基于北斗的重載鐵路列控系統仿真測試系統研究

韓興邦

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

基于衛星定位的列控系統是新興的下一代列控系統。衛星定位技術的應用可以補強現有列車測速測距方法，同時減少用于輔助列車定位的地面應答器等軌旁設備的部署數量，節省系統建設和維護成本[1-2]。伴隨北斗三號推廣應用戰略機遇，短報文服務為列控系統的車-地通信提供新的通道，各式各樣的基于衛星定位的列控系統研究相繼開展[3-4]，基于北斗的重載鐵路列控系統便是其中之一。

基于北斗的重載鐵路列控系統是針對國內重載專用鐵路線路現狀，最大復用重載專用鐵路的已有信號設備，結合北斗衛星導航系統的授時+定位+短報文服務的全功能的一種輕量化列控系統。系統由中心設備、車站設備、軌旁設備、車載設備、網絡安全系統和上道作業人防系統等組成，如圖1所示。

圖1 基于北斗的重載鐵路列控系統組成Fig.1 Composition of the heavy-haul railway train control system based on BeiDou

列控系統是保障列車安全運行，提高運輸效率的重要行車裝備[5]。因此在系統研發和工程實施期間，都需要經過充分的系統測試驗證，以確定其是否滿足系統規范要求[6]。針對基于北斗的重載鐵路列控系統，需圍繞其在已有重載鐵路信號系統基礎上新增的關鍵列控設備，構建配套的測試系統支撐實驗室系統功能測試及數據測試。

目前，國內實際應用的面向基于衛星定位列控系統的測試系統，大部分僅針對車載設備構建[7-8]；對于能夠同時集成聯鎖設備、地面列控設備和車載設備的半實物系統集成測試環境，主要面向成熟的CTCS或CBTC系統。

因此，本文提出完整的適用于基于北斗的重載鐵路列控系統的仿真測試系統設計方案并對其進行實現，包括仿真數據從生成到使用再到監測的全套方案。系統可基于工程數據快速構建仿真數據并完成測試環境構建，支持驗證基于北斗的重載鐵路列控系統技術方案可行性，支撐裝備調試及測試，為裝備研發及工程實施提供環境保障，并且滿足實驗室集成測試需求。

2 架構設計

基于北斗的重載鐵路列控系統的仿真測試系統，需提供基礎的列車仿真、線路及軌旁設備仿真、車地通信通道仿真，能夠接入車載設備實物、地面列控設備實物及車站聯鎖實物，構建半實物的系統集成測試環境。通過列車仿真、線路及軌旁設備仿真提供人機交互接口，實現系統正常運營及異常場景的構建，測試驗證接入的實物設備的系統功能及整系統的功能及數據。

在列車仿真、線路及軌旁設備仿真、車地通信通道仿真等基本功能基礎上，增加基于北斗的重載鐵路列控系統的數據管理控制設備、上道作業人防系統等關鍵設備的接口，增加北斗衛星導航系統、重載鐵路已有閉塞系統的仿真，引入車站聯鎖、調度集中控制（Centralized Traffi c Control，CTC）等系統，構建半實物仿真測試系統，如圖2所示。

圖2 基于北斗的重載鐵路列控系統仿真測試系統架構Fig.2 Simulation testing system architecture of the heavy-haul railway train control system based on BeiDou

被測設備實物為基于北斗的重載鐵路列控系統核心裝備，包括：列車自動防護系統（Automatic Train Protection，ATP）主要設備、列車輔助駕駛設備、數據管理控制設備、臨時限速服務器和上道作業人防系統等。其他外部設備/仿真為基于北斗的重載鐵路列控系統被測設備的陪測設備，包括車站聯鎖、CTC車站自律機、CTC調度中心和信號集中監測站機。

