沪杭高速铁路C3列控室内仿真系统研究

于长洪，崔新民，王现军

(北京全路通信信号研究设计院，北京 100073)

1 实验室建设目的和沪杭高速铁路列控系统

1.1 建设目的

沪杭高速铁路系统集成就是将地面和车载所有设备进行连接、调试、测试的过程;为了保障系统集成质量，确保工程工期，降低现场试验各项成本，同时为了保证动态联调联试时的人车安全，提高现场工作效率，建设了沪杭高速铁路C3列控室内仿真系统。

1.2 列控系统概述

CTCS-3级列控系统是基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输，无线闭塞中心(RBC)生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位。CTCS-2级列控系统通过轨道电路和应答器实现车地列控信息传输，列控中心(TCC)完成轨道电路编码和状态采集、有源应答器报文编码、站间安全信息传输功能。

1.3 沪杭高速铁路信号系统

沪杭高速铁路信号系统包括:行车调度指挥系统、闭塞和列控系统、车站联锁系统、信号集中监测系统和电源系统等。沪杭高速铁路行车调度指挥采用分散自律调度集中系统(CTC)，可与本线临时限速服务器接口，在中心实现对临时限速调度命令的拟定和生成。

沪杭高速铁路车站联锁系统(CBI)实现各站联锁控制，并且通过信号安全数据通信网向RBC提供基于进路条件的信号授权信息，向TCC提供站内进路状态并接收TCC传来的区间轨道电路状态和运行方向等信息。

临时限速服务器实现线路临时限速命令的生成，通过信号安全数据通信网同时下达给RBC和TCC，保证RBC和TCC生成的临时限速命令的一致性。

信号集中监测系统提供沪杭客运信号设备的运用状况监测。

为了确保沪杭高速铁路CTCS－3级列控系统按计划正常开通和运营，特建立C3仿真实验室，针对列控系统的关键技术，按照工程实际集成方案，选择典型配置进行室内仿真试验工作。

2 沪杭高速铁路列控仿真系统

2.1 沪杭高速铁路概况

沪杭高速铁路工程范围主要包括:上海虹桥站(不含)DK2+210至杭州东站(不含)DK155+017.38，正线线路长度160 km。春申线路所至上海南站(含)联接线，笕桥联络线等。新建和改建松江南站、金山北站、嘉善南站、嘉兴南站、桐乡站、海宁西站、余杭南站及101线路所、春申线路所、笕桥线路所;上海南站、笕桥站等车站。沪杭客运专线线路示意如图1所示。

沪杭高速铁路列控系统采用CTCS-3级列车运行控制系统，作为运营速度350 km/h高速动车组的主用列控系统，CTCS-2级作为350 km/h高速动车组降级备用系统，按满足最高速度300 km/h进行设计。沪杭高速铁路列车正向按自动闭塞追踪运行，反向按自动站间闭塞运行。CTCS-3级列控系统反向运行最高速度300 km/h，CTCS-2级列控系统反向运行最高速度250 km/h。

2.2 C3列控室内仿真系统的总体目标

(1)确保沪杭高速铁路信号系统集成方案各组成子系统功能的正确性和有效性;确保各子系统间的接口连接功能正确、可靠;确保CTCS-3级与CTCS-2级列控功能及级间转换等功能正确，保证具备工程开通的技术条件。

(2)试验和验证系统安全性，确认在已知的失效模式下，保证系统故障-安全性满足信号系统的设计要求。

图1 杭客高速铁路线路示意

(3)试验和验证系统可靠性、确认系统各种冗余方案的有效性、保证系统在故障恢复期间的可用性。

(4)进行室内各项场景测试和数据交付测试，完成被测软件的发布工作。

(5)针对联调联试和试运行期间现场故障重现及问题解决的验证测试。

2.3 CTCS-3列控系统实验室试验需考虑的因素

(1)参考武广客运专线CTCS-3列控系统的试验经验，针对沪杭高速铁路的关键技术特点，进行选择性试验。

(2)根据《信号系统集成实施方案》，考虑沪杭高速铁路按虹桥站至101线路所CTCS-2级列控，101线路所至笕桥线路所CTCS-3级列控，笕桥线路所经笕桥站至杭州站的方案开通。

(3)按照CTCS-3级列车运行控制系统结构图的列控系统方案(图2)，根据沪杭高速铁路设置2套RBC设备管辖全线约153 km的正线线路，并且在嘉善南站和嘉兴南站相邻2套RBC的控制边界重叠的情况。

图2 CTCS-3级列车运行控制系统结构

(4)考虑iLOCK型计算机联锁是首次应用在CTCS-3级列控系统客运专线的情况。

(5)考虑RBC连接数量较多的CBI和TSR的实际情况。

2.4 实验室测试范围

(1)自虹桥站至101线路所进站信号机外为CTCS-2级，并在此进行C2和C3的级间转换;

(2)自101线路所至嘉善南站CTCS-3级，其中101线路所由春申线路所区域联锁控制;

(3)自嘉善南站至嘉兴南站CTCS-3级，并在两站间进行相邻RBC控制权切换;

