高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

馬文暉 楊 斐 馮國斌

(1. 中國鐵路青藏集團有限公司， 西寧 810007； 2. 甘肅省工業(yè)交通自動化工程技術(shù)研究中心， 蘭州 730070；3. 蘭州安信鐵路科技有限公司， 蘭州 730070)

1 CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能需求

我國高速鐵路調(diào)度指揮使用調(diào)度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control System, CTC)，運輸指揮人員通過CTC實現(xiàn)對整條線路列車的調(diào)度工作。本文通過對計算機仿真軟件研究(流程如圖1所示)，設(shè)計并開發(fā)了針對高原地區(qū)的高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。調(diào)度指揮人員利用仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進行反復(fù)訓(xùn)練，可進一步提高自身職業(yè)技能，成為具備創(chuàng)新型知識的優(yōu)秀職工[1-3]。

圖1 仿真軟件研究流程簡圖

CTC仿真系統(tǒng)是CTCS-3級列車控制仿真平臺的一個子模塊，平臺包括RBC仿真和車載人機交互接口仿真兩個功能，不僅可實現(xiàn)車站模塊的車站CBI仿真、TCC仿真、站場以及區(qū)間信號設(shè)備仿真等功能，還也可模擬車輛在CTCS-3級列車控制等級下的運行情況。高速鐵路CTC完成規(guī)定功能需依賴聯(lián)鎖、列控、TSRS、RBC、GSM-R等系統(tǒng)。通過對CTC系統(tǒng)功能進行分析，得到4個目前需要解決的需求[4-6]。

(1)目前，大多數(shù)信號仿真系統(tǒng)只能實現(xiàn)部分仿真或普速仿真，但現(xiàn)場的運輸調(diào)度員工因工作需要，急需一套完整的高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，用于崗前培訓(xùn)和日常練習(xí)，以確?？焖?、安全上崗。

(2)鐵路局期望有一套與日常工作環(huán)境無較大差異的培訓(xùn)流程，在調(diào)度員和車站值班員上崗之前，可對其進行與崗位工作內(nèi)容相同環(huán)境下的培訓(xùn)。為此，亟需一套高速鐵路CTC仿真系統(tǒng)，通過操作流程培訓(xùn)，使運輸人員熟悉工作線路、車站布局結(jié)構(gòu)以及站規(guī)、站細等各方面的內(nèi)容，以便快速上崗。同時，培訓(xùn)系統(tǒng)需具有更新的能力，若發(fā)生實際調(diào)度臺管轄范圍變更、車站站場維修改造、基本圖變換等情況，系統(tǒng)可同步聯(lián)網(wǎng)更新，調(diào)度指揮人員便可在仿真系統(tǒng)上提前訓(xùn)練，確保高速鐵路運營安全。

(3)目前，對非正常情況下行車處置流程的培訓(xùn)和教學(xué)嚴(yán)重不足。鐵路局對非正常情況的作業(yè)流程制定了多項操作規(guī)章，單獨靠理論學(xué)習(xí)，不僅枯燥乏味，也不易掌握實際作業(yè)流程。因此，要求培訓(xùn)系統(tǒng)需具備提前預(yù)設(shè)故障、歷史故障、現(xiàn)場復(fù)現(xiàn)等功能，并可對處理故障流程進行判分，從而提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效率。

(4)新線開通之前，鐵路局調(diào)度所會對線路進行滿圖負荷仿真試運行，以了解線路的滿負荷運行能力，同時，對整條線路的運輸流量瓶頸進行測評和推練，推斷出可能出現(xiàn)的列車交匯集中點，為以后線路正常運行提供有價值的改善依據(jù)，提高線路的運輸能力和運輸效益。

針對上述需求，通過技術(shù)優(yōu)化、流程再造、維修體系標(biāo)準(zhǔn)等手段將標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程、智能測量終端與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，以應(yīng)急指揮、生產(chǎn)、安全、質(zhì)量、信息為首要任務(wù)，提高設(shè)備質(zhì)量、縮短故障處理時間為目標(biāo)。研發(fā)高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)時不我待。

2 高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能

作為一個功能復(fù)雜的培訓(xùn)系統(tǒng)，高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能模塊分為：(1)仿真通信子系統(tǒng)；(2)仿真多個信號子系統(tǒng)；(3)仿真車輛；(多個仿真子系統(tǒng)的集成整合及列車智能走行。CTC仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 CTC仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2.1 通信子系統(tǒng)的仿真

CTC仿真系統(tǒng)首先要滿足階段計劃的生成、進路控制和命令執(zhí)行3個功能，同時還要滿足日常教學(xué)和學(xué)習(xí)的功能。高速鐵路CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的幾個功能需使用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交流，系統(tǒng)中教學(xué)和維護模塊的部分工作是由教師機負責(zé)、管理和監(jiān)督的。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信由抗干擾能力強的以太網(wǎng)交換機完成，通信子系統(tǒng)完成CTC與GSM-R的交互信息功能和FAS臺功能。數(shù)據(jù)幀、通用發(fā)送幀關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)幀、通用發(fā)送幀關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

