基于移動閉塞的重載鐵路列控系統仿真研究

侯明明 馬睿杰

摘要 在分析國能集團重載列車信號系統現狀及列車駕駛培訓需求的基礎上，結合國能集團重載列車運營的特殊性與既有LKJ系統的局限性，以及重載移動閉塞列控系統的運營現狀，研究重載鐵路列控仿真平臺、列車與運營線路耦合數學模型、運營場景及相應的培訓考核規則。仿真實例與研究分析表明，該系統能精準仿真重載列車功能業務，高度還原現場實際作業場景，能實現移動閉塞列控系統體系與系統化的培訓考核，對國能集團移動閉塞列車的駕駛培訓考核具有較好的指導意義，同時為國能集團全面推廣移動閉塞列控系統奠定了堅實的基礎。

關鍵詞 高速動車組；列控系統；培訓考核；案例場景

中圖分類號 U284.44文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0005-03

0 引言

重載鐵路是我國鋼鐵、煤炭、礦石、建筑材料等大重型貨物運輸的主要通道。對重載鐵路列車司機而言，其所需要熟練掌握的重載列車車載信號控制原理、操作邏輯以及不同車型制動測試及故障處理的方法，難度較大、不易學習且在鐵路現場實際中很容易引發事故，尤其涉及既有系統的升級和改造、更換新型信號系統，需要對其開展更系統全面和體系化的培訓[1]。因此，對于重載鐵路列控系統，應基于真實信號系統的控制原理、界面風格、操作邏輯對其進行仿真處理，并將現場案例場景與故障、非正常場景注入其中，對列車司機進行列控系統專項培訓，此舉不僅不影響正常重載鐵路的正常運營，還能極大縮短培訓周期以及提高培訓效率[2]。

1 重載鐵路信號簡介

1.1 重載鐵路

重載鐵路相較于普通鐵路著重關注列車重點、軸重以及單線年運量等相關指標，1986年要求列車重量至少達到5 000 t，軸重在21 t及以上，單線年運2 000萬噸及以上；1994年要求列車重量至少達到5 000 t，軸重在25 t及以上，在至少150 km的線路區段上單線年運量至少達到2 000萬噸；2005年要求列車重量至少達到8 000 t，軸重在27 t及以上，在至少150 km的線路區段上單線年運量至少達到4 000萬噸[3]。

重載鐵路所運營列車相較于地鐵列車與高速動車組有很多差異：①列車牽引重量大，編組多、編組長，縱向沖擊大。②列車受空氣制動波速傳播速度呈現非線性特征的限制，制動命令傳遞時間長，制動時間長。③列車受到長大下坡道等因素影響，重載列車以空氣制動為主，長大下坡道需采取循環制動。④受充放風時間、過分相、低速緩解限制、臨時限速、不同作業模式等因素限制，以人工駕駛為主[4]。

1.2 重載移動閉塞

重載鐵路列控移動閉塞系統是在既有固定閉塞三顯示或四顯示模式基礎上，新增地面應答器、RBC、北斗設備以及車載列控，升級改造既有CTC/TDCS、計算機聯鎖系統、通信設備等[5]，實現完全基于無線通信的車地雙向高速通信。應用RBC與車載設備完成列車占用檢測及完整性檢查；應答器信息用于列車定位和測距修正列車位置信息[6]；結合速度傳感器、加速度計、地面衛星數據、異構衛星北斗設備及應答器信息實現列車的精準定位、測速、測距等，進而實現重載列車的安全準點運行[7]。

2 重載鐵路列控系統仿真研究

2.1 系統總體設計方案

重載鐵路列控仿真系統以朔黃鐵路“肅寧北到滄州西”線路及軌旁設備為基礎，以升級改造后的神華號列車為研究臷體，以移動閉塞列控系統為核心，以現場重載鐵路列車實際運營場景為依據，以教學管理為輔助，結合鐵路現場實際構建神華號列車駕駛操作臺、列車網絡、RBC、LTE網絡、速度傳感器、加速度計、地面衛星數據、異構衛星北斗設備、移動閉塞列控設備、萬噸重載動力學、線路三維場景等模型，運用重載動力學與RBC和ATP協同聯動計算列尾包絡、行車許可以及列車進路相關信息，構建集信號、供電、線路、場景等于一體的重載鐵路列控專項培訓設備，實現“1∶1沉浸式”全仿真，能精準仿真還原重載鐵路移動閉塞列車的原理與實際作業和運營場景，能較好地滿足鐵路現場實際的標準作業培訓、故障處置培訓、非正常作業培訓及考核評價與統計決策分析等需要。重載鐵路列控仿真總體業務框架如圖1所示：

