（交通信息工程及控制专业论文）CTCS3级列控系统仿真测试平台——列车运行仿真平台的研究(1).pdf

中文摘要 摘要：中国高速铁路已进入快速发展时期。高性能的列车运行控制系统为高 速列车的安全运行提供必要的保证。中国铁路根据e t c s 的成功经验，提出了中国 列车控制系统( c t c s ) 的发展战略。目前国内铁路客运专线正在积极引进c t c s 2 系统，对c t c s 3 的研究迫在眉睫。因此有必要建设一个c t c s 3 级列控系统仿真测 试平台，为c t c s 3 的关键技术的研究及关键设备的测试提供良好的条件。 论文针对c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的列车运行仿真平台子系统进行研 究，主要内容包括： 1 分析了c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的总体结构和各子系统的功能及 接口需求； 2 分析了列车运行仿真平台软件总体结构和各模块的功能及与其它仿真子 系统的接口需求，对软件进行了总体设计； 3 设计并实现了列车运行仿真平台的基本功能，其中包括应答器的点式信息 包传输、定位功能；轨道电路的占用显示功能；列车群模拟器的动态发车功能； 线路数据库设计及数据字典的定义； 4 设计并实现了列车运行仿真平台与其它仿真子系统的通信接口，其中包括 为车载设备仿真子系统传输应答器信息、静态速度曲线等；为r b c 仿真子系统传 输的线路信息和前方可用应答器编号； 5 设计并实现了列车运行仿真平台的显示界面，为c t c s 3 级列控系统仿真 测试平台提供了原理演示平台； 6 通过与其它各仿真子系统联调，完善并验证了列车运行仿真平台的功能。 关键词：c t c s 3 级；仿真测试平台；列车运行仿真平台；应答器；列车群模拟器 a b s t r a c t a b s t r a c t ：c h i n e s eh i g l ls p e e dr a i l w a yi sn o w d e v e l o p i n gr a p i d l y t r a i no p e r a t i o ns a f e t y a n de t t i e i e n e yc 孤o n l yb eg u a r a n t e e db yh i g hp e r f o r m a n c et r a i nc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c eo f e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ( e t c s ) ，c h i n e s er a i l w a y h a sp r o p o s e dt h ec h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m r i g h tn o w , t h ec t c s 2s y s t e mi su s e d f o rt h ep a s s e n g e rd e d i c a t e dh j 曲s p e e dl i n e ，a n dt h er e s e a r c ho nt h ec t c s 3s y s t e mi s u r g e n t l yn e e d e d s oi ti sq u i tn e c e s s a r yt oe s t a b l i s has i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r mt o s u p p o r tt h er e s e a r c ho f c t c s 3s y s t e m t h ef o c u so f t h i sp a p e ri st or e s e a r c ho nt h et r a i no p e r a t i o ns i m u l a t i o ns u b s y s t e m ( t o s s ) w h i c hi sap a r to 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 t h ew o r ko f t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da s f o l l o w i n g ： 一 a n a l y z e dt h ea r c h i t e c t u r eo ft 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 a sw e l l 私t h e f u n c t i o na n di n t e r f a c er c q t t i r e m e n to f l h es u b s y s t e m a n a l y z e dt h es o t s w a r ea r c h i t e c t u r eo f t h et o s s a sw e l l 觞t h ef u n c t i o no ft