新型列控系统无线闭塞中心测试平台研究

郝 建，杨志杰，卢佩玲，吕方瑶，单一龙

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081; 2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

引言

列车运行控制系统(简称“列控系统”)是确保高速铁路安全运营的核心技术装备,以高安全性、高可靠性的技术手段监控列车运行速度并进行超速防护,保障列车安全运行的同时提高线路通行效率[1]。《CTCS技术规范总则(暂行)》确立了我国列控系统的技术体系,按系统条件和功能将铁路列控系统划分为0～4共5个等级,其中CTCS-2与CTCS-3级列控系统是目前我国高速铁路中应用最广泛、技术最成熟的控制系统[2-3]。

近年来,西部地区铁路建设逐渐提上日程,中老铁路、拉林铁路、若和铁路等一大批工程项目落地。这些线路的自然地理环境和气候条件普遍较为恶劣,因此对铁路信号系统的装备水平提出了新的要求[4-6]。

CTCS-2与CTCS-3级列控系统均需要依靠地面设备对列车进行定位和完整性检查,系统结构相对复杂、轨旁设备较多、建设及运营维护成本较高。因此,在既有且逐步完善的CTCS技术体系下研究新型列控系统既是发展需求,也是客观运用需要[3]。

新型列控系统(CTCS-N,简称为“CN系统”)相比既有C2/C3系统的优点主要包括以下4个方面。

(1)提高运输效率。列车在区间以移动闭塞方式追踪运行,列车追踪间距更短[7-8]。

(2)列车定位更加精确。采用多源融合的列车自主定位方式和更安全的列车完整性检查手段[9-11]。

(3)运维更加便捷。车站采用一体化控制,减少设备和接口数量,提高系统可靠性。执行单元电子化、模块化,减少轨旁设备。增加智能运维功能[3]。

(4)采用基于IP的车地无线通信技术[12]。

新型列控系统主要由车载设备和地面设备构成。地面设备主要分为轨旁设备、站内设备与中心设备3类。轨旁设备包括站间计轴设备、无源应答器、信号机与转辙机等;站内设备包括联锁列控一体化(TIS)设备、轨道电路、调度集中系统(CTC)车站分机、卫星差分基站等;中心设备包括无线闭塞中心(RBC)、临时限速服务器(TSRS)、CTC中心、列控维护中心(TCMC)、GSM-R网络设备、卫星地基增强系统(GBAS)等。车载设备主要分为车载ATP设备和列尾设备两类。车载ATP设备主要由主控单元、人机界面单元(DMI)、应答器信息接收单元(BTM)、测速测距单元、列车完整性检查单元、电子地图单元、无线通信单元以及卫星接收天线等组成[3]。

其中,无线闭塞中心(RBC)作为新型列控系统的地面核心设备,实时控制列车的追踪间隔,保证其管辖范围内列车的行车安全,必须通过完善的测试手段保证其功能安全性与可靠性。

1 新型列控系统无线闭塞中心

新型列控系统中,无线闭塞中心(RBC)是地面信号系统信息及指令的收集与交互中心[13]。根据TIS给出的站内及区间设备状态、TSRS临时限速及特定引导信息、CTC控制指令、相邻RBC的移交信息、列车发送的位置报告及完整性状态,结合线路静态参数,生成列车行车许可等控制信息,通过无线通信方式发送给车载设备,确保管辖范围内列车安全高效运行。RBC与外围设备接口如图1所示。

图1 RBC与外围设备接口Fig.1 RBC interfaces with external eevices

CN系统与C3系统相比,RBC功能的主要区别在于以下6个方面。

(1)新增列车包络的计算。列车包络即RBC逻辑中的列车位置。C3系统中,后方列车以前行列车所在闭塞分区入口处作为追踪终点;而CN系统可将后方列车追踪终点延伸至前行列车包络后端,进一步缩短追踪间隔。RBC根据列车报告的位置信息及完整性状态进行列车包络的计算,对于有完整性信息的列车,其列车包络为列车安全确认后端到最大安全前端的范围,如图2所示。

图2 列车包络示意Fig.2 Schematic of train envelope

(2)CN系统中,两车站间除接近区段外,不设置轨道电路,而是将区间划分为若干长度固定的虚拟闭塞分区。虚拟闭塞分区只存在于软件逻辑中,其占用状态由RBC综合列车位置报告、站间计轴状态等信息计算得到。

