（交通信息工程及控制专业论文）CTCS3级列控系统车载子系统仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 列车运行控制系统( 简称列控系统) 是保障行车安全的重要设备，对 于提高行车自动化控制水平、运营效率以及管理自动化水平具有重要的意 义。c t c s 3 级列控制系统是基于无线通信的列车运行控制系统，它实现了车 一地间信息的无线连续传输，更进二步缩短了铁路行车间隔、提高了运输效 率。在现阶段，由于实际的c t c s 3 级列控系统还未投入运行，那么，通过 在实验室建立c t c s 3 级列控仿真系统，同时参照设计院的实际c t c s 3 级线 路数据，实现对列控系统及线路设计事前的研究与分析，及早发现问题， 就显得很有意义。 本文通过研究c t c s 3 级列车运行控制系统的总体技术规范和功能需求， 进行了c t c s 3 级列控仿真系统结构设计和功能需求分析，并通过面向对象 程序设计语言实现了其中的车载仿真子系统。文中阐述了动车组的多质点 模型，分析了动车组牵引力、制动力、运行阻力的电算方法，实现了4 种 型号动车组的运行计算。文中还描述了高速列车目标距离模式曲线算法， 完成了车载设备地面信息的接收及处理和速度防护功能。同时，参考d m i 设计规范实现了仿真驾驶界面。通过列车群触发器，实现了列车的自动连 续发车。还研究了列车自动运行的简单策略，实现了列车了自动运行。最 后，以仿真实验中的记录数据为依据，进行线路通过能力分析，追踪间隔 评估。 关键词：列控系统；c t c s 3 ；车载设备；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a o t a sa 1 1i m p o r t a n tt r a f f i cs a f e t yp r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，t r a i nc o n t r o ls y s t e mh a st h e a b i l i t y t oi m p r o v et r a f f i ca u t o m a t i o na n dc o n t r o l ，o p e r a t i o n a l e f f i c i e n c ya n d m a n a g e m e n t c t c s 3c o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c h r e a l i z e sw i r e l e s sc o n n e c t i o nb e t w e e nv e h i c l ea n dt r a c k s i d e s oi tm e a n sm o r e e f f i c i e n c yi nt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , u n t i ln o w , t h ea c t u a lc t c s 3h a sn o tb e e n p u ti n t oo p e r a t i o n ，s ot h er e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no fc t c s 3i ss i g n i f i c a n t t h e s i m u l a t i o ns y s t e mi sb a s e do nt h er e a lc t c s 3d a t aw h i c hi sf r o mt h et r a i nd e s i g n i n s t i t u t e a n di nt h i sw a y , t h es y s t e mc a na n a l y s e sd i f f e r e n ts i t u a t i o n sa n dd e t e c t s e r r o r sb e f o r eo p e r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i tr e p r e s e n t st h er e s e a r c ha b o u tt h es t a n d a r d sf o rc t c s 3a n d f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h e na n a l y s e st h es t r u c t u r eo fs i m u l a t i o ns y s t e m ，a n d f i n a l l yc a r r yo u tt h es i m u l a t i o no ft r a i n - c a r r i e de q u i p m e n tw i t h v i s u a lc + + l a n g u a g e i td e s c r i b e sm u l t i p a r t i c l em o d e lo fe m u ( e l e c t r