铁路网络环境下CTCS-3 级列车运行仿真系统设计与开发研究

吉原冶

（中国铁路沈阳局集团有限公司吉林电务段，吉林 吉林 132001）

1 研究背景

自党的十八大以来，我国科技发展有了许多突破性的进展，中国高铁也逐渐成为我们国家的一个金字招牌。由于中国人口众多，能够进行大规模运输的铁路事业必然会得到更加深入的发展。铁路相对于其他交通方式而言，更加安全便捷。因此，提高运输效率的高速铁路发展是必然存在的一个课题。高铁在世界上已经有50 年的历史了。我国高铁技术虽然相比日本欧洲等国家兴起的晚，但是，发展十分迅猛。中国正在建设一个前所未有的高铁系统，预计2020 年将超过30500 公里(19000 英里)。在这个项目中，中国计划连接27 个省的首都，这将大大方便出差工作的人和旅行者。该系统包括11 条高铁线路。目前，超过1.9 万公里的系统已经投入使用，这大大减少了市民的出行时间。我国目前已经形成了“四纵四横”的铁路网络，未来还会实现“八纵八横”。由此可见，我国高速铁路的发展已经跻身世界前列。但是，高铁的发展不是一蹴而就的，我国铁路一共经历了六次大提速。CRH 系列是第六次全国铁路提速的核心，该系统于2007年4 月18 日实施。2017 年，中国高铁为全国33 个省级行政区中的29 个提供服务，运营里程超过25000 公里，占世界高速铁路轨道交通总里程的三分之二。中国是世界上使用铁路最广泛的国家，据统计，2017 年，共有17.13 亿人次出行，总里程达到70 亿人次。伴随着高速铁路的发展，CTCS 也飞速地成长起来。由于中国铁路火车和路线的多样性，高速和低速的列车混合运行，所以运行比国外复杂得多。采用先进的仿真技术对先进的列车控制系统进行研究，是十分必要的。

2 我国研究现状

CTCS 建立的目的是为了定义中国铁路信号系统。CTCS将成为中国铁路信号系统的标准。现有的信号系统将与新的信号系统互通使用。在未来，所有的信号系统、国外系统或国产系统、轨旁系统和机载系统都必须符合CTCS 标准。除了互操作性外，CTCS 设计期间还需要考虑信号系统之间的接口标准，从现有信号传输到CTCS 的降级，子系统之间的数据传输形式、安全性和可靠性，增加容量、易于维护、更低的投资和开放市场等。在我国铁路科研人员的不懈努力下，学习了其他国家的经验后，我国设计出了适合本国国情的高速铁路列车运行控制系统，即CTCS 列控系统。我国列控系统一共有5 个级别，从CTCS-0 级到CTCS-4 级。总的来说，是级别越高，速度越快，且在系统出现问题时可降级。

（1）CTCS-0 级列控系统：它由现有轨道电路、铁路中通用的机车信号(与中国铁路网络上六种轨道电路的数字微处理器兼容的机车信号，该信号多年前由北京交通大学的研究小组设计)和列车运行组成监督系统。在0 级的情况下，轨旁信号是主要信号，而机车信号是辅助信号。它是CTCS 最基本的模式。实现0 级的唯一方法是配备车载系统。CTCS-0 仅适用于时速低于120 公里的列车。

（2）CTCS-1 级列控系统：它由现有的轨道电路、应答器和ATP 系统组成。它的速度在120 ～160 公里/小时。在这个级别上，不需要闭塞信号，而是基于车载系统为主要信号进行操作。必须在线路上安装应答器。轨道电路的要求比第0 级的要求高，是CTCS-0 的加强版。

（3）CTCS-2 级列控系统：它包括数字轨道电路(或多信息的模拟轨道电路)、应答器(balise)和ATP 系统。它适用于时速超过160 公里的火车。在第2 级没有任何轨旁信号。ATP 是速度-距离的控制模式。数字轨道电路可以比模拟轨道电路传输更多的信息。ATP 系统可以获得列车控制所需的所有信息。在这个级别上，固定闭塞模式仍然适用。该系统体现了中国铁路信号的特点。