h e m o d u l e s , a n dt h ei n t e r f a c er e q u i r e m e n tb e t w e e nt o s sa n do t h e rs i m u l a t i o n s u b s y s t e m s - d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h eb a s l ef u n c t i o no ft h et o s s i n c l u d i n gd a t a t r a n s m i t i n gb yb a l i s e ，i r a i np o s i t i o n i n g ，d i s p l a yo f t r a c kc i r c u i to c c u p a n c y , t r a i n d y n a m i cd e s p a t c h i n gb ym u l t i - t r a i ns i m u l a t o r , d e f i n i t i o no fd a t a b a s ea n dd a t a d i c t i o n a r y d e s i g n e da n d 托a l i z e dt h ee o m m u n i e a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt o s sa n do t h e r s i m u l a t i o ns u b s y s t e m s ，i n c l u d i n gt h eb a l i s et e l e g r a m ，s s pe t e f o rt h eo n b o a r d s u b s y s t e m ，a n dt h ea v a i l a b l eb a l i s ei da n dt r a c kp a r a m e t e r sf o rr b c a n ds oo n - d e s i g n e dt h em m io f t o s s ，p r o v i d i n gap l a t f o r mt od e m o n s t r a t et l l ep r i n c i p l e o 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 _ t h en o r m a lc o m m u n i c a t i o na n dd a t ae x c h a n g ea m o n gd i f f e r e n ts i m u l a t i o n s u b s y s t e mi sr e a l i z e d , a n dt h ef u n c t i o no f t h et o s si sv a l i d a t e d k e y w o r d $ ；c t c $ l e v e l3 ；s i m u l a t i o na n dt e s tl d l a t l r o r m ；t r a i n0 p e r a t i o n s i m u l a t i o ns u b s y s t e m ；m u l t i - t r a i ns i m u l a t o r ；b a l i s e 致谢 首先，我要衷心的感谢张勇老师，在我攻读硕士学位期间给予我的关心、帮 助和指导。在基础知识学习和科学研究方面，张老师都以他渊博的知识和严谨的 态度影响和指导着我。张老师言传身教、身体力行，在做人的道理方面也给我很 大的启示和教育。 感谢一同做课题的韩胤、张维维、农梅、刘金刚、章惠、崔莹莹、徐丽、宋 晨亮、宋沛东、蒋红军等同学给予我的支持和帮助，从他们身上我学到了很多优 秀的品格。 感谢我的家人，正是他们的默默支持与鼓舞，才使得我能够一直克服种种困 难，完成学业。 最后，向所有给予我关心、支持和帮助的人表示衷心的感谢! j e 塞窑适太堂亟堂僮垃塞 i ! 直 1 引言 1 1国内外列车控制系统介绍 随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和列 车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，行车调度指挥自动化等技术， 冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通 信信号技术向数字化、智能化、网络化和综合化的方向发展。为满足铁路“提速、 重载、安全、高速”的需求，确保列车运行安全和提高运输效率，各国都积极建设 自己的列车控制系统，近些年，欧美十分重视对先进列车运行控制系统的技术规 范的研究，如欧洲制订的e r t m s e t c s 技术规范、美国电气电子协会( i e e e ) 提出的 i e e e l 4 7 4 1 ，欧洲针对城市轨道交通正在研究的u g t m s 等。目前欧洲列车控制系 统( e t c s - _ e u r o p e a nt r a i nc o n t r 0 1 s y s t e m ) 经相对比较成熟，欧洲各国竞相建设 e t c s 。 