滬杭高速鐵路C3列控室內仿真系統(tǒng)研究

于長洪，崔新民，王現(xiàn)軍

(北京全路通信信號研究設計院，北京 100073)

1 實驗室建設目的和滬杭高速鐵路列控系統(tǒng)

1.1 建設目的

滬杭高速鐵路系統(tǒng)集成就是將地面和車載所有設備進行連接、調試、測試的過程;為了保障系統(tǒng)集成質量，確保工程工期，降低現(xiàn)場試驗各項成本，同時為了保證動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試時的人車安全，提高現(xiàn)場工作效率，建設了滬杭高速鐵路C3列控室內仿真系統(tǒng)。

1.2 列控系統(tǒng)概述

CTCS-3級列控系統(tǒng)是基于GSM-R無線通信實現(xiàn)車-地信息雙向傳輸，無線閉塞中心(RBC)生成行車許可，軌道電路實現(xiàn)列車占用檢查，應答器實現(xiàn)列車定位。CTCS-2級列控系統(tǒng)通過軌道電路和應答器實現(xiàn)車地列控信息傳輸，列控中心(TCC)完成軌道電路編碼和狀態(tài)采集、有源應答器報文編碼、站間安全信息傳輸功能。

1.3 滬杭高速鐵路信號系統(tǒng)

滬杭高速鐵路信號系統(tǒng)包括:行車調度指揮系統(tǒng)、閉塞和列控系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等。滬杭高速鐵路行車調度指揮采用分散自律調度集中系統(tǒng)(CTC)，可與本線臨時限速服務器接口，在中心實現(xiàn)對臨時限速調度命令的擬定和生成。

滬杭高速鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)(CBI)實現(xiàn)各站聯(lián)鎖控制，并且通過信號安全數(shù)據(jù)通信網(wǎng)向RBC提供基于進路條件的信號授權信息，向TCC提供站內進路狀態(tài)并接收TCC傳來的區(qū)間軌道電路狀態(tài)和運行方向等信息。

臨時限速服務器實現(xiàn)線路臨時限速命令的生成，通過信號安全數(shù)據(jù)通信網(wǎng)同時下達給RBC和TCC，保證RBC和TCC生成的臨時限速命令的一致性。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提供滬杭客運信號設備的運用狀況監(jiān)測。

為了確保滬杭高速鐵路CTCS－3級列控系統(tǒng)按計劃正常開通和運營，特建立C3仿真實驗室，針對列控系統(tǒng)的關鍵技術，按照工程實際集成方案，選擇典型配置進行室內仿真試驗工作。

2 滬杭高速鐵路列控仿真系統(tǒng)

2.1 滬杭高速鐵路概況

滬杭高速鐵路工程范圍主要包括:上海虹橋站(不含)DK2+210至杭州東站(不含)DK155+017.38，正線線路長度160 km。春申線路所至上海南站(含)聯(lián)接線，筧橋聯(lián)絡線等。新建和改建松江南站、金山北站、嘉善南站、嘉興南站、桐鄉(xiāng)站、海寧西站、余杭南站及101線路所、春申線路所、筧橋線路所;上海南站、筧橋站等車站。滬杭客運專線線路示意如圖1所示。

滬杭高速鐵路列控系統(tǒng)采用CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)，作為運營速度350 km/h高速動車組的主用列控系統(tǒng)，CTCS-2級作為350 km/h高速動車組降級備用系統(tǒng)，按滿足最高速度300 km/h進行設計。滬杭高速鐵路列車正向按自動閉塞追蹤運行，反向按自動站間閉塞運行。CTCS-3級列控系統(tǒng)反向運行最高速度300 km/h，CTCS-2級列控系統(tǒng)反向運行最高速度250 km/h。

2.2 C3列控室內仿真系統(tǒng)的總體目標

(1)確保滬杭高速鐵路信號系統(tǒng)集成方案各組成子系統(tǒng)功能的正確性和有效性;確保各子系統(tǒng)間的接口連接功能正確、可靠;確保CTCS-3級與CTCS-2級列控功能及級間轉換等功能正確，保證具備工程開通的技術條件。

