（交通信息工程及控制专业论文）CTCS3列控系统仿真测试平台——车载设备仿真子系统的研究.pdf

中文摘要 目前，适用于客运专线的c t c s 3 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。 c t c s 3 列控系统仿真测试平台，是根据c t c s 3 级系统组成结构、功能需求， 参照e t c s 2 级的功能需求规范设计的。车载设备仿真子系统是c t c s 3 列控系统仿 真测试平台的一个子系统。本文在分析c t c s 3 级系统组成结构、功能、接口等的 基础上，对车载设备仿真子系统进行研究，分析了车载设备仿真子系统的结构、 功能，描述了核心功能的实现方法，包括最严格静态速度曲线的计算、动态速度 曲线的计算、车载设备工作模式切换，r b c 交接等。基于c + + b u i l d e r6 0 进行了 c t c s 3 级车载设备仿真子系统的软件开发，实现了车载设备仿真子系统。通过与 平台中其它子系统联调，完善并验证了车载仿真予系统的功能。 关键词：c t c s 3 ，车载设备，列控系统，仿真测试，速度曲线，c + + b u i l d e r a b s t r a c t a b s t r a c t ：c o r r e n f l y , t h ec t c s 3t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa n dk e yt e c h n i q u e sa p p l i c a b l e f o rd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n ea t eu n d e rr e s e a r c h b u i l d i n go f t h ec t c s 3s i m u l a t i o na n dt e s tp l a t f o r m c a np r o v i d e 姐e x p e r i m e n te n v i r o n m e n tf o rt h es y s t e md e s i g n , s y s t e ma n dc o m p o n e n td e v e l o p m e n t a 8w e l l s y s t e mt e s ta n dv a l i d a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e sf i l lt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo n - b u a r de q u i p m e n ts i m u l a t i o n s u b s y s t e mi nt 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 t h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n a lm o d u l e so f t h es y s t e ma r ed e s c r i b e d ；t h ei m p l e m e n t a t i o no fi m p o r t a n tf u n c t i o n s s u c ha st h ec a l c u l a t i o no ft h e m o s tr e s t r i c t e ds t a t i cs p e e dp r o f i l ea n dd y l l f l m i gs p e e dp r o f i l e s t h em o d ot r a n s i t i o na sw e l la 8r b c h a n d o v e r 勰d e s c r i b e d t h es u b s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db a s e d0 1 1c 抖b u i l d e r6 0 t h ef u n c t i o n o fo n - b o a r de q u i p m e n ts i m u l a t i o ns 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 h o t h e rs u b s y s t e m s k e y w o r d sc t c s 3 ，a n - b o a r de q u i p m e n t , 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 ，s p e c dp r o f i l e ，c h b u i l d e r6 i v 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： 导师签名仇哆 签字日期：7 帅7 年侈月衫日签字日期：御年f2 月叶日 j e 宝窑通太堂亟堂焦j 金塞独剑丝彦盟 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傲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： 签字日期：哆年肛月衫日 致谢 在此我要衷心感谢我的导师张勇副教授。