基于CTCS-3級列車控制場景下的CTC仿真系統研究與設計

段雯譽，楊 揚，李毓磊

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

我國從2005年開始進行高速鐵路的建設，至今已陸續開通了京廣、京滬、鄭西、哈大等高鐵線路[1]。在這些線路中，分散自律調度集中（CTC）系統（簡稱：CTC系統）作為列車運行調度與控制的核心，用于保證高速鐵路動車組高速度、高密度運行[2]，屬于必不可少的基礎設施，得到了廣泛的應用[3]。

高速鐵路CTC系統設置了與無線閉塞中心（RBC）、計算機聯鎖（CBI）、列車控制中心（TCC）、臨時限速服務器（TSRS）等設備的網絡通信接口[1]。在動車組運行過程中，CTC通過與RBC、TCC等列車控制系統地面設備進行信息交換，實時監視列車運行狀態、地面設備工作狀態，向列車控制設備下達臨時限速命令。通過設置CTC車站子系統，車站可實現階段計劃接收和列車進路自動控制[4]。針對CTC系統這些功能特性，本文借助CTCS-3級列車控制仿真平臺，設計CTC仿真系統，模擬CTCS-3級列車控制場景下的高速鐵路行車指揮與控制流程。

1 仿真系統架構

1.1 仿真基礎平臺

CTC仿真系統借助CTCS-3級列車控制仿真平臺。該平臺具有RBC仿真和車載人機交互接口（DMI）仿真功能，同時，在車站層面可進行車站CBI仿真、TCC仿真、站場和區間信號設備仿真，可模擬動車組在CTCS-3級列車控制等級下的運行場景。

1.2 系統架構

本文設計的CTC仿真系統主要對鐵路局集團公司CTC中心和車站子系統進行仿真，并加入模擬TSRS，仿真系統整體架構如圖1所示。CTC中心內設表示工作站、列調工作站和通信服務器，通信服務器負責與RBC、TSRS、CTC中車站子系統間建立調度數據通信以太網，負責CTC中心的數據交互。CTC中心可管轄最多15個車站，對調度區段內的每個車站設置調度集中車站子系統，車站子系統內設車務終端和自律機[4]，自律機與CBI、TCC間設置車站調度局域網，實現車站子系統的信息交換。TSRS負責與臨時限速命令執行設備RBC 和TCC建立網絡通信，下達臨時限速命令。

2 仿真系統設計

2.1 通信接口設計

CTC仿真系統包含CTC中心通信服務器網絡通信接口和車站自律機網絡通信接口，自律機網絡通信接口實現與CTC中心通信服務器、TCC、CBI一對一的網絡通信，接口設計較為簡單，本文主要介紹CTC中心通信服務器網絡通信接口設計。

通信服務器與調度區段范圍內的多個RBC、TSRS，以及每個車站子系統進行網絡通信，通信機制各不相同，且每種通信機制下都有各自的通信幀格式，處理方法為：通信服務器將一定時間接收到的RBC數據幀、TSRS數據幀、車站子系統數據幀進行分類存儲，把同類數據幀合成通用數據包，組成通用發送幀，將通用發送幀發送至CTC中心。數據幀、通用發送幀關系如圖2所示。如果數據包超過通用發送幀規定長度，則將通信數據包拆分，組成2個或多個通用發送幀。CTC中心收到通用發送幀后，按數據包類型、數據幀數目等信息進行解包。同理，CTC中心將要同時發送的反饋或命令信息按目標設備分類、組成通用幀，發送至通信服務器，由通信服務器解包，組成數據幀，發送至目標設備。

2.2 CTC中心

CTC中心列調工作站負責行車指揮和臨時限速命令設置，表示工作站負責顯示車站站場作業情況和列車區間運行情況[5]，調度中心對車站的遠程人工控制功能也集成到表示工作站中。

2.2.1 行車指揮

列調工作站制定列車運行計劃，選擇從本地數據文件中讀取基本運行圖，選擇一列或多列車次進行計劃加車，系統對添加車次自動進行間隔時間沖突檢測。

列調工作站將列車運行計劃下發至所屬各站車站子系統，各站按運行計劃模擬開行列車，并向CTC中心發送列車實際運行到發點，列調工作站根據各車實際運行到發點進行自動報點，繪制實際運行圖。根據運行計劃執行情況對列車運行計劃內車次進行人工調整，生成列車運行調整計劃，下發至各站。對于實際按圖行車模擬效果較好的列車運行圖，可保存至本地數據文件中。行車指揮流程如圖3所示。