RBC依据虚拟闭塞分区状态计算行车许可。当区间闭塞制式为移动闭塞时,RBC不再以闭塞分区为单位计算行车许可,行车许可终点或为前行列车的包络后端,或为防护区入口,或为其最大长度的末端。如图3所示。

图3 行车许可计算示意Fig.3 Schematic of movement authority calculation

(3)由于区间缺少轨道电路等列车占用检查设备,CN系统设计了“头筛”与“尾筛”逻辑,用于RBC判断列车头部与尾部所在虚拟区段有无隐藏车辆,以实现列车安全防护及缩短追踪间隔。“头筛”即确认列车头部有无隐藏车辆,“完成头筛”是RBC为通信列车分配行车许可的前提条件;“尾筛”即确认列车尾部有无隐藏车辆,“完成尾筛”是RBC为后方列车分配可抵达当前列车包络后端的前提条件。

当出现列车闯入防护区段或完整性状态丢失等故障情形时,RBC将列车“头筛”或“尾筛”标志置为“未完成”并将相关区段设为防护区,从而完成对列车的安全防护。

(4)故障场景下防护区的设置与解除。防护区是RBC在判断某些区段可能存在隐藏车辆,防止其他通信列车与隐藏车辆发生碰撞危险而设置的区域。例如列车完整性丢失场景,列车完整性得不到检查,列车后方可能出现因脱钩产生的隐藏车辆,RBC会将列车最后一次具备完整性的位置报告中列车包络后端到列车最新位置报告的最小安全后端范围设置为防护区,防护区会随列车位置报告的更新向前延伸。列车完整性丢失场景下防护区的设置如图4所示。

图4 列车完整性丢失后防护区设置Fig.4 Setting up of protection area after train integrity loss

同样,在车地通信超时场景中,RBC在规定时间内未收到车载设备的应用消息,RBC无法对列车进行定位,列车可能位于其行车许可范围内的任何位置。因此RBC将列车最后一次位置报告中的包络后端到其行车许可终点范围设置为防护区,防护区可根据当前设备状态向前延伸。防护区延伸到实体区段时,需根据实体区段的占用状态进行判断:区段为空闲状态,不设置为防护区,否则设置为防护区。车地通信超时场景下防护区的设置如图5所示。

图5 车地通信超时后防护区设置Fig.5 Setting up of protection area after timeout of train-RBC communication

当故障场景中对应故障恢复且未引入其他故障,或经过人工确认后,RBC可解除相应防护区,并恢复列车原有状态。

(5)特定引导功能。特定引导是一种施工条件下的特定行车办法。当TIS因车站施工、维修等,无法正常办理列车进路可采用特定引导方式保证列车继续运行。

特定引导车站采用固定进路接发列车,行车方式分为两种:特定引导接车,正常发车;特定引导接车,人工信号发车。特定引导命令由TSRS以特殊临时限速形式发送给RBC,RBC根据命令类型向列车发送包含特定引导信息的行车许可。

(6)调车防护功能。在C3系统调车作业场景中,RBC收到车载设备转入调车模式的请求后,不再发送行车数据。若车载设备已转为调车模式,RBC将结束与列车的通信会话,此后列车冒进防护功能由布设于调车信号机前的有源应答器组实现。但在装备CN系统的线路中,未布设有源应答器,需由RBC对其管辖范围内车站调车作业进行安全防护。

通过在调车信号机前布设无源应答器组,采用调车防护应答器列表实现列车冒进防护功能。调车信号开放后,RBC根据TIS发送的调车进路信息向车载设备发送该进路上可途径的全部应答器组列表;调车信号关闭后,RBC向车载设备发送应答器组空列表。若列车在调车过程中越过列表中未包含的应答器组时,将触发紧急制动,转为冒进模式,完成安全防护。

从以上主要差异项可看出,CN系统RBC相较C3系统RBC已有许多逻辑变化和功能提升。若要验证目标需求及保证系统功能正确,必须通过完善的测试技术及全面的测试案例得以实现。但既有RBC测试平台仍存在诸多问题,例如人工配置数据过多、站场类型适用范围有限、自动化程度不高、无法满足上述差异功能的测试需求等,研究适用于新型列控系统RBC的测试平台为当务之急。