被測設備仿真為依據安全平臺硬件的工作原理，基于操作系統交叉編譯技術，可在通用服務器、工作站或工控機等硬件設備上，在桌面操作系統上運行的軟件。數據管理控制設備、車站聯鎖、車載設備等核心軟件程序，與設備實物嵌入式操作系統搭載的核心軟件程序邏輯完全一致，替代對應的設備實物接入實驗室半實物仿真測試系統。與設備仿真交互的設備無法區分對方是否為真實設備。

仿真測試平臺串聯實驗室半實物仿真測試系統內各設備實物及仿真，為所有被測設備實物、被測設備仿真、其他外部設備/仿真提供所需要的信號設備模擬（含軌道電路、道岔、信號機和應答器等軌旁設備，閉塞系統）、列車設備模擬（含司控臺、車載智能感知設備和上道作業人防系統車載裝置）、上道作業人防子系統相關設備模擬（含車載裝置、施工區便攜地面裝置和可穿戴設備）、北斗衛星導航系統模擬、通信設備模擬（含無線通信網、信號數據通道和調度集中數據通道），并進行實時的車地信息計算，反饋列車位置及前后軌旁設備信息。

3 關鍵技術

基于北斗的重載鐵路列控系統仿真測試系統，關鍵在仿真測試平臺實現北斗衛星導航系統的仿真、重載貨運列車（接口及動力學模型）的模擬以及重載鐵路已有的閉塞系統的模擬。

3.1 北斗衛星導航系統仿真

北斗衛星導航系統仿真的關鍵在于給實驗室內靜止的車載設備實時發送模擬列車推進所處位置的衛星定位射頻信號，并與列控系統定位信息（例如基于應答器的定位信息）保持一致。列控系統測試系統的車地信息計算邏輯能夠通過列控工程數據中的線路數據及應答器數據實時計算列車所在位置的軌道電路和應答器等信息，即以列控工程數據為視角描述列車位置；依據此信息，可根據列車所在軌道區段位置點，結合列控工程數據和包含衛星定位信息的車載電子地圖的數據關系[9-11]，實時換算當前位置點的衛星仿真數據，供衛星信號輸出設備產生衛星射頻信號至車載設備實物，同時供衛星地圖監測界面顯示[12]，如圖3所示。

圖3 北斗衛星導航系統仿真接口示意Fig.3 Schematic diagram of simulation interfaces of the BeiDou Navigation Satellite System

3.2 閉塞系統仿真模擬

閉塞系統仿真模擬，是基于北斗的重載鐵路列控系統仿真測試系統實現跑車場景的基礎。基于北斗的重載鐵路列控系統的設計思想為在已有重載鐵路信號裝備基礎上進行輕量化疊加，故需要根據具體改造的重載鐵路實現其閉塞制式，比較普遍的是基于軌道電路繼電編碼的四顯示自動閉塞。

針對此，提出并實現一種簡化的軌道電路繼電編碼仿真模型。本仿真模型并不對具體的繼電電路進行實際且復雜的建模，通過繼電器采集狀態組合實現軌道電路編碼邏輯；而是通過模擬列控中心編碼邏輯實現軌道電路編碼。可以理解為設計了一個僅具備軌道電路發碼及區間信號機控制功能的列控中心模型，因此該方案主要參考的資料來自于列控中心以及列控中心與聯鎖接口的技術規范[13-14]。

根據上述分析，簡化的軌道電路繼電編碼仿真模型需要與聯鎖設備及仿真測試平臺中的車地信息計算模塊接口，獲取編碼的輸入并自動計算碼序，發送至仿真測試平臺中車地信息計算單元，如圖4所示。軌道電路碼序的自動計算有效降低跑車場景構建操作，提升測試效率。

圖4 軌道電路繼電編碼仿真模型接口示意Fig.4 Schematic diagram of interfaces of simulation model of track circuit relay coding

