鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

李智

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081）

0 引言

調(diào)度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control，CTC)是實(shí)施鐵路調(diào)度集中指揮、確保列車按圖行車、提高運(yùn)輸效率和接發(fā)列車安全保障水平的重要行車設(shè)備，也是鐵路行車指揮部門(mén)對(duì)所管轄范圍內(nèi)各信號(hào)系統(tǒng)及子系統(tǒng)，以及各列車等進(jìn)行集中管理的信號(hào)設(shè)備。調(diào)度集中系統(tǒng)具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、對(duì)外接口種類多等特點(diǎn)。

分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）自2003 年提出并且在部分線路進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)行，這一時(shí)期的CTC 一般被稱為CTC1.0 系統(tǒng)[1]。隨著我國(guó)鐵路建設(shè)快速發(fā)展，CTC 系統(tǒng)也逐步擴(kuò)展功能適應(yīng)運(yùn)輸需求，演進(jìn)為基本滿足高速鐵路運(yùn)輸需求的調(diào)度集中控制系統(tǒng)，此時(shí)的調(diào)度集中系統(tǒng)一般稱為CTC2.0 系統(tǒng)[2-4]。2010 年前后，高速鐵路建設(shè)步伐進(jìn)一步加快，CTC 系統(tǒng)擴(kuò)充了與其他信號(hào)系統(tǒng)（TSRS、RBC、TCC、GRM-R 等）的接口，增加與其他系統(tǒng)（TDMS、PDMS 等）的信息集成，加強(qiáng)與運(yùn)輸信息集成平臺(tái)、PSCADA、大風(fēng)監(jiān)測(cè)報(bào)警等系統(tǒng)的結(jié)合，完善調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。國(guó)鐵集團(tuán)于2016 年正式頒布新《調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)條件》，對(duì)高鐵線路CTC 系統(tǒng)特征進(jìn)行總結(jié)規(guī)定，形成CTC3.0 系統(tǒng)。目前，CTC 系統(tǒng)除了應(yīng)用于我國(guó)鐵路之外，還已順利“出?！?，應(yīng)用于多個(gè)海外鐵路項(xiàng)目中，如雅萬(wàn)鐵路、中老鐵路等。

在進(jìn)行CTC 系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，由于牽扯到多個(gè)外部系統(tǒng)，不同外部仿真軟件部署環(huán)境各異，使用條件苛刻，給仿真環(huán)境搭建和操作帶來(lái)額外的工作量，而現(xiàn)有的仿真環(huán)境難以模擬現(xiàn)場(chǎng)各種異常情況。雖然系統(tǒng)上線前會(huì)進(jìn)行插入試驗(yàn)，但是受到時(shí)間限制以及對(duì)運(yùn)輸?shù)母蓴_等因素也不能實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景案例覆蓋測(cè)試。因此，可研究CTC 系統(tǒng)綜合仿真子系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、虛擬化技術(shù)、人工智能技術(shù)等，構(gòu)建調(diào)度集中系統(tǒng)的綜合仿真系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)CTC 系統(tǒng)外的TSRS、TCC、GSMR 以及CBI 的接口功能。

1 調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)原則與總體需求

調(diào)度集中系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證調(diào)度集中系統(tǒng)本身保持完整并不受影響的前提下，實(shí)現(xiàn)仿真的準(zhǔn)確性。在針對(duì)與調(diào)度集中系統(tǒng)通信的其他信號(hào)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量保持并模擬其他信號(hào)系統(tǒng)的功能。

對(duì)于調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循總體設(shè)計(jì)原則，其主要包括：

第一，應(yīng)具備和CTC 系統(tǒng)同樣的車站兼容性，對(duì)于目前CTC 系統(tǒng)涉及的各車站站型，應(yīng)全部兼容。

第二，應(yīng)具備和CTC 系統(tǒng)同樣的數(shù)據(jù)兼容性，對(duì)于系統(tǒng)所需車站數(shù)據(jù)及通信數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)和CTC 系統(tǒng)保持一致，以減少重復(fù)數(shù)據(jù)制作的工作量及保證數(shù)據(jù)的正確性。

第三，應(yīng)具有與CTC 系統(tǒng)一致的靈活擴(kuò)展性，根據(jù)測(cè)試實(shí)際需要，來(lái)控制整個(gè)仿真環(huán)境的規(guī)模。未來(lái)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，增加或者減少模擬車站；或根據(jù)實(shí)際需要增加或者減少模擬的與CTC 系統(tǒng)存在接口的其他信號(hào)子系統(tǒng)。

