹出的窗口中单击“手动添加列车”按钮，在列车列表中选中该列车，如图13所示，在右侧的初始化信息中设置初速度为50，点击“确定”按钮。

图11 轨道区段设置菜单

图12 区段设置“灾害”后的发码变化情况

图13 手动添加列车界面

在车载DMI界面上为ATP列车加速，尝试超越手动添加的列车，观察现象。会发现ATP列车始终无法越过前车所在的闭塞分区入口，说明列车自动防护功能起到了应有的作用，可以实现安全地列车追踪运行。

3 结语

本文分析了高速铁路列车运行控制实验教学中存在的问题，提出了利用高铁列控虚拟仿真系统软件进行实验教学的解决方法，以高铁列控系统综合仿真实验为例来说明该仿真系统的应用，分别介绍了进路排列、限速信息的下达与取消、应答器报文的查看、车载模式曲线和行车许可信息的观察、故障仿真、列车追踪运行的实验操作方法。通过实验，有利于学生掌握整个高铁列控系统的组成、工作过程和故障分析，增强解决列控系统实际问题的动手能力。