硕士学位论文-CTCS3级列控系统仿真测试平台--无线闭塞中心仿真子系统的研究.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 ctcs3级列控系统仿真测试平台无线闭塞中心仿真子系统的 研究 姓名：宋沛东 申请学位级别：硕士 专业：交通信息工程及控制 指导教师：张勇 20071201 中文摘要 摘要：为适应我国铁路更高的安全、快速和服务需求，增强市场竞争力，铁路部 门提出了发展适于我国国情的c t c s ( c h i n e s et r a i nc o n 曲ls y s t e m ) 系统的策略。铁 路第六次大提速使得c t c s 2 级列车控制系统在中国得到推广，今后中国要加大投 入建设时速3 5 0 k m h 的客运专线，c t c s 3 级列车控制系统将是未来中国铁路发展 的主要方向。c t c s 3 级仿真测试平台对推动c t c s 3 级列控系统的研究有重要作用， 仿真测试平台的建立可以对c r c s 3 级系统技术规范的建立提供多方位的借鉴和补 充，同时对真实设备的性能测试也有着重大意义。 本文对c t c s 3 级列控系统仿真测试平台中的r b c ( 无线闭塞中心) 仿真子系 统进行了研究，介绍了仿真子系统的结构，描述了关键功能的实现，如数据库的 建立与调入、列车的管理、行车许可的生成、r b c 的交接、向联锁系统请求进路、 管理无线通信会晤等本文还详细描述了r b c 与相关子系统之间接口的实现，如 与g s m o r 接入服务器之间的接口、与联锁设备之间的接口、与相邻r b c 之间的 接口、与c t c 分机的接口等。基于c 件b u i l d e r6 0 实现了r b c 仿真子系统的主 要功能。通过与平台中其它子系统联调，完善并验证了r b c 仿真子系统的功能。 关键词：c t c s 3 ，无线闭塞中心，行车许可，仿真测试平台、g s m - r a b s t r a c t ：a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do nt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s er a i l w a y sa t p r e s e a ta n di nt h ef u t u r e , t h ei “i i n i s t r yo fr a i l w a y sb r i n g sf o r w a r dc h i n e s et r a i n c o n t r o ls y s t e m ( c t c s ) w i t hf i v ea p p l i c a t i o nl e v e l s , f r o mc t c sl e v e l0t ol e v e l 4 ( 珂s 3w i l ib et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc h i n e s er a i l w a y t h c ( 玎s 3s i m u l a t i o n a n d t e s t i n gp l a t f o r mw i l lb eu s e f u lf o rt h er e s e a r c ho ft h ec t c t 3 ，p r o v i d i n gp l a t f o r m f o rs y 日t e md e s i g na n di n t e g r a t i o n , e q u i p m e n tt e s ta n de v a l u a t i o na n ds oo i l t 陆sm a s t e rt h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr a d i ob l o c k c e n t e ( r b c ) s i m u l a t i o ns u b s y s t e mo f t h ec t c s 3 s i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r m 1 1 “ a r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e mi sd e s c r i b e d 硼bi m p l e m e n t a t i o no f i m p o r t a mf u n c t i o n s , s u c h a s ( r a i nm a n a g e m e n t , g e n e r a t i o no fm o v e m e n ta u t h o r i t y , r b c r b ch a n d o v a ) m a n a g e m e n to fr a d i oc o m m u n i c a t i o n ，r e q u e s t i n gr o u t ef r o mc ia sw e l la sd e s