基于北斗的重載鐵路列控系統新增功能測試方法

史立柱

(國能新朔準池鐵路（山西）有限責任公司，山西朔州 036002)

1 概述

重載鐵路是承擔大型貨物或原材料運輸的鐵路，具有列車總重大、行車密度大和運量大的特點，其在鐵路運輸中占有重要地位，并在推動國民經濟發展中也起到了至關重要的作用。隨著國內鐵路建設的快速發展，為列車運行控制系統對列車運行速度、運行效率與安全性等也提出更高的要求。

基于北斗的普速鐵路列控系統在既有信號設備（聯鎖、軌道電路、LKJ）基礎上，增加列車自動防護（ATP）系統、列車輔助駕駛設備、數據管理控制設備、臨時限速服務器（TSRS）設備、以及應答器組，打造最高安全等級（SIL4級）的列車運行控制系統。系統結構示意如圖1所示。

圖1 系統結構示意Fig.1 Schematic diagram of system structure

基于北斗的重載鐵路列控系統主要功能包括列車占用檢查、安全防護距離、軌道電路發碼、應答器設置、臨時限速命令管理、控車轉換、列車多源融合定位與測速測距、衛星定位及短報文通信等。

系統采用基于北斗的多源融合技術實現列車主動精準定位，通過無線通信網絡實現線路數據（含限速信息）車-地信息傳輸。軌道電路實現列車占用檢查并提供行車許可，車載設備計算目標距離連續速度模式曲線，監控列車安全運行[1-4]。

基于北斗的重載鐵路列控系統與傳統列控系統相比，最大的區別在于無線網絡的覆蓋范圍。傳統CTCS-3級列控系統的無線覆蓋全線，列車在正常工作狀態下的運行過程中始終與地面無線閉塞中心設備保持無線通信會話建立狀態，以獲得實時的移動授權，控制列車安全運行。基于北斗的重載鐵路列控系統僅在站內覆蓋了無線網絡，當列車運行至區間時將通過站內提前發送的區間線路數據等信息，結合區間軌道電路狀態保證列車安全運行。由于重載鐵路一般存在全線基礎設施改造困難、線路里程長等特點，使用這種列控方案能顯著降低建設成本和后期的運營維護難度。根據上述新特點，針對基于北斗的重載鐵路列控系統中各設備的功能特點的測試驗證以及工程數據測試等工作提出了新的要求和挑戰[5-7]。

2 基于北斗的重載鐵路列控系統

在車站覆蓋無線網絡情況下，該系統由CTC、計算機聯鎖（Computer Based Interlocking,CBI）、TSRS、車站數據管理控制設備、列車自動防護系統以及車站無線網絡系統組成。該系統中地面的數據管理控制設備負責和列車建立通信會話，當列車在站內時通過無線網絡與車載設備實現雙向通信，并根據列車位置信息實現列車管理；通過以太網與計算機聯鎖、TSRS通信，根據進路、道岔、信號機狀態和TSRS下達的臨時限速信息計算列車運行路徑下的線路信息和臨時限速信息，實時生成無線報文消息，并通過無線網絡向車載設備發送線路信息及臨時限速信息。當列車運行至區間時通過北斗短報文通信方式與車載設備進行應急通信，接收車載設備發送的線路數據校驗請求信息，并將線路數據校驗結果通過北斗短報文方式發送給車載設備。

3 新增測試內容分析

通過對新增列控設備的功能特點，以及特定功能驗證的分析，需要在無線網絡覆蓋邊界點測試、臨時限速邊界測試、列車特殊控車模式、區間應急通信等方面的測試方法進行詳細設計。

3.1 車站覆蓋無線網絡邊界點測試

在車站無線網絡覆蓋范圍內，列車接收到車站數據管理控制設備發送的列車運行前方臨時限速信息、線路信息后，以不引起列車制動為最小原則，同時考慮列車與車站控制設備通信容忍安全余量。需要針對車站覆蓋無線網絡的L無線覆蓋值進行測試。

如圖2所示，測試前提應使列車在進入L無線覆蓋起點4097信號機前，排列A站的通過進路，同時確保列車在4097信號機前的列車速度達到列車最高允許運行速度。觀察列車在與車站控制設備建立通信的最大允許鏈接時間內完成建鏈時，列車不降速運行并通過A站。

圖2 車站無線網絡覆蓋區示意Fig.2 Schematic diagram of station wireless network coverage area

3.2 臨時限速范圍邊界點測試

當列車出站后，接收到車站控制設備發送的臨時限速信息，車站控制設備管轄的臨時限速范圍，以在列車與下一個相鄰車站的車站控制設備建立連接時，列車前方臨時限速信息不引起列車制動為基本原則?？紤]車站控制設備設計為管轄單個車站，因此，以上一相鄰站反向進站信號機作為臨時限速管轄左邊界，以下一相鄰正向進站信號機作為臨時限速管轄右邊界，作為車站控制設備的臨時限速管轄范圍。

1）無線覆蓋范圍內的臨時限速邊界點測試

如圖3所示，在A站管轄范圍末端（B站X進站信號機）左右兩側分別設置臨時限速TSR-1和TSR-2。當列車在A站無線管轄范圍內，A站的車站數據管理控制設備僅會將TSR-1限速命令發送給車輛。當列車運行至B站無線管轄范圍內，且與B站的車站數據管理控制設備注冊成功時，應能同時收到由B站的車站數據管理控制設備發送的TSR-1與TSR-2的臨時限速命令。

圖3 臨時限速區管轄范圍示意Fig.3 Schematic diagram of jurisdiction of temporary speed restriction zone

2）無線覆蓋范圍外的臨時限速邊界測試

如圖4所示，當列車處于A站無線覆蓋范圍內時，在A站管轄范圍末端（B站X進站信號機）設置臨時限速TSR-1。A站的車站數據管理控制設備僅會將TSR-1限速命令發送給車輛。