本论文的工作是在张老师的悉心指 导下完成的，他渊博的学识、开阔的视野、严谨的治学态度和科学的工作方法给 予我极大的帮助和影响。张老师悉心指导我们完成实验室的科研工作，在学习和 科研期间都给予我们很大的关心和帮助，感谢张老师一直以来对我的精心指导和 亲切关怀。 在项目开发及撰写论文期间，章慧、宋沛东、蒋红军、崔莹莹、宋晨亮等同 学对我论文中的模块定义、网络通信、通信协议定义、通信接口等研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢师妹王春花、谈敏、蔡畅，师 弟王嵩，感谢他们在项目开发过程中给予我的协助和支持。 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投入学 习，并为我顺利完成课题和学业提供了精神动力和物质支持，我取得的每一份成 绩都与他们的关怀和支持息息相关。 h 1 绪论 1 1 国内外列车运行控制系统的研究发展 新一代铁路信号设备是由列车调度控制系统及列车运行控制系统两大部分组 成的。从技术发展的趋势看是向着数字化、网络化、自动化与智能化的方向发展。 它的作用是保证行车安全、提高运输效率、节省能源、改善员工劳动条件。 列车运行控制系统的内容是随着技术发展而提高的，从初级阶段的机车信号 与自动停车装置，发展到列车速度监督系统与列车自动操纵系统。 进入2 0 世纪9 0 年代，世界上已有许多国家开发了各自的列车运行控制系统， 其中，在技术上具有代表性且已投入使用的主要有：日本新干线的a t c 系统、欧 洲e t c s 等系统设备，北美先进系统、德国的l z b 系统，法国的v m 3 0 0 和t v m 4 3 0 系统等。这些系统的共同特点是：可以实现自动连续监督列车运行速度，可靠地 防止人为错误操作所造成的恶性事故的发生，保证列车的高速安全运行。它们之 间的主要区别体现在控制方式、制动模式及信息传输等形式方面。 1 1 1日本瓤干线列车控制系统 新干线是以a t c 系统作为确保列车高速、安全、准点运行的重要保障系统。 这个系统是1 9 6 4 年东海道新干线开业以来开始发展的。与汽车相比，列车开始制 动到停车位置，需要更长的距离。在新干线，时速2 6 0 k i n 到停车，制动距离在3 k m 左右，司机不能靠日视信号机来确认制动距离，控制列车速度。为此，新干线不 在线路旁设信号机，用在司机室操作台显示容许速度的方式。需要减速时，无需 司机操作，由列车自动实施制动。a t c 设备由地面设备和车载设备构成，包括列 车容许速度的信号从地面送到车上设备。列车接近前方列车时，速度信号如图1 所示，横坐标为列车位置，纵坐标为速度信号，各分区长度3 k m 左右。列车与前 方列车越近，容许速度越低，列车收到比运行速度低的速度信号，自动实施制动。 但这种多段制动控制系统在乘车的舒适度、运输效率等方而存在问题，需要进一 步改进。而且，新干线的a t c 系统已使用了几十年，需要更新换代，对此，日本 铁路边采用新技术，边解决存在的问题，边进行了新a t e 系统的研究，开发了应 用最新技术的数字传送一段式制动控制系统。该系统是东日本铁路公司自2 0 0 2 年 1 2 月在东北新干线一段、2 0 0 3 年1 2 月在京滨东北既有线一段开始采用数字a t c 的列车控制。原来的a t c 是以地面设备为主体的列车控制，而新型a t c 则是以车 载设备为主体的列车速度控制。 1 1 2北美铁路的先进列车控制系统 上世纪8 0 年代起，美国铁路开始研究不用轨道电路和路旁信号机，采用无线 技术和计算机技术，通过人造卫星和雷达控制铁路行车的先进列车控制系统 ( a t c s ) 。由列车本身检测列车所在位置，通过无线通信将列车位置信息送到地面， 地面中心根据来自各列车的位置和站内进路状态等信息，决定列车可以安全运行 的区间和速度，并通过无线通信报告列车，列车再根据来自地面的信息以及线路 坡度、列车制动能力等数据计算出安全运行的速度。在北美铁道协办会领导下， 为a t c s 的研发成认了体系结构、通信、车载设备、调度中心等l o 个委员会，以 行车指挥为中心，制定出系统的整体框架，划分了功能模块。制定出接口标准和 通信协议。经2 0 年的努力和创新，a t c s 发展成为分布式、模块化结构、开放的 系统。它按复杂程度，分成1 0 级、2 0 级、3 0 级和4 0 级的4 个功能级，用户可根 据线路条件和运输需要灵活配备不同层次的系统。