2.2 信號子系統(tǒng)仿真

高速鐵路完成CTC運行的核心信號系統(tǒng)模塊有聯(lián)鎖、列控中心、TSRS和RBC， CTC仿真系統(tǒng)需要完成以上模塊的仿真。

(1)聯(lián)鎖仿真

模塊主要模擬聯(lián)鎖模塊的功能，具有系統(tǒng)所仿真線路的聯(lián)鎖表。接收CTC仿真系統(tǒng)的各種控制命令并正確執(zhí)行，向CTC仿真系統(tǒng)發(fā)送站場信息以及與CTC系統(tǒng)交互非常站控或分散自律控制模式等。

(2)列車控制中心仿真

列控中心仿真模塊主要包括區(qū)間方向判斷和低頻碼信息計算。與CTC仿真模塊進行區(qū)間和低頻碼信息的數(shù)據(jù)交流，同時完成當(dāng)前所在區(qū)間列車占用與出清狀態(tài)的檢查，接收CTC仿真模塊的控制命令，并檢查區(qū)間是否有車。

(3)TSRS仿真

TSRS仿真模塊的主要任務(wù)為接收CTC的限速命令并執(zhí)行限速命令，與此同時向CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)上傳限速命令的執(zhí)行狀態(tài)，生成執(zhí)行日志文件，以便后期查看限速命令的下達過程。

(4)RBC仿真

RBC仿真模塊除向CTC仿真系統(tǒng)傳輸車輛仿真信息外，還要接收CTC仿真系統(tǒng)接口傳輸?shù)奈谋拘畔?，按照培?xùn)人員的操作指令進行仿真車輛的創(chuàng)建、注冊等，結(jié)合聯(lián)鎖、車速等實現(xiàn)列車仿真運行，使其具備移動授權(quán)功能。通過這個模塊可完成編制基本圖、調(diào)整運行圖、生成實際運行圖等功能。運行圖調(diào)整設(shè)計流程如圖4所示，CTC中心行車指揮流程如圖5所示。

圖4 運行圖調(diào)整設(shè)計流程圖

圖5 CTC中心行車指揮流程圖

3 CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)備配置

在硬件的基礎(chǔ)配置上，重點完成了工作站系統(tǒng)搭建的設(shè)置，其中包括了各種服務(wù)器、交換機、Intel AMT (主動管理技術(shù))等相關(guān)設(shè)備，還涉及到卡、聲卡驅(qū)動等。系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)包括局域網(wǎng)設(shè)備、服務(wù)器、交換機和工作站操作系統(tǒng)補丁，同時還要將電腦硬件設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序準(zhǔn)確安裝并配置成功。

服務(wù)器配置主要完成數(shù)據(jù)庫配置的任務(wù)，用于存儲保障列車行車的運行圖數(shù)據(jù)、各種基礎(chǔ)性的線路數(shù)據(jù)表以及仿真的站場圖等，服務(wù)器由小型機和其相關(guān)設(shè)備組成，小型機使用Unix操作系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)交換機拓撲能夠避免總線故障而引起的全線網(wǎng)絡(luò)故障，單個節(jié)點發(fā)生故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)，每位用戶的帶寬能夠達到100 Mbit/s，且可重新配置網(wǎng)絡(luò)。

3.2 軟件體系設(shè)計

培訓(xùn)系統(tǒng)軟件由現(xiàn)場車站自律機和調(diào)度指揮控制中心軟件兩部分組成。調(diào)度指揮中心軟件按其各自功能分成接口通信功能和服務(wù)應(yīng)用功能。服務(wù)應(yīng)用功能是給調(diào)度員準(zhǔn)備的終端軟件，是提供給信號設(shè)備維修人員系統(tǒng)維護與網(wǎng)絡(luò)管理的軟件。CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件模塊邏輯關(guān)系如圖6所示。

圖6 CTC仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件模塊邏輯圖

由圖6可知，調(diào)度臺的操作指令第一步流向應(yīng)用服務(wù)器和通信服務(wù)器，然后流向前置機，最后由車站值班員憑借車務(wù)終端設(shè)備將其傳輸給自律機。

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前高速鐵路現(xiàn)場人員的工作實際，本文通過分析CTC系統(tǒng)的功能需求，在CTCS-3級仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的平臺上，搭建了CTC系統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)下模擬高速鐵路列車運行環(huán)境，測試即將投入使用的軟件數(shù)據(jù)，并通過與聯(lián)鎖和列控設(shè)備的接口模擬，構(gòu)建模擬真實環(huán)境進行功能試驗。本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為獨立系統(tǒng)，是專為提高車務(wù)人員業(yè)務(wù)水平而開發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)。