(2)試驗和驗證系統(tǒng)安全性，確認在已知的失效模式下，保證系統(tǒng)故障-安全性滿足信號系統(tǒng)的設計要求。

圖1 杭客高速鐵路線路示意

(3)試驗和驗證系統(tǒng)可靠性、確認系統(tǒng)各種冗余方案的有效性、保證系統(tǒng)在故障恢復期間的可用性。

(4)進行室內各項場景測試和數(shù)據(jù)交付測試，完成被測軟件的發(fā)布工作。

(5)針對聯(lián)調聯(lián)試和試運行期間現(xiàn)場故障重現(xiàn)及問題解決的驗證測試。

2.3 CTCS-3列控系統(tǒng)實驗室試驗需考慮的因素

(1)參考武廣客運專線CTCS-3列控系統(tǒng)的試驗經(jīng)驗，針對滬杭高速鐵路的關鍵技術特點，進行選擇性試驗。

(2)根據(jù)《信號系統(tǒng)集成實施方案》，考慮滬杭高速鐵路按虹橋站至101線路所CTCS-2級列控，101線路所至筧橋線路所CTCS-3級列控，筧橋線路所經(jīng)筧橋站至杭州站的方案開通。

(3)按照CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)結構圖的列控系統(tǒng)方案(圖2)，根據(jù)滬杭高速鐵路設置2套RBC設備管轄全線約153 km的正線線路，并且在嘉善南站和嘉興南站相鄰2套RBC的控制邊界重疊的情況。

圖2 CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)結構

(4)考慮iLOCK型計算機聯(lián)鎖是首次應用在CTCS-3級列控系統(tǒng)客運專線的情況。

(5)考慮RBC連接數(shù)量較多的CBI和TSR的實際情況。

2.4 實驗室測試范圍

(1)自虹橋站至101線路所進站信號機外為CTCS-2級，并在此進行C2和C3的級間轉換;

(2)自101線路所至嘉善南站CTCS-3級，其中101線路所由春申線路所區(qū)域聯(lián)鎖控制;

(3)自嘉善南站至嘉興南站CTCS-3級，并在兩站間進行相鄰RBC控制權切換;

(4)自嘉興南站經(jīng)中繼站2至桐鄉(xiāng)站CTCS-3級。

2.5 重點測試內容

考慮到CTCS-3技術的成熟性，本次實驗室試驗的重點是iLOCK計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、無線閉塞中心和臨時限速服務器，主要測試的內容包括:

(1)計算機聯(lián)鎖CBI、列控中心TCC(含區(qū)間中繼站)、無線閉塞中心RBC、臨時限速服務器TSR和安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的基本功能;

(2)無線閉塞中心RBC通過GSM－R與實物車載通信功能;

(3)區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)功能;

(4)CBI、TCC(含區(qū)間中繼站)、RBC、TSR 相互之間的所有接口功能;

(5)CTCS-2級列控系統(tǒng)功能、CTCS-3級列控系統(tǒng)功能，以及C2與C3級間切換的功能;

(6)相鄰RBC行車許可控制權交接功能;

(7)RBC連接5個聯(lián)鎖站及1個TSR的穩(wěn)定性;

(8)安全性和可用性;

(9)其他特殊功能;

(10)現(xiàn)場故障重現(xiàn)試驗，及整改驗證試驗。

圖3為實驗室試驗系統(tǒng)配置。

圖3 試驗系統(tǒng)配置

2.6 仿真系統(tǒng)組成和各接口連接方式

實驗室仿真測試系統(tǒng)采用與工程一樣的接口方式:使用安全數(shù)據(jù)以太網(wǎng)1、2以及串口422兩種通信方式，其中只有CTC與CBI上位機采用422通信方式，其余均為冗余以太網(wǎng)。

CBI—TCC:冗余以太網(wǎng);

CBI—RBC:冗余以太網(wǎng);

CBI—CBI:冗余以太網(wǎng);

CBI—CTC:冗余422串口;

CTC—RBC:冗余以太網(wǎng);

CTC—TSR:冗余以太網(wǎng);

CTC—TCC:冗余422串口;

