CTCS-3级列控系统超速防护仿真软件在教学中的应用

2019-07-02王秀玄吕兴瑞

郑州铁路职业技术学院学报 2019年2期

王秀玄，吕兴瑞

(1.郑州铁路职业技术学院，河南郑州 451460 ;2.郑州地铁集团有限公司，河南郑州 451460)

CTCS-3级列控系统是我国列车运行控制系统的重要组成部分，是目前应用于高速铁路的最高级别列控系统，适用于300～350 km/h的高速铁路线路[1]。然而由于列车运行控制系统在近些年发展迅速，其内容已非传统“铁道信号”所能涵盖。随着列车运行速度的提高，传统的信号技术已经不能保证列车的运行安全。列车运行控制系统已经成为保证列车运行安全的基本设备，并且具有提高行车效率的延伸功能。列控系统是信号系统的新兴技术，是计算机技术、通信技术、网络技术、单片机技术等在列车运行控制方面的应用。它是涵盖传统与新型设备的大型综合系统，设备繁多、分布散乱、工作流程抽象，理解起来抽象晦涩，因此在课堂教学中需要在理论方面加强直观性分析和展示。

目前列控系统均为车地一体化实验实训设备，系统集成程度较高，成本也比较高。仿真软件采用虚拟地面数据的方式，直接模拟列车ATP超速防护功能的实现，取消地面信息与车载信息之间GSM-R传输，单机即可直观显示，同时增加一些标准车载DMI人机界面中不予显示的信息，使学生直观看到当前数据，成本较低，有助于理论教学。利用软件仿真CTCS-3级列控系统超速防护功能，可以帮助学生理解列车运行控制系统课程中车载人机界面信息交互以及高速铁路列车运行ATP超速防护功能原理等理论知识。研究CTCS-3级列控系统超速防护仿真软件，可以为学生提供虚拟仿真教学环境，从学生实际需求出发。因此，更好地在列车运行控制系统教学中应用CTCS-3级列控系统超速防护仿真软件具有重要意义。

一、 CTCS-3级列车运行控制系统

CTCS-3级列控系统地面设备由RBC、TCC、ZPW-2000(UM)系列轨道电路、应答器(含LEU)、GSM-R通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机、GSM-R无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收模块、记录单元、DMI、列车接口单元等组成[2]。

其中：TCC接收轨道电路信息后通过联锁系统发给RBC；应答器向车载设备提供定位和等级转换等信息；RBC通过GSM-R无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息，同时结合联锁进路发送的信息生成行车许可，另外，通过GSM-R系统将行车许可、线路参数、临时限速信息发送给车载设备；车载安全计算机根据RBC发送的信息和动车组参数，依据目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车运行[3]。

二、 CTCS-3级列控系统超速防护仿真实现

因为主要研究超速防护仿真实现方法，所以把动车组简化为单质点模型并对动车组受力情况进行简单的分析，简化对列车牵引力、列车阻力、列车制动加速度的计算以及速度、加速度、位移的计算。在完成最严格限制速度曲线的基础上，分析列车目标-距离模式曲线的计算方法，并通过此方法计算列车允许速度曲线以及列车常规制动曲线和紧急制动曲线，同时完成曲线的绘制。另外，对列车的起始位置、当前位置、当前速度、允许速度、当前档位等信息进行实时显示，完成对列车运行控制系统超速防护的研究设计与仿真。列车超速防护系统的总体结构如图1所示。

图1 列车超速防护系统的总体结构图

(一)界面子系统

速度位置信息显示模块。界面实时显示列车的初始位置、当前位置以及列车的最大允许速度和当前速度等信息。

驾驶操作模块。界面有对列车开始运行初始化操作，包括对初始基本列车数据信息的输入与选择，对司机信息、线路信息的输入与选择，对载频信息选择、临时限速信息的设置，为列车的启动与运行做好初始准备。另外，还有在列车运行中档位的操作与显示以及列车在制动以后的缓解操作等。

超速防护显示模块。主要是实时显示列车的最严格限制速度曲线、允许速度曲线、常用制动曲线与紧急制动曲线。

机车信号显示模块。主要是随着列车的运行实时显示机车信号。

(二)计算子系统

牵引计算模块。对动车组受力情况进行分析，通过动车组供应商提供的数据完成列车牵引力、制动加速度的计算并且根据列车受力情况完成列车的牵引计算及速度、加速度、位置的计算。

最限制速度曲线计算模块。根据地面提供的线路数据信息、临时限速信息以及列车的构造限速进行最限制速度的计算，最终完成最严格限制速度曲线的计算[4]。

动态曲线计算模块。根据列车的实际运行情况以及最限制速度曲线信息完成对列车允许速度曲线、常用制动曲线以及紧急制动曲线的计算。

(三)模拟运行子系统

自动运行模块。在列车启动后，列车根据自身运行速度和允许速度信息等，自动调整列车的运行加速度、速度信息来完成列车的自动运行。

手动驾驶模块。司机根据情况可以手动选择设定加速和减速的档位，调整列车的运行速度实现人工控制列车。

系统首先获取地面线路信息，进行读取处理及保存。列车在运行前，先进行列车数据的输入，包括列车车型、车次号、司机号、线路的起止点等基本信息的输入。系统为了实现仿真可以短距离设置移动授权目标点，更清楚地模拟运行情况，也可以在系统内部根据线路模拟地面信息进行移动授权的模拟计算。在对移动授权信息处理完毕后，会模拟临时限速信息，代替临时限速服务器下达信息，简化无线通信模块，再对运行方向载频进行选择确定。列车启动后，系统会根据列车的运行情况，实时计算列车的走形，包括位移、速度、加速度等计算，同时进行列车最限制速度曲线、列车允许速度曲线、列车常用制动和紧急制动曲线的计算，并且实时比较列车是否超速。如果列车超速，则车载设备先是实施常用制动，直到实际速度值低于允许速度值；此后还可以由司机实施缓解常用制动；如果常用制动失效且列车速度超出紧急制动速度，车载设备进行紧急制动，只有在列车停稳后方可由司机实施紧急制动缓解。

三、超速防护仿真软件的应用

超速防护仿真软件操作简单，要求学生独立练习，安装可执行文件、独立配置数据后，在个人电脑即可进行练习。操作步骤如下：

第一，数据输入界面。仿真系统启动后进入待机模式，需要司机在待机模式下点击“数据输入”按钮进行行车信息的初始化输入。界面要求司机输入车次信息(包括车次号和司机号)、编组长度、定员人数、空走时间、回转惯量、初始位置、线路起始公里标、线路终点公里标、列车初始位置、列车构造限速等。还需要进行运行模式的选择，即机控优先还是人控优先，默认为机控优先。进行列车车型的选择, 在右边数据框显示所选车型的牵引特性曲线和制动特性曲线。进行列车供电类型的选择，司机输入参数将用于列车的运行计算。

第二，移动授权目标点输入界面。该界面是为了满足进行短距离运行时的操作，还可以由系统内部进行移动授权目标距离的计算，与地面子系统的计算方法相同。

第三，临时限速输入界面。该界面是为了简化地面数据，在DMI界面直观演示超速防护曲线随临时限速信息的变化，主要是为了展示与分析防护曲线与临时限速的关系而虚拟的对话框，打破了真实设备从地面接受信息的非直观性，有助于理解。临时限速输入涉及临时限速起点、临时限速终点、临时限速值以及临时限速方向等。

第四，点击载频按钮，选择相应下行或上行载频。

第五，点击启动按钮，列车开始运行。