i g no f r b cd a t a b a s ea r ed e s c r i b e d t h i st h e s i sa l s od e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e i n t e r f a c et oo t h e rs u b s y s t e m s , s u c h 勰g s m - r c 嘲s c l v c l ) n e i g h b o r i n gr b c ， c e n t r a l i z e dt r a f f i cc o n t r o la n dc o m p u t e rb a s e di n t e r l o c k i n g ms i m u l a t i o n s u b s y s t e mi si m p l e m e n t e db a s e do nc + + b u i l d e r6 0 t h ef u n c t i o no fr b c s i m u l a t i o n s u b s y s t e mi sv a l i d a t e da n dp e r f e c t e db yd e b u g g i n gt o g e t h e rw i t ho t h e rs u b s y t e m s k e y w o r d s ：c t c s 3 ，p - d i d ob l o c kc 4 m t e r ( r s o , m o v e m e n t a u t h o r i t y ( m a ) ，s i m u l a t i o n a n dt e s t i n gp h t f o r m , g s m - r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杂沣在 签字日期：纠年f 2 月砰e l 导师签名： 签字日期：矽7 年f2 月吁e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：漂济东 签字日期： 如。1 年肛月潍日 致谢 本论文的工作是在我的导师张勇副教授的悉心指导下完成的，张勇副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 张勇老师对我的关心和指导。 张勇副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张勇老师表示衷心的谢意 张勇副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，蒋红军、崔莹莹、宋晨亮、徐丽、章慧、王 春花、王嵩、谈敏、蔡畅、杨韬等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在 此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业 1 绪论 随着铁路大提速、客运专线和青藏铁路等跨越式发展举措的实施，我国铁路 进入了快速发展的关键时期。铁道部提出“以客运专线和既有线提速等大型复杂 技术系统为研究对象，立足国情，站在世界技术发展的最前沿，以我为主，对世 界范围的先进技术资源进行系统集成，又好又快地实施大型工程。”这对铁路各部 门的技术要求均越来越高，尤其是对事关列车运行安全的通信信号技术的要求更 高，为确保列车运行安全和提高运输效率，迫切需要装备性能先进、安全、可靠、 高效的列车运行控制系统。 列车运行控制与组织的主要任务是应用先进的科学理论与技术手段确保列车 运行过程的安全、高效地运行现代轨道交通系统的运行控制与组织已经从调度、 联锁、闭塞、信号机等设备的简单组合，逐渐向集调度指挥、运行控制及自动驾 驶为一体、功能完善、层次分明的综合自动化系统方向发展，呈现出系统化、网 络化、信息化、智能化及通信信号一体化的特点 参考欧洲列车控制系统勘r c s ，我国制定了中国列车运行控制系统( c h i n a t r a i n c o n t r o ls y s t e m ，c t c s ) 的技术规范，它是中国铁路为了保证列车安全运行，并以 分级形式满足不同线路运输需求的技术规范 1 1 国内外列车控制系统简介 1 1 1国外列控系统简介 当今世界各国高速铁路都根据各自国情研制使用了多种不同制式的列车运行 自动控制系统，并将其推向市场。典型的系统如欧洲的e t c s 系统、法国的t v m 系列、日本的新干线朋r c 系统。 ( i ) 欧洲e t c s 系统 欧湘是世界轨道交通最为发达的地区，欧洲现有的列车运行控制系统种类繁 多。为克服欧洲各国信号制式复杂、互不兼容，保证高速列车在欧洲铁路网内互 通运行，在欧洲共同体的支持下，欧洲各信号厂商联合制订e r t m s e t c s 技术规 范。e r l m s e 1 r c s 是一个先进的列车自动防护( a t p - - a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o n ) 系统和机车信号( c a bs i g h t i n g ) 技术规范，安装符合e r t m s e t c s 技术规范的列 车运行控制系统，不仅能提高列车的安全性，并且能够在欧洲境内穿越国境时实 现互通运营。 