CTCS-3級列控系統軌旁設備仿真子系統的設計與實現

王 瑞，楊志杰

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081)

CTCS-3級列控系統是基于GSM-R無線通信實現車地信息雙向傳輸，無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，具備CTCS-2級功能的列車運行控制系統。建立CTCS-3級仿真測試平臺，可根據具體線路設計的技術條件，實現對列控系統的各個部分的功能和性能進行數字化仿真與測試，對保證設計方案正確性、提高實驗效率、減少試驗周期與試驗成本、確保列車在CTCS-3級列控系統下行車安全具有重要意義。本文重點研究了CTCS-3級列控系統仿真平臺中軌旁仿真子系統的設計與實現。

1 列控系統仿真平臺介紹

1.1 列控系統仿真平臺功能

列控系統仿真平臺的主要功能是仿真CTCS-3級列控系統的工作原理，采用仿真設備與實際設備相結合的半實物仿真辦法，為關鍵設備或關鍵部件提供功能測試環境，不僅可以進行各個關鍵設備的功能測試、安全性測試和互聯互通測試，還具有故障注入與分析、實際測試案例的演示和結果分析以及測試案例的回放等功能。

1.2 列控系統仿真平臺結構

（1）仿真平臺服務器：主要完成仿真初始化設置、仿真過程的管理和回放、同步各個仿真設備的工作；（2）數據庫：主要存放仿真線路的所有線路數據，如應答器信息、軌道信息等；（3）顯示平臺服務器：主要用于仿真過程中的平面站場圖顯示；（4）車站設備部分：包括聯鎖設備、列控中心設備、無線閉塞中心（RBC）、GSM-R設備等；（5）車載設備部分：包括車載仿真設備、司機控制平臺等；（6）地面設備部分：軌旁子系統等；（7）三維視景顯示部分：用于仿真過程中的三維視景顯示。

仿真平臺的結構框圖如圖1。

圖1 CTCS-3級列控系統仿真平臺整體框圖

其中，軌旁子系統是仿真平臺的重要組成部分，它主要包括應答器模塊和軌道電路模塊，是聯系車載設備與地面設備的橋梁，對保證列車的安全運行起著重要作用。下面將對軌旁子系統的設計與實現做詳細介紹。

2 軌旁子系統的設計與實現

2.1 軌旁子系統的設計需求及主要功能

列車在CTCS-3下安全高速行駛，需接收地面應答器以及軌道電路信息。其中，應答器信息主要包括線路數據、最大允許速度、軌道電路參數、臨時限速信息和列車等級切換等信息，而軌道電路信息主要用于檢測軌道區段是否有列車占用和獲取信號機狀態。因此，在CTCS-3級仿真平臺中專門設計了軌旁子系統。它的主要功能是從相關設備獲取有源應答器信息和軌道電路信息，將它們存儲在數據庫中，并擇機發送給車載仿真設備。應答器模塊用于處理應答器報文信息，并擇機將報文發送給仿真車載系統。軌道電路模塊用于處理軌道電路信息，并擇機將列車所在軌道的軌道信息發送給仿真車載系統。

2.2 軌旁子系統的外部接口

在仿真平臺中，軌旁子系統主要與列控中心、仿真車載設備以及仿真平臺服務器通過以太網進行通信，并且通過SQL Server服務管理器從數據庫讀取相關線路信息。軌旁子系統與其它設備的信息流如圖2。

圖2 軌旁子系統與其他設備的信息流

2.3 軌旁子系統關鍵功能模塊的設計與實現

2.3.1 應答器模塊的設計與實現

應答器模塊是CTCS-3級列控系統仿真平臺中的重要組成部分，向列車發送線路數據、最大允許速度、軌道電路參數、臨時限速信息和列車等級切換等信息，以保證列車可以安全高效地運行。

在仿真平臺中，應答器報文采用歐洲標準，每條應答器報文都是由一個50 bit的報文幀頭、若干信息包以及一個8 bit的結束包構成，共計830 bit。830 bit的初始用戶數據經過FFFIS信道編碼算法（歐洲標準應答器編碼算法）處理后，變成913 bit的成形數據，再加上算法中的一些參數（包括：3 bit控制位、12 bit擾碼位、10 bit附加位和85 bit校驗位），就形成了1 023 bit的長報文，如圖3。

根據無源應答器報文信息固定不變的特性，在程序設計中，首先將所有無源應答器報文數據存放到數據庫中。有源應答器的報文數據則是接收列控中心發送的數據，再根據應答器編號存放到數據庫中相應的位置。仿真過程中，仿真平臺服務器實時計算出列車當前位置，需要發送應答器報文時，將應答器編號發送給軌旁子系統。軌旁子系統再根據應答器編號，在數據庫中尋找到相應的應答器報文，進行FFFIS編碼后擇機發送給車載仿真設備。