北美联合精确定位列车控制系 统在联合太平洋铁路公司的某段3 7 公里支线上进行了时速1 7 7 公里的试验。在第 一期试验中，美国铁路旅客运输公司的两台p 4 2 型机车和3 节车厢装备了发射数 据系统( l d s ) 和车载计算机，车载显示设备和机车接口模块( u m ) 通过a t c s 数字无 线遥控精确列车控制系统( p t c ) 服务器。 1 1 3欧洲e t c s 系统 欧洲是世界轨道交通最为发达的地方，现有的列车运行控制系统种类繁多， 且各国信号制式复杂多样、互不兼容。为保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行， 2 0 0 1 年欧盟通过立法形式确定欧洲列车控制系统( e u r o p e a at r a i nc o n t r o ls y s t e m , e t c s ) 成为强制性技术规范。欧洲各国列车安装符合e t c s 技术规范的列车运行 控制系统，不仅使列车能够在欧洲各国实现互通运行，并且能提高列车运行的安 全性。 根据欧洲e t c s 计划，为了实现欧洲铁路互联互通，车载设备采用e t c s 总线， 可以灵活地支持与各种传统设备及e t c s 车载设备的通信；传输设备有欧洲应答 器和欧洲环路，即数据传输速率为5 6 5 k b s 的磁应答器和采用漏泄电缆的环路； 欧洲无线也在进行工程实施。 e r t m s 系统是为了适应欧洲铁路互联互通的目的，符合兼容性要求而开发的， 它集联锁、列控和运行管理于一体。西班牙的马德里一巴塞罗拿线采用该系统， 2 列控系统符合欧洲铁路统一标准e t c s 二级标准，速度监控方式采用一次连续速 度曲线控制模式( 又称目标距离一次制动模式曲线方式) ，列车占用靠u m 2 0 0 0 轨 道电路，列车定位靠欧洲应答器，车与地双向传输靠无线数传。 关于e t c s 车载设备的测试，e r t m su n i s i g 工作组发布了较为详细的文档。 所采用的基本方法是采用黑盒测试，其基本思路是：( 1 ) 通过分析e t c s 系统需 求规范( s r s ) ，将若干彼此相关的可测试的系统需求组合成一个功能特征，然后根 据功能特征来构造若干对应的基本测试案例。这样就可以避免对每个可测试需求 构造一个基本测试案例，从而减少了基本测试案例的数量。可以通过外部可见的 接口对提取的功能特征进行测试。( 2 ) 由于基本测试案例不能单独使用，必须将 需要测试的基本测试案例构成一个测试子序列。可以将有些测试子序列组成( 不 是相互串接) 一个测试帧。一个测试帧定义了在两个内部状态之间所有可能的变 迁。可以用一个有向图来表示测试帧，图的顶点为测试帧的起始状态和终止状态， 图的弧为测试帧包含的测试子序列，弧尾为起始状态，而弧头为终止状态。( 3 ) 将若干测试子序列进行串接，就可以构成一个测试序列。在选取测试子序列构成 测试序列时，有几个约束条件：( 1 ) 每个测试子序列至少被测试一次( 从而保证 所有的测试案例至少被测试一次) ；( 2 ) 测试序列的起点和终点都是车载设备的未 上电模式( n p ) ；( 3 ) 尽量减少测试序列被测试的次数( 超过一次，越少越好) 。因 此，在由若干个测试帧组成的有向图上应用“中国邮递员算法”，来解决测试序列 的生成问题。虽然每个测试案例中包含了系统的内部状态，但是测试序列只针对 提取出的功能特征进行测试，因此它包含各种外部接口，所以，基于测试序列， 就可以采用黑盒测试的方法对系统进行测试。 1 1 4国内列车运行控制系统 中国近几年来，对国外列车控制系统进行了较深入的研究，对列车控制模式、 轨道电路信息传输、轨道电缆信息传输等方面都已取得不少的成果。在开发过程 中，还可借鉴欧洲列车控制系统锄能叠加”、“滚动衔接”的经验，从保证基本安全 着手，分步完成并真正达到安全、高效、舒适的目标l ”。 武广高速铁路专线已在建设中客运专线全线设2 5 个站。武广铁路客运专线 与既有京广铁路线基本平行，正线共有桥梁6 6 2 座，约4 1 0 公里，占线路总长的 4 1 2 ；隧道( 含明洞) 2 3 6 座，约1 6 8 公里，占线路长度的1 6 9 。正线轨道按 一次铺设跨区问无缝线路设计，轨道以铺设无碴轨道为主武广铁路客运专线建 成后，能够满足开行时速2 0 0 公里以上旅客列车的需要。武广客运专线列车运行 采用自动控制技术，时速超过2 0 0 公里。通车后，从广州到武汉仅需4 小时，较 3 目前缩短7 小时。 京沪高速铁路项目：采用高速轮轨技术建设京沪高速铁路，并原则上确定采 用“借鉴了国外技术的中国自主技术”。高速机车组将采取“1 、2 、7 模式”，即1 0 整车引进，2 0 散件组装，7 0 e 实现国产化。京沪高速铁路项目将全线按最高时速 3 5 0 公里、运行时速3 0 0 公里设计，设计时速为3 5 0 公里。一次建成高速铁路线路 1 3 2 0 公里，总投资约1 4 0 0 亿元人民币。京沪高铁正线全长约1 3 1 8 公里。