o n i cm o t i o nu n i o n ) ， a n a l y s e st h ec o m p u t e r i z e dc a l c u l a t i o nm e t h o ds u c ha sb r a k i n gp r o p u l s i o n ，b r a k e a n dr u n n i n gr e s i s t a n c e ，a n dr e a l i z e st h ea l g o r i t h mc a l c u l a t i o no ff o u rt y p e so ft r a i n m o r e o v e r , i ts h o w st h ec u r v ea l g o r i t h mo fd i s t a n c e - t o - - g om o d e li nh i g h - - s p e e d t r a i na n dt h ec a p a c i t yt or e c e i v ea n dp r o c e s si n f o r m a t i o ng e t t i n gf r o mt r a c k s i d e e q u i p m e n t sa n dd e s i g n st h ed m i ( d r i v e rm a n i p u l a t ei n t e r f a c e ) w i t ht h er e f e r e n c e o ft h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s m e a n w h i l e ，i ta n a l y s e ss o m eb a s i cs t r a t e g i e sa b o u t a t o ( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ) ，a n dw i t ht h et g f f ( t r a i ng r o u po ff l i p f l o p ) ， i ta l s oc a nd e p a r tt r a i na u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y a tl a s t ，i tr e c o r d st h ed a t a c o l l e c t e df r o mt h es i m u l a t i o ns y s t e ma n da n a l y s e st h ec a p a c i t yo fr a i l w a ya n d a s s e s st h ei n t e r v a l sb e t w e e nt r a i n s k e y w o r d s ：t r a i nc o n t r o ls y s t e m ；c t c s 3 ；t r a i n c a r r i e de q u i p m e n t ；s i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密区使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 王黎 日期：2 眇) 铷日1 6 0 指导老师签名： 日期： 眇， f 乙 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 根据c t c s 3 级列车运行控制系统的技术规范和功能，设计完成 c t c s 3 级列控系统中的车载子系统的仿真。 2 根据建立的列车多质点模型，实现了动车组的牵引制动电算，同时模 拟了四种型号的动车组。 3 设计了列车群触发器，并通过简单的自动驾驶策略，实现了列车的自 动发车和运行。 研 i j 彖 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国铁路正处于高速发展时期，干线列车提速、客运专线、高速 铁路建设正在全面进行。随着铁路运输压力的增大，对于列车运行控 制系统的要求也日益提高。原有的基于轨道电路的列车运行控制系统 已经不能满足更安全、更快捷、更舒适的铁路运行要求了，新一代列 车运行控制系统，也就是基于通信的列控系统将发挥非常重要的作 用。 在列车运行控制系统中，车载设备对列车的安全运行提供直接保 障。而在车载设备中，核心的就是我们所说的a t p 设备。a t p 对列车 运行速度进行连续监督，当列车实际速度超过允许值时，控制列车进 行最大常用制动或紧急制动，使列车停在目标点的前方。当今世界， 法国、德国、美国和日本等的铁路信号生产厂商已经相继研发出了面 向3 0 0 k m h 以上动车组的车载a t p 设备，而且大多数已经成功投入实 际运营中。目前，我国在第六次大提速后，c t c s 2 级列控系统成功投 入了营运，但是我国对于车载a t p 的研究还处于起步阶段，运行在我 国铁路动车组上的车载a t p 设备，主要还是采取从国外引进的方式， 所以，在现阶段，通过全面地对a t p 功能和设备的研究，早日实现技 术突破，显得相当地急迫。 