（4）CTCS-3 级列控系统：它由轨道电路、应答器和ATP 和GSM-R 组成。在3 级，轨道电路用来检查列车前方区段是否空闲和列车是否完整。列车运行的信息已经不用通过轨道电路来传输了，而是通过GSM-R。所有关于列车运行信息的数据都由GSM-R 传输。GSM-R 是该级别的核心。在这个层次上，固定闭塞系统的原理仍然适用。该系统比起上一级系统行驶速度更快，可降级使用。RBC 跟据轨道的特点(如坡度和限速)、轨道占用率和联锁路线状态，通过无线电通信系统将“速-距”监控信息发送到车辆设备，以确保该区域内列车的安全。运行闭塞方式为准移动闭塞。

（5）CTCS-4 级列控系统：这是CTCS 系统的最高级。移动闭塞系统的功能可以在这一级别实现。列车与列车之间的信息传输：轨旁设备主要由GSM-R 组成。GPS 或应答器用于确定火车位置。列车完整性检查由车载系统完成。轨道电路只在车站使用。为了降低系统的维护成本，该系统将路边系统的数量减少到最小。对于同一线路上不同密度的列车运行，可以对列车进行非常灵活的调度。

3 国内外列控仿真系统

高速列车运行是一个复杂的系统和过程，涉及机车动力学、通信和信号、轨道等，仿真系统为设计、测试和分析提供了一个实用的平台。自动列车控制系统的复杂性和多样性，使其具有良好的计算机基础。列控系统对安全要求极高，因此，在开通前必须对列控系统进行测试和验证，以确保其安全。我们可以通过计算机仿真测试技术解决这一问题。

由于国外铁路发展较早，它们对列控系统的仿真起步也比较早。外国的铁路领域仿真发展于20 世纪70 年代。在列控车载系统仿真方面，目前，世界上有10 多个国家和地区的高速铁路运营，全球铁路总里程超过1 万公里。高速铁路因为他们的快速和大量的运输、能源节约的经济影响以及安全和舒适的服务，已经成为许多国家建设的重点计划。然而，如何进一步提高高速铁路的效率和安全性，是一个普遍存在的问题。英国铁路研究公司在1970 年设计了它的第一个列车运行模拟器。这个强大的模拟器叫作GATTS，它只能运行在大型计算机上，因此，并不是那么友好，它需要复杂的技能和计算机知识建立和运行进行模拟。1987 年，VISION 和OSLO 模拟器被开发出了新版本，该版本充分利用了现代计算机技术。视觉设计是一种易于使用的模拟器，且具有建模的能力。目前，正在使用或计划在不久的将来在英国铁路上建造该系统。它对用户是友好的，所以即使是基础设施规划者，不是计算机专家也可以操作它。

我国列控系统仿真发展较晚，但由于我国人口较多，客货混跑，列控系统急需发展，因此，在迫切的需要下，运行控制系统的仿真发展迅猛。仿真可以解决许多问题，诸如设计方案优化问题、系统适应性问题、技术条件可行性问题等。通过仿真不仅节省了人力物力，也使许多由于实际实验次数有限并没有发现的问题，在仿真的多次测试中得到了发现并得以解决。但仿真毕竟只是仿真，不可能和实际运行一模一样，或多或少都会存在一些偏差。而我们要做的，就是让仿真尽可能的贴近真实的列车运行情况。为此，我们还有很长的路要走。

4 课题的研究意义

像铁路这种消耗资金比较多、发生事故等后果较严重的大型系统，仿真不仅节省资金和人力物力，很大程度上也能避免悲剧的发生，这是十分必要的。实际上可能发生的问题多种多样，用仿真可以进行测试，查漏补缺。列车运行控制系统仿真实验平台不仅节省大量人力、物力，也更加保险。对铁路运行的安全性进行了验证，使结果更加可信，能够提高安全。目前，我国高铁主要研究对象为CTCS-3 级列控系统。该系统是已应用的系统中时速最快的一个。由于铁路领域注重安全与效率，那么，如何实现又快又安全几乎已经成为了一个永恒的话题。对CTCS-3 级列控系统进行仿真来确定其安全性是必不可少的内容。