TCC—TSR:冗余以太網(wǎng);

TCC—TCC:冗余以太網(wǎng);

CSM均采用以太網(wǎng)與各系統(tǒng)維護機連接。

實驗室仿真測試系統(tǒng)主要包括:實物系統(tǒng)包括2套RBC實物系統(tǒng)、1套TSR實物系統(tǒng)、3套iLOCK實物聯(lián)鎖系統(tǒng)、1套K5B列控中心實物系統(tǒng);仿真系統(tǒng)包括仿真支撐系統(tǒng)、仿真模型集、實物接口適配系統(tǒng)、接口監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)、人機界面系統(tǒng)等7個主要部分。

(1)實物系統(tǒng)

實物系統(tǒng)在實驗室中是既可以作為被測試對象，又可以為其他被測試對象提供測試環(huán)境，實物系統(tǒng)通過實物接口平臺接收仿真系統(tǒng)的測試指令，執(zhí)行既定功能并將輸出結果反饋給仿真系統(tǒng)。

(2)仿真支撐平臺

仿真支撐平臺是系統(tǒng)實驗室仿真測試環(huán)境的核心，由仿真應用服務器、仿真數(shù)據(jù)庫服務器、仿真數(shù)據(jù)備份服務器、仿真同步控制服務器、實物接入服務器、記錄服務器組成，運行仿真管理軟件，實現(xiàn)仿真場景模擬、仿真腳本運行、測試流程控制、向被測系統(tǒng)輸出測試指令、接收被測系統(tǒng)的反饋等功能。

(3)仿真模型集

仿真模型集包括:列控地面設備仿真模型、列車仿真模型、環(huán)境仿真模型等，在仿真支撐平臺的控制下，與被測實物設備連接，共同構成半實物仿真系統(tǒng)。針對聯(lián)鎖、列控中心系統(tǒng)和CTC系統(tǒng)建立起基于真實軟件的聯(lián)鎖模型、列控中心模型和CTC模型。

(4)實物系統(tǒng)接口平臺

實物系統(tǒng)接口平臺是實物設備與仿真支撐平臺之間的軟、硬件接口，實現(xiàn)被測實物設備的接入，是連接仿真模型和實物系統(tǒng)的紐帶。

(5)接口監(jiān)測系統(tǒng)

實現(xiàn)對仿真測試過程中系統(tǒng)間接口數(shù)據(jù)的采集和分析。實驗室構建接口監(jiān)測包括“CBI—RBC”、“CBI—TCC”、“ATP Um 接口”、“ATP Igsmr接口”、“RBC PRI接口”、“RBC—TSR”、“TSR—TCC”等接口數(shù)據(jù)的采集和分析，作為測試期間重要的問題分析基礎。

(6)數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)

數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室環(huán)境所需數(shù)據(jù)的生成和配置。

(7)人機界面

人機界面是仿真測試系統(tǒng)接收測試人員干預，反饋和顯示測試結果的人－機交互平臺。

根據(jù)滬杭高速鐵路實驗室建設的實際情況，前期仿真測試系統(tǒng)實施將按如下方案實施(后期可能擴展到全線設備):

①實物設備配置2套RBC、2套車載ATP、3套iLOCK聯(lián)鎖設備、2套 K5B列控中心實物設備、1套TSR，實物系統(tǒng)間的連接關系與現(xiàn)場一致。3套iLOCK聯(lián)鎖系統(tǒng)部署在嘉善南站、嘉興南站和春申線路所。2套K5B列控中心實物設備部署在嘉善南站和春申線路所;

②配置1個室內型基站BTS，接入院GSM－R實驗室核心網(wǎng)。RBC通過傳輸通道以ISDN PRI接口接入移動交換中心(MSC)，ATP通過GSM－R Um接口接入BTS;

③配置1臺仿真應用服務器(同時用作仿真同步控制服務器、實物接入服務器和記錄服務器)、1臺數(shù)據(jù)庫服務器;

④建立2個站的聯(lián)鎖模型、4個站的列控中心模型、1套CTC模型。信號系統(tǒng)仿真模型運行在模型工作站中;