2 RBC测试平台关键技术

测试是保证设备质量的重要途径,新型列控系统RBC测试平台是保证测试案例运行的重要支撑[14]。设计RBC测试平台,完成对新型列控系统RBC功能的全面测试,对验证系统设计、确保性能指标、提高测试效率具有重要意义。

RBC测试平台以新型列控系统总体架构为基础,采用真实设备与仿真设备虚实结合的方式,忠实于真实逻辑的同时简化物理结构,从而保证测试的真实性、灵活性与可信度[15]。设计RBC测试平台架构如图6所示。

图6 新型列控系统RBC测试平台架构Fig.6 Architecture of RBC test platform in new train control system

测试平台主要包括列车运行仿真平台、真实设备与仿真设备三部分。真实设备包括RBC、TSRS、TIS、车载ATP及相关网络设备,仿真设备包括仿真TIS、仿真TSRS、仿真CTC、仿真车载ATP。RBC通过信号数据网与其他地面设备交互安全数据,通过车载仿真网或GSM-R与仿真ATP或真实ATP交互车地消息;列车运行仿真平台通过仿真数据网与TIS设备交互采集类信息、进路信息,通过车载仿真网将列车运行路径信息发送至仿真ATP或车载接口仿真。

作为测试平台中线路数据的提供者以及RBC交互对象,本文将对列车运行仿真平台与仿真设备进行重点研究。

2.1 列车运行仿真平台

列车运行仿真平台通过读取列控数据,向列车提供其运行所需的线路数据,以站场图形方式直观显示列车运行过程,整体结构如图7所示,分为站场显示界面与列车操作界面两部分。

图7 列车运行仿真平台结构Fig.7 Structure of train operation simulation platform

站场显示界面通过线路平面图形动态显示轨道区段、信号机、道岔、站内进路、应答器、列车位置等信息。列车操作界面显示列车运行状态、测试脚本列表,进行试验操作及场景控制。

通过在站场显示界面某一区段加载列车,仿真平台将根据列车起始位置、方向,综合TIS发送的进路信息、自身设置的进路信息、轨道区段信息、应答器数据等,自动计算列车运行路径并以特定数据结构封装,转化为脚本数据发送至仿真ATP或车载接口仿真,驱动测试按序进行。同时根据车载ATP反馈的走行距离实时计算列车所处位置,将区段占用及计轴占用状态等采集信息发送给TIS设备。

既有列车运行仿真平台采用以列控数据为基础的构建方式,应用过程中存在因人工配置数据过多、站场类型适配范围有限等问题造成列车运行路径计算错误、测试效率低下。新型列控系统中新增调车防护等功能使得上述缺陷更为凸显,因此将构建逻辑调整为以模型为基础,将线路模型划分为车站与区间两类。

在车站模型中,使用面向对象的思想对站内设备进行抽象,以信号机为顶点、以进路为边建立站场结构的有向图[16]。通过进路数据、应答器链接关系为该有向图添加专有属性,确定轨道区段及应答器组在进路中的具体位置。计算列车运行路径时,按照列车运行方向对有向图进行搜索,从而方便、准确地得到进路区段及应答器间的链接关系。

在区间模型中,以信号机或虚拟信号点为顶点、以闭塞分区为边,按照线路方向将车站区间抽象为有向图,并为该有向图添加计轴、应答器及特殊区段等专有属性。仿真平台根据专有属性为不同类型测试列车分别计算运行路径,区分不同类型区段的界面显示。列车在站内与区间越行时,搜索并匹配站内与区间具有相同顶点及方向的有向图,完成运行路径的接续。

通过底层构建方式的调整,加强各设备间的关联关系,可有效避免在既有以数据构建方式中频繁出现的搜索算法复杂、数据重复存储、信息覆盖等问题。

2.2 仿真设备

仿真设备是按照标准协议实现与RBC接口交互功能的仿真软件。由于RBC管辖范围较广,接口设备众多,为避免测试平台网络结构复杂,借鉴HLA(High Level Architecture)的结构体系对仿真设备进行布设[17-18]。将仿真TIS、仿真ATP等各类型设备视作不同联邦成员,各车站设备、测试列车等作为联邦成员个体,成员个体采用统一模块化设计,以减少数据配置工作。按照数据类型的区别设置不同的承载网络,提供底层数据服务支撑,成员个体间的信息交互均通过该网络完成。