由于我国现阶段的这种情况，计算机仿真技术就有了很大的用武 之地。我国虽然在列车运行仿真的研究方面已做出不少成果，根据仿 真研究成果，也提升了铁路运输的整体运输能力和管理水平。但是， 在列控系统方面的仿真研究，都只局限于实体设备的测试，而没有一 个完全模拟列控系统的功能性仿真系统。本文就是在此背景下，根据 铁道部颁布的c t c s 3 级列控系统总体技术方案和需求规范，对c t c s 3 级列控系统的车载设备进行了功能性仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国外列控系统车载设备的仿真与研究 1 2 1 国外列控系统车载设备的现状 国外列车运行控制系统应用比较普遍，各种速度的铁路都有运 用，但在高速铁路上的应用更显示出其高水平和具有代表性。目前， 高速铁路正在欧洲和亚洲快速发展，已通车或正在建设中的高速线路 多达十几条，其列控系统各不相同，主要有法国u t 、日本a t c 和数 字a t c 、德国l z b 8 0 、欧洲e t c s 等系统设备心1 。 ( 1 ) 德国l z b 8 0 系统 德国l z b 系统是基于轨道电缆传输的列控系统，是世界上首次实 现连续速度控制模式的列控系统，技术上是比较成熟的。 l z b 利用轨道电缆作为车一地间双向信息传输的通道，另外，用轨 道电路来检查列车占用，轨旁设备较多，给维修带来不便。l z b 以地 面控制中心为主，计算制动曲线，车载设备智能化不够，不进行制动 曲线的计算。同时，与其他列控系统兼容比较困难。 ( 2 ) 日本a t c 系统 从1 9 9 1 年日本铁路方面开始试验数字式a t c ，亦称i a t c ，现在 东海道新干线上已开通运用了一段。 数字式a t c 采用目标距离一次制动模式曲线方式，车载设备根据 地面轨道电路传送来的信息和各开通区间的长度，求取与前方列车所 占用区间的距离，综合线路数据、制动性能和允许速度等计算出列车 运行速度，若列车接近前方减速点时，即刻生成目标距离一次制动模 式曲线。目标距离一次制动模式曲线缩短了制动距离，并可根据列车 性能给出不同的模式曲线，提高了运输效率凹，。 ( 3 ) 欧洲e t c s 系统 欧洲是世界轨道交通最发达的地区，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互行，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 技术规范阳1 。e r t m s e t c s 是一个先进的列车 自动防护( a t p - a u t o m a t ict r a i np r o t e c tio n ) 系统和机车信号( c a b 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 s i g n a li 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过境时 实现互通营运。 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5 个发 展等级，所研制开发的机车上的设备能适应各种等级的情况。由九个 欧洲信号公司组织成的联盟e r u 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19 9 8 年展开， 试验速度2 5 0 公里小时。 e r t m s e t c s 技术规范核心思想是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h 1 。 1 2 2 国外列控系统车载设备的仿真研究 国外铁路部门对仿真技术非常重视，已开发出具有模拟调度，列 车运行和站内闭塞监视等功能的全铁路仿真系统。2 0 0 0 年2 月，由 u n i s i g 组织公开发布了e m s e t ( e u r o c a bm a d r i d - s e v i l l ee u r o p e a n t e s t s ) ，指导委员会( s c ) 和e m s e t 项目联合委员会( p p c ) 在实验 室内部建立测试平台，用以测试和确定e r t m s e t c s 各级系统功能， 包括对现有系统用于高速线路的欧洲传输网络的使用的互用性引。 2 0 0 5 年i1 月，u n i s i g 组织建立了车载测试仿真平台，用来测试 e r t m s e t c s 各级车载系统，该测试平台按照e r t m s e t c s 规范设计， 可以适用于e t c s 等级卜3 、s t m 。该仿真测试平台包含了各级轨旁仿 真器、速度传感仿真器、列车运行仿真平台、欧洲环线信号发生器、 应答器信号发生器等。该仿真测试平台比较具有代表性引。 在高速铁路方面，国外还有a t p 铁路运行仿真系统。该系统由地 面列控中心和模拟列车组成，可以按照高速铁路系统的实际运行机制 动态实时的仿真各种a t p 策略。高速列车运行状态仿真系统，以线路 参数( 坡道、线路限速等) 和列车参数为基础，对列车进行动态仿真 和故障模拟，给出高速列车动态运行的全部过程及运行时的速度一时 间曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 但这些仿真系统中列车收到的地面信息只限于轨道电路的低频 信息，列车上直接存有线路全部参数。