在欧洲，由于国家多，铁路运输情况复杂，技术装备水平参差不齐，因此在 e t c s 的规范中，对自动列车运行控制系统规定了五个发展等级，所研制开发的机 车上的设备应能适应各种等级的情况由九个欧洲信号公司组成的联盟e u r o s i g 选择了西班牙的马德里一塞维利亚全长4 0 公里的区段作为e r t m s 的试验段。试 验工作于1 9 9 8 年展开，试验速度2 5 0 公里孙时 e r t m s e r c s 技术规范核心思想： 以欧洲车载设备e i 瓜o c a b 为核心 以欧洲应答器( e i 瓜o b a l i s e ) 作为列车定位修正基准 以欧洲应答器e u r o b a l i s e ( 应用等级1 ) 、欧洲环线e u r o l o o p ( 应用 等级1 ) 及欧洲无线e u r o r a d i o ( 等级2 、等级3 ) 作为车地信息传输 的通道 以基于无线传输作为欧洲铁路列车运行控制系统今后的发展方向 ( 2 ) 法国的t v m 系列 t v m 系列是法国c s e e 公司研制的列车运行控制系统法国高速铁路( t g v ) 东南干线列车最高速度为2 7 0 k m h ，大西洋新干线为3 0 0k m h ，列车追踪间隔为 4 m i n ，采用t v m 3 0 0 型列车速度监督设备( 机车信号) ，地面信号传输设备采用 u m 7 1 无绝缘轨道电路。地面不设信号机，只在闭塞分区分界点处设停车标。机车 信号为主体信号，司机驾驶列车完全根据机车信号的速度显示。 t v m 3 0 0 系统速度监督采用人控为主的阶梯控制方式。每一个闭塞分区内只 按照一个允许速度进行控制。列车的允许速度为本区段的入口速度，即上一区段 的目标速度。当列车速度超过规定的允许速度时，速度监督设备则自动实施制动。 1 9 9 2 年我国京广线郑武段引进了t v m 3 0 0 系统。 法国c s e e 公司在删o o 基础上，开发了一种先进的列车速度控制系统 孙m 3 0 系统。该系统目前已在法国北部的t g v 高速铁路、英吉利海峡的隧道 线、韩国釜山至普松的高速铁路线上应用，我国秦沈客运专线己引进了t v m 4 3 0 系统。 t v m 4 3 0 系统采用了如图1 1 所示的分段模式曲线控制方式。车载设备根据接 收到的前方分区入口目标速度和列车其它信息实时计算速度距离模式曲线获得列 车当前的允许速度。当列车超过当前允许速度时，设备自动实施常用制动或紧急 制动，保证列车速度降到允许速度之下或在安全停车地点前停车 2 卜斗_ | l 、。 厂t n 厂一硼臻 撇：i一 司蝴奉曲线+ 卅氐 lil i ；k ii l ：n i i il i ；：、i i ：剜：；：u 冒曾i 图1 - 1t v m 4 3 0 速度模式曲线示意图 f t g u r e l - it v m 4 3 0s p e e dm o d e 珥。励e ( 3 ) 日本新干线系统 自1 9 “年日本建成东京至大阪的全长5 1 5 4 公里的酋条高速铁路以来，三十 多年来未发生任何死亡事故，这是与严格的管理及安全可靠的列车控制设备分不 开的随着科学技术不断发展，日本数字a t c 系统从i a 、1 b 发展到1 d 、1 g 、 l f ，最近又开发了基于无绝缘数字式轨道电路的数字a t c 系统。 日本新干线a t c 系统控制模式与法国t v m 3 0 0 系统相似，也是采用阶梯方式， 所不同的是t v m 3 0 0 是采用人控优先的控制方式，即列车的运行速度一般由司机 完成，只有在司机未按速度控制及时将列车速度降低时设备才起作用。而日本新 干线a t c 系统采用设备优先的控制模式，即列控车载设备根据从地面收到的速度 控制命令，自动发出制动命令使列车减速，速度达到本区段的要求时自动发出命 令使列车缓解。因此，它不需要设置保护区段，在线路通过能力上较 r v m 3 0 0 系 统有所提高。 为解决现行a t c 系统的缺点，九十年代初日本就开始数字a t c 的研究，数字 a t e 系统也是采用安全性能高的轨道电路来检查列车占用，由地面向车上传送数 字编码信息。传送的信息内容不是现有a t c 系统所传送的速度信息( 限制速度) ， 而是传送至前方列车的距离。具体内容是：轨道电路编号，至前方列车所空闲的 区间数，到站出站股道，临时限速和其它信息。车载设备除了具有轨道编号和空 闲区间数为计算距离前方列车距离所需要的数据外，车上还存储有限制曲线、道 岔限速、坡度等线路数据。列车依据地面传来的轨道电路编号、空闲区间数等信 息计算出与前方列车的距离，实施a t c 一次制动控制。由于传送的距离前方列车 的距离，因而车载设备能生成与各列车制动性能相适应的制动曲线，能够实旌最 佳控制，使列车在前方列车之后的闭塞分区内停车。 