CTCS-2級與CTCS-3級列控系統兼容性仿真研究

郭麗娜，王俊峰

（北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室， 北京100044）

我國的列車運行控制系統（CTCS）根據功能要求、運行速度和設備配置，分為0級～4級。目前我國正在大力發展建設CTCS-3級列控系統。除了速度上的差別外，與CTCS-2級列控系統相比，CTCS-3級列控系統增加了無線閉塞中心（RBC）來下達行車許可（MA），通過GSM-R網絡通信實現了車-地間的雙向通信。

CTCS-2級列控系統是CTCS-3級列控系統的后備系統。在一些特殊狀況下，列車需要在運行中從CTCS-3級控車降級為CTCS-2級控車。鑒于CTCS-2級和CTCS-3級列控系統在設備和運行速度上都存在較大差異，因此從系統設計的層面上解決二者的兼容性問題十分必要。其中，應答器設置和降級切換是CTCS-2級和CTCS-3級列控系統兼容性問題中兩個比較重要的問題。

1 應答器的間距設置

CTCS-3級列控系統應答器的布置需要同時滿足CTCS-3級和CTCS-2級列控系統的需求。

相鄰應答器的距離應大于列車在以最高速度壓過應答器能夠完整接收報文這段時間走過的距離。考慮的因素有列運行速度（V）和報文傳遞時間（t）。CTCS-3級列控系統的運行速度為300 km/h～350 km/h。報文分為長幀報文和短幀報文。傳送長幀報文時，應答器與車載天線的有效作用時間為5.1 ms，傳送短幀報文時，應答器與車載天線的有效作用時間為3.6 ms。由此可以得出兩個應答器之間的距離S為：

因此，只要按CTCS-3級列控系統的標準計算出的應答器距離也滿足CTCS-2級的要求。計算得到傳送長幀報文，要求相鄰兩個應答器的距離應該大于0.5 m，即應答器組內的間距只要大于0.5 m就可同時滿足CTCS-2級和CTCS-3級的要求。

2 降級切換

2.1 降級情況

降級切換通常是由突發故障導致的，往往不是在級間切換邊界進行，沒有級間切換應答器，不符合正常的級間切換條件。因此，研究突發狀況的降級過程，確保CTCS-2和CTCS-3級列控系統的可靠切換，具有現實意義。

2.2 降級過程

本文主要研究以下幾種故障的降級過程。

2.2.1 車載設備故障模式

車載設備發生故障時，通過GSM-R向RBC請求注銷；同時，列車觸發常用制動，直到速度降至滿足CTCS-2級列控系統運行所允許的速度；告知RBC速度降至CTS-2級允許速度，RBC發送注銷許可， RBC釋放對列車的控制；切換為CTCS-2級列控系統控車運行。

2.2.2 地面設備故障

地面設備種類比較多，本文只研究其中的RBC故障和應答器故障。

（1） RBC故障

RBC采用雙套冗余設備。如果兩個RBC都發生故障，列車與RBC通信超時，那么列車自動觸發最大常用制動，直到速度降至CTCS-2級控車允許的速度，切換為CTCS-2級系統控車運行。當列車壓過RBC連接應答器組時，重新嘗試與RBC建立連接，直到連接成功，切換至CTCS-3級控車。

（2） 應答器故障

當壓過一個應答器，沒有收到報文，或報文出現錯誤，列車向RBC報告當前列車位置，并觸發最大常用制動，直至速度降至CTCS-2級允許的速度。然后向RBC請求斷開連接，RBC發送注銷命令，列車切換為CTCS-2級系統控車，RBC刪除該車信息。列車行至下一組應答器，如果應答器報文正確，則人工切換為CTCS-3級控車，但仍按CTCS-2級的速度距離曲線行車。與RBC建立連接后，列車按照CTCS-3級的速度距離曲線行車。

2.2.3 無線通信設備故障

GSM-R故障時，車載與RBC通信中斷。列車按原有的行車許可行車，并嘗試與RBC通信，仍通信超時，列車觸發最大常用制動。將速度降至CTCS-2級列控系統允許的運行速度，列車切換為CTCS-2級控車，關閉與RBC通信連接。直到列車壓過下一個RBC連接應答器組，嘗試通過GSMR連接RBC，發出呼叫請求，直到列車與RBC建立連接后，切換成CTCS-3級控車。

3 仿真設計

3.1 兼容性驗證仿真模型

采用HLA（高層體系結構）方式建模，采用數據驅動方式進行仿真驗證。

HLA提供了一套基于模擬系統開發與互聯的標準。在HLA中，整個系統作為一個聯邦，具有相對獨立功能的模塊作為聯邦成員。各成員模塊間通過RTI相互通信。HLA的優點在于RTI提供底層通信，不需考慮通信的問題，只需設計上層應用模型即可。

本模型仿真的是列車在模擬線路上的運行過程。圖1為本模型的結構圖。

圖1 模型結構圖

圖1中，應答器、RBC、車載和故障庫共同構成一個聯邦。它們各自都是該聯邦中的一個聯邦成員。聯邦成員通過“發布”確定向外發送的信息，通過“訂購”確定接收的信息。每個輸入端口都有與其相對應的輸出端口。