而实时传输线路参数和行车许 可给列车的列控仿真系统，目前一直没有出现。 1 3 我国c t c s 系统车载设备 中国列车运行控制系统c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 是 为保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的技术规 范。c t c s 系统的基本功能：在不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下， 有效地保证列车运行安全阳3 。c t c s 系统车载设备的主要功能包括： 安全防护 在任何情况下防止列车无行车许可运行； 防止列车超速运行； 防止列车溜逸； 测速环节应保证一定范围内的车轮滑行和空转不影响a t p 功 能，并具有轮径修正能力 人机界面 为机车乘务员提供的必须的显示、数据输入及操作装置。 能够以字符、数字及图像等方式显示列车运行速度、允许速 度、目标速度、目标距离； 能够实时给出列车超度、制动、允许缓解等表示以及设置故 障状态的报警； 机车乘务员输入装置应配置必要的开关、按钮和有关数据输 入装置； 具有标准的列车数据输入界面，可根据营运和安全控制要求 对输入数据进行有效性检查。 检测功能 具有开机自检和动态检查功能； 具有关键数据和关键动作的记录功能及检测接口。 可靠性和安全性 按照故障导向安全原则进行系统设计； 采用冗余结构； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 满足电池兼容相关标准。 1 4 论文研究的意义 目前，我国在列控系统的设计、施工与实施上并没有多少成熟经 验与规范可以借鉴，设计方案是否优化? 技术条件是否可行? 设备实 用性如何? 这些问题都应当进行事前的研究与分析。但是，我国这方 面研究还不够，许多问题都是通过现场试验解决的，这种方法即耗费 大量的入力、物力、时间及巨额的试验费用，又不完善、科学，许多 事故或危险情况由于条件限制，不允许进行实物试验，因此，无法分 析、研究许多试验不能覆盖的事件。所以，鉴于这方面的原因，我们 通过计算机仿真，实现对列控系统进行事前的研究、分析与仿真。 在线路信号技术条件确定、初步设计完成后，使用计算机仿真技 术对设计适应性、线路通过能力进行试验，及早发现问题，是很有意 义的。随着c t c s 3 级客运专线列车控制系统技术方案的制定，c t c s 3 级列控系统也进入了开发阶段，在这样一个时期，急需对技术原则可 行性和设计方案的合理性进行研究和评估，因此有必要构建一个基于 c t c s 3 级列控系统仿真测试平台，为关键技术的研究及以后关键设备 的测试提供良好的条件。同时，以仿真实验中的记录数据为依据，进 行线路追踪间隔评估，通过能力分析。 1 5 论文主要内容 本文通过仔细分析和研究c t c s 3 级列控系统的技术条件、系统需 求规范、设备配置，描述了c t c s 3 级列控仿真系统的系统结构及各子 系统功能，详细分析了车载设备仿真子系统的各模块功能，使用 v is u a lc + + 6 0 设计实现了车载设备子系统的仿真。 第一章绪论。首先介绍了国内外列控系统发展和仿真系统研究 的现状，阐述了研究和开发c t c s 3 级列控仿真系统的意义。 第二章列控系统介绍和列控仿真系统的分析。首先对c t c s 3 级 列控系统的基本结构、车载设备和地面设备进行了概述。然后分析了 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 c t c s 3 级仿真系统的系统结构及功能需求，包括各子系统的功能需求 和各子系统间信息流。 第三章车载设备仿真子系统分析及总体设计。本章分析了车载 设备仿真子系统的结构，对结构进行了模块化分析，抽取了各个模块 的详细功能，并分析了系统的数据流。 第四章动车组多质点模型运行计算。通过对动车组运行进行受 力分析，研究了列车运行的多质点模型，提出了牵引力、运行阻力、 制动力、加速度、速度、位移的电算方法。 第五章车载仿真子系统的实现。本章实现了车载仿真的功能， 首先，介绍了车载仿真子系统的界面设计方法，其中包括仿真驾驶主 界面、数据输入界面和列车群模拟器界面；然后，介绍了超速防护模 块的实现，包括目标距离模式曲线仿真算法、a t p 模式及模式切换； 接着介绍了自动运行的简单策略和地面设备信息接收及处理，其中包 括最严格速度限制曲线的合成算法：最后展示了系统运行和调试的图 片。 结论对本文进行的工作进行了总结，并对下一步工作中应该解决 的问题作了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章列控系统和列控仿真系统分析 c t c s 3 级列车运行控制系统简称c t c s 3 级列控系统，是我国铁路 即将投入运营的客运专线保证列车行车安全、提高列车运行效率的重 要技术设备。c t c s 3 级列控系统采用g s m - r 无线通信技术，实现地面一 列车间连续、双向的信息传输，即c t c s 3 级是基于通信的列车运行控 制系统，同时也兼顾c t c s 2 级列控系统的所有功能 1 。 