维也纳布达佩斯铁路线采用欧洲列车控制系统( e t c s ) 已经完成了过境运 输。奥地利联邦铁路和匈牙利国家铁路委托阿尔卡特和西门子在2 4 5 k m 的线路上安 装了e t c s i 级系统。在两国边境6 5 k m 的奥地利段，阿尔卡特和西门子共同装备轨 旁设备，西门子为1 3 台t a u r u s 机车装备了车载系统。在两国边境一布达佩斯的 1 8 0 k m 匈牙利段，阿尔卡特装备了轨旁设备和1 7 台v 6 3 机车，使匈牙利段列车的最 高速度从1 2 0 k m h 提高至r j l 6 0 k m h 。在没有e t c s 车载设备的常规信号路段，轨旁应 答器给出的最大允许速度，经车载计算机屏幕显示给司机，如果列车超速，自动 实施制动。 荷兰鹿特丹到德国边境之间正在建设一条货运铁路专线b e t u w e ，它是2 5 k v 、 5 0 h z 电气化线路，信号系统将采用欧洲列车控制系统e t c s 2 级。16 0 k i n 的建设成本 预计要提高至1 1 4 5 亿欧元，政府每年的运营补贴达1 5 亿到2 5 亿欧元。成本过高使该 项目受到了置疑，但从长远利益出发，荷兰运输部长决定支持该项目。e t c s 2 级 的试验正在进行，计划在2 0 0 7 年线路开通前要完成运行试验。 2 0 0 3 年7 月7 日，德国铁路和西门子公司、阿尔卡特公司在于特博格和比特费 尔德之间开始欧洲列车控制系统( e t c s ) 产品的一系列试验。德国运输部、德国铁 路公司、西门子公司和阿尔卡特公司高级官员参加了试验。e t c s 控制的列车在欧 洲首次以2 0 0k m h 速度运行。这个试验为采用e t c s 先进技术先走一步，证实了 e t c s 2 级技术已具备推广应用条件，可随时用于欧洲铁路网。 j e 夏至迪叁堂亟堂位论塞 i l 直 除了欧洲列车控制系统，北美的先进列车控制系统( a t c s a d v a n c e dt r a i n c o n t r o ls y s t e m ) ，日本的计算机和无线通信列车控制系统( c a r a t c o m p m e r a n d r a d i oa i d e dc o n t r o ls y s t e m ) 等等，各国都在紧锣密鼓的研究先进的列车控制系统， 我国亦不例外。 2 0 0 5 年7 月2 7 目，科技部和铁道部科技司在北京组织召开了“十五”国家科技攻 关计划项目“中国列车控制系统”( c t c s ) 课题验收会。经过专家组经认真讨论，一 致同意项且通过验收并高度评价取得的研究成果，认为意义重大。验收意见指出： 该项目研究创建了c t c s 技术规范总则、框架结构和主要技术条件，提出了中国功 能需求规范( c f p s ) 和中国系统需求规范( c s r s ) 等一系列技术标准，研究并给出了 车载控制模式、地面应答器设置、车地信息交互、人机信息交互等关键技术的解 决方案，开展了无线闭塞中一c , , f r b c ) 、专用传输模块( s t m ) 等关键技术的建模与仿 真研究，为系统设备层的研发和工程设计奠定了基础。专家组认为c t c s 研究结合 铁路提速和工程建设，其成果在动车组车载列控设备引进和国产化、系统功能试 验、客运专线工程设计以及设备自主研发中发挥了重大作用。验收专家组建议开 展c t c s 2 级全系统的集成和试验，积极推进c t c 3 级应用技术和关键设备的研发， 迸一步完善c t c s 体系建设。 下面就针对欧洲列车控制系统和中国列车控制系统进行介绍。 1 1 1 欧洲铁路运输管理系统和欧洲列车控制系统 e r t m s ( 欧洲铁路运输管理系统) 包括e t c s ( 欧洲铁路控制系统，又称为 e r t m s e t c s ) 和g s m - r ( 铁路专用全球移动通信系统1 。e r t m s e t c s 但u r o p e a n t r a i nc o n t r o l 封s t e m ) 系统是欧洲各信号厂商在欧洲共同体的支持下，为克服欧洲 各国信号制式互不兼容，保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，而联合制订的 一种列车运行控制系统技术规范。欧盟已通过立法( d i r e c t i v e9 6 4 8 e c ) ，强制要求 欧洲高速铁路实行e r l m s e t c s 技术规范。 e r n d s e t c s 的研究目的： ( 1 ) 高速列车不受限制地穿越边界，以便能在欧洲跨国运行； ( 2 ) 信号界面标准化，减少各国的特殊要求； ( 3 ) 鼓励设备市场开放，产生商业吸引力； ( 4 ) “技术互用性”，不同厂商的关键子系统、车载和地面设备，能够兼容互换； ( 5 ) 降低设备成本。 为实现高速列车在欧洲境内穿越国境时互通运营，结合欧洲各国铁路现状， 兼顾既有设备及今后列车运行控制系统发展趋势，e r t m s e t c s 技术规范确定了5 2 e 塞銮适厶堂亟堂僮途塞! 壹 个应用等级。 等级0 ：装备了e r t m s e t c s 的列车可以在没有装备e r l m s e t c s 地面设备或 者没有本国( 本地) 信号系统的线路上运行，或者在试运行中的e r t m s e t c s 线路中 运行。 