基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP總體技術方案的研究和實現

鄭理華

1 城際軌道交通及城際鐵路列控系統概述

我國高速鐵路建設和運營已經取得了舉世矚目的成績。隨著經濟和社會的發展，區域和區域之間，區域內部城市之間，省內城市之間的人員和商品的流動和流通也隨之相應的增加。為適應經濟的發展和區域交通的需要，多個經濟發達區域 (如珠三角，長三角，長株潭、青榮、鄭開、成綿樂等地區)相繼規劃在現有高速鐵路的技術和運營基礎上，建設城際軌道交通系統，總里程近3000 km，預計在2015年開通運營珠三角莞惠線、佛肇線和長株潭城際鐵路。城際鐵路必將是未來區域和省內重要城市之間交通的大通道和主通道。

為了增強運輸能力和運輸效率，根據客運專線“高速度、高密度、跨線運行”的實際特點，城際鐵路列控系統在CTCS-2級列控系統基礎上，新增了站間自動運行、車站定點停車及車站通過、折返作業、列車運行自動調整、車門/屏蔽門 (或安全門，以下簡稱屏蔽門)防護及聯動控制、列車運行節能控制等自動運行相關功能。城際鐵路列控系統地面設備配置，兼容CTCS-2級列控系統，與CTCS-2相關的地面設備設置方式維持不變。地面設置專用的精確定位應答器，實現列車精確定位;設置通信控制服務器 (CCS)，實現站臺門控制和運行計劃處理;設置車載ATO設備，實現列車自動駕駛;采用GSM-R網絡實現車-地雙向通信。城際鐵路整體車載結構如圖1所示。

圖1 城際鐵路車載設備結構圖

2 城際列控車載ATP的新增關鍵功能

從城際列控系統總體構成和技術總體方案中可以看出，CTCS-2級列控系統的安全功能是城際列控系統的安全基石，在此基礎上增加了城際列控特有的ATP和ATO功能。從研究開發成本和周期、列控技術的積累和掌握、系統自主化等角度出發，尤其是考慮到既有CTCS-2級列控車載設備的安全性和可用性，并經長期運營實踐充分證明，以既有CTCS-2級列控車載設備作為安全和技術基礎，在此基礎上進行城際鐵路列控車載ATP的研究和開發，是一條最優路徑。

在最優路徑確定的基礎上，選用CTCS2-200C型ATP車載設備作為現有CTCS-2級列控ATP的原型。通過分析和比對CTCS-2級列控和城際鐵路列控系統ATP功能，確定出CTCS2-200C型ATP車載設備所要新增和升級的主要ATP功能為：車-地雙向安全通信、列車停準停穩、車門使能、車門防護能、站臺門聯動、新增模式 (CS，SL，AM)及其轉換、自動折返等。同時可以確定，城際鐵路列控系統新增的ATP功能，是為了滿足和適應城際鐵路ATO功能的需要而隨之增加的，新增的和既有CTCS-2的ATP功能是ATO設備工作的基礎，是整體車載設備的安全基礎。如果在現有CTCS2-200C型ATP車載設備的基礎上無法設計出合理的、新的整體方案，無法進行系統整體功能的擴充，無法實現上述關鍵新增功能，將會直接導致與之配合的ATO設備無法正常工作，從而影響城際鐵路列控系統非CTCS-2功能的正常實現。

3 城際列控車載ATP的總體技術方案

依據城際鐵路整體車載結構 (圖1所示)，以及確定的ATP新增功能，同時確保原有CTCS-2列控車載設備的安全功能不受任何影響，提出了一種完全基于現有CTCS2-200C的安全功能，在其原有CTCS-2級安全功能不做任何改動的基礎上，實現新增ATP功能的城際列控ATP整體設計思路。

城際動車組與列控車載設備之間的接口如表1和表2所示，其中動車組傳送至ATP的輸入信號如表1所示，ATP發送至動車組的輸出信號如表2所示。

表1 動車組傳送至ATP的輸入信號

表2 ATP發送至動車組的輸出信號

ATP車載整體技術方案如圖2所示，其特點是完全不改變CTCS2-200C與車輛既有的接口，CTCS2-200C自身的機柜和組匣不做任何改動，即通過既有的RS-422，與擴展單元部分以安全通信方式，實時獲取新增接口內容和無線通信消息，通過相應的軟件升級，完成和實現新增的ATP關鍵功能。