我们的列控仿真系统，就是在实际c t c s 3 级列控系统的基础上， 根据实验室具体环境和条件，通过对实际系统的功能抽取，进行的功 能仿真。 2 1c t c s 3 级列车运行控制系统概述 在c t c s 3 级列控系统中，闭塞制式采用固定闭塞的方式，列车速 度控制采用目标距离模式控制( d i s t a n c e - t o - g o ) 方式，轨道电路仅 用于列车占用检查和列车完整性检查，线路上安装的应答器提供测距 修正的定位基准及运行方向等信息。无线闭塞中心( r a d i 0b 1o c k c e n t e r ，以下简称r b c ) 根据轨道电路低频信息及联锁提供的信号授权 信息产生行车许可，通过g s m - r 传送到列控车载设备，其他与列车运 行控制系统有关的信息，如临时限速及线路参数等，通过无线通信系 统传输到列控车载设备上阳1 。 2 1 1c t c s 3 级列控系统基本描述 c t c s 3 级列控系统包括地面设备和车载设备。地面设备由r b c 、 列控中心( t c c ) 、z p w - 2 0 0 0 ( u m ) 系列轨道电路、应答器( 含l e u ) 、 g s m r 通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机( v c ) 、g s m - r 无线通信单元( r t u ) 、轨道电路信息接收单元( t c r ) 、应答器信息接 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 收模块( b t m ) 、记录单元( j r u d r u ) 、人机界面( d m i ) 、列车接口单 元( t i u ) 等组成。 其 图2 1c t c s 3 级列车运行控制系统结构 2 1 2 c t c s 3 级列控系统地面设备 c t c s 3 级地面设备主要包括无线闭塞中心( r b c ) 、应答器、轨旁 电子单元( l e u ) 、轨道电路、列控中心( t c c ) 和临时限速服务器。 应答器是向车载设备传送报文的点式设备，它提供上行传输链 路、固定信息、与轨旁电子单元( l e u ) 连接时提供可变消息。应答 器可按组的形式使用，每个应答器传送一个报文，所有报文组合构成 应答器的消息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 轨旁电子单元( l e u ) 是根据地面设备提供的信息来生成应答器 要传输报文的电子设备。 无线闭塞中心( r b c ) 根据外部地面设备提供的信息以及与车载 设备交互的信息生成发送给列车的消息，这些消息的主要目的是生成 行车许可，使列车在r b c 的管辖范围内的线路上安全运行。r b c 通过 车地无线通信系统向其控制范围内列车的车载设备传送行车许可及 线路描述等信息。 轨道电路实现列车的占用检查，同时为c t c s 3 级后备系统提供前 方空闲间隔信息。 列控中心( t c c ) 实现轨道电路编码功能，并向r b c 传送列车占 用信息，同时应能通过l e u 及有源应答器向c t c s 3 级后备系统传送临 时限速信息和进路信息。 临时限速服务器集中管理临时限速命令，分别向r b c 、t c c 传递 临时限速信息。 2 1 3 c t c s 3 级列控系统车载设备 c t c s 3 级列控系统车载设备包括安全计算机( v c ) 、轨道电路信息 接收单元( t c r ) 、应答器传输模块( b t m ) 及应答器天线、人机界面 ( d m i ) 、无线传输模块( r t m ) 、列车接口单元( t i u ) 、测速测距单元 和司法记录器( j r u ) u 2 1 。 车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时 限速等信息和动车组参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态 速度曲线，监控列车安全运行。 轨道电路信息接收单元接收轨道电路的信息。 应答器传输模块通过与应答器天线的连接，接收地面应答器的信 息。 无线传输模块通过与g s m - r 车载电台连接，实现车一地双向信息 传输。 人机界面实现司机与车载设备之间的信息交互。 列车接口单元提供安全计算机与列车相关设备之间的接口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 测速测距单元接收测速传感器等设备的信号，测量列车运行速度 和运行距离。 司法记录器仅用于记录与列车运行安全相关的数据，并在需要时 下载进行数据分析。 2 2 c t c s 3 级列控仿真系统结构及功能需求 本系统作为仿真平台，实现了c t c s 3 级列控系统功能仿真，仿真 主要内容包括：车载设备的功能、地面设备的功能( 含r b c ，列控中 心，车站联锁等) 、控制中心( 线路及运行显示) 和各主要实体之间 的信息流程。作为测试平台，主要对线路设计的合理性进行验证。 2 2 1 列控仿真系统结构 c t c s 3 级列控仿真系统主要由地面和车载两大部分构成。其系统 结构如图2 2 所示。 