等级s t m ：装备了e i 汀m s e t c s 的列车，在装备了本国有( 本地) 信号系统的线 路上运行，它们之间通过s 1 m 进行接口。 等级1 ( 带注入或不带注入信息) ：装备了e r t m s e t c s 的列车，在装备有欧洲 应答器( e u r o b a l i s e ) 的线路上运行，线路上可以安装欧洲环线或者无线注入单元。 等级2 ：装备了e r t m s 厄t c s 的列车，在由无线闭塞中心控制的、装备了欧洲 应答器和欧洲无线的线路上运行，由地面设备提供列车定位功能和列车完整性检 测。 等级3 ：与等级2 相同，但是列车定位和列车完整性检测由车载设备实现。 e t c s 5 个应用等级车载设备的基本模块相同，贯穿的一条主线是安装了e t c s 车载设备的列车能够在全欧洲不同e t c s 应用等级的线路上运行。 e r t m s e t c s 技术规范核心是以欧洲车载设备( e u r o c a b ) 为核心，以欧洲应 答器作为列车定位修正基准，将欧洲应答器( 应用等级1 ) 、欧洲环线( 应用等级1 ) 及 欧洲无线( 应用等级2 、应用等级3 ) 作为车地信息传输的通道，c b t c 作为欧洲铁路 列车运行控制系统今后的发展方向。 e t c s 从保持设备互用性、确保高速列车跨国，跨线运行角度来制订技术规范。 为此，e t c s 地面设备和车载设备的规范化程度是不一样的。 地面设备规范了地面设备间数据交换，地面设备与车载设备间的数据交换； 车载设备则是规范了车载设备的功能，地面设备与车载设备数据交换，车载设备 各子系统间的数据交换，车载设备与司机间接口，车载设备与列车间的接口。 从上面分析可以看出，e r t m s e t c s 是为欧洲高速列车能在欧洲跨国运行制 订的，系统的分级、功能设定有很强的针对性。中国铁路的地域广、线路长、列 车速度逐步提高、运输模式复杂、既有线多为客货混运、列车种类多，必须在借 鉴e r t m s e t c s 技术标准基础上，结合中国铁路的特点研究制订c t c s 技术规范。 1 1 2中国列车控制系统c t c s 参照欧盟发展e r t m s e t c s 的成功作法，根据总体原则，从中国的国情、路 情实际出发，中国c t c s 共划分为5 级。 c t c s0 级 既有线的控车模式。 3 e 峦銮垣厶堂亟堂值丝童i i 盍 设备构成为：地面区间轨道电路+ 站内电码化+ 车载通用机车信号+ 列车运行监 控装置。 c t c s l 级 基于既有设备改造的a t p 系统。面向1 6 0 k m h 以下的区段，在既有设备基础 上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控 功能。 地面子系统：轨道电路完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传 送控制信息。车站正线采用与区间同制式的轨道电路，侧线采用与区间同制式的 叠加电码化设备。点式信息设备向车载设备传输定位信息。 车载子系统包括主体机车信号+ 点式信息接收模块+ 安全型运行监控记录装 置。 c t c s2 级 基于轨道传输信息的列车运行控制系统，面向提速干线和高速新线，采用车 地一体化设计。适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车凭车载信号 行车。 地面子系统中增加列控中心，根据列车占用情况及进路状态，计算行车许可 及静态列车速度曲线并传送给列车。点式信息设备用于向车载设备传输定位信息、 进路参数、线路参数、限速和停车信息等。 c t c s 3 级 基于无线传输信息、采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。 面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信( g s m r ) 的固定闭塞或虚 拟自动闭塞。 除轨道电路和点式设备，地面子系统还包括无线闭塞中心( i 出c ) 和无线通 信( g s m r ) 地面设备，r b c 根据列车占用情况及进路状态向所管辖列车发出行 车许可和列车控制信息。 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。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 s 4 级： c t c s4 级是基于无线传输信息的列车运行控制系统。面向高速新线或特殊线 路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。 由r b c 和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查。地面不设通过 信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 该系统完全基于无线通信( g s m r ) ，具有移动自动闭塞的特征。