CTCS-3级列控车载设备主要技术指标的测试方法研究与实现
2019-06-14安闯
安 闯
(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)
列控车载的列车超速防护系统（ATP）设备作为CTCS-3（简称C3）级列控系统的重要组成部分，影响列车的行车安全，应进行严格完整的测试。目前实验室测试主要集中于车载设备的功能，设计大量案例对功能进行验证，而对于车载主要技术指标的性能及压力测试，多采用现场型式试验的方式，造成工作量大、效率低下及测试成本过高等问题。本文主要阐述如何在实验室搭建车载ATP设备，进行性能及压力测试，对其测试方法进行研究和分析，以避免重复测试，有效降低现场测试成本，提高测试效率。
1 CTCS-3级列控车载设备概述
C3级列车控制系统由车载设备和地面设备两部分组成，列控车载设备作为C3级列控系统的核心设备，通过与地面无线闭塞中心（RBC）的双向实时通信和车载设备与车辆制动设备的结合，完成列车超速防护功能，保证列车安全运行。其主要功能包括：自检功能、无线通信功能、测速功能、列车定位功能、轨道电路信息接收和使用、最限制速度曲线计算、动态曲线计算、速度监控、列车停车溜逸及退行防护、人机交互功能、记录诊断功能、过分相控制功能、等级转换功能。C3级列控车载设备组成如图1所示。
图1 CTCS-3 级列控车载设备组成框图Fig.1 Block diagram of CTCS-3 ATP on-board equipment composition
2 车载设备主要技术指标
2.1 设备响应时间主要指标
设备响应时间应满足下列要求。
在地面轨道电路信息一直有码的情况下，信息接收应变时间不大于3.5 s；在地面轨道电路信息从有码到无码的情况下，信息接收应变时间不大于4.8 s。
列车超速至给出制动指令的时间不大于1 s。
2.2 测速测距设备主要指标
车载设备测速测距误差应满足下述要求。
列车速度不高于30 km/h时，测速误差不大于2 km/h ；
列车速度高于30 km/h时，测速误差不大于2%；
测距误差不大于2%。
3 车载设备性能测试方法分析
3.1 测试环境
如图2所示，被测对象为车载设备，其各子模块均为真实设备。CRSCD_VSIM 1.0.0为北京全路通信信号研究设计院集团有限公司自主研发的车载仿真测试环境，主要功能为模拟列车速度、制动接口、列车运行中的相关命令，并将上述信息发送至接口平台；同时，支持应答器脚本信息的发送，实现将应答器脚本、C3无线报文脚本、轨道电路脚本发送至ATP接口平台。ATP接口平台通过脉冲和数字量输出分别连接车载设备的速度传感器和雷达设备；通过数字量输出连接车载列车接口和制动接口；通过串口连接真实应答器，再通过空中接口连接BTM，实现应答器与车载接口；通过与ZPW-2000发送器相连的真实TCR向ATP发送轨道电路低频和载频。
除仿真环境，测试时还需要使用如下测试工具。
JRUViewer，用于查看JRU记录的测试数据；
示波器，用于显示速度脉冲频率。
3.2 信息接收应变时间测试
如图3所示，整个周期分布中，黄色部分是接口平台控制程序运行的部分，绿色部分是ATP应用程序耗时部分，蓝色部分为ATP应用程序执行完成后，接口平台应用程序运行部分。T1为接口平台发送轨道码时刻，T2为接口平台接收到制动命令时刻，为轨道码应变时间。
1）验证在地面轨道电路信息一直有码的情况下，信息接收应变时间不大于3.5 s。测试过程中以L码变LU码为例，ATP上电激活驾驶台，自检后输入司机号、车次号，选择CTCS-2（简称C2）等级，输入列车数据，点击启动部分监控（PS）模式发车。列车收到完整线路数据进入完全监控（FS）模式，模拟闭塞分区1为L码（1 000 m），闭塞分区2为LU码(1 000 m)，闭塞分区3为U码 (1 000 m)，闭塞分区4为HU码（4 000 m）。列车由前一闭塞分区FS模式运行至闭塞分区1时，最高允许速度为280 km/h，此时设置闭塞分区1由L码变为LU码，最高允许速度突降为160 km/h，输出制动。通过SecureCRT串口打印工具，记录VSIM下发变码指令的时刻为T1，接口平台收到制动命令时刻为T2，两者的差值为△T。重复上述操作10次，如图4所示，L码变为LU码时，响应时间极值为1.931 s，信息接收应变时间不大于3.5 s。
图2 车载ATP测试环境结构示意图Fig.2 Test environment structure diagram of ATP onboard equipment
图3 系统周期示意图Fig.3 System cycle diagram
图4 轨道码应变时间表(一)Fig.4 Track code strain schedule 1
