CTCS-3級列控仿真實驗系統—軌旁仿真子系統的設計與實現

張思楊，楊 揚，竇 磊

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

CTCS-3級列控系統是基于無線通信網絡（GSM-R）的列車運行控制系統，由無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，由GSM-R實現車地信息雙向傳輸，由軌道電路完成列車占用檢查，由應答器提供定位信息[1]。隨著我國高速鐵路的快速發展，對鐵道信號相關專業的人才需求越來越大。目前，國內很多高校均開設了鐵道信號專業，并在本科教學中將CTCS-3級列控系統納入教學范疇。但由于高校在教學方面往往缺乏實際的信號設備，使得學生對CTCS-3級列控系統基本理論難以深入的理解和掌握。

在過去的研究中，為了滿足對CTCS-3級列控系統進行功能測試的需求，鐵路領域內的一些研究機構建立了CTCS-3級列控系統仿真測試平臺[2-4]。這類軟件出于對列控系統功能進行測試的目的，很難完全根據現場實際情況模擬CTCS-3級列控系統的工作流程并實現運行機制的可視化[5]，不適用于實際的教學需求。

因此，根據CTCS-3級列控系統的技術規范，使用高速鐵路客運專線真實線路數據，利用計算機仿真技術，建立適用于高校本科教學的CTCS-3級列控仿真實驗系統尤為重要。學生可通過操作CTCS-3級列控仿真實驗系統軟件，加深對CTCS-3級列控系統原理的理解和掌握，對于提高教學質量、推進信息技術與教育教學深度融合有重要的意義[6]。本文重點研究CTCS-3級列控仿真實驗系統中軌旁仿真子系統的設計與實現。

1 CTCS-3級列控仿真實驗系統簡介

1.1 系統結構

CTCS-3級列控仿真實驗系統主要由調度集中（CTC）仿真子系統、無線閉塞中心（RBC）仿真子系統、列控中心（TCC）仿真子系統、軌旁（TBS）仿真子系統、聯鎖（CBI）仿真子系統和車載仿真子系統組成。

1.2 各子系統功能概述

調度集中仿真子系統主要完成列車運行計劃的制定與下發，臨時限速的設置與下發，以及分散自律控制等工作；無線閉塞中心仿真子系統主要完成移動授權的計算、等級轉換、RBC切換等工作；列控中心仿真子系統主要完成軌道區段低頻碼的編制，有源應答器報文的編制和區間改變運行方向等工作；軌旁仿真子系統主要完成軌旁基本設備的參數存儲、狀態控制、設備監測等工作；聯鎖仿真子系統主要進行進路處理等工作，實現站內聯鎖控制；車載仿真子系統主要分為人機界面、安全計算機和車地通信模塊，可模擬列車運行工作。

其中，軌旁仿真子系統是CTCS-3級列控仿真實驗系統的重要組成部分，主要以軌道電路、應答器、站內信號機與站內道岔為研究對象，以軟件方式完成上述軌旁基礎設備的功能實現與設備管理，并配備設備監測與故障模擬功能，方便本科教學使用。

2 總體設計

2.1 功能需求

軌旁仿真子系統的功能需求如下：

（1）具有人機交互界面，能展示CTCS-3級列控中心仿真子系統管轄范圍內全部線路的軌旁設備狀態，包括軌道區段低頻碼、信號機點燈、應答器報文、道岔狀態等參數；

（2）存儲的數據為中國高速鐵路客運專線真實線路數據；

（3）可監測并更新軌旁設備的狀態，具有對軌旁設備參數的存儲和發送功能；

（4）可以設置軌道電路故障（包括故障占用和分路不良）、應答器故障（包括發送錯誤消息和無法發送報文）、信號機故障（包括紅燈燈絲斷絲和信號機滅燈）、道岔故障（包括失去表示），以及所有故障的還原功能；