列车完整性 4 j e 基壅垣厶堂亟堂僮坌塞i f 壹 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 c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的提出和意义 1 2 1计算机仿真技术在铁路上的应用 计算机仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术等为基础，以计算机为 工具，根据系统实验的目的，建立系统的模型，并在不同的条件下对模型进行动 态实验的一门综合性技术。计算机仿真技术有着巨大的优越性，利用它可以求解 许多复杂而无法用数学手段解析的问题，利用它可以预演或再现系统的运动规律 或运动过程，利用它可以对无法直接进行实验的系统进行仿真实验研究，从而可 以节省大量的资源和费用。由于计算机仿真技术的优越性，它的应用领域非常广 泛，己在国防、制造业、能源、交通等许多领域获得广泛的应用，而且也越来越 受到普遍的重视。 铁路运输以运量大、成本低、速度快、安全可靠、能全天候运输等优势，承 担着全国客货总周转量的6 0 7 0 ，在我国国民经济中发挥着重要的作用。而随 着计算机技术、无线通信技术的飞跃发展，铁路的通信、信号和列车运行控制正 在发生革命性的变革，如何使运行更加安全，如何提高运行效率、通过移动闭塞 控制减少列车问隔时间，如何提高列车运行的可靠性和设备运用率，如何降低生 存期成本，如何实现操作的通用性和灵活性、实现全自动无人驾驶等都需要通过 计算机仿真找出最佳答案。 在铁路运输领域，国外早在7 0 年代就开始在与运营相关的科研工作中采用计 算机仿真技术，最初的研究内容主要集中在闭塞区段内列车运行和调整情况的分 析、线路通过能力的评估，通过能力瓶颈区段的识别、交汇或越行时列车优先级 的确定、投资分析等方面。八十年代中期以来，随着计算机技术和系统仿真技术 水平的提高，以及世界各国铁路运输事业的复兴，计算机系统仿真技术在铁路运 输中得到了日益广泛的应用，日本、德国、英国、意大利、西班牙、美国、瑞典 等国家在新线建设及既有线路的改造、扩建工程的方案选择、新型设备的安装及 试运行、运营过程中列车运行调整策略的制定、基本时刻表的可行性验证等方面 都大量地利用这一新技术手段来提供决策支持。 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 b m a d r i d s e v i l l e e u r o p e a nt e s t s ) ，指导委员会( s c s t e e r i n gc o m m i t t e e ) 和e m s e t 项目联合委员会 ( p c c p r o j e c t c o - o r d i n a t i n g c o m m i t t e e ) 在实验室内部建立测试平台，用以测试和 确定e i 汀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 i e 塞窑垣盘堂亟堂僮监塞l 言 的使用的互用性。 2 0 0 5 年4 月，德国航空公司( d u t ) 和运输系统研究院( i t s ) 建立了r a i n s i t e ( r a i ls i m u l a t i o na n dt e s t i n g ) 系统，该系统依据e r t m s e t c s 规范建立，利用x m l 技术，目的是测试列控系统的操作互用性和技术互用性、系统或子系统的互联互 通性，在此基础上用来研究新的或者改良的列车控制系统和移植策略以及人的因 素影响，如图1 - 1 所示。 圈1 - 1 德国r a i l s i t e 系统 2 0 0 5 年1 1 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 c s e t c s 规范设计，可以适用于e t c s 等级 1 3 、s t m 。如图1 2 所示，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。 6 j 夏至适态堂亟堂垃i 金塞i 直 多a i ，g a p “ 图1 - 2 u n i s i g 组织建立的车载测试仿真平台结构图 我国铁路的列车种类繁多、线路形式多样，并且高、低速列车混跑运行，因 此运营情况远比国外复杂得多。改造既有线路实现先进的列车控制系统这个大胆 的决策还需要缜密的可行性研究和评估，因此采用先进的仿真技术来进行研究是 势在必行的。 1 2 2c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的意义 c t c s 3 列车运行控制系统是一个基于通信的列车控制系统，相当于欧洲列车 控制系统的第二级。e t c s 2 虽然已进行了长时间的研究和试验，但是目前还没有 正式投入商业运营，表明其中有一些关键问题还有待解决。目前国内铁路客运专 线正在积极引进c t c s 2 系统，对c t c s 3 的研究迫在眉睫。因此有必要建设一个 c t c s 3 级列控系统仿真测试平台，为c t c s 3 的关键技术的研究及关键设备的测试 提供良好的条件。 1 3 论文的主要工作 论文主要工作是设计和实现c r c s 3 级列控系统仿真测试平台的子系统列 车运行仿真平台。论文的主要内容是： 7 e 丞銮适厶堂亟堂僮监塞! l 言 第一章介绍了论文研究的背景和国内外对于列车运行控制系统仿真测试平台 的研究状况。 