2）验证在地面轨道电路信息从有码到无码的情况下，信息接收应变时间不大于4.8 s。测试过程中以L码变无码为例，ATP上电激活驾驶台，自检后输入司机号、车次号，选择C2等级，输入列车数据，点击启动PS模式发车。运行过程中模拟轨道电路由LU码变为无码，输出制动。通过SecureCRT串口打印工具，记录VSIM下发变码指令时刻为T1，接口平台收到制动命令时刻为T2，两者的差值为△T。重复上述操作10次，如图5所示，L码变无码时响应时间极值为4.372 s，信息接收应变时间不大于4.8 s。
图5 轨道码应变时间表（二）Fig.5 Track code strain schedule 2
3.3 列车超速至给出制动指令的时间测试
1）如图6所示，模拟列车以C2等级PS模式控车，示波器显示精度为200 毫秒/格，当DMI显示列车加速到50 km/h时，示波器显示速度脉冲频率约为370 Hz（在轮径为0.86 m，速传齿数72时，计算得到50 km/h对应的频率为370 Hz），此时为时刻T1；ATP输出B7时刻为T2。如图6所示，当列车C2等级PS模式下运行，超速达到50 km/h到车载ATP输出B7制动，时间约为644 ms，满足列车超速至给出制动指令时间不大于1 s的性能指标。
图6 速度脉冲示意图（一）Fig.6 Velocity pulse diagram 1
2）如图7所示，模拟列车以C3等级目视监控（OS）模式控车，示波器显示精度为200 ms，当DMI显示列车速度达到45 km/h时，示波器显示速度脉冲频率为333 Hz（在轮径为0.86 m，速传齿数72时，计算得到45 km/h对应的频率为333 Hz），此时为时刻T1；ATP输出B7时刻为T2。如图7所示，当列车C3等级OS模式下运行，超速达到45 km/h到车载ATP输出B7制动，时间约为577 ms，满足列车超速至给出制动指令时间不大于1 s的性能指标。
3）如图8所示，模拟列车以C3等级FS模式控车过RBC移交，示波器显示精度为1 s，当DMI显示列车速度达到160 km/h时，示波器显示速度脉冲频率为1.219 kHz（在轮径为0.86 m，速传齿数72时，计算得到160 km/h对应的频率为1.219 kHz），此时为时刻T1；ATP输出B7时刻为T2。如图8所示，当列车C3等级FS模式下运行，移交场景时间约为643 ms，满足列车超速至给出制动指令时间不大于1 s的性能指标。
图7 速度脉冲示意图（二）Fig.7 Velocity pulse diagramm 2
图8 速度脉冲示意图（三）Fig.8 Velocity pulse diagram 3
4）如图9所示，模拟列车以C3等级FS模式控车过RBC移交，示波器显示精度为1 s，当DMI显示列车速度达到300 km/h时，示波器显示速度脉冲频率为 2.262 kHz（在轮径为 0.86 m，速传齿数72时，计算得到300 km/h对应的频率为2.262 kHz），此时为时刻T1；ATP输出B7时刻为T2。如图9所示，当列车C3等级FS模式下运行，移交场景情况下超速到车载ATP输出B7制动，时间约为674 ms，满足列车超速至给出制动指令时间不大于1 s的性能指标。
图9 速度脉冲示意图（四）Fig.9 Velocity pulse diagram 4
3.4 测速测距技术指标测试
根据JRU数据记录，并结合应答器链接信息，对车载设备测速测距精度进行计算分析。
1）测距误差计算
测距误差计算公式为
其中，dc2为从JRU的C2数据中读取的距离数据。
dlink为应答器链接距离。
2）测速误差计算
列车匀速经过2个应答器，由于应答器链接距离为标准距离，因此使用应答器链接距离和时间计算的平均速度作为标准速度，测速误差计算公式为
其中，vc2为从JRU的C2数据中读取的实际速度。
dlink为应答器链接距离。
△t为经过2个测量应答器所经过的时间差，由于dlink是标准距离。
3）测速测距误差计算
根据公式（1）、（2）所示的方法，测速测距误差计算如表1所示，满足测距误差不大于2%，速度不高于30 km/h时测速误差不大于2 km/h，高于30 km/h时测速误差不大于2%的要求。
表1 测速测距误差计算表Tab.1 Speed & distance measurement error table
4 结束语
车载设备的功能测试主要根据车载产品需求、车载产品特征、模拟用户操作方式来测试车载设备特性是否满足用户需求。本文关注的主要技术指标测试是性能测试的一部分，通过特定的方式对被测试车载设备按照一定的测试方法及策略进行验证，获取该车载设备的响应时间、运行效率、资源利用情况等各项性能指标，来评价设备是否满足性能需求。通过对车载设备主要技术指标的测试方法进行讨论，完善了车载设备测试范围，同时降低车载设备进行现场性能测试的成本，节约人力物力，并为现场测试提供参考。