圖2 基于CTCS2-200C及擴展單元的列控車載ATP設備總體構成圖

為了保證通信方式獲取的接口信息和無線通信消息安全、可靠，CTCS-200C擴展單元硬件采用成熟的二乘二取二安全計算機平臺。二乘二取二安全計算機由功能完全相同的2套子系統構成，分別為Ⅰ通道 (由計算機A和B組成的故障-安全通道)和Ⅱ通道 (由計算機C和D組成的故障-安全通道)。2個通道構成主備冗余關系，每個通道采用2臺獨立的計算機對系統輸入信號進行獨立運算，并對運算結果進行比較。如果結果一致，則進行系統輸出;如果結果不一致或自監測出現故障，則判斷該通道故障，自動切換到另一正常通道工作。

新增的IO信號由擴展單元通過智能IO模塊進行處理，擴展單元負責從智能IO模塊獲取城際鐵路新增的動車組輸入給ATP的信號，同時將ATP輸出給動車組的新增IO信號，提交給智能IO模塊處理。智能IO模塊是通過SIL4認證的成熟產品，已應用于計算機聯鎖系統中，具有完善的自診斷功能，任意一路采集或驅動回路故障，均可被及時檢出。智能IO模塊硬件采用二取二結構，具有雙CPU結構，通過雙CPU間比較校驗，確保命令的正確執行。CPU負責通過CAN總線的通信、雙CPU之間的通信、采集驅動命令的執行及采集驅動回路的自診斷等工作。信息傳輸采用CRC編碼和正反碼重傳機制等冗余技術，以保證信息安全傳輸。

當裝備了基于CTCS2-200C及擴展單元的列控車載ATP設備的城際動車組，進入到C2/C3客運專線運行時，正常情況下，城際列控車載ATP設備將按照C2安全功能+城際新增ATP功能運行。如有異常，即使圖2中的擴展單元及虛線部分設備都處于關機狀態或不工作，列控車載ATP設備將按照原C2安全功能運行，能夠確保城際動車組在城際線上完成C2功能運行。

4 城際列控車載ATP總體方案測試

從整體的角度出發，以圖2所示的虛擬邊界線的上下部分有機地理解城際列控ATP系統，可以發現圖2的虛擬邊界線的下半部分為ATP功能的實現部分，虛擬線的上半部分為ATP實現城際ATP新增功能提供必要的外部條件。基于上述的有機理解，對基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP系統進行測試驗證，通過CTCS2-200C目標仿真模擬器和仿真擴展單元軟件搭建測試環境，使其能夠與圖2所示的列控車載ATP總體結構做到完全對應，全面模擬列車運行真實環境，對基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP系統進行測試和驗證，測試環境如圖3所示。

圖3 基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP系統測試環境

200C目標模擬器是實驗室用于ATP設備的系統集成、驗證和測試工具，通過執行測試人員所編寫的測試場景實現對ATP運行環境的仿真，利用監測工具來記錄并分析ATP的運行狀態。在該測試環境中，目標模擬器模擬BTM、速度脈沖、發送軌道電路信息、提供200C設備安全輸入輸出控制，模擬列車接口、電源控制、運行測試腳本，并給系統提供各種測試數據。仿真擴展單元運行于PC機，與CTCS-200C的雙路RS-422口連接，通過安全通信協議，為200C提供新增的列車IO輸入信息、無線輸入消息和ATO輸入信息等，同時200C可將新增的IO輸出、無線輸出消息和輸出給ATO的信息發送給仿真擴展單元。

通過編寫城際鐵路列控功能測試案例和測試序列，測試內容包括既有CTCS-2級安全功能和城際鐵路新增ATP功能，將200C目標模擬器和200C擴展單元仿真軟件配合使用，模擬城際動車組實際運用環境，即可對基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP進行功能測試。測試結果表明該系統能夠完全實現既有CTCS-2級列控系統安全功能，同時實現了城際列控ATP車載新功能。通過測試結果可以確認，基于CTCS2-200C的城際列控車載ATP的總體技術方案的正確性、可行性、實用性。

5 總結

在CTCS-2級列控車載系統的基礎上，研究和實現城際列控車載總體技術方案，對于城際鐵路具有非常現實的意義，既可充分利用CTCS-2級列控車載系統的技術成果和運營經驗，同時又能降低城際鐵路列控車載系統開發的難度;可以確保城際列控車載系統的安全性完全基于和保持原有的CTCS-2級列控車載系統的安全性，同時還增加了城際鐵路其特有的安全功能，使得城際列控車載系統的安全性得到進一步提升。

現階段總體技術方案的研究和實現，可以使目前的CTCS-2級列控車載系統成功升級為滿足和符合《暫行總體技術規范》的城際列控車載系統，也為進一步優化、完善城際列控車載系統奠定了良好的技術基礎。城際鐵路研究和起步時間不長，目前尚未有最終的城際列控車載系統技術標準，城際列控車載系統及其相關規范和標準，還需要隨著城際鐵路運營實踐不斷地完善和優化，其功能、安全性和可用性將會隨之豐富和提升。

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