第二章描述了c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的总体结构和各个子系统的功 能需求。 第三章分析了列车运行仿真平台总体软件结构，以及其主要模块一应答器、 轨道电路、线路数据库、列车群模拟器的功能需求，并且分析了列车运行仿真平 台与其它仿真子系统设立的接口，为列车运行仿真平台的具体设计与实现奠定了 基础。 第四章详细设计并实现了列车运行仿真平台的主要功能，其中包括设计实现 了应答器、轨道电路、线路数据库、列车群仿真器各模块的功能；定义了各子系 统的网络通信接口协议；并在b o r l a n dc + + b u i i d e r 环境下，实现了线路铺画界 面显示、网络通信界面等界面的显示；最后通过与其它子系统联调，验证了列车 运行仿真平台的基本功能。 第五章介绍了本论文涉及的关键技术。 第六章对论文工作进行总结，展望了今后工作。 j b 立童道占堂亟堂位迨塞! 望缝到蕉丕缝笾基型邀垩鱼盟结盟霆塑篚益耋 2c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的结构及功能需求 2 1c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的实现目标 构建一个基于计算机专用局域网络和g s m r 网络的，集仿真、测试和研发功 能为一体的平台，仿真规模可根据需求进行扩展。各主要仿真实体之间相互独立， 预留真实设备接口，便于用真实设备直接取代仿真设备。 仿真平台：仿真c t c s 3 的工作原理，实现车载设备的基本功能，地面设 备( 含r b c ，微机联锁，应答器等) 的基本功能，仿真各主要实体( 包括： 微机联锁，r b c ，车载设备，c t c 等) 之间的信息流程 测试平台：为关键设备的测试提供环境，包括车载设备( 含安全计算机， m m i ，b t m ，r t m ，司法记录器等) ，和地面设备( 含r b c ，查询应答器) 评估平台：评估系统的整体性能，及各关键设备的性能 2 2c t c s 3 级列控系统仿真测试平台系统结构 c t c s 3 级列车运行控制系统是中国列车控制系统( c t 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 ) 实现地面一列车间连续、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。 c t c s 3 级列车控制系统的主要特点在于，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。 通过分析c t c s 3 级列车运行控制系统的特点，为了构建一个符合c t c s 3 级 规范的、兼容的、互联互通的列车运行控制系统，为以后的c t c s 级别更高的系 统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他领域的协调 发展提供前提条件，我们提出了c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的方案，详细的 仿真测试平台系统结构如图2 1 所示。 图2 1 为轨道交通控制与安全国家重点实验室( 筹) 建设项目- 勒道交通控 制与安全综合实验平台建设，包括c t c s 3 级列控系统仿真测试平台、行车指挥平 台、g s m r 网络平台。 由图2 - 1 可见，c t c s 3 级列控系统仿真测试平台系统从功能上分为两部分， 9 e 夏窑塑厶堂亟堂位丝塞! 墅纽到蕉丕缝笾塞型毯王鱼的结控星丝篚益壅 车载子系统和地面子系统；从实现的角度分为列车运行仿真平台、车载设备仿真 子系统、r b c 仿真子系统、三维视景仿真子系统、联锁设备仿真子系统、仿真管 理器、m m i 等各子系统。 图2 一lc t c s 3 级列控系统仿真测试平台系统结构图 2 2 1各子系统的连接方式 图2 - 2c t c s 3 级列控系统仿真测试平台示意图 1 0 i k 立銮适厶堂亟堂焦迨塞! 望缝到撞丕筮笾塞捌这壬鱼盥结翅丛丛篚孟壅 为了尽量接近实际情况，c t c s 3 级列控系统仿真测试平台各子系统可以采用 下面两种连接方式； 1 、采用局域以太网络连接方式 用于列车运行仿真平台与车载设备、与r b c 、与三维视景、与行车指挥 平台之间；用于r b c 与联锁之间；用于仿真管理器与其他各子系统之间，如 图2 - 2 所示。 2 、采用串口连接方式 真实的车载设备与m m i 和列车操纵器之间采用串口连接方式，与r b c 之间需要通过g s m r 网络传输。为了仿真模拟真实设备的连接方式，车载设 备仿真子系统与m m i 和列车操纵模拟器之间采用串口连接方式，对于车载设 备仿真子系统与r b c 仿真子系统的通信方式，在c t c s 3 级列控系统仿真平 台开发初期，也可以选择串口连接。 2 2 2平台的特点 依据c t c s 3 级列控系统仿真测试平台的实现目标，该试验平台应该集仿真、 测试、评估功能于一体。它最基本的特点是仿真各子系统，完善各子系统的仿真 功能。当各仿真子系统的功能得到完善之后，该系统就作为一个测试和评估平台， 对真实设备进行测试和评估。