图2 2c t c s 3 级仿真系统总体结构图 c t c s 3 列控仿真系统地面部分包括： 无线闭塞中心( r b c ) ，利用计算机仿真实现无线闭塞中心 ( r b c ) 的基本功能，最主要的就是行车许可生成、临时限速 信息及地面数据的发送； 地面设备仿真子系统( 列控中心) ，利用计算机仿真实现列控 中心的基本功能，实现全线轨道电路发码、信号机显示控制、 有源应答器报文生成及发送，发送无源应答器固定报文； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 车站联锁，利用计算机仿真实现车站联锁设备的基本功能， 主要包括区间和站内信号授权的发送，进路的办理等； 系统控制中心，能够显示线路站场及运行的列车、操作车站 进路、生成及下达临时限速命令、设置轨道电路及应答器的 故障、运行计划执行。线路通过能力的评估、通过能力瓶颈 区段识别、投资分析； 地面数据库管理系统，主要负责存储和管理线路静态基础数 据、列控轨旁设备状态信息、仿真试验中的各种状态信息， 完成与仿真控制中心、r b c 、车载设备子系统和列控中心子系 统的数据交互。 c t c s 3 级列控仿真系统车载部分包括： 车载设备子系统，主要实现列车运行计算、a t p 超速防护功能、 仿真驾驶界面、简单自动运行控制、运行记录和地面信息接 收及处理等基本功能； 列车群模拟器，利用计算机实现列车自动发车，根据设定的 发车间隔连续追踪，并实时显示每辆运行列车的运行情况。 c t c s 3 级列控仿真系统各个子系统设备相互独立，通过局域网进 行连接，并预留真实设备接口以便接入真实设备进行设备测试实验。 在本仿真系统中，需实现地面与车载子系统间、地面各子系统间大量 的数据传输及存储，所以，实现各子系统间的通信和信息交互是本仿 真系统的一个关键。能否保证信息及时准确的传送到目标系统，直接 影响本系统是否能正常运行。 2 2 2 各子系统功能需求 1 控制中心： 线路及站场平面图显示，运行列车状态显示； 信号机、轨道电路、应答器状态显示； 车站进路的人工操纵，临时限速命令的拟定及下发； 轨道电路故障设置操作，应答器故障设置操作； 列车群模拟、线路通过能力评估、瓶颈区段识别、投资分析。 2 地面设备仿真子系统： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 信号机显示控制； 轨道电路状态设置及低频信息编码控制： 区间无源及站内有源应答器报文生成； 轨道电路低频信息、应答器报文发送； 临时限速命令的接收及处理； 轨道电路故障设置处理，应答器故障设置处理； 车站进路操作处理。 3 车载仿真子系统： 司机驾驶界面； 动车组牵引力、制动力、运行阻力、速度、里程的电算； 轨道电路低频信息、应答器报文的接收及处理； 目标距离模式曲线计算，速度动态监控及超速防护； 待机、完全、部分( c 2 模式) 、调车、目视、引导、机车信号、 休眠、隔离模式的曲线计算，以及各种控车模式间的切换； r b c 信息的接收及处理； 列车自动运行的控制； 列车自动发车系统( 列车群触发器) ； 列车运行记录信息的显示及查询。 4 数据库子系统： 存储轨旁设备的位置、编号，坡道、弯道、隧道具体的位置 和公里标等线路静态基础数据； 存储应答器、轨道电路、信号机等轨旁设备状态等动态信息； 存储仿真实验中的所有列车运行实迹信息； 负责仿真控制中心与地面设备管理子系统间的数据交互； 存储仿真实验统计分析结果。 5 r b c ： 计算列车移动授权、生成行车许可( m a ) ； 处理紧急消息； 处理r b c 的越区交接； 运行记录； 在需要时，更新列车数据。 6 车站联锁设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 向r b c 发送进路信息，包括：进路类型、进路状态、降级状 态、进路识别号、危险点和溜入危险信息，还要发送信号授 权； 根据列车位置，判断轨道占用情况，生成信号授权； 从r b c 接收列车状态、行车许可、列车位置、列车长度、列 车速度等信息。 2 2 3 各子系统问信息流 c t c s 3 级列控仿真系统各子系统信息交互主要依靠数据库和网络 通信实现。 车载仿真子系统与控制中心仿真子系统、车载仿真子系统与地面 设备仿真子系统、车载仿真子系统与r b c 、控制中心仿真子系统与地 面设备仿真子系统系统、联锁系统与地面设备仿真子系统、联锁与r b c 子系统间通过局域网建立连接，实现控制信息的交互。控制中心仿真 子系统与地面设备仿真子系统、控制中心仿真子系统与r b c 子系统都 须建立与线路数据库的连接，实现线路设备状态以及进路情况的更新 与读取。 车载仿真子系统启动时向r b c 和地面设备仿真子系统发送注册信 息，运行过程中，向它们发送列车位置和速度信息。车载仿真子系统 同时要向控制中心发送用于显示的列车速度、列车位置及防护曲线信 息。在车载仿真系统内部，车载设备要向仿真驾驶界面发送用于显示 的所有信息，包括当前速度、目标距离、目标速度、超速防护曲线等， 同时车载设备要向列车群触发器发送列车位置、当前速度信息、当前 坡度、当前加速度、轨道载频和轨道码序等信息。 地面设备仿真子系统根据列车位置报告，判断轨道电路占用情 况，计算各信号机显示和各轨道电路上的低频信息码，修改数据库中 各信号设备的状态；实时跟踪该条线路运行的列车，并向各车载仿真 平台发送其车头所在轨道区段的低频信息；如果列车车头位置到达应 答器，通过网络向其发送应答器报文。 