具體程序流程圖如圖4。

圖3 應答器報文的組幀過程

圖4 應答器模塊程序流程圖

2.3.2 軌道電路模塊的設計與實現

仿真過程中，軌旁子系統和列控中心進行實時通信（周期約為50 ms），獲取線路上軌道信息，并根據軌道編號將其保存到數據庫中相應的位置。同時，仿真平臺服務器會將列車當前所在軌道編號發送給軌旁子系統，然后軌旁子系統根據軌道編號，在數據庫中查找相應的載頻和低頻信息，擇機發送給車載仿真設備。程序流程圖如圖5。

圖5 軌道電路模塊程序流程圖

3 仿真軟件關鍵技術分析

3.1 多線程技術

多線程技術是目前多種操作系統支持的主要技術之一，對改進程序的結構及提高計算機的性能起著很大的作用，可以提高程序的響應速度，使多CPU系統更加有效，占用系統更少的資源，改善性能等。

在CTCS-3級列控系統仿真平臺中，軌旁子系統需和其他4種設備進行通信，另外由于一條仿真線路可能有很多列控中心，所以軌旁子系統還需對每一個列控中心都應有一個獨立的端口進行通信。軌旁子系統將會和很多設備同時進行通信，為了保證軌旁子系統可以及時準確地接收到各個設備發送的信息，軟件設計中采用了多線程技術，即每對應一個設備開辟一條新的線程，各個線程獨立工作，互不影響，這樣提高了程序的響應速度，使CPU系統更加高效。

3.2 面向對象方法的應用

面向對象的仿真建模方法采用符合人們認識世界的思維方式對現實世界進行抽象，它更接近于人類的思維規律，因而設計出的軟件系統能夠更直接、自然地反映客觀現實中的問題。

UML（Unified Modeling Language）是一種面向對象的建模語言，運用統一的、標準化的標記和定義實現對軟件系統進行面向對象的描述和建模。在UML中，類圖描述了系統中的類及其相互之間的關系，其本質反映了系統中對象的類型以及對象間的各種靜態關系。

本文在設計軌旁子系統時，采用了面向對象的軟件編程方法。將軌旁子系統與各個設備的通信接口和與各個設備通信的數據處理分別設置為一個類，將與每個設備通信的狀態和運動規律封裝到類中，映射成相應對象的屬性與方法。根據不同對象的相互作用與聯系定義特定的函數接口，按照面向對象層次化軟件結構完成各個對象模塊中的應用實現。軌旁子系統簡單UML類圖如圖6。

這樣做提高了目標系統的可重用性，減少了軟件生命周期后續階段的工作量和可能出現的錯誤，提高了軟件的可維護性，易于擴充和修改，能夠適應不斷增加的需求。

圖6 軌旁子系統簡易UML類圖

4 仿真流程

在仿真測試過程中，組織良好、描述規范的測試案例集能夠高效地指導測試工作的執行。因此，在針對CTCS-3級列控系統進行仿真測試時需制定測試案例集與測試序列集。本文僅列舉測試序列001如表1。

表1 測試序列001：車載設備模式轉換、RBC切換

按照上述測試序列表要求排列進路，當地面條件滿足后仿真開始，圖7為鞏義南站側線發車進路。仿真開始后，列車從鞏義南3G側線發車，車載仿真設備啟動，軌旁子系統與其他子系統進行通信。仿真平臺服務器實時計算列車位置，當列車越過軌道絕緣節時，向軌旁子系統發送當前軌道編號信息，軌旁子系統根據接收到的軌道信息，在數據庫中查到相應的信息發送給車載仿真設備；當列車即將經過一組應答器時，向軌旁子系統發送應答器編號信息，軌旁子系統根據接收到的應答器編號，在數據庫中查到相應的應答器報文信息，進行FFFIS編碼后，發送給車載仿真設備。

仿真運行過程中軌旁子系統顯示如圖8。

5 結束語

本文主要對CTCS-3級列控系統仿真平臺中的軌旁子系統進行了研究。系統的主要功能已經實現，與列控中心等其他子系統進行了聯調，可以及時、準確地發送應答器報文和軌道電路信息，達到了預期的設計目標。

圖7 鞏義南站側線發車進路顯示圖

圖8 軌旁子系統仿真運行圖

[1]韓 胤，張 勇. CTCS-3級仿真系統中無線閉塞中心的仿真[J]. 鐵路計算機應用，2006，15（7）.

[2]中國列車運行控制系統CTCS技術規范總則（暫行）[S].2003，10.

[3]CTCS-2級列控系統應答器應用原則(V1.0) [S]. 2008，11.

[4]既有線CTCS-2級列控系統車站列控中心技術規范（暫行）[S]. 2007，3.

[5]高繼祥. 鐵路信號運營基礎[M]. 北京：中國鐵道出版社，1998.