1 1 2国内列车控制系统简介 3 c r c s 基本功能 c t c s 在满足r a m s ( 可靠性、可用性、可维护性和安全性) 条件下，对列车 进行超速防护，保证列车安全运行，向机车乘务员提供驾驶信息及数据输入输出 界面，完成设备运行状态诊断记录 ( 一) 安全防护功能 安全防护功能是c t c s 的核心功能，主要包括： ( 1 ) 在任何情况下防止列车无行车许可运行。 ( 2 ) 防止列车超速运行。 防止列车超过进路允许速度 防止列车超过线路结构规定的速度 防止列车超过机车车辆构造的速度 防止列车超过临时限速及紧急限速 防止列车超过铁路有关运行设备的限速 ( 3 ) 防止列车溜逸。 ( 二) 人机界面功能 人机界面功能主要为列车司机提供信息显示、数据输入及操作，具有如下要 求： ( 1 ) 能够以字符、数字及图形等方式显示列车运行速度、允许速度、目标速 度、目标距离： ( 2 ) 能够实时给出列车超速、制动、允许缓解等表示以及设别故障状态的报 警； ( 3 ) 具有标准的列车数据输入界面，可根据运营和安全控制要求对输入数据 进行有效性检查。 ( - - - ) 设备检测功能 c t c s 设备除满足控制功能要求外，还具有设备检测功能，主要包含以下两个 方面： ( 1 ) 开机自检功能和运行中动态检查功能。 ( 2 ) 能够记录设备的关键数据以及关键动作，并提供检测接口 ( 四) 可靠性和安全性 c t c s 在可靠性和安全性设计方面必须满足以下基本要求： ( 1 ) 按照信号故障安全原则进行系统设计。 ( 2 ) 核心硬件设备须采用冗余结构。 ( 3 ) 满足电磁兼容性相关标准。 4 c ! 陀s 系统构成 c t c s 参照国际标准，结合我国国情，从需求出发，按系统条件和功能划分等 级。c t c s 体系是按照地面设备为基础，车载与地面设备统一设计的原则构建的。 c t c s 有两个子系统：车载子系统和地面子系统。 地面子系统可由以下部分组成；应答器、轨道电路、无线通信网络( g s m - r ) 、 列车控制中心( 1 c ) 无线闭塞中心( 耻虻) 其中g s m - r 不属于c t c s 设备， 但是c t c s 的重要组成部分。 应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信 息，也可以连接轨旁单元传送可变信息 轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能 无线通信网络( g s m - r ) 是用于车载子系统和无线闭塞中心( 列控中心) 进 行双向信息传输的车地通信系统 列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面子系统或来自外部 地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过 车地通信系统传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内列车的安全运行 车载子系统由两部分组成：c r c s 车载设备、无线系统车载模块 c t c s 车载设备是基于安全计算机的控制系统，通过与地面子系统交换信息来 控制列车运行。 无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。 c t c s 应用等级 根据总体原则，从需求出发，结合我国的国情和铁路的实际情况，按系统条 件和功能将中国的c t c s 系统共划分为5 级。 c t c s0 级：既有线的控车模式。区间轨道电路+ 站内电码化+ 通用机车信号+ 列车运行监控装置。 c t c sl 级：基于既有设备改造的a t p 系统。适用于既有线1 6 0k m h 以下区 段。针对中国主要干线装备现状，对既有设备实行强化改造，在主体化机车信号 的基础上，通过补点，实现具有中国特色的点连式a t p 。即主体化机车信号( 区间、 站内轨道电路进行强化改造+ 故障安全型机车信号卜点式设备+ 安全型监控装置 c t c s2 级：基于轨道电路信息的a t p 系统。地面一车载一体化系统设计，车 载设备有机结合；速度监督可采取大台阶，也可采取速度距离模式曲线；地面可 采用模拟多信息轨道电路，也可采用数字轨道电路，并辅以必要的点式设备，组 成点连式a t p 。 c t c s3 级：基于轨道电路和无线通信( g s m - r ) 的a t p 系统。轨道电路在实现 区段占用与列车完整性检查方面具有不可替代的优势；无线通信( g s m - r ) 在满足我 5 国铁路移动信息网需求的同时，又能解决超速防护信息高速率可靠传输，两者结 合是强强互补。再辅以定位校核的点式设备，系统具有与国际接轨的先进性 c t c s4 级：完全基于无线通信( g s m r ) 的a t 系统，地面可取消轨道电路， 该系统具有移动自动闭塞的特征区问占用靠g p s 和g s m - r 实时数据传输解决。 列车完整性检查、定位校核分别靠列控车载设备和无线闭塞中心共同实现，使得 室外设备减少到最低程度【1 1 c s 发展现状 为了确保高速列车的安全运行，迫切需要装备性能先进、安全、可靠、高效 的列车运行控制系统。2 0 0 2 年中国铁路从跨越式发展的高度在欧洲列车运行控制 系统( f 】c s ) 规范的基础之上提出了发展适于中国的列车运行控制系统( 以下简 称c 他s ) ，研究并制定了c t c s 的总体框架和技术规范。