3.2 仿真模型中聯邦成員之間的數據傳遞

聯邦成員之間的數據傳遞如圖2。

圖2 數據流圖

3.2.1 應答器聯邦成員

應答器聯邦成員主要用于模擬鐵路線路，訂購車載成員的位置信息，向車載成員發布應答器報文。編寫應答器數據表，其中包括應答器編號及其在線路上的位置。線路的模擬以應答器作為參考點。始發站為起點，每組應答器最先被壓過的應答器位置是確定的，組內其他應答器的位置是可更新的。當組內應答器的間隔設置發生變化時，以組內第1個被壓過的應答器位置為基準，組內其他應答器位置根據間隔的設置自動進行更新。通過讀取應答器報文數據表向車載成員發送報文。當收到應答器故障信息，則根據故障類型對列車運行前方應答器發送的報文情況進行設置。

3.2.2 車載成員

車載成員是模擬一輛列車以一定的速度運行和在運行過程中與其他相關設備的通信，即與應答器和RBC通信。車載成員向應答器成員和RBC成員發送列車位置信息，從應答器成員處接收報文，從RBC成員處獲得行車許可。當收到車載故障信息和GSM-R通信故障信息后，根據信息類型，自動進行降級處理。

3.2.3 RBC成員

RBC成員根據列車運行情況，向列車發送行車許可。當出現RBC故障和GSM-R通信故障時，做與降級運行相關的操作和處理。

3.2.4 故障庫成員

故障庫成員主要用來設置故障類型，對參數值的設定和方案進行評價。故障成員讀取故障數據表，根據故障數據表，向車載成員、應答器成員和RBC發送故障類型和各設備因設置故障需要更新的參數，并存有預期結果腳本。預期結果腳本與測試結果做比較，根據比較結果對解決方案進行評價，判斷實驗參數設置得是否合理。

4 基于數據驅動的兼容性方案驗證

本文采用數據驅動的方法對上文所述的應答器間隔設置和各種降級情況的過程進行驗證。數據驅動是使用存檔的測試數據來驅動測試過程。測試數據存儲在獨立的數據文件中。因為數據與腳本分離，設計思路簡單，如果要修改某一降級過程，只需修改相應的腳本即可。

4.1 驗證應答器間隔距離

建立一個應答器的編號和位置數據表。每個應答器在這個數據表里都有其相應的編號和其所在的位置的公里數。列車的位置與某個應答器的位置一致時，該應答器向列車發送相對應的應答器報文。即調用報文腳本，向列車發送相應的報文。當應答器間隔距離發生變化時，重新觸發一個行車案例：加載一輛列車，先以CTCS-2級最大允許速度行車，壓過應答器時，應答器向列車發送長報文。該報文是由應答器腳本提供。然后將車載收到的信息與應答器報文腳本對照，以驗證該距離能否滿足CTCS-2級行車要求。然后切換至CTCS-3級最大允許速度，用同樣的方法進行測試。如果在CTCS-2級和CTCS-3級都可以準確收到報文，那么說明這個距離滿足兩級列控系統應答器共用的要求。

4.2 降級測試

故障庫成員包含有一個故障數據表、4個故障腳本和4個預期結果腳本。故障數據表中每一項對應一種導致降級的故障。周期性地讀取故障數據表，每一項數據代表一種故障。每一項的正常數據為0，當某一項數據變為1時，該項數據對應的故障被激活，然后調用相應的故障腳本，將故障腳本信息通過相應的端口發送至相關的聯邦成員。對其他聯邦成員的參數進行更新，設置降級驗證場景。對于其他聯邦成員來說，由于內部參數發生了變化，成員即調用相應的降級處理腳本，對降級過程進行模擬。記錄降級過程中各設備的狀態和結果，通過與預期結果腳本相比較，評判降級過程是否合理，是否達到了兼容性的要求。

如果參數設置不合理，可修改數據表中的數據對參數進行優化。如果處理方法不合理，可通過修改相應的故障處理腳本實現對方案的修改。這樣，每一次修改都有針對性，且不會對其他模塊產生影響，提高了模型的可修改性和可重用性。

5 結束語

本文分析了CTCS-2級列控系統和CTCS-3級列控系統兼容性需要解決的問題，提出了解決方案。使用HLA的建模方法建立兼容性測試模型，并采用數據驅動方式設計了測試案例。HLA建模方法提供了可靠的通信平臺，簡化了模型。使用核心數據來驅動測試增強了測試腳本的可修改性和可重用性。

[1] 王化深，王俊峰. 200-350km/h列車運行控制系統關鍵技術研究[J] . 鐵道學報，2009，6（31）.

[2] 肖甜，趙會兵. 歐洲應答器編碼策略的安全性研究[J] . 鐵道學報，2008，12（30）.

[3] 周福娜，湯天浩，文成林. 一種數據驅動的多故障診斷方法研究[J] . 控制工程，2008，6（15）.