第四，應(yīng)具有與CTC 系統(tǒng)一致的對(duì)外接口標(biāo)準(zhǔn)，完全模擬和CTC 系統(tǒng)相連接的外部子系統(tǒng)與CTC 系統(tǒng)之間的通信，已驗(yàn)證對(duì)外通信數(shù)據(jù)的安全性和正確性。

第五，應(yīng)具有與CTC 系統(tǒng)一致的用戶友好人機(jī)界面，易于操作使用。

第六，應(yīng)具有與CTC 系統(tǒng)一致的長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的功能，滿足一些極端場(chǎng)景下烤機(jī)測(cè)試的需求。

綜合CTC 系統(tǒng)綜合仿真軟件的設(shè)計(jì)原則，調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真子系統(tǒng)具體需求如下：

一是仿真系統(tǒng)應(yīng)具備完整CTC 系統(tǒng)的功能。仿真系統(tǒng)應(yīng)采用實(shí)際CTC 系統(tǒng)應(yīng)用軟件，支持CTC 系統(tǒng)所有操作，主要包括階段計(jì)劃、調(diào)度命令、調(diào)監(jiān)顯示、站場(chǎng)控制、臨時(shí)限速、車次跟蹤、列車采點(diǎn)和報(bào)點(diǎn)。CTC 系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)可采用實(shí)際自律機(jī)軟件，站場(chǎng)數(shù)據(jù)、站細(xì)數(shù)據(jù)、功能配置應(yīng)與生產(chǎn)系統(tǒng)完全一致，應(yīng)支持自動(dòng)排路、人工排路等自律機(jī)所有功能。

二是仿真系統(tǒng)應(yīng)完全模擬計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能。仿真系統(tǒng)按照CTC 計(jì)算機(jī)連鎖標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和CTC系統(tǒng)通信，接收CTC 系統(tǒng)的自律機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令，并按照計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理后，將聯(lián)鎖處理結(jié)果發(fā)送至CTC 系統(tǒng)自律機(jī)。聯(lián)鎖系統(tǒng)仿真應(yīng)按照聯(lián)鎖表和聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)進(jìn)路、信號(hào)、鎖閉、道岔、封鎖解鎖、故障告警等聯(lián)鎖相關(guān)功能。

三是仿真系統(tǒng)應(yīng)仿真TCC 系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)應(yīng)配備TCC 系統(tǒng)模擬軟件，按照標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議和CTC 系統(tǒng)通信，模擬軟件應(yīng)模擬產(chǎn)生區(qū)間狀態(tài)信息，并反饋至CTC 系統(tǒng)。

四是仿真系統(tǒng)應(yīng)仿真TSRS 系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)應(yīng)配備TSRS 模擬軟件，按照標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議和CTC 系統(tǒng)通信，支持限速命令擬定、發(fā)送、校驗(yàn)、設(shè)置、取消等全過(guò)程操作模擬，支持實(shí)時(shí)限速狀態(tài)查詢和黃色光帶顯示。

五是仿真系統(tǒng)應(yīng)仿真RBC 系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)應(yīng)配各RBC 系統(tǒng)模擬軟件，按照CTC-RBC 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和CTC 系統(tǒng)通信，向CTC 系統(tǒng)發(fā)送模擬列車運(yùn)行狀態(tài)、位置、速度和移動(dòng)授權(quán)等信息。

六是仿真系統(tǒng)應(yīng)仿真GSM-R 系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)應(yīng)配備GSM-R 傳輸模擬軟件，按照標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議和CTC 系統(tǒng)通信，可接收顯示CTC 系統(tǒng)的無(wú)線調(diào)度命令、無(wú)線進(jìn)路預(yù)告等信息。

七是仿真系統(tǒng)應(yīng)具備列車運(yùn)行模擬功能。仿真系統(tǒng)應(yīng)模擬列車自動(dòng)運(yùn)行，在圖形界面上生成“紅光帶”列車移動(dòng)信息，并模擬計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、RBC 系統(tǒng)、G網(wǎng)等相關(guān)子系統(tǒng)輸出相關(guān)信息。仿真系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬軟件應(yīng)嚴(yán)格按照信號(hào)開(kāi)放條件移動(dòng)列車，模擬列車能按設(shè)定的速度前進(jìn)，并可根據(jù)限速值自動(dòng)降速運(yùn)行，列車速度模式曲線應(yīng)保持與實(shí)際的曲線基本一致。列車模擬部分的處理可分為三個(gè)階段：接收信息、處理信息、列車表示，如圖1 所示，其中處理信息部分是最重要的部分。