铁道部也已明确在干线 提速及新线中优先发展c t c s 系统，在消化吸收国外先进技术的基础上，实现引 进设备国产化2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路迎来了第六次大提速，其中所采用的 列控系统就是通过自主研发、集成创新所研制的c t c s 2 列控系统随着基于通信 的e t c s 2 级列控系统在欧洲商业运行的成功，中国也将加快c t c s 3 级列控系统 的研制和实施步伐。 1 2国内外列控系统仿真测试的研究 在4 月1 8 日开始的第六次大提速中，采用了符合c r c s2 级技术规范的系统， 同时正在建设的客运专线以及未来的高速铁路等，根据线路的情况和实际运营条 件，将会采用c t c s2 到c t c s4 系统。其问必然要对符合c t c s 各级规范的列车 运行控制系统进行研究、开发、引进、集成。为了确保列车运行安全，需要对这 些系统开展功能测试、子系统( 部件) 的互连互通性验证、性能评价等工作，而 其中有些工作无法或者非常难以在铁路现场进行，有的工作在现场进行工程花费 巨大。这种情况下，仿真技术无疑是一个有效的解决方案。 欧洲铁路研究所e r r i 、德国西门子公司等欧洲e t c s 系统供应商均研究了 e t c s 仿真系统，用于对系统的功能进行演示和测试。例如：欧洲铁路研究中心开 发了一个e t c s 仿真系统【2 】，能仿真e t c s 等级0 ，等级l 和和等级2 的功能，意 大利佛罗伦斯大学曾于2 0 0 4 年为s c m t 开发出一个基于仿真技术的a t p a t c 测 试系统哪：砌l ( h a r d w a r ei nt h el o o p ) 测试系统。该系统为a t p 中测速设备的测试 提出了一个有效的解决办法，使得设备的验证程序大大简化。它的应用使得人们 不必在现场进行测试，这就降低了测试的费用。而且，测试环境都是可控、可重 复的，这使得不同的解决方案之问可以进行有效的对比。一些极端的测试环境， 6 比如低粘着力等，在实际线路中不可能出现或是很危险，在这里都可以容易地进 行模拟。p d it o m m a s o 4 研究了对e t c s 的地面关键设备r b c 安全性进行测试的 方法，主要是通过仿真方法提供在列车与r b c 之间数据通信异常情况下的测试案 例，来验证髓c 系统的安全性。关于f 】吧s 车载设备的测试，e r l m si n 叮s i g 工 作组发布了较为详细的文档 5 - 9 1 。 国内对列车运行控制系统的研究北京交通大学的轨道交通控制与安全国家重 点实验室和铁道科学研究院等科研院所和企业为代表，除进行了系统原型的开发 外，也对一些控制算法及城市轨道交通中的列车运行控制进行过相关的建模和仿 真工作，但目前尚不具备全面测试手段，相应的系统理论和方法均有许多有待研 究和完善的地方因此，无论是进行具有自主知识产权的列车运行控制系统的开 发，还是对引进的国外系统进行测试验证，都必须对列车运行控制系统的仿真基 础理论和方法进行深入的研究。 国内髓c 仿真的研究刚开始起步，北京交通大学韩胤对r b c 仿真子系统的 界面进行了设训1 0 l ，并对单车发送m a 的算法进行了研究北京交通大学、北京 全路通信信号设计院现在已着手r b c 真实设备的开发 1 3论文研究的意义 我国铁路控制系统的现状，与欧洲发展e 1 s 之前的铁路状况有很多相似之 处。目前，我国正在借鉴欧洲e t c s 的成功经验，研究适合我国国情的中国列车 控制系统( c t c s ) ，制定c i s 技术规范。 c r c s 2 系统及技术规范已经由铁道科学研究院通号所、北京交通大学以及通 号总公司研究设计院等多家单位共同研讨制定。但是c t c s 3 级系统只是在系统等 级进行了相应的阐述，适于客运专线的c t c s 3 级技术规范和关键技术正在研究 之中，建立c t c s 3 列控系统综合仿真测试平台可以为系统的设计研究及设备集成 提供良好的辅助设计、研发平台、验证测试平台，用于c t c s 3 列车运行控制系统 的系统研究、方案比较、设备测试评估等，还可为c t c s 级别更高系统的发展提 供先进的技术途径和管理运作方式，为未来轨道交通管理的其它领域的协调发展 提供前提条件。 c r c s 3 级列控系统仿真测试平台是列控系统的平台，故测试不仅仅要测试待 测子系统具体功能的实现，而且同样重要的是要测试待测子系统的安全水平或等 级。设计合适的安全完善度等级( s a f e t yi n t e g r i t yl e v e l ，s i l ) ，控制系统的复杂度 和成本的同时，也要控制系统的安全性。 c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的建立为今后c t c s 3 级系统标准技术规范的 7 建立以及日后c t c s 3 级标准系统的测试提供了宝贵的完善和借鉴意义 1 4 论文主要工作 论文通过对a s 3 级列控系统仿真测试平台组成结构、各部分功能的分析和 研究，在结合e t c s 2 级需求规范的基础上，对r b c 仿真子系统进行了研究，实 现了对c 】呛s 3 级r b c 子系统的仿真。 