2.2.1 需求分析

明确仿真设备主要实现功能,由接口协议着手,分析双方间交互内容,关联不同类型交互信息并作层次化处理。以仿真TIS为例,仿真TIS主要负责排列进路、设置地面设备状态,根据区段占用信息调整进路状态。接口层面,仿真TIS将列车进路、调车进路及区间闭塞方向信息发送至列车运行仿真平台,用于仿真平台计算测试脚本;将站内轨道区段状态、区间闭塞方向、区间闭塞分区状态、站内列车进路信息、站内调车进路信息、灾害区状态、道岔状态、站内信号状态、站间计轴状态和区间闭塞制式等发送至RBC,RBC综合各设备信息计算行车许可及设置区段防护。仿真TIS接收来自仿真平台发送的站内轨道区段占用状态、区间闭塞分区占用状态、计轴占用状态等采集信息;接收来自RBC的区间虚拟区段逻辑占用状态,用于进路接近锁闭的判断。

由于进路中包含站内轨道区段、道岔及信号设备信息,与区间闭塞方向及闭塞分区状态紧密关联,可将软件逻辑结构进行层次化设计,如图8所示。排列进路时,根据进路类型设置轨道区段锁闭状态、道岔位置、信号机状态、区间闭塞方向,反之相关设备状态变化时更新进路状态。

图8 仿真TIS逻辑结构Fig.8 Logical structure of TIS simulation

为验证RBC在某些故障场景下的安全侧处理,需对各设备添加手动操作功能,完成接口间的故障注入[19-20]。

2.2.2 软件设计

基于仿真TIS设计思路,设计仿真TIS界面如图9所示。

图9 仿真TIS界面Fig.9 Interface of TIS simulation

仿真TSRS主要完成临时限速命令及特定引导命令的拟定和下发。将初始化命令、电子地图版本等消息发送至RBC,同时接收RBC反馈的临时限速执行状态、初始化状态等。设计仿真TSRS界面如图10所示。

图10 仿真TSRS界面Fig.10 Interface of TSRS simulation

仿真CTC主要完成紧急停车命令、闭塞制式切换命令、文本消息的拟定和下发,设置列车端头命令及虚拟区段状态命令。同时接收RBC发送的列车信息、虚拟区段状态信息、命令反馈信息和闭塞制式状态。设计仿真CTC界面如图11所示。

图11 仿真CTC界面Fig.11 Interface of CTC simulation

仿真ATP主要完成与RBC的车地消息交互。可进行列车长度、完整性状态、运行模式等参数的修改,完成速度控制、退行及换端操作;接收列车运行仿真平台发送的测试脚本,根据自身走行距离执行测试脚本,在特定位置触发对应脚本事件;将实时速度、位置及脚本执行情况反馈至仿真平台。

仿真ATP可实现车地消息的编辑与故障插入,根据车地消息交互流程自动完成运行模式切换。设计仿真ATP界面如图12所示。

图12 仿真ATP界面Fig.12 Interface of ATP simulation

3 RBC测试平台功能验证

从RBC典型运用场景及RBC相较于C3系统的提升功能中选取部分测试场景,通过对比RBC测试结果与预期结果的一致性,验证本文所提出的RBC测试平台是否符合设计需求。

3.1 行车许可计算场景

测试场景:列车1位于A站1G,向B站方向发车;列车2位于A站2G,向B站方向发车,与列车1在区间追踪运行。

由仿真CTC设置区间闭塞制式为“移动闭塞”,由A站及B站仿真TIS设置区间自动闭塞,列车1与列车2分别向RBC注册。在A站仿真TIS办理XI到S发车进路,在仿真平台中加载列车1初始位置,生成测试脚本并发送至列车1。列车1在IG末端越过BXI应答器组后完成定位,经过确认前方轨道空闲(TAF)流程,根据RBC分配的行车许可运行至区间。办理A站X2到S发车进路,加载列车2初始位置,列车2根据测试脚本运行至2G末端越过BX2应答器组,同样经过TAF流程后获得行车许可。