京沪高 速铁路将全线铺设无缝线路和无碴轨道，全线实现道口的全立交和线路的全封闭。 1 2c t c s 3 列控系统简介 2 0 0 6 年中国铁路刚刚实现青藏铁路全线通车，时隔半年多，在中国铁路发展 史上，又发生了和谐动车组飞驰中国大江南北的历史性变化，第六次中国铁路时 速已经在主要干线上提高到了2 0 0 公里，最高时速可达到2 5 0 公里，这样的技术 发展，对通信信号技术的发展提供了新的机遇。欧洲g s m - r e t c s 的成功，为我 国铁路提供了良好的技术借鉴，发展中国铁路g s m o r c t c s 将成为中国铁路通信 信号技术发展的重要目标。 1 2 1c t c s 系统等级划分 参照欧盟发展g s m - r e t c s 的成功作法，为了保证列车运行安全、提高铁路 运输能力和列车管理水平，我国制定了中国列车控制系统( c t c s ) 规范。中国列 车运行控制系统c t c s 是我国未来铁路技术发展的方向，c t c s 以分级形式满足不 同线路的运输需求。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【2 】【3 】。 。 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 r p 。 4 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 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 合是优势互补。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 p 系统。该系统具有移动自动闭 塞的特征。区间占用靠g p s 和g s m - r 实时数据传输解决。列车完整性检查、定 位校核分别靠车载设备和点式设备实现，使得室外设备减少到最低程度。 1 2 2c t c s 3 列控系统 c t c s 3 列控系统是基于无线通信( g s m r ) 的列车控制系统，通过无线网络 实现列车与地面无线闭塞中心( r b c ) 的双向信息传输，线路上安装固定应答器 为列车提供定位信息，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的占用检查和列车完整性检测，列车的运行控制由信号系统 ( c t c ，联锁、轨道电路等) 、无线闭塞中心等组成的地面设备和车载设备共同完 成。 c t c s - 3 级系统分成地面子系统和车载子系统两个部分。地面子系统包括：应 答器、无线闭塞中心( r b c ) 等。车载予系统包括：c t c s 车载设备( 车载主机、 应答器接收模块( b i m ) 等) ；车载g s m - r 无线系统等。 5 图1 1c t c s - 3 系统的参考结构 f i 9 1 1c t c s - 3r e f e r r e n c es t r u c t u r e c t c s 3 级地面设备的主要功能包括： 在地面r b c 控制区域内，r b c 通过列车的c t c s 识别码获得列车的信息； r b c 通过轨道电路提供的列车占用信息跟踪区域内列车； r b c 根据联锁、轨道电路等系统提供的信息，生成管辖区域内每一列车 的行车许可； r b c 接收调度集中系统( c t c ) 提供的临时限速信息； r b c 向管辖内列车传送行车许可、临时限速及线路参数； 相邻r b c 问列车控制权限的交接； 地面应答器负责提供列车定位基准信息及运行方向信息。 c t c s3 级车载设备的主要功能包括： 通过g s m - r 接受r b c 传送的行车许可、临时限速及线路参数等信息； 向c t c s 3 列控系统地面设备发送列车运行的动态信息； 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； 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： 6 要 一零 列车超速时，自动实施常用制动或紧急制动； 显示列车运行速度、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； 配合r b c 完成r b c 的交接； 具有运行记录功能。 1 3 论文研究的意义 我国列车运行控制系统的发展步伐日益加强，国内对列车运行控制系统的研 究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，迫切需要采用先进的高可信度的仿 真技术来为列车运行控制系统从选型设计、方案评价、产品的测试、系统的优化 等系统的全生命周期进行服务，铁路相关决策、设计、应用部门也在不同的场合 提出了对列车运行控制仿真系统进行系统的研究和开发的急切需求。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。 