200C型列控車載設備關鍵技術及核心部件深化研究

■ 李輝 范明 李一楠

200C型列控車載設備關鍵技術及核心部件深化研究

■ 李輝 范明 李一楠

200C型列控車載設備是中國第一代CTCS列控車載設備，基于引進國外的核心部件和關鍵技術實現列車運行安全防護功能。在200C設備中有部分核心部件和關鍵技術作為非技術轉讓項目，給200C設備的功能擴展、系統升級，以及運用和維護帶來極大困難。以核心部件CFSK模塊替代方案和系統軟件升級為例，詳細介紹200C關鍵設備技術深化研究的過程和成果，為全面實現列控車載設備自主化提供借鑒。

列控車載設備；關鍵技術；核心部件；自主化；自動過分相

1 概述

2007年，原鐵道部從國外技術引進了CTCS2-200C型列控車載設備（簡稱200C設備，見圖1），設備的技術轉讓方為法國CSEE公司，技術受讓實施方是以中國鐵道科學研究院作為牽頭方的聯合體。

圖1 CTCS2-200C型列控車載設備

為了深入掌握200C設備的核心技術，自2009年起，項目組在技術引進的基礎上，全面研究200C設備整體結構，進行了國產化CFSK板替代進口CRNB50板、國產化應答器傳輸模塊（BTM）設備替代進口BTM設備、200C軟件客專適應性優化、自動過分相功能實現及C2+列車自動駕駛（ATO）功能擴展等自主創新工作，完成了產品開發、安全認證、型式試驗、現場測試等環節，最終替代產品實現了現場商用。

2 國產CFSK板替代進口CRNB50板

軌道電路信息接收是C2車載設備關鍵技術之一，在200C設備中由CRN模塊完成。該模塊為外方核心技術，也是200C設備運用和維護的薄弱環節。如何用自主化CFSK模塊替代引進CRN模塊的全部功能，是深化研究的主要任務之一。

2.1 總體方案

在深入研究200C設備系統結構的基礎上，通過多次方案比選及論證，提出了最優化的CFSK板替代方案。在現有200C硬件不變的基礎上，采用自主研發的二乘二取二CFSK模塊，接收CTCS-0級和CTCS-2級軌道電路連續信息。替代方案的核心是基于主控軟件修改軌道電路相關函數調用程序，底層程序和應用程序主體不變，主要對主控應用處理單元軟件進行修改，修改內容包括：列控車載設備（ATP）主控程序中軌道電路信息調用、優化載頻一致性判斷、根據應答器信息切換上下行載頻、增加CFSK運行數據和故障記錄等；CFSK軟件的修改則主要是為適應CTCS-2級車載設備應用做了必要的優化。替代系統結構見圖2，紅色區域為CFSK替代的CTVMS模塊。

2.2 關鍵算法設計

（1）軌道電路信息調用修改。軌道電路信息調用的原則：在任何級別下，都不再使用CRN的譯碼結果，修改在CTCS-2級下軌道電路信息的調用邏輯。首先判斷CFSK板的狀態，當CFSK板正常時，將CFSK板的譯碼結果直接發給安全計算機；當CFSK板異常時，將CFSK板的故障信息發送給安全計算機。

（2）優化載頻一致性判斷。當列車在CTCS-2級線路運行時，車載設備通過應答器［CTCS-1］包得到軌道電路的數據，包括軌道電路的起點、長度、載頻和末端的信號機類型。車載設備以此和實際收到的載頻進行比較，如果不一致，則提示司機載頻不一致，刪除線路數據同時觸發最大常用制動，保證行車安全。當列車經過絕緣節收到新的載頻時，CRN立即將該載頻信息傳給安全計算機，而CFSK為了譯碼的可靠性，經3次比較后載頻和低頻信息一起傳給安全計算機。為了提高車載設備對CFSK譯碼的延時容限，對載頻判斷的算法進行了修改。

圖2 CFSK模塊替代結構示意

①計算列車所在區段的載頻最小范圍Dmin和最大范圍Dmax。

式中：D_Max、 D_Min分別為列車最大安全位置、列車最小安全位置；D_Sen為CFSK傳感器距列車車頭的距離；v為列車當前的速度；Δt為考慮CFSK載頻譯碼和傳輸的延時。

②查找應答器數據中該范圍內的所有載頻集F。

式中：D_Starti、D_Endi分別為應答器數據中第i段軌道電路的起點和終點。

③將實際收到的載頻f0與有效載頻集F比較，如果f0∈F，則載頻一致，否則為不一致。

（3）根據應答器信息切換上下行載頻。在CTCS-2級區段，載頻的選擇命令不但要由司機發車時通過人機界面（DMI）選擇實現，更多情況是采用應答器信息自動切換上下行命令，替代方案增加了發送應答器上下行信息命令給CFSK模塊功能，從而實現在CTCS-2級區段與原系統的載頻切換處理機制保持一致。

（4）增加CFSK運行數據和故障狀態記錄。在SAM數據記錄中添加CFSK相關信息，其中包括：低頻信息、載頻信息、信號幅度、CFSK運行狀態、CFSK接收的當前軌道電路類型。通過這些運行和狀態記錄可以更好地進行系統維護，有利于故障查找和判定。