⑤配置2套ATP接口平臺、3套iLOCK聯(lián)鎖設備接口平臺、2套K5B列控中心接口平臺;

⑥配置1套接口監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測和分析“聯(lián)鎖—RBC”、“聯(lián)鎖—TCC”、“ATP Igsmr接口”、“RBC PRI接口”、“RBC—TSR”、“TSR—TCC”接口的數(shù)據(jù);

⑦配置系統(tǒng)監(jiān)控界面終端1套;

⑧仿真運行界面終端1套;

⑨司機模擬駕駛臺終端1套;

⑩實物ATP設備和實物駕駛臺終端1套;

2.7 C3列控仿真系統(tǒng)的實施

滬杭高速鐵路C3測試系統(tǒng)以既有武廣高速鐵路試驗方案為基礎，針對滬杭高速鐵路工程數(shù)據(jù)編制測試大綱，明確需要測試的功能、性能和預期的結果，編制測試案例，提出測試條件，按照規(guī)定的測試序列進行測試，通過對測試記錄的分析和評判確定被系統(tǒng)的有效性。

2.7.1 功能場景試驗

根據(jù)C3列控系統(tǒng)技術條件，功能場景在實驗室測試的主要內容如下。

(1)系統(tǒng)啟動:測試各系統(tǒng)投入/退出功能及對整體系統(tǒng)的影響;

(2)行車許可:測試各種條件下C2列控編碼功能和C3行車許可功能;

(3)級間轉換:測試正常的級間轉換在轉換區(qū)域自動進行;特殊情況下，停車后由司機進行級間轉換;

(4)進出動車段:在動車段內按CTCS－2級的部分監(jiān)控模式運行，通過出站口的應答器組并得到相應的信息后，在聯(lián)絡線按CTCS－2級的完全監(jiān)控模式運行，模式轉換自動進行;

(5)自動過分相:當列車運行到距分相點前一定距離時，無線閉塞中心(RBC)/應答器向列車發(fā)送前方被激活的分相點信息，包括至分相點距離、分相區(qū)長度等;

(6)RBC切換:測試相鄰RBC控制區(qū)控制權交接功能;

(7)降級運行:當子系統(tǒng)故障(聯(lián)鎖或RBC等)、通信中斷以及進路被取消等場景下，列車將繼續(xù)以先前收到的行車許可運行，直至60 s后如果故障仍未消除，列車將實施最大常用制動。當速度低于CTCS-2級的允許速度時自動轉換到CTCS-2級控車;當故障消除并具備CTCS-3級控車條件時，自動轉換到CTCS-3級控車;

(8)臨時限速:測試C2和C3臨時限速功能;(9)災害防護:測試各系統(tǒng)災害防護功能;(10)特殊聯(lián)鎖:測試區(qū)域聯(lián)鎖控制及特殊聯(lián)鎖功能，以及進路取消、解鎖等對列控系統(tǒng)的影響;

(11)RBC多連接穩(wěn)定性:測試單套RBC在連接5個聯(lián)鎖系統(tǒng)和1個臨時限速服務器條件下的穩(wěn)定性;

(12)故障切換:測試各系統(tǒng)在故障情況下的系統(tǒng)可用性;

(13)故障安全:測試各系統(tǒng)在故障情況下的系統(tǒng)安全性。

2.7.2 數(shù)據(jù)集成測試

由于在各子系統(tǒng)根據(jù)輸入條件和接口文件完成各自軟件后并非就保證各項數(shù)據(jù)的正確性和完整性，需對所有接口間的數(shù)據(jù)以及RBC中存儲的列車速度、坡度、曲線、MA、分相信息等線路數(shù)據(jù)進行逐一核對驗證，所以就必須進行數(shù)據(jù)集成測試，主要包括:

(1)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)集成測試;

(2)列控中心數(shù)據(jù)集成測試;

(3)RBC數(shù)據(jù)集成測試;

(4)臨時限速數(shù)據(jù)集成測試;

(5)各接口之間集成測試主要包括:聯(lián)鎖與RBC接口、聯(lián)鎖與列控中心接口、RBC與臨時限速服務器接口、RBC與ATP車載設備的接口、臨時限速服務器與列控中心接口等。