本项目申请正是基于这一国家铁路建设的实际需求而提出的，通过列车运行控制 系统的仿真理论和方法的研究，对解决铁路建设中的实际问题，提升我国在该领 域的自主创新能力、掌握列车运行控制系统的关键技术等均具有重大意义。 目前，适用于客运专线的c t c s 3 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。对解决铁路建设中的实际问题、提升我国在该领域 的自主创新能力、掌握列车运行控制系统的关键技术等均具有重大意义。 1 4 实验室已有的工作基础 c t c s 3 列控系统综合仿真测试平台( 在本论文中涉及的平台只是针对于仿真 平台，测试平台没有考虑。故仿真测试平台只是仿真平台) 的建设开始于2 0 0 5 年 底，张维维同学【文献】已在车载设备仿真子系统的研究方面作了一部分工作，主要 包括： ( 1 ) 搭建了车载设备仿真子系统的基本框架； 。 ( 2 ) 车载设备与d m i 、列车操纵模拟器、r b c ，列车运行仿真平台通信。 7 ( 3 ) d m i 向车载设备报告列车静态信息和司机输入信息。 ( 4 ) 车载设备从列车操纵模拟器获得列车当前速度值，向列车操纵模拟器发 送允许速度、工作模式和制动信息。 ( 5 ) 列车运行仿真平台为车载设备提供最后相关应答器组标识号，车载设备 根据应答器组标识号生成位置报告，发送给r b c 。 ( 6 ) 车载设备在接收到应答器信息后，向r b c 发送列车位置报告。 1 5 论文主要工作 基于对e t c s 2 系统需求规范的深入研究【4 】【5 】，通过对c t c s 3 列控系统仿真测 试平台组成结构、平台实现功能的分析和研究，总结了c t c s 3 列控系统仿真测试 平台中车载设备仿真子系统的结构划分和模块功能设计，实现了c t c s 3 列控系统 仿真车载设备子系统的开发 在实验室既有工作基础上研究实现： ( 1 ) 车载设备通过g s m - r 实现车- 地之问的双向连续信息传输，接收地面r b c 传送的运行许可、临时限速及线路参数等，与此同时的通信连路的建立，维护； ( 2 ) 通过d m i 发送来的模式信息根据若干标准完成司机与车载设备之间关 于模式的各种可能的交换信息，设定与模式相关的速度限制，对从外部接口接收 到的信息进行过滤，鉴于给定模式存储信息的如何处理，以及模式间转换的优先 级和限制； ( 3 ) 完善移交r b c 和接收r b c 实现交接，即列车控制权限的交接的全过程； ( 4 ) 完善与各串口通信程序，提高了稳定性。 ( 5 ) 对应应答器消息的非一致性和链接的非一致性做出反映； ( 6 ) 车载设备白行计算开口速度； ( 7 ) 运行记录处理、故障诊断处理和行车信息显示处理功能； ( 8 ) 防止不希望的运行如列车溜逸和反向运行： 论文主要内容包括： 第一章，介绍了国内外列车运行控制系统的研究发展状况。介绍了论文研究的 意义，实验室已有工作基础和论文的主要工作。 第二章，对c t c s 3 列控系统仿真测试平台进行分析，包括系统构成、各部分 的功能分析和接口分析； 第三章，对c t c s 3 车载仿真子系统进行分析，包括车载设备仿真予系统概述、 c t c s 3 级车载仿真子系统的结构划分和系统模块构成、各模块的详细功能分 析； 8 第四章，c t c s 3 车载仿真子系统软件总体设计，包括软件总体设计概述、子 系统功能模块软件设计、数据存储结构的设计，通信数据结构的设计和车载设 备子系统工作流程余绍： 第五章，c t c s 3 车载仿真子系统的设计和实现，包括人机界面的设计与实现、 最严格速度曲线的计算、动态速度曲线的计算、模式转换、r b c 交接过程、 车载里程的计算以及系统调试的过程和结果等； 第六章，对论文工作进行总结与展望。 9 2c t c s 3 列控系统仿真测试平台总体结构 2 1c t c s 3 列控系统仿真测试平台结构与功能分析 c t c s 3 仿真测试平台是一个基于计算机网络的半实物仿真测试系统，作为测 试平台主要为关键设备( 如r b c ，车载设备等) 的测试提供环境；作为研发平台为 以后车载关键设备和地面关键设备的研制、相关控制算法的研究提供环境 9 1 。 2 1 1c t c s 3 列控系统仿真测试平台结构 c t c s 3 列控系统仿真铡试平台主要包括以下部分： ( 1 ) 控制中心设备部分；( 2 ) 车站设备部分：包括微机联锁、列控中心和c t c 分机；( 3 ) 车载设备部分：( 4 ) 无线闭塞中心( r b c ) ；( 5 ) 列车运行仿真平台部 分，其仿真内容包括：地面应答器、轨道电路、线路数据库，列车群模拟等，主 要实现应答器报文的模拟发送和轨道电路的占用模拟，以及列车群的模拟；( 6 ) 车地无线通信网络，由真实的g s m - r 网络实现；( 7 ) 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。