该测试案例中,两车在仿真平台中的位置及列车1的运行脚本如图13所示。

图13 仿真平台中两车位置及列车1的运行脚本Fig.13 Position of the two trains in the simulation platform and the operation scripts of train No.1

由图14中RBC维护终端所示,RBC向列车2分配的行车许可终点为列车1包络后端,符合预期设计。

图14 两车追踪时RBC计算的行车许可Fig.14 Movement authority calculated by RBC when two trains are tracking

3.2 设置区段防护与空闲场景

测试场景:列车1与列车2在区间追踪运行,设置列车1完整性丢失后两车继续运行。

两车区间追踪运行,列车1行至2291G区段,在列车1仿真ATP中将完整性状态设置为“不完整”。

由图15中维护终端所示,RBC将列车1丢失完整性后所经过区段均设置为防护区,且列车2行车许可终点在防护区入口处保持不变,符合预期设计。

图15 RBC成功设置防护区Fig.15 RBC Sets protection area successfully

由仿真CTC按序依次向RBC下发防护区内虚拟区段空闲命令,如图16所示。

图16 CTC设置虚拟区段空闲命令Fig.16 Set idle command of virtual segment in CTC

RBC根据CTC命令对虚拟区段状态进行检查,符合空闲条件时将解除对应防护区,并更新列车2行车许可终点,如图17所示。

图17 RBC成功解除对应防护区Fig.17 RBC lifts protection area successfully

3.3 调车防护场景

测试场景:列车位于A站1G,车长为200 m,SH运行模式,车头运行至IIAG区段后折返运行至IIG。

A站仿真TIS办理S1到D5、D5到D1进路,在仿真平台A站1G加载列车,仿真ATP以SH模式向RBC注册。注册成功并完成定位后,RBC向列车发送调车授权信息,包含列车当前位置至前方首个调车进路末端范围内的全部应答器组列表,如图18所示。

图18 RBC提供调车授权消息Fig.18 Shunting authorisation message from RBC

列车运行至IIAG区段后,车尾位于1/9WG区段,仿真TIS办理折返调车进路D19到XII。RBC按照车头位置向列车发送调车授权信息,包含列车LRBG到前方调车进路防护应答器范围内的全部应答器组,如图19所示。

图19 列车折返时RBC提供的调车授权消息Fig.19 Shunting authorisation message from RBC when the train turn Back

3.4 特定引导场景

测试场景:列车在区间运行,前方车站为特定引导接车站。

在仿真TSRS中拟定下发A站特定引导行车命令,如图20所示。由于特定引导行车计划车站接车进路可能未排列,若要生成列车通过A站的测试脚本,需从列车运行仿真平台中手动办理接车进路,如图21所示。

图20 TSRS拟定下发特定引导行车命令Fig.20 Preparation and issuance of specific guidance command in TSRS

图21 仿真平台中手动排列进路以生成测试脚本Fig.21 Manually control the CBI route in the CTCS simulation platform to generate test scripts

列车行车许可抵达A站进站信号机,RBC根据特定引导计划向列车发送接车进路范围的特定引导行车信息,如图22所示。

图22 RBC向列车送包含特定引导信息的行车许可Fig.22 RBC sends movement authority containing specific guidance information to the train

上述场景中,测试平台满足新型列控系统RBC的正常运作及测试过程中的各环节需求,且RBC测试结果与预期一致。

4 结语

新型列控系统的试验与应用标志着我国在该方面的研究工作已经走在铁路信号领域前沿,但因许多新技术、新功能在国内甚至国际范围内尚无成熟应用,可借鉴案例甚少,必须对关键核心设备进行系统且全面的测试。本文以解决既有RBC测试平台应用中的问题、无法满足新型列控系统测试需求为研究背景,通过比较C3系统与新型列控系统中RBC的功能差异,分析新型列控系统工程数据,将逻辑构建方式由以数据为基础调整为以模型为基础,同时对仿真设备统一采用模块化、层次化设计。选取新型列控系统中部分典型场景,对新型列控系统RBC测试平台功能进行了验证,验证结果表明,本文设计的测试平台可以完成RBC多场景测试任务。该测试平台的运用将为指导修订更细致完善的新型列控系统相关规范提供重要依据,对新型列控系统在更多线路的推广实施具有重要意义。