论文是在韩胤硕士论文的基础上进行系统功能扩充的【1 3 1 ，先前完成的工作主 要有：设计了软件界面、完成给一辆车发送行车许可( 串口发送) 以及计算行车 许可的算法设计、r b c 交接算法设计。 论文新增的功能有：给车载发送线路参数信息、临时限速信息，向联锁为列 车请求进路、从c t c 分机接收临时限速信息、通过g s m - r 给列车发送行车许可、 控制多车运行本文对r b c 交接过程的通信内容和具体实现过程以及生成行车许 可的算法按照s r s 的要求进行了重新设计并重新设计了数据库的内容。 论文阐述的内容如下： 第一章：对国内外列控系统以及列控系统仿真进行简单介绍，综述了c t c s 3 级的主要特点，对论文研究的意义及主要工作进行描述。 第二章：介绍了c t c s 3 级仿真测试平台的功能，并具体介绍了各组成部分的 详细功能 第三章：对r b c 仿真予系统进行了概述，并介绍了r b c 仿真子系统的主要 功能 第四章：设计了r b c 仿真子系统软件总体框架、r b c 与其他子系统的接口、 r b c 的数据库，定义了程序中要使用的结构体变量和车地问通信的数据格式 第五章：描述了仿真子系统的具体实现，并对系统联调进行概述。 第六章：对r b c 仿真子系统设计开发作了简要的总结，分析了一些不足之处， 并展望了以后的进一步工作。 8 2c t c s 3 级仿真测试平台功能设计及各组成部分描述 c 】r c s - 3 级列车运行控制系统是中国列车运行控制系统( c r c s ) 的重要组成 部分之一，它采用无线通信系统( 如g s m r ) 实现地面列车之闻连续、双向的 信息传输，即c t c s 3 级是基于无线通信的列车运行控制系统f l l l 。 c t c s - 3 级中列车的间隔控制采用固定闭塞方式，列车速度控制采用目标距离 模式控制( d i s t a n c et og o ) 方式，轨道电路仅用于列车占用检查和列车完整性检 查，测距修正的定位基准及运行方向等信息由线路上安装的固定应答器提供。无 线闭塞中心( r a d i ob l o c kc e n t e g ，简称r b c ) 根据固定闭塞信息及进路信息产生 行车许可( m a ) ，并通过g s m - r 传输到列控车载设备，其他与列车运行控制有关 的信息如临时限速及线路参数等也通过g s m - r 传输到列控车载设备 2 1平台功能需求 原理演示 仿真平台的主要功能是仿真c t c s 3 的工作原理。同时支持c r c s 2 的仿真及 c t c s 2 和c t c s 3 之间的互联互通的仿真。通过软件升级可以实现c r c s 4 的仿真。 仿真的内容主要包括：( 1 ) 车载设备的主要功能；( 2 ) 地面设备( 含r b c ，列控中 心，微机联锁，c t c 车站分机，应答器，轨道电路等) 的主要功能；( 3 ) 各主要实体 之间的信息流程( 包括：微机联锁，列控中心，p b c 。车载设备，c t c 车站分机， 地面应答器和车载查询器等之间的信息交互过程) 。 关键设备测试评估 为关键设备或关键部件的研发测试和评估测试提供环境，如车载设备( 含安 全计算机。m m b t m ，r t m ，司法记录器等) ，无线闭塞中心r b c 等，实现功能测 试、安全性测试和互联互通测试等。 能根据被测设备的特点，对仿真测试平台的资源进行动态配置，快速搭建相 应的测试环境，通过自动选择和执行测试案例，自动统计测试结果，实现对相关 设备和部件的自动测试。 系统实际方案的验证和评估 通过对仿真系统的资源迸行配置，对一条实际线路的c t c s 3 系统的各种设计 方案进行验证和比选。 研发平台 利用该平台为基础，对各种控制算法进行验证 9 图2 qc t c s - 3 级仿真测试平台总体结构 f i g u r e 2 - la r c h i t t m eo f t h ec t c s - 3s i m u i n t i o na n dt 8 f i n gp l a t f o r m 2 2 地面子系统的描述 c r c s 3 级地面部分主要由无线闭塞中心( r b c ) 、微机联锁、列车运行仿真平 台、c r c 分机、列控中心等几部分组成 无线闭塞中心( r b c ) 无线闭塞中心为一种基于计算机的系统，用于处理从各种外部地面系统接收 到的信息以及与各种车载子系统交换信息。这些信息均为安全数据，通过g s m - k 网络进行彻底双向信息传输。 