2.2.2 信號設備監視與控制

表示工作站通過多臺顯示器全屏顯示全線所有信號設備和列車的實時狀態，包括相鄰車站信號設備狀態、列車運行狀態、線路布局、臨時限速命令執行狀態。信號設備狀態數據和列車運行數據分別由信號設備仿真軟件、車載DMI仿真軟件生成。

在表示工作站中加入單站顯示模式，在單站顯示模式下設置控制按鈕，在中心操作方式下，提供與車站控制臺相同的控制功能[6]，進行車站列車進路辦理和取消、閉塞、聯鎖等作業。

2.2.3 臨時限速

列調工作站設置調度命令終端，仿真臨時限速命令擬定、執行過程。仿真TSRS負責接收CTC中心擬定的臨時限速命令，向模擬RBC、模擬TCC下達列車控制限速命令，模擬列車控制限速流程[7]。CTC仿真系統臨時限速命令（包含取消列車控制限速命令）擬定流程如圖4所示。

臨時限速具體執行過程如圖5所示。在臨時限速命令列表區中，臨時限速分成3種狀態[8]：已擬定（灰色）、已激活（綠色）和已設置（執行中為紅色，完全執行為黃色），已擬定限速命令通過TSRS進行激活校驗；對已激活限速命令進行執行，限速命令轉為已設置，若限速未被TCC與RBC完全執行，則命令為執行中狀態，待列車控制設備完全執行該限速命令，命令變為完全執行狀態。臨時限速取消命令與設置命令過程相同，當取消命令被激活，正在執行的被取消命令也變為綠色，與限速取消命令相對應。

2.3 車站子系統功能設計

車站子系統自律機主要實現按圖排路功能，在分散自律模式下，車站子系統自律機接收列車運行計劃[9]，根據車次號、占用股道、出入口號、始發終到標志、到發時刻等信息進行自律檢查，從聯鎖表中檢索待辦理列車進路，生成列車進路序列，將進路序列送至車務終端顯示。

列車進路自動控制過程如圖6所示，設列車進路序列中進路數目為n,自律機當前處理的進路序號為i。自律機內存儲的列車進路序列包含有未觸發、已觸發和已出清3種狀態，對于未觸發進路，進行觸發時機檢測；對于已觸發進路，檢測進路是否在規定時間內建立；檢測進路為已出清狀態，則延時一定時間后將該進路刪除。

3 仿真結果

仿真系統采用C++ 面向對象編程語言，軟件操作界面使用VC++集成開發環境下的 MFC 建立基于單文檔的界面框架。仿真系統的線路數據取自鄭西高速鐵路，系統設置一個CTC中心，仿真調度區段內設有3個車站。

3.1 列車進路自動控制

在CTC中心繪制列車運行圖，列車運行計劃包含下行車次（G101和G103）、上行車次（G112和G114）。將行車計劃下達至車站子系統自律機，自律機生成列車進路序列，如圖7所示。自律機按進路計劃觸發時間，自動控制列車進路辦理，更新進路狀態。

3.2 臨時限速設置

臨時限速管理界面如圖8所示，在鄭西高鐵下行線路設置正線限速，激活調度命令號為100004的限速命令；在渭南北站設置側線限速，激活并執行該側線限速命令。

4 結束語

CTC系統是高速鐵路列車運行指揮與調度的核心系統，是高速鐵路列車控制系統的重要組成部分。本文在CTCS-3級列車控制系統RBC、TCC、車載設備以及CBI仿真的基礎上，對CTC系統基本的行車調度與控制過程進行仿真設計，實現按運行計劃模擬行車，列車進路自動控制，信號設備監控，模擬臨時限速的擬定、執行與取消過程。CTC仿真系統完善了列車控制仿真系統的結構與功能，更直觀地展現CTC系統功能特性以及控制流程，對與鐵路調度相關的教學培訓具有一定的實用價值[7][10]。