(4)自嘉兴南站经中继站2至桐乡站CTCS-3级。

2.5 重点测试内容

考虑到CTCS-3技术的成熟性，本次实验室试验的重点是iLOCK计算机联锁系统、无线闭塞中心和临时限速服务器，主要测试的内容包括:

(1)计算机联锁CBI、列控中心TCC(含区间中继站)、无线闭塞中心RBC、临时限速服务器TSR和安全数据网的基本功能;

(2)无线闭塞中心RBC通过GSM－R与实物车载通信功能;

(3)区域计算机联锁系统功能;

(4)CBI、TCC(含区间中继站)、RBC、TSR 相互之间的所有接口功能;

(5)CTCS-2级列控系统功能、CTCS-3级列控系统功能，以及C2与C3级间切换的功能;

(6)相邻RBC行车许可控制权交接功能;

(7)RBC连接5个联锁站及1个TSR的稳定性;

(8)安全性和可用性;

(9)其他特殊功能;

(10)现场故障重现试验，及整改验证试验。

图3为实验室试验系统配置。

图3 试验系统配置

2.6 仿真系统组成和各接口连接方式

实验室仿真测试系统采用与工程一样的接口方式:使用安全数据以太网1、2以及串口422两种通信方式，其中只有CTC与CBI上位机采用422通信方式，其余均为冗余以太网。

CBI—TCC:冗余以太网;

CBI—RBC:冗余以太网;

CBI—CBI:冗余以太网;

CBI—CTC:冗余422串口;

CTC—RBC:冗余以太网;

CTC—TSR:冗余以太网;

CTC—TCC:冗余422串口;

TCC—TSR:冗余以太网;

TCC—TCC:冗余以太网;

CSM均采用以太网与各系统维护机连接。

实验室仿真测试系统主要包括:实物系统包括2套RBC实物系统、1套TSR实物系统、3套iLOCK实物联锁系统、1套K5B列控中心实物系统;仿真系统包括仿真支撑系统、仿真模型集、实物接口适配系统、接口监测系统、数据配置系统、人机界面系统等7个主要部分。

(1)实物系统

实物系统在实验室中是既可以作为被测试对象，又可以为其他被测试对象提供测试环境，实物系统通过实物接口平台接收仿真系统的测试指令，执行既定功能并将输出结果反馈给仿真系统。

(2)仿真支撑平台

仿真支撑平台是系统实验室仿真测试环境的核心，由仿真应用服务器、仿真数据库服务器、仿真数据备份服务器、仿真同步控制服务器、实物接入服务器、记录服务器组成，运行仿真管理软件，实现仿真场景模拟、仿真脚本运行、测试流程控制、向被测系统输出测试指令、接收被测系统的反馈等功能。

(3)仿真模型集

仿真模型集包括:列控地面设备仿真模型、列车仿真模型、环境仿真模型等，在仿真支撑平台的控制下，与被测实物设备连接，共同构成半实物仿真系统。针对联锁、列控中心系统和CTC系统建立起基于真实软件的联锁模型、列控中心模型和CTC模型。

(4)实物系统接口平台

实物系统接口平台是实物设备与仿真支撑平台之间的软、硬件接口，实现被测实物设备的接入，是连接仿真模型和实物系统的纽带。

(5)接口监测系统

实现对仿真测试过程中系统间接口数据的采集和分析。实验室构建接口监测包括“CBI—RBC”、“CBI—TCC”、“ATP Um 接口”、“ATP Igsmr接口”、“RBC PRI接口”、“RBC—TSR”、“TSR—TCC”等接口数据的采集和分析，作为测试期间重要的问题分析基础。

(6)数据配置系统

数据配置系统实现实验室环境所需数据的生成和配置。

(7)人机界面

人机界面是仿真测试系统接收测试人员干预，反馈和显示测试结果的人－机交互平台。

根据沪杭高速铁路实验室建设的实际情况，前期仿真测试系统实施将按如下方案实施(后期可能扩展到全线设备):

①实物设备配置2套RBC、2套车载ATP、3套iLOCK联锁设备、2套 K5B列控中心实物设备、1套TSR，实物系统间的连接关系与现场一致。3套iLOCK联锁系统部署在嘉善南站、嘉兴南站和春申线路所。2套K5B列控中心实物设备部署在嘉善南站和春申线路所;

②配置1个室内型基站BTS，接入院GSM－R实验室核心网。RBC通过传输通道以ISDN PRI接口接入移动交换中心(MSC)，ATP通过GSM－R Um接口接入BTS;

③配置1台仿真应用服务器(同时用作仿真同步控制服务器、实物接入服务器和记录服务器)、1台数据库服务器;

④建立2个站的联锁模型、4个站的列控中心模型、1套CTC模型。信号系统仿真模型运行在模型工作站中;

⑤配置2套ATP接口平台、3套iLOCK联锁设备接口平台、2套K5B列控中心接口平台;