2.2 軟件仿真設計

2.2.1 重載移動閉塞模塊

（1）車載列控仿真模塊。重載列車車載列車運行控制設備主要包括列車運行控制核心模塊、HMI人機交互界面、ATP與車輛接口模塊、LKJ與ATP及車輛接口模塊等組成?；诹熊囘\行控制原理及聯鎖控制邏輯和地鐵實際線路的運營場景，依據重載列車運行控制系統功能業務框架和通信機制構建的地面列車運行控制系統及通信系統進行數學建模；并根據真實列車實際行車組織與運營調整要求，結合萬噸重載鐵路長大下坡、特殊困難區段、重載列車相關的功能特性以及運營場景等信息生成相應的行車許可；再通過地面列車運行控制模塊與重載車載列車運行控制設備進行通信。重載列車仿真模塊通過行車許可得到重載列車的目標運行速度、目標運行距離與基礎固定及可變線路信息，結合重載鐵路列車列尾、牽引計算、動力學及制動曲線，監控重載列車運行?；谲壍澜煌ㄟ\營聯控網絡平臺，將ATP與LKJ-15C核心計算模塊及DMI人機交互界面進行連通，并與重載鐵路列車仿真模塊進行數據交互與命令控制。

（2）地面環境服務仿真模塊。地面環境服務包括列控地面基礎設備、聯鎖、基礎線路設備、供電設備等，其中列控設備主要包括信號機、道岔、軌道電路、應答器、RBC、LTE網絡、速度傳感器、加速度計、地面衛星數據、異構衛星北斗設備等。重載鐵路列車通過通信仿真模塊，實現BTM、TCR模塊與地面列車運行控制仿真模塊進行數據傳輸與命令控制交互，能實現相關數運營及設備信息的時序仿真及聯動控制，能模擬車地雙向通信、地面列控聯鎖邏輯及供電與通信等功能，還能模擬與再現地面軌旁設備、信號設備以及故障及非正常突發事件等場景。重載移動閉塞列控系統仿真業務及功能界面如圖2所示。

2.2.2 重載鐵路列車仿真模塊

根據重載鐵路列車功能特點、重載移動閉塞列控系統專項培訓需求及典型場景案例，結合現場實際操作與應用培訓便捷等需求，以神華號信號升級改造列車為載體，按照真實列車設備構成及控制原理進行仿真建模，能正確反映列車的固有控制邏輯關系，能實時精準響應參訓司機各項實作與處置流程，并能根據列車運行控制原理及運營調整計算神華號列車的相關運行條件及運營狀態信息。

2.2.3 教學教務系統

教學教務系統是重載鐵路列車仿真場景的控制中樞，能實現運行場景編輯設計、場景運行監控、整個訓練過程管理等。該教學教務系統能實現人員信息管理、教學資源管理、教學過程及培訓數據管理、考核評價成績管理以及統計分析等?；谝苿娱]塞的重載鐵路列控系統的教學場景制作流程及實現框架如圖3所示。

2.3 典型場景設計

基于重載鐵路現場實際、相關作業標準及要求構建相應的課程場景體系，重載鐵路列車運行場景主要包括一次出乘標準作業、正常作業場景、故障作業場景、非正常突發場景以及現場實際運營的特殊場景等。首先，基于重載鐵路列車故障維護處理手冊及線路運營條件，梳理歸整各場景的設備及觸發條件；然后，根據各場景的運行和觸發條件設置各場景的運行時序及運營狀態；再次，根據現場實際作業要求及規范，通過教學教務管理軟件設置各場景的考核評價規則；最后，通過教學教務系統對重載鐵路列車運行控制系統進行專項培訓與考核。