图2 1 中的车载设备、m m i 、r b c 、联锁设备可以 替换作真实的设备，而列车运行仿真平台、仿真管理器、三维视景仿真器、行车 指挥平台需要完全计算机模拟，故各个子系统之间的接口需要良好的配置和封装。 2 3各子系统的功能需求分析 根据实际情况，分析各子系统及其功能如下： 1 车载设备仿真器： 接收r b c 通过g s m r 网络传送的运行许可、临时限速及线路参数等信 息： 向r b c 发送列车运行的动态信息( 如：车载设备等级、车载设备编号、 列车的实际运行速度、列车位置信息、刚经过的应答器编号等) ； 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； 实时接收手柄传输过来的列车目标运行速度等； 实时计算目标距离模式控制曲线；列车超速时，自动实施常用制动或 紧急制动； j e 壅窑堕叁堂亟堂位迨塞! 墅堑刎丝丕筮笾珏塑垡垩鱼的结丝丛麴篚盂盔 显示列车运行速度、允许速度、目标速度和且标距离等； 以语音或声光报警方式显示工作状态； 具有运行记录功能。 2 列车运行仿真平台： 铺画并显示整条线路图，为操作人员提供可视化的直观显示界面； 为车载设备提供应答器的报文，包括应答器组编号、静态速度曲线信 息、位置信息等； 为r b c 提供各种线路参数( 线路数据库编号) 和轨道占用情况； 为三维视景提供区间列车运行信息以及各种线路参数，包括车站信息 及各种轨旁设备信息，如应答器、轨道电路、信号机、道岔、坡道等； 提供列车群模拟器功能，模拟多辆列车车载设备核心功能，检测r b c 接车能力，同时为行车指挥平台提供必要的基础数据； 其内建线路数据库，进行数据管理及保存。 3 r b c 仿真器： r b c 要求的进路建立； r b c 接收进路锁闭的确认； r b c 证实进路已被锁定并在给列车发送运行许可之前没有被占用： r b c 允许在进路锁闭的状态下取消进路； 监督列车的完整性； 跟踪管辖范围内每列车的行驶位置； 根据为每一列车单独设立的基础信号系统确定运行许可； 将运行许可和基础设施数据单独发送到各个列车； 记录功能。 4 车站联锁仿真器：仿真联锁设备的功能，主要为列车提供进路信息。 5 仿真管理器：同步各仿真器的工作，进行仿真场景的管理和切换。 6 列车操纵模拟器： 模拟司机的操作； 产生列车速度信息发送给速度脉冲模拟器； 接收车载设备的输出信息( 制动信息，及其它相关信息) ； m m i ( 参照e 1 s 的d m i 规范) 。 7 三维视景：接收列车运行仿真平台各种线路信息和简单的列车运行状态， 逼真再现列车运行前方的视景。 2 4系统工作的基本流程 j e 塞銮道占堂亟堂位迨塞盟墅级到丝丕丝笾基趔道王鱼趋结盟巫婴篚孟壅 以真实设备代表的列车运行过程为例，简单说明仿真系统工作的基本流程： 1 人工操作启动列车运行，车载设备与当前的r b c 联系，取得移动授权 m a ： 2 车载设备根据操作台发送的速度信息计算里程，并向列车运行仿真平台报 告位置( 绝对公里标) ； 3 列车运行仿真平台根据车载设备报告的位置，( 1 ) 设置轨道电路的占用 状态，并向r b c 报告；( 2 ) 如果列车通过了应答器，则向车载设备发送 相应的应答器信息； 4 车载设备收到应答器信息后，生成位置报告并通过g s m r 网络发送给 r b c ： 5 r b c 接收到车载设备的位置报告，( 1 ) 重新计算列车的移动授权；( 2 ) 如果列车接近车站，则向车站联锁请求进路；( 3 ) 向行车指挥平台报告 列车的位置和运行状态。( 4 ) 当列车将通过两个r b c 之间的分界点时， 与接收r b c 联系，进行列车控制的交接处理。 j e 立童堑厶堂亟堂僮迨塞到奎垂征笾珏垩鱼结盟：塾能! 丝旦筮盟 3 列车运行仿真平台结构、功能、接口分析 3 1列车运行仿真平台的软件结构 列车运行仿真平台软件结构如图3 1 所示。该平台能够描绘整条线路，显示线 路整体情况；能够模拟并完成轨旁设备的功能，包括应答器、轨道电路、信号机、 弯道、坡道、桥梁、道岔等设备：能够通过建立线路数据库存储线路信息；能够 通过网络通信交换数据与其他子系统或其他仿真平台交换数据；能够完成列车群 模拟器动态发车的功能；列车运行仿真平台建立起来后，能够为c t c s 3 级列控系 统仿真测试平台提供后台数据支持、基础设施支持和原理演示支持。 图3 - 1 列车运行仿真平台软件结构图 1 4 立奎道厶堂亟堂位诠塞到芏垄堑鱼真垩鱼结丝：独篚：缝旦坌逝 3 2列车运行仿真平台的功能分析 论文的主要工作是实现列车运行仿真平台的功能和接口，因此需要进一步分 析列车运行仿真平台的功能及其设立的接口功能。 列车运行仿真平台包括应答器功能模块、轨道电路功能模块、列车群模拟器 功能模块及线路数据库功能模块，下面就逐个分析各模块。 3 2 1应答器功能模块 实际线路中，应答器分为两部分，应答器部分的地面设备和应答器的车载设 备，上下两部分点式传输，是列车进行定位校准、获取线路信息的重要途径。通 过车载查询器与地面应答器间数据的传输，列车可以从应答器得到线路信息，譬 如前方应答器编号、前方线路坡道信息、桥梁信息、弯道信息、静态速度曲线信 息、临时限速信息等。 符合e t c s 标准的典型轨旁设备如图3 - 2 所示。 