⑥配置1套接口监测系统，监测和分析“联锁—RBC”、“联锁—TCC”、“ATP Igsmr接口”、“RBC PRI接口”、“RBC—TSR”、“TSR—TCC”接口的数据;

⑦配置系统监控界面终端1套;

⑧仿真运行界面终端1套;

⑨司机模拟驾驶台终端1套;

⑩实物ATP设备和实物驾驶台终端1套;

2.7 C3列控仿真系统的实施

沪杭高速铁路C3测试系统以既有武广高速铁路试验方案为基础，针对沪杭高速铁路工程数据编制测试大纲，明确需要测试的功能、性能和预期的结果，编制测试案例，提出测试条件，按照规定的测试序列进行测试，通过对测试记录的分析和评判确定被系统的有效性。

2.7.1 功能场景试验

根据C3列控系统技术条件，功能场景在实验室测试的主要内容如下。

(1)系统启动:测试各系统投入/退出功能及对整体系统的影响;

(2)行车许可:测试各种条件下C2列控编码功能和C3行车许可功能;

(3)级间转换:测试正常的级间转换在转换区域自动进行;特殊情况下，停车后由司机进行级间转换;

(4)进出动车段:在动车段内按CTCS－2级的部分监控模式运行，通过出站口的应答器组并得到相应的信息后，在联络线按CTCS－2级的完全监控模式运行，模式转换自动进行;

(5)自动过分相:当列车运行到距分相点前一定距离时，无线闭塞中心(RBC)/应答器向列车发送前方被激活的分相点信息，包括至分相点距离、分相区长度等;

(6)RBC切换:测试相邻RBC控制区控制权交接功能;

(7)降级运行:当子系统故障(联锁或RBC等)、通信中断以及进路被取消等场景下，列车将继续以先前收到的行车许可运行，直至60 s后如果故障仍未消除，列车将实施最大常用制动。当速度低于CTCS-2级的允许速度时自动转换到CTCS-2级控车;当故障消除并具备CTCS-3级控车条件时，自动转换到CTCS-3级控车;

(8)临时限速:测试C2和C3临时限速功能;(9)灾害防护:测试各系统灾害防护功能;(10)特殊联锁:测试区域联锁控制及特殊联锁功能，以及进路取消、解锁等对列控系统的影响;

(11)RBC多连接稳定性:测试单套RBC在连接5个联锁系统和1个临时限速服务器条件下的稳定性;

(12)故障切换:测试各系统在故障情况下的系统可用性;

(13)故障安全:测试各系统在故障情况下的系统安全性。

2.7.2 数据集成测试

由于在各子系统根据输入条件和接口文件完成各自软件后并非就保证各项数据的正确性和完整性，需对所有接口间的数据以及RBC中存储的列车速度、坡度、曲线、MA、分相信息等线路数据进行逐一核对验证，所以就必须进行数据集成测试，主要包括:

(1)联锁数据集成测试;

(2)列控中心数据集成测试;

(3)RBC数据集成测试;

(4)临时限速数据集成测试;

(5)各接口之间集成测试主要包括:联锁与RBC接口、联锁与列控中心接口、RBC与临时限速服务器接口、RBC与ATP车载设备的接口、临时限速服务器与列控中心接口等。

2.7.3 测试结果评审、软件发布和现场实施

(1)测试评审

根据场景功能测试的输出结果，确保各软件在系统功能中是安全可靠的，并将系统软件发布至数据测试组，由数据测试组完成各子系统和接口数据验证测试以及各级列控数据测试，测试组提交测试报告和测试过程，四电集成单位组织各子系统根据测试问题进行分析，由相应负责的子系统解决并提交分析报告，由测试组再次进行系统性回归测试;根据各类测试报告，由专家委员会讨论是否对当前已完成测试的软件版本进行发布。

(2)软件发布

各子系统软件在经专家委员会评审通过后由相配置管理人员将各子系统软件发布至专用服务器，并为现场技术人员配置对应的下载权限。

(3)现场实施和验收

现场工作人员根据其权被分配的下载权限，到指定的访问路径下载对应子系统现场安装版软件并与配置管理人员核对软件的版本号，在核对一致后对现场需实施的系统进行安装和调试，并完成调试记录和签署工作;在各子系统软件安装完成后由铁路局组织进行静态验收和动态验收，解决由于现场施工等原因造成的其他问题。

3 价值体现

自2009年底沪杭C3集成实验室建设完成到2010年10月期间，由四电集成单位组织各子系统和相关专业进行了大量广泛深入的系统性测试，并在继承了我院已开通C3客运专线中武广客运专线和沪宁城际客运专线的经验基础上进行思维创新、举一反三，并集中经验丰富的技术人员根据沪杭线路的特点编制适用于沪杭高速铁路的各种组合场景，提前发现软件中存在的缺陷，及时完成了由于各种列控数据变动造成数据更改的验证，配合现场对发现的问题进行室内验证等工作，使得沪杭高速铁路在联调联试以及试运行期间整体平稳顺利，为沪杭高速铁路在2010年10月26日的顺利开通运营奠定了坚实的列控系统基础。

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