在设备测试阶段，仿 真管理器还担当测试主机的功能：包括测试案例的自动生成，测试案例的自动执 行，测试结果的自动统计和分析等【1 4 1 。 c t c s 3 仿真测试平台总体结构如图2 1 所示。 i o f i 9 2 1c t c s 3 s i m u l a t i o na n dt e s t i n ga r c h i t e c t u r e 2 1 2各部分功能介绍 2 1 2 1 车载部分功能介绍 1 车载设备 车载设备核心功能是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，控制列车按命令运行，还包括： 接收r b c 传送的行车许可、临时限速等信息； 向r b c 和列车运行仿真平台发送列车运行的动态信息( 位置报告) ； 接收列车运行仿真平台提供的应答器信息等； 实时测量列车的走行距离； 列车超速时，自动实施常用制动或紧急制动； 完成r b c 的交接； 模式转换。 2 人机接口d m i 入机接口d m i 是车载设备与司机交互的接口，控制对司机的显示，司机通过 d m i 进行某些信息的输入。 2 1 2 2 地面部分功能介绍 1 无线闭塞中心( r b c ) r b c 是一个基于计算机的系统，基于数据库和外部设备( 从列车运征仿真平 台得到的基本信息及从车载子系统) 获得的信息，r b c 执行以下功能：验证所有 收到的无线消息；需要时更新列车数据；计算列车的绝对位置；产生行车许可： 锁闭进路，管理列车间隔，检查迸路的适应性；计算速度曲线( 特定的、最严格 的、动态的，等) ；释放已使用过的进路；管理丢失的列车；处理进路的缩短请求； 处理紧急消息；管理r b c - r b c 切换【6 】。 2 列车运行仿真平台 列车运行仿真平台仿真实现轨旁设备( 应答器报、轨道电路) 的功能，另外 还实现列车群模拟、线路数据库管理等功能。 应答器仿真模块：向车载设备传输应答器报文。其主要功能：收集轨旁情 况的描述、链接信息和系统数据的信息，将这些信息传送到列车上； 轨道电路仿真模块：根据列车的位置，模拟线路上的轨道电路占用和空闲 状态，并提供给列控中心； 列车群模拟器：利用一台计算机模拟多辆列车同时运行的情况，用于测试 r b c 的控车能力。 线路数据库：记录并存储每段线路的相关信息，并提供给r b c ，主要包 含：应答器信息；静态速度曲线；线路静态信息；迸路适应性；站场信息； 信号设备等。 3 车站联锁设备 车站联锁设备的功能具体包括：( 1 ) 进路的控制，具体包括列车进路和调车 进路的选排、锁闭和解锁；引导进路的控制等；( 2 ) 信号的正常开放，关闭、人 工重复开放以及防止自动重复开放；( 3 ) 道岔的单独操纵、锁闭和解锁。其中， 它的主要功能是进路的建立和解锁。车站联锁设备从c t c 车站分机获得列车的进 路设置命令，并将进路信息发送给r b c 。 4 列控中心 车站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，通过有源应答器及轨道电路传送给列车。根据设计要求，既有线 2 0 0 k m h 车站列控中心必须具备以下四个主要功能： 接发车进路报文发送功能； 临时限速报文发送功能； 进站信号机降级显示功能； 6 5 0 2 电气集中进路识别功能( 仅适用于6 5 0 2 电气集中车站) 。 在c t c s 3 系统中，列控中心的作用是采集轨道轨道电路的状态并发送给无线 闭塞中心【矧。 5 ，c t c 车站分机 向r b c 传送临时限速信息。接收来自r b c 的列车动态信息，如列车位置等。 2 2c t c s 3 列控系统仿真测试平台内部主要接口 仿真平台内部数据关系示意图如图2 2 所示 图2 2 仿真平台内部数据关系示意图 f i 9 2 2d a t er e l a t i o ni ns i m u l a t i o np l a t f o r ms k e t c hm a p 2 2 1r b c 的接口 r b c 的外部接口包括：与列车运行仿真平台的接口、与相邻r b c 的接口、与 c t c 分机的接口、与车站联锁设备的接口、与g s m - r 的接口。由局域以太网作为 r b c 与相邻r b c 信息交互的物理接口，相邻r b c 间协作，完成列车控制权限的 交接。接口关系如图2 3 所示。 图2 3 r b c 的接口关系图 f i 簖3i n t o r f a c er e l a t i o no f r b c r b c 从c t c 分机接收临时限速、调度命令等信息，同时将列车的运行状态、 列车位置发送给c t c 分机。 r b c 通过局域以太网与车站联锁设备通信，r b c 向车站联锁发出进路请求信 息；而联锁向r b c 回复进路请求结果。 r b c 与车载设备通过g s m - r 网络进行通信。r b c 在收到车载设备的位置报 信息后，根据列车运行仿真平台提供的线路数据和前方应答器信息生成m a ，并发 送给车载设备。