r b c 子系统主要是向列车发送行车许可信息、线路信息及临时限 速信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 仿真控制中心实时接收列车的位置报告和模式曲线信息，并将其 绘制在线路图上；实时读取线路动态数据库中各轨旁设备的状态，如 信号机显示、轨道区段工作状态、应答器状态，根据设备的状态信息 改变线路图上设备显示；向地面设备仿真子系统发送控制命令，如临 时限速命令、车站进路操作命令等。 联锁系统，负责发送信号授权给r b c ，让r b c 能生成正确的行车 许可。 各子系统间信息流程如图2 - 3 所示。 野列乍盼叁铉慰l 镑，馨择矸 锯列觌逸 线路稚慰 鬻惫赫飘 r b c 馁弓授投请羽l 馅蟹援救 分站联锁 耋跫孽塞j别攀群揽拟勰 定t ， 建喧i “” 鳖i + i 一事盯嘉i 如毒延嵩残车南粤l o 爨餮驻毋露砖挖制谚i趣建笱妒她缝 一 r i 。、。，卜卜一 列曩值落 分鲅蹬锯i 。 p l _ _ 1 膨终勰信崽 l c 2 缎，线弱倍繇。糖畦限德紧冬活 ll 怨渗) 棼载部分 i _ _ _ _ - 腓麓l 地删汾 爿t c c i 瞄网嚣编鸳jl 列肇遽缆 ，# 位戮 疗妒麴| 堑 一i 燕路致麓勿 瑰端设该匆缓馈 隘踺艇涟弼瞪命 裟惫箬_ k 一 及遮 于链示)i 瓷蹒骖艰偿怨 壤蹈铰：承艘蹙岱慧 图2 3c t c s 3 级列控仿真系统的信息流程 嚣缓 一一阳0凌争气删际 钒鲫一 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章车载设备仿真子系统分析及总体设计 c t c s 3 级车载设备仿真子系统是参考c t c s 3 级列车运行控制系统 总体规范和需求说明进行设计的。本车载仿真子系统，主要包括以下 几部分：列车运行计算、地面信息接收及处理、超速防护、仿真驾驶 界面、自动运行控制、列车运行记录。为了实现列车自动运行控制及 连续自动追踪，在仿真系统之外，还包括了列车群触发器。 3 1c t c s 3 级车载设备仿真子系统概述 c t c s 3 级车载设备仿真子系统信息接收及处理模块，接收来自 r b c 、地面设备仿真中心和列车群触发器传送过来的数据信息，对信 息进行处理后，分别传送给其他相应的模块。列车运行计算模块，根 据线路参数和列车的牵引制动特性，实时计算列车的加速度、速度和 位移：超速防护模块，实时生成超速防护曲线，同时把实时的运行速 度与之比对，输出相应的制动命令；自动运行控制模块，在多车连续 自动追踪的情况下，根据超速防护曲线，实时控制列车按合理的工况 运行，保证列车自动运行；仿真驾驶界面，通过图形、文字等方式显 示列车运行的允许速度、目标速度、实际运行速度、超速防护曲线、 运行级别、运行记录和目标距离等，并提供列车运行操作的功能按钮。 列车群触发器，通过接收来自仿真控制中心发送的运行计划，按时触 发列车自动运行，并向列车提供运行所需的基本参数，同时记录所有 列车的运行情况。 3 2 c t c s 3 级车载设备仿真子系统结构分析 3 2 1c t o s 3 级车载设备仿真子系统结构划分 c t c s 3 级车载设备放仿真子系统结构比较简单，主要就是由几个 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 大的功能模块组成，其中包括：列车运行计算、地面信息接收及处理、 超速防护、仿真驾驶界面、自动运行控制、列车运行记录。其总体功能框 图如图3 1 所示。 图3 - 1 车载仿真子系统总体功能框图 3 2 2 c t c s 3 级车载设备仿真子系统模块构成 c t c s 3 级车载仿真子系统是参考实际的c t c s 3 级车载设备的结构 和功能而设计，c t c s 3 级车载设备包括：车载安全计算机、无线通信 ( g s m r ) 车载接口设备( r m t ) 、应答器接收模块( b t m ) 、轨道电路 信息接收模块、测速模块、人机接口、运行记录管理记录单元、输入 模块、输出模块。我们设计的车载仿真子系统对实际系统的功能进行 了抽取，主要包括以下模块：地面信息接收及处理模块、超速防护模 块、自动运行控制模块、仿真驾驶界面模块和列车运行计算模块，同 时，外部还添加一个列车群触发，保证列车自动间隔追踪运行。相对 于实际系统，地面信息接收及处理模块完成应答器接收模块、无线信 息车载接口和轨道电路信息接收模块的功能。列车运行计算模块把实 际的测速转变为系统自己计算速度和位移。c t c s 3 级车载设备仿真子 系统的系统结构框图如图3 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 2 车载设备仿真子系统结构框图 3m 3 c t c s 3 级车载设备仿真子系统功能分析 c t c s 3 级车载设备仿真子系统具有地面信息接收及处理、基于多 质点模型的动车组运行计算、超速防护曲线生成及速度防护、列车自 动运行等主要功能。并能通过良好的仿真驾驶界面，显示列车运行状 态及信息。 3 3 1g i g s 3 级车载设备仿真子系统功能概述 由上面的分析已知c t c s 3 级车载设备仿真子系统的系统结构，车 载设备的功能也就是各组成部分功能的合成。