2.4 硬件仿真設計

根據重載鐵路列車駕駛操縱臺體及功能業務框架與屬性和運營狀態等，結合重載鐵路現場實際與線路運營場景和重載鐵路基于移動閉塞的列控專項培訓需求，歸整簡化設計DMI屏、LKJ-15C、列車駕駛等相關功能按鍵等，應用驅采控制電路將相關組件進行狀態采集與驅動控制，將其與列控仿真系統進行聯動聯控，并應用便攜式列控仿真試驗臺將核心服務計算機、DMI屏、功能組件及驅采控制設備進行組裝設計。基于移動閉塞的重載鐵路列控實訓系統的硬件組成結構及框架如圖4所示：

3 系統功能

3.1 正常作業場景模擬

①ATP啟動流程操作模擬。②ATP級間切換功能仿真培訓。③ATP模式間切換功能仿真培訓。④ATP超速防護等核心功能仿真培訓。⑤DMI人機交互仿真。⑥ATP聲音仿真。

3.2 故障與非正常場景模擬

（1）車載設備故障。ATP故障仿真模擬及處理方法/流程實現：模擬各型ATP常見的故障類型，例如安全主機故障、DMI黑屏、軌道電路接收單元故障、應答器信息丟失等，并能夠進行各故障多種處理方法及流程的仿真培訓。

（2）地面設備故障。地面環境故障、非正常仿真模擬及處理方法/流程實現：模擬地面信號系統設備故障等，例如各類信號機故障、軌道電路發碼故障、非列車占用紅光帶、各類應答器故障等，并能夠模擬培訓與調度/車站相關的處理流程。

（3）其他故障。網絡通信故障、通信故障、RBC故障等。

4 實驗仿真

4.1 模式轉換

重載移動閉塞ATP上電后，檢測信號設備未被隔離時，列控系統默認進入待機模式。停車狀態下，司機輸入列車編組與車輛信息，通過DMI選擇進入出段模式，車載ATP設備提示司機確認進入出段模式；司機確認后，車載ATP設備進入出段模式。若列車在運行過程中選擇了出入段模式，則不會提示進行出入段模式，其他模式轉為出入段模式需判斷是否為零速。

4.2 等級轉換

列車在LKJ模式運行過程中收到LKJ自動切換條件或收到手動切換LKJ命令時，LKJ切換模塊判斷是否滿足LKJ自動切換完全監控模式的條件，當接收到有效MA信息，計算限速有效且當前列車速度低于限速，以及列車完整性完整時，則自動轉入完全監控模式，繼承原模式時司機的輸入數據、測距誤差、機車位置、列車車尾位置、列車完整性、MA信息。超速防護速度根據MA進行計算。

5 結語

該文分析了國能集團重載列車信號系統現狀及列車駕駛培訓需求，結合國能集團重載列車運營的特殊性與既有LKJ系統的局限性以及重載移動閉塞列控系統的運營現狀，研發設計重載鐵路列控仿真平臺、列車與運營線路耦合數學模型、運營場景及相應的培訓考核規則。試驗結果表明，該系統能精準仿真重載列車功能業務，高度還原現場實際作業場景，能實現移動閉塞列控系統體系與系統化的培訓考核，對國能集團移動閉塞列車的駕駛培訓考核具有較好的指導意義，同時為國能集團全面推廣移動閉塞列控系統奠定了堅實的基礎。

參考文獻

[1]郝建， 張浩， 張軍政， 等. 列車運行控制系統仿真測試自動化方法研究[J]. 鐵道標準設計， 2022（6）： 152-158.

[2]付文剛， 劉暢， 楊居豐， 等. 基于LTE技術重載鐵路移動閉塞通信系統研究及應用[J]. 鐵道通信信號， 2018（5）： 47-49+53.

[3]曹亞博. 重載貨車系統動力學建模及仿真分析[D]. 成都：西南交通大學， 2015.

[4]彭其淵， 馮麗萍， 文超， 等. 高鐵列車運行控制信息傳遞流程結構脆性分析[J]. 西南交通大學學報， 2017（4）： 796-801+809.

[5]童姣. 移動閉塞系統下重載列車駕駛策略研究[D]. 北京：北京交通大學， 2020.

[6]曹亞博. 重載貨車系統動力學建模及仿真分析[D]. 成都：西南交通大學， 2015.

[7]張波. 重載組合列車牽引及制動系統的試驗與仿真研究[D]. 北京：中國鐵道科學研究院， 2009.