行车许可m a 的内容主要包括：目标速度、开口速度、m a 普通 区段长度、普通区段个数和m a 末区段长度。 r b c 通过局域以太网与列车运行仿真平台通信，r b c 从列车运行仿真平台获 得线路数据信息和列车前方应答器编号。 2 2 2车载设备的接口 车载设备的外部接口包括：与r b c 的接口、与列车运行仿真平台的接口；内 部接口包括：与列车操纵模拟的接口、与d m i 的接口。车载设备在接收到应答器 信息后，向r b c 发送列车位置报告，位置报告内容主要包括：车载设备标识号、 列车静态信息、列车位置、最后相关应答器组编号、列车上下行信息等。r b c 发 送给车载设备行车许可m a 、临时限速、紧急消息等信息。 车载设备通过局域以太网与列车运行仿真平台通信，车载设各接收列车运行 仿真平台提供最后相关应答器组标识号，根据应答器标识号生成位置报告，并发 送给r b c 。 车载设备通过串口与d m i 、局域以太网与列车操纵模拟器通信。车载设备向 d m i 发送列车当前速度、允许速度、目标距离、里程、车载设备标识号等需要向 司机显示的信息；d m i 向车载设备报告列车静态信息和司机输入信息。车载设备 从列车操纵模拟器获得列车当前速度值，向列车操纵模拟器发送允许速度、工作 模式和制动信息。 3c t c s 3 级车载设备仿真子系统分析 3 1 概述 c t c s 3 级系统主要分为地面设备和车载设备两部分。在c t c s 3 仿真测试平台 中，与车载设备相关的部分包括：r b c ，轨旁设备仿真器( 模拟应答器功能) ，列 车操作模拟器，仿真管理器，d m i 等，车载设备仿真子系统平台的信息传输架构 如图3 1 所示。 图3 1 车载仿真子系统的信息传输结构 f i 9 3 1i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na r c h i t e c t u r eo fo n b o a r de q u i p m e n t s i m u l a t i o ns u b s y s t e m 车载设备仿真子系统需要的外部信息包括： ( 1 ) 列车速度信息：由列车操纵模拟器根据列车牵引特性，线路条件等计算 后提供。 ( 2 ) 应答器信息：由轨旁设备仿真器根据列车位置向车载设备提供应答器组 编号，列车根据应答器信息进行里程计校准，等级转换或r b c 交接。列车位置来 自于列车操纵模拟器。 ( 3 ) 列车静态信息：如列车牵引总重、列车长度、车辆制动率、轴重、列车 类型等，由人机接口提供。 ( 4 ) 线路固定信息。包括线路的区段长度、静态限速值、线路曲线半径、坡 度值、信号点位置即目标点位置等，由r b c 提供 ( 5 ) 临时限速信息：由k b c 根据c t c 分机发送的临时限速信息提供； ( 6 ) 列车行车许可，由r b c 根据微机联锁提供的迸路情况，列控中心提供 的区间轨道电路占用情况等信息提供。 3 2c t c s 3 级车载设备仿真子系统结构分析 3 2 1c t c s 3 级车载设备仿真子系统结构划分 c t c s 3 级系统的车载设备结构比较简单r 玎【扪，概括起来分为三个层次：显示 层、功能层、接口层。 显示层：人机接口d m i 功能的实现。 功能层：是车载设备主要功能的实现部分，控制接口和车载计算，支持显示。 接口层：包括车载系统内部接口和与地面设备接口，实现信息的交互。 显示层 ( d m l ) 内部接口层 功能层 ( 车载设备) 外部接口层 地面设备 图3 2 车载系统结构划分 f i 9 3 2a r c h i t e c t u r ep m i f i o no f o n b o a r de q u i p m e n t 3 2 2c t c s 3 级车载设备仿真子系统模块构成 c t c s 3 级车载仿真子系统根据实际的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( i u m ) 、应答器接收模块( 硎) 、铡速模块、人机接口、运行管理记录单 元、输入输出模块。 1 7 图3 3c t c s 3 级车载设备仿真子系统模块构成 f i 审3m o d e sa r c h i t e c t u r eo f c t c s 3o n b o a r de q u i p m e n ts u b s y s t e m 3 2 3c t c s 3 级车载设备仿真子系统模块功能介绍 ( 1 ) 核心模块 核心模块的功能包括：向r b c 发送列车位置报告；车载设备通过g s m r 接 口接收r b c 传送的行车许可、临时限速及线路参数等，之后车载核心模块将这些 信息进行计算，完成生成目标距离模式曲线和相关的请求行车许可曲线，进行速 度监督等功能，并根据r b c 传送的信息进行移交r b c 和接收r b c 的交接，即列 车控制权限的交接的全过程；进行模式转换的处理，设定与模式相关的速度限制， 对从外部接1 ：3 接收到的信息进行过滤，根据给定模式存储信息的完成处理，以及 模式问转换的优先级和限制；对应答器消息的非一致性和链接的非一致性做出处 理；防止不希望的运行如列车溜逸或反向运行； ( 2 ) 应答器传输模块( b 1 r m ) 检查应答器组信息是否完整和正确；对应应答器消息的非一致性和链接的非 一致性做出处理；检测应答器位置和标识 ( 3 ) 人机接口( d m i ) 提供司机与车载设备的接口，向司机显示提示信息；司机通过d m i 输入部分 参数。