车载设备各组成部分功 能简介： 超速防护，对列车运行控制信息进行综合处理，生成目标距 离模式曲线，包括紧急制动、最大常用制动及允许速度曲线， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 同时进行实时速度比对，按规则输出制动或缓解制动命令： 地面信息接收及处理模块，负责接收和处理来自地面设备的 信息，并对信息进行处理和存储： 列车运行计算模块，基于动车组多质点模型的受力分析，实 时计算列车的运行速度、加速度、走行距离； 列车运行记录，对接收信息、系统状态、司机操作和控制动 作进行记录； 仿真驾驶界面，车载设备与司机交互的接口，显示所有和行 车相关的信息和状态： 自动运行控制模块，通过对超速防护曲线和实际速度的比对， 输出最适合的牵引或制动档位，保证列车自动运行。 3 3 2 各部分功能详细分析 3 3 2 1 仿真驾驶界面模块 仿真驾驶界面提供司机与车载设备的接口，按照规定，驾驶界面 需要向司机显示提示信息、当前c t c s 的等级和运行模式；同时向司 机提供一些报警信息。 本仿真系统驾驶界面显示信息包括：当前运行等级和运行模式、 列车当前速度、允许速度、目标速度、目标距离、报警显示、速度防 护曲线、运行记录信息、当前的低频码序、载频、当前加速度、当前 线路坡度、基本运行阻力。司机输入信息包括：司机i d 、车次号、列 车静态参数( 根据司机对运行动车的选择，会有相应的默认参数，本 系统提供了4 种型号的动车组) 、列车起始位置。司机还需要动车运 行的级别，在本系统中包含c t c s 3 和c t c s 2 级。 仿真驾驶界面模块的功能框图如图3 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 3 仿真驾驶界面模块功能框图 3 3 2 2 地面信息接收及处理模块 地面信息接收及处理模块，分为三个子模块，r b c 信息接收及处 理模块、应答器信息接收及处理模块和轨道电路信息接收及处理模 块。 r b c 信息接收及处理模块接收地面r b c 传送的行车许可、临时限 速、切换信息及线路参数，并把所有信息解包后放入系统中相应的r b c 变量中，同时向r b c 发送注册、请求行车许可及运行状态信息、 应答器接收模块，接收来自地面设备仿真中心传送的应答器信 息，这些信息包括，应答器编号、正反向链接信息、线路信息和临时 限速信息等，并把所有信息解包后放入系统相应的应答器变量中，同 时向地面设备仿真中心发送注册及运行状态信息。在c t c s 3 级运行时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 系统把应答器信息中的里程信息作为位置校正的参照，而且其他数据 不作处理。 轨道电路信息接收模块，接收轨道电路低频信息及轨道载频，在 c t c s 2 级别运行时，低频码序用于推算目标点位置，生成行车许可； 在这个模块中，根据应答器或r b c 提供的线路静态速度信息、临 时限速信息以及车自身的设计速度，我们需要合成最严格速度限制曲 线( m r s p ) 。 地面信息接收及处理模块的功能框图如图3 - 4 所示。 地面信息接收及 处理 应 答 器 信 息 接 收 处 理 轨 道 信 息 接 收 处 理 r b c 信 息 接 收 处 理 m r s p 厶 口 成 图3 4 地面信息接收及处理模块功能框图 3 3 2 3 超速防护模块 超速防护模块根据由地面信息接收及处理模块处理过后的应答 器或r b c 数据，包括线路参数和最严格速度限制曲线，结合列车自身 制动性能、超速防护仿真算法和列车当前的运行模式，在移动授权变 更时，及时生成紧急制动、常用制动和允许速度曲线。 同时，该模块也有速度比较和控制干预功能。它实时比较实际运 行速度和防护曲线，当列车超过防护曲线限制时，输出制动命令。如 果触发最大常用制动，则在速度降到允许速度以下后，输出允许缓解 命令，由司机按钮驾驶界面的功能键进行缓解；如果触发紧急制动， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 则在速度降到o k m h 以后，输出缓解命令，由司机按钮驾驶界面的功 能键进行缓解。 超速防护模块功能框图如图3 5 所示。 3 3 2 4 其他模块 图3 - 5 超速防护模块功能框图 列车运行计算模块，根据事先建立的动车组多质点模型，同时根 据司机选择的牵引制动档位和动车组型号的牵引制动特性，实时进行 列车牵引制动的电算，计算列车运行的距离、实时加速度和速度，相 当于实际系统中测速模块的作用。 运行记录模块，记录列车运行过程中，司机的操作、接收r b c 、 应答器、速度防护动作，作为列车后续事故分析的凭证。在本系统中， 通过对触发制动情况的记录，运行结束后还能分析一些线路设计方面 的问题。 自动运行模块，只在需要列车自动运行的情况下起作用。该模块， 根据列车实时速度和防护速度的比对，还有就是对起模点位置的计 算，选择列车运行的手柄级位，本仿真包括7 个牵引、7 个制动和l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 个巡航共1 5 个档位，保证列车尽量以最高速度沿着防护曲线自动运 行。同时，在列车触发制动后，自动进行缓解操作。自动运行控制模 块，是为了