（5）可與列控中心仿真子系統、聯鎖仿真子系統、車載仿真子系統相互通信。

2.2 總體框架設計

為實現上述功能需求，軌旁仿真子系統設計了4個模塊：數據存儲模塊，人機交互模塊，內部邏輯處理模塊，通信處理模塊。軌旁仿真子系統總體架構如圖1所示。

圖1 軌旁仿真子系統總體架構圖

（1）數據存儲模塊主要用于存儲軌旁設備參數、線路數據，以及與本系統通信的車載信息。

（2）人機交互模塊使用線路數據與設備參數仿真繪制全線可視化界面，完成界面視圖需求；同時可進行故障設置、參數查看等界面操作，滿足人機交互需求。

（3）內部邏輯處理模塊根據固定線路數據、設備參數以及人機操作指令，按照CTCS-3級列控軌旁設備的工作原理，模擬軌旁設備的工作機制，更新設備狀態；同時，當軌旁設備狀態發生變化時，向通信處理模塊發送指令，驅使通信處理模塊向列控中心仿真子系統、聯鎖仿真子系統、車載仿真子系統發送信息。

（4）通信處理模塊采用基于TCP/IP協議的Socket通信技術[7]，實現與其他3個仿真子系統的通信連接；接收列控中心仿真子系統發送的軌道區段低頻碼、有源應答器報文，聯鎖仿真子系統發送的站內道岔驅動信息、站內信號機點燈信息，以及車載仿真子系統發送的列車信息（包括位置里程、列車長度、啟機股道等），并將解析后的有效信息存入數據存儲模塊。同時，通信處理模塊在接收到內部邏輯處理模塊發送的信息發送指令后，調用相關數據，將軌道區段占用信息發送給列控中心仿真子系統，將站內信號機、站內道岔和站內軌道區段狀態參數發送給聯鎖仿真子系統，將列車始端占用的軌道區段低頻碼、列車正經過的應答器報文發送給車載仿真子系統。

3 核心功能的設計與實現

在軌旁仿真子系統中，內部邏輯處理模塊作為系統核心部分，主要用于處理應答器、軌道電路、站內信號機與站內道岔的功能邏輯，下面將詳細描述其功能設計與實現。

3.1 應答器

應答器分為有源應答器和無源應答器，當列車駛過應答器時，應答器向列車發送包括線路坡度、橋隧信息、分相信息等在內的報文信號，確保列車可以安全、高效地運行[8]。

軌旁仿真子系統根據《CTCS-3級列控系統應答器應用原則（V2.0）》[9]編制無源應答器報文，并與來自列控中心仿真子系統的有源應答器報文共同組成應答器報文數據。

當列車駛過應答器，即列車位置里程與應答器里程相隔較近（約10 m）時，判斷該應答器是否故障，若設置應答器無法發送報文，則不發送報文；若設置應答器發送錯誤消息，則控制通信處理模塊隨機組幀，發送無效報文；若應答器正常，則控制通信處理模塊發送包含有效信息的應答器報文。由于在CTCS-3級列控仿真實驗系統的總體設計中，車載仿真子系統與軌旁仿真子系統之間的通信周期很短，車載仿真子系統能及時發送最新位置里程給軌旁仿真子系統，因此在仿真環境下車速并未影響應答器報文傳輸。

3.2 軌道電路

在軌旁仿真子系統中，軌道電路可完成故障檢測、列車占用檢查與發送軌道電路低頻碼的功能。軌道電路邏輯處理流程如圖2所示。

圖2 軌道電路邏輯處理流程圖

（1）判斷軌道區段是否存在故障。若軌道區段分路不良，則保持軌道區段始終為空閑狀態；若軌道區段故障占用，則直接設置軌道電路為占用狀態。

（2）若軌道區段正常，則開始進行列車占用檢查。當列車完全在區間運行時，根據列車位置里程與列車長度，計算列車始終端里程，并與軌道區段始終端里程進行比較，從而判斷列車所占用的軌道區段。