該方案設計合理、簡便易行，只需拆下CRNB50和CPOV板件，以及2G感應器和TVM接線盒等設備，并更換已經灌裝替代程序的CCTE板件即可。該方案無需更改配線，不會影響設備啟機和自檢。通過國產CFSK板替代，200C設備在軌道電路接收方面徹底擺脫了國外供應商的束縛，滿足CTCS0/2級運用要求。該項創新優化了200C系統結構，提高了系統穩定性，顯著降低了200C設備總成本，符合CTCS-2級技術規范。

3 系統軟件升級

3.1 200C軟件客專適應性優化

200C軟件的最初設計只滿足在既有CTCS-0/2級線路上的運用，隨著高速鐵路（客運專線）的快速發展，出現了更多新需求和復雜的現場運用場景。為解決這些問題，項目組自主完成對軟件的適應性修改，優化并完成的軟件功能主要包括：

（1）大號碼道岔處理優化。

（2）京津城際鐵路應答器特殊處理。由于京津城際鐵路北京南站7道進站地面應答器未按照線路實際情況描述鏈接關系（不符合CTCS規范），導致應答器丟失觸發制動。對200C軟件側線丟失應答器防護功能進行了特殊處理，即70-2-4-15和70-2-4-16兩組應答器丟失按地面鏈接反應處理（無反應）。

（3）提高進站效率。為提高京津城際鐵路的進站效率，完全模式（FS）轉入部分模式（PS3）的轉換條件由原來的300 m改為150 m。

（4）ETCS-46包兼容性。為解決接收ETCS-46信息包時200C報應答器信息錯誤的問題，根據應答器規范的報文定義，在軟件中增加相關代碼，正確識別和解析ETCS-46包信息。

（5）加強側向應答器安全防護。為加強側向應答器防護功能，提高系統安全性，將接收到默認報文加入到防護條件中，當側向進站接收到默認報文時會觸發最大常用制動，速度低于45 km/h時轉入PS模式，刪除線路數據。

（6）增加與動態監測系統（DMS）數據傳輸。根據DMS廠家提出的需求，修改ATP與列車運行監控裝置（LKJ）通信協議，增加向DMS傳輸應答器信息、載頻信息、工況信息、司機操作信息、ATP各模塊狀態等信息。

（7）DEF故障的解決。列車接口自檢時，每隔一定時間間隔發出一條指令，然后檢查回讀。各個鏈路的時間間隔根據繼電器類型不同而不同，交權模塊自檢時間間隔設置為2．5 s，即每2．5 s改變一次輸出，然后檢查回讀。通過對該繼電器性能分析和測試驗證，證明2．5 s的時間間隔有很大余量，在程序中調整至2．2 s，每個步驟縮短0．3 s，10個檢測步驟共縮短3 s。這樣DEF自檢在22 s內完成，保持和I73版底層一致。經過實驗室數千次的啟動測試驗證，未發生DEF故障導致的啟動不成功情況。

（8）測速測距模塊（CODOU）通信故障的解決。通過對安全計算機與CODOU通信機制的深入研究，確定方案為基于CODOU與主機通信冗余結構及狀態實時檢測機制，軟件在啟動自檢時，優化對CODOU狀態的檢測裕度。軟件修改后結合集成測試結果，數千次啟動均未出現CODOU通信故障情況。

通過200C軟件客專適應性優化，項目組按照原鐵道部技術轉讓的要求，掌握了200C設備軟件優化和功能性修改技術，并通過對200C設備軟件的深入分析，具備了進一步優化200C設備的能力，完全打破了外方對200C設備軟件修改控制的格局；同時，軟件優化大大降低了200C設備的故障率，目前，設備整體故障率已降低至原故障率的20%以下。

3.2 自動過分相功能實現

為了進一步完善既有CTCS-2級列控車載設備功能，實現既有設備與CTCS-3級列控車載設備的CTCS-2級功能一致性，中國鐵路總公司提出了既有設備實現自動過分相功能的需求。根據鐵總運［2014］29號《CTCS-2級列控車載設備暫行技術規范》對于分相控制的相關要求，項目組進行了200C設備軟硬件的適應性設計和修改。

由于原200C設備不具備自動過分相功能，并且在硬件設計中未預留自動過分相接口，項目組通過對200C設備硬件接口的詳細分析及列車接口板件（MTORE）的深入研究，提出擴展使用MTORE板輸入輸出的硬件方案，并配套相應的軟件方案，最終實現了原200C設備不具備的自動過分相功能。自動過分相軟件修改主要涉及3方面：主機軟件、DMI軟件和地面分析軟件。