圖4 無線覆蓋范圍邊界臨時限速測試示意1Fig.4 Schematic Diagram No.1 of temporary speed restriction test for the wireless coverage boundary

如圖5所示，當列車越過A站無線覆蓋范圍4107信號機，且與A站車站數據管理控制設備完成注銷后，在A站管轄范圍末端（B站X進站信號機）設置臨時限速TSR-1。列車將無法收到臨時限速TSR-1。因此要求調度員在下達區間臨時限速時，確保該區間內無列車運行。

圖5 無線覆蓋范圍邊界臨時限速測試示意2Fig.5 Schematic Diagram No.2 of temporary speed restriction test for the wireless coverage boundary

3.3 臨時限速功能故障測試

1）臨時限速移交站通信故障

當列車A站出發后，列車使用A站預告發送的臨時限速進行控制運行，當列車在進入B站建鏈范圍內，若未能與B站建立通信更新臨時限速信息，為確保行車安全，列車應該在A站往B站方向的臨時限速管轄范圍末端停車后轉入人工模式，由司機按照相關無限速下的安全行駛速度要求駕駛列車進站。

2）區間通信故障

當列車A站出發后，列車使用A站預告發送的臨時限速進行控制運行，當列車尚未進入B站建鏈范圍內，且在進入區間無線覆蓋盲區后無法通過應急通信方式與A站進行連接，為確保行車安全，此時列車應該停車后轉入人工模式，由司機按照相關無限速下的安全行駛速度要求駕駛列車在區間運行。

3.4 列車特殊控車模式

為保證重載鐵路既有機車控制設備在跨制式運行及區間故障模式下與基于北斗的重載鐵路列控系統間的互通性，在測試過程中也需要重點對區間信號故障降級模式下的走停走功能及ATP與LKJ不停車切換功能進行專項測試。

1）走停走功能測試

機車牽引的列車運行至自動閉塞區間通過信號機前，車載設備收到地面發送HU碼時，停車持續時間超過2 min，司機選擇“解鎖”并確認后，解除停車控制轉為走停走模式，并以20 km/h監控列車越過該信號機直至次一架信號機，如圖6所示。測試應對停車持續時間2 min以內及2 min以外分別設置前置條件，對地面收HU碼或其他碼序分別設置前置條件，并對模式轉換后列車運行速度是否按照20 km/h進行相應測試。

圖6 走停走測試示意Fig.6 Schematic diagram of go-stop-go test

2）與LKJ不停車切換測試

車載ATP設備在通常模式（FS）控制列車運行時，收到轉入LKJ控車的預告應答器信息，通過DMI提示司機前方將切換至LKJ控車。車載ATP設備接收到LKJ回復的控車狀態后，將控車權切換至LKJ，車載ATP設備進入后臺工作，在通過切換應答器后，通過DMI提示司機已切換至LKJ控車。切換場景如圖7所示。

圖7 ATP切換LKJ測試示意Fig.7 Schematic diagram of the test about ATP switching to LKJ

因此，測試方法中需要針對LKJ的切換條件前置模式的預置，可通過環境注入報文的方式，復用圖示中的信號機2837外方500 m處布置的一組無源應答器作為預告應答器，在出站信號機2797外方1 000 m處布置一組應答器作為切換應答器。在整個切換過程中關注ATP與LKJ之間在預告及切換下的消息交互環節，以及最終控制模式進行重點功能驗證。

3.5 區間應急通信

由于列車運行至區間后，存在一定范圍的無線覆蓋盲區。因此當車載設備在此區域內出現故障，將導致列車降級運行或停車。當車載設備故障恢復后，需要對車載設備內存儲的線路數據與當前實際的數據進行校驗，以使其快速投入正常的工作模式。車載設備將連接北斗衛星導航系統，啟動故障恢復程序，通過北斗短報文的通信方式與數據管理控制設備進行通信交互。

針對區間內有數據變化和無數據變化進行分別的測試驗證設計。

1） 數據無變化

如圖8所示，列車由A站發車時，在無線覆蓋盲區內設置一處臨時限速TSR-1，當列車運行至無線覆蓋盲區后，未到達臨時限速TSR-1起點位置時，將車載設備重啟。此時車載設備恢復工作后，將通過北斗衛星采用短報文通信方式與A站數據管理控制設備進行數據交互。此時由于區間內未發生數據變化，車載設備將根據數據校驗結果信息判斷已存儲的線路信息有效，使用線路信息計算控車曲線，列車進入通常模式，恢復正常運行。列車將正常處理TSR-1的臨時限速命令。

圖8 區間數據無變化示意Fig.8 Schematic diagram of no data change in the section

2） 數據有變化

如圖9所示，列車由A站發車時，在無線覆蓋盲區內設置一處臨時限速TSR-1，當列車運行至無線覆蓋盲區后，未到達臨時限速TSR-1起點位置時，將車載設備重啟。此時在B站進站信號機外方設置TSR-2，車載設備恢復工作后，將通過北斗衛星采用短報文通信方式與A站數據管理控制設備進行數據交互。由于區間內發生數據變化，車載設備將根據數據校驗結果信息判斷已存儲的線路信息無效，使用最低運行速度控制列車運行至B站無線覆蓋范圍后，再投入正常運行。

圖9 區間數據有變化示意Fig.9 Schematic diagram of data change in the section

4 結束語

本文研究了基于北斗的重載鐵路列控系統新增功能及接口，完成了相關測試方法設計。針對不具備全線覆蓋無線網絡的重載鐵路，實施有針對性的列控系統功能測試方法，對未來推動重載鐵路升級改造及功能驗證提供了可行的解決方案。