（3）當列車在站內運行時，進路上道岔位置固定且鎖閉，所以可在進路始端信號開放后，根據道岔位置搜索進路，然后再將列車始終端里程與進路內方各軌道區段始終端里程比較，判斷列車占用的站內軌道區段。

（4）經過上述處理，當軌道區段狀態發生變化時，控制通信處理模塊將軌道區段狀態反饋至列控中心仿真子系統與聯鎖仿真子系統。同時，將列車始端占用的軌道區段低頻碼發送給車載仿真子系統。

3.3 站內信號機與站內道岔

在軌旁仿真子系統中，站內信號機的顯示、站內道岔的位置變動均由聯鎖仿真子系統控制。站內信號機根據聯鎖仿真子系統發送的信號顯示點燈，并將站內信號機顯示信息反饋至聯鎖仿真子系統。站內道岔根據聯鎖仿真子系統發送的驅動信息驅使道岔轉換到相應位置，并將道岔位置信息反饋給聯鎖仿真子系統。當設置站內道岔失去表示后，可在聯鎖操作員的指示下，設置人工扳動道岔至定位或反位，以供聯鎖仿真子系統辦理引導總鎖閉。

4 工作流程與仿真結果

4.1 工作流程

軌旁仿真子系統的工作流程如圖3 所示。

圖3 軌旁仿真子系統工作流程圖

（1）啟動系統，自動導入高速鐵路客運專線真實線路數據，初始化軌道電路低頻碼為HU碼、站內信號機點紅燈、站內道岔均在定位、有源應答器報文設為默認報文；

（2）根據線路數據編制無源應答器報文，繪制全線可視化界面；

（3）建立與列控中心仿真子系統、聯鎖仿真子系統的通信連接，打開車載通信接口；

（4）在完成上述系統初始化工作后，軌旁仿真子系統開始接收并解析其他子系統發送的信息；

（5）根據已有的線路數據、配合接收的有效信息及軌旁內部操作指令，進行邏輯計算，更新軌道電路、應答器、站內信號機和站內道岔的狀態參數；

（6）向列控中心仿真子系統、聯鎖仿真子系統、車載仿真子系統發送規定的信息；

（7）更新系統視圖界面，重新接收并解析其他仿真子系統發送的信息，開始新一輪系統工作。

4.2 仿真結果

本系統基于面向對象程序設計方法、Socket網絡通信技術和多線程技術，在Visual Studio 2012開發環境下，使用C++語言編程實現，并根據鄭西高速鐵路客運專線真實線路數據進行仿真測試。

本文以列車在下行區間正向運行并通過X→IG接車進路進站的情況為例，說明軌旁仿真子系統的仿真結果。

（1）啟動系統，系統進入初始化階段。

（2）軌旁仿真子系統建立與列控中心仿真子系統、聯鎖仿真子系統、車載仿真子系統的通信連接。列車占用下行進站信號機X的接近區段，進站信號機X點黃燈，道岔3、道岔5均在定位。隨后，列車駛入站內，進站信號機X滅燈，列車依次占用3DG、5DG、IG。

（3）軌旁仿真子系統還可設置設備故障，并可通過界面查看設備狀態參數以及與其他子系統的通信報文。

軌旁仿真子系統仿真效果如圖4所示。

5 結束語

本文設計并實現了適用于本科教學使用的CTCS-3級列控軌旁仿真子系統，與列控中心其他仿真子系統相互配合，模擬實現了軌道電路、應答器、站內信號機與站內道岔的功能，達到了預期的功能需求。目前，該系統已在西南交通大學犀浦校區投入使用，教學效果良好，且預留了對接實物設備的接口，在后續的研究中，可連接實物設備，使CTCS-3級列控仿真實驗系統往半實物化方向發展，進一步解決CTCS-3級列控系統教學過程中，學生難以深入理解的問題。

圖4 軌旁仿真子系統運行界面