（1）主機軟件修改。

報文解析模塊：主要實現對［ETCS-68］信息的解析和傳遞；

過分相控制模塊：分相功能控制；

列車接口模塊：增加與分相功能相關的輸入輸出；

DMI接口模塊：增加分相功能相關的通信信息；

運行數據記錄模塊：增加分相功能的相關記錄；

LKJ通信模塊：增加分相相關通信信息，用于DMS的信息傳輸。

（2）DMI軟件修改。

圖標管理模塊：增加分相功能相關圖標；

通信模塊：與主機軟件通信匹配。

（3）地面分析軟件修改。

數據解析模塊：數據分析軟件對［ETCS-68］信息包正確解析；

數據顯示模塊：數據分析軟件增加分相功能相關數據記錄的顯示。

200C設備新增的自動過分相功能完全滿足中國鐵路總公司相關規范的要求。

3.3 C2+ATO功能擴展

為更好地適應城際軌道交通的需要，結合我國鐵路信號系統應用現狀和城際軌道交通用戶需求，項目組對200C軟件進行適應性修改，滿足了C2+ATO的總體技術方案。

（1）增加與200C擴展單元的通信模塊。實現ATP獲取無線模塊設備狀態、ATO設備狀態、IO及其他外設狀態、GSM-R網絡注冊狀態、通信控制服務器（CCS）注冊/注銷狀態、門控狀態信息，以及ATP發送ATO允許、門控許可、屏蔽門開關許可信息。

（2）實現精確定位功能。實現接收并正確解析地面精確定位應答器報文信息，獲得運營停車點位置信息，列車停穩后，啟動精確定位判斷列車準確停在運營停車點的安全停車窗范圍內（-0．5～0．5 m）。

（3）擴展模式管理功能。為實現城際鐵路列控系統功能，在原有200C設備模式管理功能的基礎上，擴展了對機車信號模式（CS）、休眠模式（SL）和自動駕駛模式（AM）的管理功能，并很好地調配了新增模式與既有模式之間的關系。

通過C2+ATO的功能擴展，為200C設備在城際軌道交通中的應用提供了可能性，也實現了我國自主建立的城際軌道交通自動駕駛應用。

4 其他技術深化研究成果

4.1 國產BTM設備替代進口BTM設備

應答器信息接收是200C設備另一個關鍵技術。在200C設備故障統計中，BTM相關故障占很大比例。由于BTM為非轉讓技術，因此對其故障的分析處理成為當務之急。項目組首先對進口BTM設備與200C安全計算機平臺的通信接口進行了詳細分析，在無外方技術人員及文件的支持下，完全破解了200C設備的Profibus通信握手協議、總線令牌邏輯及CTODL同步協議，實現了國產BTM設備與主控單元的無縫銜接及進口BTM設備的替代。方案的實施不用對原有設備接口做任何變動，現場保留原設備電纜，即可直接實現設備替換。

國產BTM設備具備良好的抗干擾性能，有效解決了進口BTM設備在CRH2型動車組及部分CRH5型動車組上存在受外界干擾易發故障的慣性問題，通過在CRH2057/58車上的替代，為西安鐵路局減少直接經濟損失約600萬元。

國產BTM設備的替代，填補了國產BTM設備與列控車載設備實現互聯的空白，進一步提升了國產設備在200C設備中的整體比例，深化了200C設備的國產替代進程。

4.2 單套200C設備雙端應用的實現

目前成熟運營的200C設備均裝備在動車組上，接觸網作業車上檢修設備眾多，其列車接口和機械安裝與動車組有明顯區別，且接觸網作業車又有其特殊的雙端操作等運用要求，因此需要對車載設備與接觸網作業車的電氣接口、安裝機械接口及車輛制動等參數進行適配，以滿足接觸網作業車的運用需求。

為實現200C設備在接觸網作業車上的安裝適配，項目組深入研究200C設備與接觸網作業車接口的需求，優化了200C設備現有的列車接口方案，通過增加雙端切換及接口轉換邏輯的方式，完成了200C設備與接觸網作業車的列車接口適配，從而實現了單套200C設備控制雙端DMI及軌道電路接收感應器的功能。該項目已經通過了中國鐵路總公司方案評審及試驗評審。

單套200C設備雙端應用的實現，為我國機車使用ATP設備提供了解決方案，使ATP設備可應用于動車組以外的車型上，為ATP的發展提供了更廣闊的前景。

5 結束語

200C設備的深入優化研究提升了國產設備在200C設備中的整體占有比例，深化了200C設備的國產替代進程，并優化了系統結構，降低了200C設備總體成本，為200C設備的市場競爭力提供了有力保證。目前項目組繼續優化完善200C設備，積極適應新需求，開拓200C設備的潛在市場。隨著國產化和自主化工作的深入，200C列控車載設備已逐漸擺脫了國外供應商的束縛，具有良好的發展前景。項目成果已在沈陽、北京、上海、烏魯木齊等12個鐵路局得到應用和推廣，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

李 輝：中國鐵道科學研究院通信信號研究所，副研究員，北京，100081

范 明：中國鐵道科學研究院通信信號研究所，研究員，北京，100081

李一楠：中國鐵道科學研究院通信信號研究所，副研究員，北京，100081

責任編輯 盧敏

U284

A

1672-061X（2015）02-0103-04

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2013X001-B）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道科學研究院科學技術獎一等獎。