图3 - 2 e t c s 轨旁设备 t oi n t e r l o c k i n g ：联锁；d i r e c t i o no f t r a v d ：行驶方向 t r a n s p a r e n t d a t ab a l i s e ：有源应答器；f i x e d - d a t ab a l i s e ：无源应答器 a l s t o m 公司的产品实物如图3 - 3 所示。 j e 立銮适厶堂亟堂焦迨塞到至垄堑笾基鱼结丝：功篚：挂旦筮蚯 图3 - 3 应答器外观( a l s t o m ) 地面应答器是地车之间点式传输设备，它适应列车速度高达2 0 0k m h 以上； 具有通用性；能够满足信息的安全传输；距离分辨精度高( 精度为1 米) ；信息 传输速率高达5 6 4 4 8k b i t s s ( 接口a 和c ) 。 实际应答器的工作过程如图3 - 4 所示： 图3 - 4 实际应答器的工作过程 应答器部分作为一个实体设备，在c t c s 3 级列控系统仿真平台中暂时还没有 实体代替，故在列车运行仿真平台中需要实现地面应答器的功能： 1 、能够提供定位信息 应答器最基本的功能就是定位，当列车经过一个应答器时，该应答器将自己 的绝对位置信息发送给车载设备。作为仿真层面的应答器设备，应该在列车运行 仿真平台的线路数据库中存放所有的应答器的绝对位置坐标。 2 、能够为r b c 提供前方可用应答器组编号。 r b c 为车载设备提供运行许可( m a ) 信息，而计算m a 需要知道前方空闲 的线路，此时列车运行仿真平台需要查询前方的轨道电路是否占用，并得知运行 方向上最远处的空闲轨道电路，并将该轨道电路内部的应答器组( 后称为前方可 用应答器组) 编号传给r b c 。 当只有一辆列车在线路上运行时，前方可用应答器组就为列车运行方向上的 区间最远处的应答器组，如图3 - 5 所示。 当有多辆列车在线路上运行时，前方可用应答器组就位前车刚刚经过的应答 器组。如图3 - 6 所示。 1 6 i e 塞銮堑厶堂亟堂位迨塞剁至重伍笾珏王鱼结盟! 功鳇：缝旦盆圭丘 应答器组0 l应答器组0 2应答器组n 此时应答器组n 为前方可用应答器组 图3 5 单辆列车运行情况的前方可用应答器组 应答器组o l应答器组0 2 应答器组n i 应答器组n 此时厦各器组m 为丽万可片j 压吾器组 图3 _ 6 多辆列车运行情况的前方可用应答器组 3 、能够为车载设备提供静态速度曲线( s s p ) 、临时限速等 车载设备需要知道前方线路的静态速度曲线信息和临时限速信息来计算自己 的动态速度曲线。故当列车经过一个应答器组时，列车运行仿真平台不仅能够提 供定位信息，而且还要提供前方线路的静态速度曲线信息和临时限速信息，每一 个应答器组传送从该应答器组到下一个应答器组之间线路的s s p ，考虑到速度突变 的问题可以传送到下两个应答器组之间线路的s s p 。 每两个应答器组之间并不一定是一个统一值，可以将每段s s p 划分为若干段， 每段叫作段静态速度曲线( d s s p ) 。这样做的好处是能够尽量精确地为车载设备提 供静态速度曲线信息，保证列车运行安全。 每个应答器组保存与它左右相邻的应答器组之间线路段的s s p 信息。这样， 可以根据列车运行方向的不同来选择不同的s s p 。 4 、能够进行应答器故障模拟 为检测车载仿真子系统的处理故障能力，可以仿真模拟应答器故障。 1 7 韭立銮适盔堂亟堂焦迨塞到芏运堑笾真垩鱼结翅! 弛篚：篮旦佥蚯 应答器组1 应答器组3 图3 7 静态速度曲线( s s p ) 与段静态速度曲线( d s s p ) 划分 3 2 2轨道电路功能模块 轨道电路是信号联锁的室外重要设备，起着保证行车和调车作业安全的作用。 它能监督检查某一固定区段内的线路( 包括站线) 是否有列车运行、调车作业或 车辆占用的情况，并能显示该区段内的钢轨是否完整。它是以钢轨为导线，轨缝 间用接续线连续起来，一端接电源，另一端接着受电器，通过轨道电流来工作。 其工作原理是：当设有轨道电路的某段线路上空闲时，轨道电路上的继电器 有足够的电流通过，吸起被磁化的衔铁，闭合前接点，从而接通色灯信号机的绿 灯电路，显示绿色灯光，表示前方线路空闲，允许机车车辆占用。当机车车辆进 入该线路区段时，由于轮对电阻很小，使轨道电路短路，继电器吸力减弱，释放 衔铁，使之搭在后接点上，接通信号机的红灯电路，显示禁行信号。如图3 8 所示。 轨道电路的这一工作性能，能够防止列车追尾和冲突事故，确保行车安全。 轨道电路的另一个重要作用是能发现钢轨发生断裂。在充当导线的钢轨安全 无事时，轨道电流畅道无阻，继电器工作也正常。一旦前方钢轨折断或出现阻碍， 切断了轨道电流，就会使继电器因供电不足而释放衔铁接通红色信号电路。此时， 线路虽然空闲，信号机仍然显示红灯，从而防止列车颠覆事故。 j e 立至堑厶堂亟堂焦途塞到奎运红笾珏王鱼结丝：功能：撞旦坌盟 v s a p p r o a c hs i g n a l 预告信号 g mt r a c km a g n e t s 钢轨磁铁 k ks h o r t - c i r c u i t - c o n t a c t 短路连接 s ms e n d i n gm a g n e t 发送磁铁 e m r e c i e v i n gm a g n e t 接收磁铁 e r r e c i e v i n gr e l a y 接收继电器 图3 - 8 轨道电路工作原理 列车运行仿真平台的