在c r c s 3 中，r b c 的主要功能是： 通过不同的车载设备号来获得管辖范围内列车的信息； 向联锁设备请求相关列车的进路信息； 为将要越过边界的列车向相邻r b c 请求r b c r b c 边界前方的进路相关 信息； 接收c t c 发送的临时限速信息，并将列车车次号和位置信息发送给c t c ； l o 根据轨道电路占用情况、进路相关信息和列车的位置报告信息为管辖范围 内的每列车生成行车许可； 通过g s m - r 无线传输网络给管辖的列车发送行车许可、临时限速、线路 参数 c t c 分机 c t c 产生列车运行计划，调度命令，临时限速，进路设置命令等信息，并将 它们发送到各个c t c 车站分机中，再由各个c t c 车站分机发送到相关的单元部件 中；另外将从r b c 、微机联锁等子系统采集到的信息发送到c t c 总机 r b c 从c t c 车站分机接收临时限速信息，同时将列车的运行状态发送给c t c 车站分机 联锁系统 车站微机联锁的基本功能是根据c t c 的调度命令为列车搜索出进路，进行选 捧一致性检查，如果道岔位置不符合进路要求则形成相应的道岔控制命令在进 路上的道岔全部转换到规定位置后，检查进路中的所有区段进行空闲，包括侵限 界的道岔区段检查；检查道彷位置是否正确；检查照查条件，一旦上述三个条件 都满足，实现进路锁闭功能。信号开放功能为检查进路信号开放条件是否满足， 若满足时形成防护该进路信号机的开放命令；信号保持子模块的功能为不间断地 检查信号开放条件，条件满足时使信号机保持开放，否则使信号机关闭；进路的 解锁模块功能包括正常解锁、取滑进路解锁、人工延时解锁、故障解锁等【1 2 1 h l 。 r b c 向微机联锁发送进路请求以及取消等命令，而从微机联锁接收进路请求 返回等数据。当微机联锁检测到所摊进路出现故障后应及时通知r b c 。 列控中心 列控中心是设于各车站的列控核心安全设备，在c t c s 2 级中，列控中心根据 调度命令、进路状态、线路参数等产生进路及临时限速等相关控车信息，通过地 面有源应答器及轨道电路传送给列车。在c t c s 3 级中，列控中心产生进路、发送 临时限速的功能被r b c 取代，列控中心主要完成向r b c 报告列车占用检查等相 关信息以及向c t c 车站分机报告轨道电路的状态信息的功能。 2 3 车载设备描述 车载设备功能 c t c s - 3 级车载设备的主要功能包括【1 4 1 ： 通过g s m - r 接收地面传输的行车许可、临时限速及线路参数等信息： 通过g s m - r 向地面设备传送列车的动态信息( 如列车速度、位置等) ： 接收地面应答器提供的定位基准信息、列车运行方向信息、等级转换等； 实时测量列车的运行速度和走行距离等； 实时计算目标距离模式控制曲线，监督列车安全运行； 列车速度超过允许速度时，根据超速情况自动实施常用制动或者紧急制 动： 显示列车的运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等： 以语音或声光报警方式显示工作状态； 具有运行记录功能( 记录c 3 系统设备状态、司机操作等信息) c 爪= s 3 级车载设备的构成 c t c s - 3 级车载设备的组成包括： 车载安全计算机( v i t a lc o m p u t e r ) ：安全计算机是列控车载设备的控制核 心，负责从车载设备各个模块获取信息，依据轨道电路信息、列车制动力、 线路坡度、列车运行速度等信息，按照列车牵引计算模型的要求，生成制 动模式曲线并把列车运行速度与模式曲线相比较，必要时通过故障安全 电路向列车输出制动信息，控制列车安全运行。 轨道电路信息接收模块s t m ( s p e c i f i ct r a n s m i s s i o nm o d u l e ) ：孰道电路信 息接收模块通过s t m 天线( 感应器) 接收轨道电路的信息，解调轨道电 路上传的信号信息，并将解调的信息传递给安全计算机，为安全计算机生 成制动模式曲线提供依据( 注：如果列车只在c t c s 3 级中运行s 1 m 模块 是不需要的，考虑到c r c s 2 中列控中心是重要的组成部分，c r c s 3 有可 能叠加在c t c s 2 上，所以在c t c s 3 级列控车载设备中保留了s t m 模块) 。 记录器：通过记录列控车载设备的动作、状态、司机的操作等信息，可将 行车及列控车载设备自身运行状况的关键数据记录下来，并可将数据下载 到地面分析管理微机，进行设备运行状况分析。 应答器信息接收模块b t m ( b a l i s et r a n s m i s s i o nm o d u l e ) ：应答器信息接 收模块通过b t m 天线，接收来自地面应答器的信息。在c t c s 3 级中，来 自应答器的主要数据是应答器组编号。 g s m - r 移动台：车载设备通过g s m r 移动台与r b c 进行无线数据传输。 2 4 三维视景输出 1 2 其功能为根据列车运行仿真平台实时传过来的列车速度、位置等信息，将实 际司机所见到的视景比较真实的模拟出来，呈现在三维视景主机显示屏上 2 5 仿真管理器 完成仿真管理任务规划、初始化设置、管理控制、回放、结果分析和操作仿 真模式的初始化设置、同步各仿真器的工作、仿真场景的管理和切换等功能 2 6 数据流图 c t c s 3 级列控系统仿真测试平台主要仿真实体构成和各仿真实体间的信息交 互流程及内容如2 - 2 所示。 