根据当前的模式和司机对当前信息的请求，来控制给司机显示用的d m i 接 收机；司机的输入将传送给内核进行处理 ( 4 ) 无线传输模块( r 1 m ) 无线信息传输模块负责传输车地间的信息，进行两者问的会晤管理，包括链 路建立、链路维持和拆除链接等管理。此模块在下列情况下应建立通信会晤：任 务开始时；如果地面设备命令，除非与同一个r b c 正在建立或已经建立通信会晤。 当通信会晤建立后，如果安全连接偶然中断但地面设备未发出断开连接的指令时， r t m 都应认为通信会晤仍然是建立的。r t m 检测到无线通信中断后，应先释放安 全连接，然后再重新建立【2 0 】( 保持通信会晤) 。 ( 5 ) 输入输出模块 车载设备与列车运行仿真器连接的输入接口模块，将列车运行仿真器产生的 列车运行状态信息报告给核心模块。输出接口模块，向列出运行仿真器发送允许 速度、制动信息、目标距离等信息。 ( 6 ) 运行管理记录单元 规范司机驾驶，记录与运行管理相关的数据。 ( 7 ) 设备维护记录单元 对设备诊断、故障、维护情况进行记录。 ( 8 ) 测速模块 根据速度传感器模拟器产生的脉冲信息，实时计算列车运行速度和列车走行 距离，并报告给核心模块。 4c t c s 3 级车载设备仿真子系统总体设计 c t c s 3 级车载设备仿真子系统的硬件由一台p c 机实现，软件部分是运行于 w i n d o w sx p 环境下的应用程序。本章主要描述仿真子系统的软件设计uo 】f l l 】。 4 1 概述 软件总体设计结构图如图4 1 所示。 图4 1 车载设备仿真子系统的软件总体结构图 f i 9 4 1s o f ta r c h i t e c t u r eo fo n b o a r de q u i p m e n ts u b s y s t e m 4 2 模块软件设计 4 。2 ，1车载设备核心模块设计 4 2 1 1 速度监督 监督列车在车站内和区间的可允许的运行速度，防止列车超过允许速度。这 部分设计包括静态速度曲线、动态速度曲线、速度监督曲线、行车许可请求曲线 的设计【1 2 11 1 3 。 车载设备根据从r b c 接收到的区段速度信息、区段长度信息等当前有效的数 据设计程序建立最严格静态速度曲线，然后计算动态速度曲线，速度监督曲线、 行车许可请求曲线。 4 2 1 2 位置报告管理 位置报告管理包括： ( 1 ) 将与里程信息相关的信息打包，发送给r b c 。位置报告应至少包括以下 位置及方向数据：最后相关应答器组( u m g ) 编号，l r b g 与列车估计前端之间 的距离，相对于l r g b 列车方位，置信区问低限与所估计的l r b g 位置问的偏差， 置信区间高限与所估计的l r b g 位置问的偏差，列车完整性状态，列车安全长度， 实际列车速度，车载工作模式等。 ( 2 ) 实时判断车载设备是否需要向r b c 报告列车位置。要报告的情况有： 剐停车时，如果适用于当前模式 执行模式转换 当司机输入列车的完整性信息时 当删除列车完整性丢车信息时 当列车最小安全尾部通过的r b c ，r b c 的边界 如果列车改变其方位时( 运营需求：已在上述b ) 模式转换中包含) 执行应用等级转换时 当车载设备与r 8 c 建立通信会鼯时 当r b c 在位置报文参数中特别要求时 如果r b c 没有给出位置报告的参数，车载设备在经过每个应答器 组时应报告列车位置 当列车最大安全前端通过r b c r b c 边界时。 图4 2 列车位置报告中提供的信息 f i 9 4 2i n f o r m a t i o no f t r a i n sa d d r e s sr e p o r t 4 2 1 3 行车许可管理 运车许可( m a ) 规定了列车的运行方向、运行范围、以及在运行范围内的速 度限制等信息。 行车许可的管理包括： ( 1 ) 申请行车许可：在发车前，司机通过d m i 的显示界面上的“启动”向 r b c 申请行车许可；在列车运行过程中，车载设备根据m a 中的区段定时或者离 m a 终点( e o a ) 的适当距离向r b c 申请延伸行车许可。 ( 2 ) 根据从r b c 接收到的m a 确定行车许可终点和监督点：对于从r b c 接 收到的m a 要进行数据信息处理。m a 的结构如图4 2 所示。 行车许可的数据有以下：限制性许可( l o a ) 的允许速度( 行车许可终点( e q a ) 即列车被授权运行到的位置的