3.3 重載列車仿真模擬

重載鐵路的機車牽引式列車的仿真模擬，重點在設備接口及動力學模型。

設備接口方面，列車自動防護設備及列車輔助駕駛設備并不直接與機車牽引式列車接口，而是中間增加了智能駕駛單元（Driver Smart Unit，DSU）作為中間信號轉換設備。仿真測試平臺需要考慮將仿真邊界劃在DSU設備的兩側，實現不同的測試范圍，如圖5所示。既能提供DSU的仿真模擬，直接與車載設備接口進行列車信號的交互（仿真邊界1）；也能同時將車載設備以及DSU設備接入仿真測試平臺，與DSU設備和車載設備接口進行列車信號的交互（仿真邊界2）。

圖5 重載列車接口仿真示意Fig.5 Schematic diagram of interface simulation of heavy-haul railways

在動力學仿真方面，難點在于重載鐵路機車牽引式列車的動力學仿真建模。相較于動車組列車直接采用車輛廠提供的擬合的“速度-級位-加速度”公式進行加速度計算，重載鐵路機車牽引式列車需參考相關規范針對不同機車及車輛類型，將電力牽引制動及空氣制動分別進行獨立建模，實現更加貼近現實的動力學計算[15]。限于篇幅本文將不再展開描述。

4 系統實現

根據系統架構設計及關鍵技術實現，成功搭建基于北斗的重載鐵路列控系統實驗室半實物仿真測試系統：由被測設備實物、其他外部設備實物、車載設備接口平臺、交換機、仿真服務器、衛星信號仿真設備和操作終端組成，如圖6所示。

圖6 基于北斗的重載鐵路列控系統實驗室半實物仿真測試系統設備結構Fig.6 Equipment structure of the semi-physical simulation testing system for the heavy-haul railway train control system based on BeiDou in lab

目前，在已搭建的基于北斗的重載鐵路列控系統實驗室半實物仿真測試系統中，通過虛實互換，采用列車自動防護仿真軟件及列車輔助駕駛仿真軟件替代對應實物設備，可以實現系統運行，執行設備上電，駕駛室激活、發車準備、發車準備、列車發車、行車許可、站間運行、自動過分相、臨時限速、通過車站、進站接車、自動發車、自動通過車站、區間自動運行、自動進站停車、關閉電源、溜逸防護、退行防護、重載列車控制、軌道電路無碼、提示場景、ATP與LKJ切換、上道作業人防、障礙物感知、車地無線通信故障、地面設備故障和衛星定位故障等典型場景，有效驗證基于北斗的重載鐵路列控系統技術方案可行性，支撐裝備調試及測試，為裝備研發及工程實施提供環境保障。分布式部署的基于北斗的重載鐵路列控系統實驗室半實物仿真測試系統在運行多車列車輔助駕駛運行場景的部分分機截圖（包括線路及列車仿真界面、車站聯鎖控顯界面、列車自動防護設備DMI界面和數據管理控制設備仿真界面）如圖7所示。

圖7 基于北斗的重載鐵路列控系統實驗室半實物仿真測試系統場景執行Fig.7 Implementing the scenarios of the semi-physical simulation testing system for the heavy-haul railway train control system based on BeiDou in lab

5 結語

本文充分分析基于北斗的重載鐵路列控系統的系統結構，圍繞其關鍵設備，設計了適用于基于北斗的重載鐵路列控系統的仿真測試系統架構，分析實現該架構的北斗衛星導航系統仿真、閉塞系統仿真模擬、重載列車仿真模擬3項關鍵技術。最后通過系統實現，成功搭建了基于北斗的重載鐵路列控系統仿真測試系統，有效支撐系統功能驗證、裝備研發調試以及系統集成測試，滿足仿真測試需求。

后續的系統優化方向為：閉塞系統仿真模擬的優化，面向真實的繼電編碼電路進行建模，更加真實地模擬編碼邏輯，提供更加豐富的故障注入功能；重載列車仿真模擬的動力學模型的優化，參考相關規范的細化仿真模型，將曲線、坡度和橋隧等線路特性引入動力學計算，更加真實地模擬重載列車的動力學特性，并適配更多車型，支撐開展更加豐富全面的實驗室測試。