圖1 列車模擬部分的處理過(guò)程

八是仿真系統(tǒng)應(yīng)具備特殊場(chǎng)景模擬功能。仿真系統(tǒng)應(yīng)具備區(qū)間站內(nèi)紅光帶、燈絲斷絲、道岔失控表示、ATP 故障、斷軌、接觸網(wǎng)停電、線路封鎖施工等場(chǎng)景模擬功能。

單個(gè)CTC 區(qū)段的CTC 綜合仿真系統(tǒng)接口示意圖如圖2 所示。

圖2 CTC 綜合仿真系統(tǒng)接口示意圖

2 調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求

CTC 系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)部子系統(tǒng)繁多且子系統(tǒng)之間通信較多的綜合性系統(tǒng)。而且，調(diào)度集中系統(tǒng)處于整個(gè)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的最頂層，通過(guò)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總、轉(zhuǎn)換與分發(fā)，實(shí)現(xiàn)鐵路行車的調(diào)度指揮工作。與調(diào)度集中系統(tǒng)存在接口的其他鐵路信號(hào)系統(tǒng)子系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、車站列控中心、GSM-R、臨時(shí)限速服務(wù)器、無(wú)線閉塞中心，以及既有的TDCS 系統(tǒng)和相鄰的調(diào)度集中區(qū)段。為了與生產(chǎn)系統(tǒng)做到無(wú)縫結(jié)合、軟件/數(shù)據(jù)同步升級(jí)，CTC 系統(tǒng)綜合仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的組織方式與仿真系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)需要與生產(chǎn)系統(tǒng)保持一致。CTC 系統(tǒng)綜合仿真系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求如下：

一是CAD 站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)。CAD 站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)是根據(jù)車站平面布置圖、區(qū)間信號(hào)設(shè)備布置圖及分相信息表等文件，利用CTC 系統(tǒng)CAD 軟件制作CAD 站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)。

二是聯(lián)鎖大排隊(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。聯(lián)鎖大排隊(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是根據(jù)聯(lián)鎖提供的大排隊(duì)，制作站場(chǎng)各對(duì)象的聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換文件，用于和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口。

三是列控轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。列控轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，即根據(jù)列控廠家提供的“CTC 接口ID 表”，制作列控信息轉(zhuǎn)換文件，對(duì)應(yīng)和列控間低頻碼及區(qū)間方向等信息的傳輸。

四是TSRS 相關(guān)數(shù)據(jù)。TSRS 相關(guān)數(shù)據(jù)，即根據(jù)TSRS 廠家提供的《TSRS-CTC 接口文件》《信號(hào)數(shù)據(jù)表》等文件，制作TSRS 數(shù)據(jù)接口文件。

五是GSM-R 相關(guān)數(shù)據(jù)。GSM-R 相關(guān)數(shù)據(jù)，即根據(jù)G 網(wǎng)廠家提供的《GSMR-CTC 接口文件》等文件，制作GSM-R 數(shù)據(jù)接口文件。

六是RBC 相關(guān)數(shù)據(jù)。RBC 相關(guān)數(shù)據(jù)，即根據(jù)RBC 廠家提供的《RBC 接口文件_RBC 序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系表》等文件，制作RBC 數(shù)據(jù)接口文件。

七是進(jìn)路表相關(guān)數(shù)據(jù)。進(jìn)路表相關(guān)數(shù)據(jù)，即根據(jù)聯(lián)鎖廠家提供的聯(lián)鎖表結(jié)合站場(chǎng)平面圖，制作車站進(jìn)路數(shù)據(jù)接口文件。

3 調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)對(duì)調(diào)度集中系統(tǒng)相關(guān)的其他鐵路信號(hào)系統(tǒng)子系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，將與調(diào)度集中系統(tǒng)相關(guān)的功能進(jìn)行整合，建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在保留調(diào)度集中系統(tǒng)與其他系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的接口模式和數(shù)據(jù)交互協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件模塊化的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度集中系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與信息交互，并結(jié)合仿真列車運(yùn)行模塊的研究，構(gòu)造基于調(diào)度集中系統(tǒng)的、完整的綜合仿真軟件。綜合仿真系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

調(diào)度集中系統(tǒng)是我國(guó)鐵路調(diào)度指揮的“大腦”，對(duì)確保列車按圖行車、提高運(yùn)輸效率和保障接發(fā)列車安全具有重要意義。對(duì)鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求，包含設(shè)計(jì)原則與總體需求、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求及軟件結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討，可以為以后鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。