图2 - 2c t c s 3 级仿真测试平台主要实体数据流图 f i g u r e 2 - 2d a t a 蚰 e a ma m o n gs u b t e r n so f t h ec t c s - 3s i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r m 3r b c 仿真子系统分析 3 1r b c 仿真子系统概述 在c t c s 3 级列控系统中，r b c 通过专用无线通道从车载设备接收到列车定位 等信息，并根据下层信号系统的情况确定每列列车各自的行车许可并向列车发送 该许可，允许列车在r b c 管辖的区域内安全运行对r b c 互联互通需求体现在 髓c 与车载子系统的数据交换上 r b c 应该和各种外部系统相互合作包括： 机车车辆数据系统 地面特征和地面坐标系信息系统 g s m - r 接入服务器 联锁系统 相邻r b c c r c 车站分机 列控中心 在仿真平台中有真实的联锁设备，车载设备，也有仿真的联锁设备，车载设 备( 列车运行仿真平台中的列车群模拟器) ，c t c 分机，列控中心。这些设备都要 和r b c 进行通信，通信接口如下： ( 1 ) 与微机联锁的接口：r b c 根据车次号微机联锁请求进路信息，微机联锁 向r b c 返回进路请求结果。 ( 2 ) 与列控中心的接口：列控中心向r b c 报告区问轨道电路的占用状态 ( 3 ) 与车站c t c 分机的接口：r b c 接收来自c t c 分机的临时限速信息，并 向c t c 分机报告列车运行状态。 ( 4 ) 与列车运行仿真平台的接口：列车运行仿真平台的主要功能是模拟轨旁 设备的状态，包括区间轨道电路的占用，模拟应答器报文发送，模拟列车群运行 r b c 与列车运行仿真平台的接口是与列车群模拟部分交换信息。 ( 5 ) 与地面g s m - r 系统的接口：r b c 接收通过g s m - r 传输的列车车次及 运行状态信息，生成行车许可发送给地面g s m r 系统。 ( 6 ) 与相邻r b c 的接口：r b c 从相邻r b c 获得边界点前方的进路信息，给 相邻r b c 发送即将驶入相邻r b c 管辖区域的列车信息 r b c 仿真子系统与其他系统之间的数据流图如图3 1 所示： 1 4 图3 1 耻| c 与其他子系统之间的数据流 f i g u 穗3 - 1 咖时啪b 西w 嘲r 盯蛐d o 山嚣删b | y 嘲即雌 3 2r b c 主要功能介绍 r b c 根据从外部地面系统接收到的信息( 即股道占用，进路状态) 以及与车 载子系统交换的信息( 位置报告) 生成发送给列车的消息。这些消息的主要目的 是提供行车许可( m a ) ，使列车在r b c 管辖范围内的线路上安全运行。r b c 的主 要功能包括： 3 2 1数据库管理 r b c 要给车载发送行车许可，线路参数等信息，光靠列车的位置报告信息是 不够的。需要为r b c 建立地面特征和地面坐标数据库，r b c 结合数据库中的信息 才能生成完整的控车信息。这些静态数据库主要用来描述r b c 管辖范围内的线路 特征，主要包括：区间表、区段表、坡度表，曲率表，应答器组表，进路表信息 等。数据库的具体内容在第四章会有详细介绍。 3 2 2无线通信管理 无线通信管理包括建立通信会晤、保持通信会晤、终止通信会晤。任务开始 后，车载设备只有和r b c 建立通信会晤，r b c 才可以和车载设备进行有效数据传 输。当通信会晤建立后，如果安全连接偶然中断但r b c 未发出断开连接的指令时， 相关实体都应认为通信会晤仍然是建立的。当车载设备给r b c 发送通信会晤结柬 消息的后，r b c 与车载间的无线通信连接拆除 3 2 3更新司机负责的列车参数数据库 r b c 如果要安全地控制列车运行，它必须知道列车的参数。r b c 获得列车参 数有两个途径：第一种是司机通过d m i 输入，由车载设备发送给r b c ，第二种是 在r b c 交接过程中，由移交r b c 发送给接收r b c 。 3 2 4生成并发送行车许可 行车许可的特征和结构【1 5 1 r b c 收到车载设备的行车许可请求后，就要结合之前收的列车位置报告信息， 线路参数等数据给列车生成行车许可。行车许可( m a ) 具有下列特征( 见图3 - 1m a 的结构) ： 行车许可终点( e o a ) 是指列车被授权运行到的位置； e o a 的目标速度是指e o a 的允许速度；当目标速度不为零时，e o a 被称为 限制性许可( l o a ) ，目标速度可以受时间限制； 如果不存在保护区段，则危险点位于列车前端可以无危险到达的e o a 之外的 地方； 保护区段的终点( 如果既有的联锁系统使用保护区段) 位于列车前端可以无 危险地到达的危险点之外的地方，这一附加距离只在规定时间内有效； 开口速度是指当目标速度为零时允许列车在e o a 附近运行的最大速度。可以 定义一个与危险点相关的开口速度和另外一个与保护区段相关的开口速度。开口 速度也可以由车载设备计算； m a 可以分为若干个区段，最后一段称为末区段： 每个区段都设置一个首次超时值。这个值用于定时结束但列车尚未进入进路 时取消相关进路，称之为区段超时； 另外，可以给m a 的末区段设置一个二次超时值。二次超时值用于取消被列 车占用的末区段，称之为末区段超时。 1 6 一一一一一一- 、 区段( 1 )区段( 2 ) = 末区段 【卜_ 】信号机( 可选) 图3 - 2m a 的结构 f i g u r e3 - 2 m as w a d a n 到许可终点( e