2.7.3 測試結果評審、軟件發(fā)布和現(xiàn)場實施

(1)測試評審

根據(jù)場景功能測試的輸出結果，確保各軟件在系統(tǒng)功能中是安全可靠的，并將系統(tǒng)軟件發(fā)布至數(shù)據(jù)測試組，由數(shù)據(jù)測試組完成各子系統(tǒng)和接口數(shù)據(jù)驗證測試以及各級列控數(shù)據(jù)測試，測試組提交測試報告和測試過程，四電集成單位組織各子系統(tǒng)根據(jù)測試問題進行分析，由相應負責的子系統(tǒng)解決并提交分析報告，由測試組再次進行系統(tǒng)性回歸測試;根據(jù)各類測試報告，由專家委員會討論是否對當前已完成測試的軟件版本進行發(fā)布。

(2)軟件發(fā)布

各子系統(tǒng)軟件在經(jīng)專家委員會評審通過后由相配置管理人員將各子系統(tǒng)軟件發(fā)布至專用服務器，并為現(xiàn)場技術人員配置對應的下載權限。

(3)現(xiàn)場實施和驗收

現(xiàn)場工作人員根據(jù)其權被分配的下載權限，到指定的訪問路徑下載對應子系統(tǒng)現(xiàn)場安裝版軟件并與配置管理人員核對軟件的版本號，在核對一致后對現(xiàn)場需實施的系統(tǒng)進行安裝和調試，并完成調試記錄和簽署工作;在各子系統(tǒng)軟件安裝完成后由鐵路局組織進行靜態(tài)驗收和動態(tài)驗收，解決由于現(xiàn)場施工等原因造成的其他問題。

3 價值體現(xiàn)

自2009年底滬杭C3集成實驗室建設完成到2010年10月期間，由四電集成單位組織各子系統(tǒng)和相關專業(yè)進行了大量廣泛深入的系統(tǒng)性測試，并在繼承了我院已開通C3客運專線中武廣客運專線和滬寧城際客運專線的經(jīng)驗基礎上進行思維創(chuàng)新、舉一反三，并集中經(jīng)驗豐富的技術人員根據(jù)滬杭線路的特點編制適用于滬杭高速鐵路的各種組合場景，提前發(fā)現(xiàn)軟件中存在的缺陷，及時完成了由于各種列控數(shù)據(jù)變動造成數(shù)據(jù)更改的驗證，配合現(xiàn)場對發(fā)現(xiàn)的問題進行室內驗證等工作，使得滬杭高速鐵路在聯(lián)調聯(lián)試以及試運行期間整體平穩(wěn)順利，為滬杭高速鐵路在2010年10月26日的順利開通運營奠定了堅實的列控系統(tǒng)基礎。

［1］李紀軍.談武廣高速鐵路C3系統(tǒng)集成項目的協(xié)調管理［J］.鐵路通信信號工程技術，2010(3).

［2］肖逸龍.鐵路建設項目管理系統(tǒng)方案［J］.鐵道通信信號，2011(1).

［3］張煜鯤.計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性及安全性分析［J］.鐵道通信信號，2009(8).

［4］韓懷恭.日本研制的新型列車運行控制系統(tǒng)［J］.中國鐵路，1989(11).

［5］燕 飛.軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的形式化建模和模型檢驗方法研究［J］.北京交通大學，2006(6).

［6］寧 濱.列車超速防護系統(tǒng)的制動精度和安全防護距離初探［J］.北方交通大學學報，1995(4).

［7］劉 瀾.客運專線列車速度控制方式設計的優(yōu)化模型及應用［J］.西南交通大學學報:自然科學版，2000(3).

［8］單振宇.CTCS-3級車地通信協(xié)議設計與驗證［J］.北京交通大學，2009(4).

［9］季學勝，唐 濤.CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)綜合測試平臺研究［J］.鐵道通信信號，2007(7).

［10］宋沛東.CTCS3級列控系統(tǒng)仿真測試平臺—無線閉塞中心仿真子系統(tǒng)的研究［J］.北京交通大學學報，2007(4).