基于CTCS2-200C的城际列控车载ATP总体技术方案的研究和实现

郑理华

1 城际轨道交通及城际铁路列控系统概述

我国高速铁路建设和运营已经取得了举世瞩目的成绩。随着经济和社会的发展，区域和区域之间，区域内部城市之间，省内城市之间的人员和商品的流动和流通也随之相应的增加。为适应经济的发展和区域交通的需要，多个经济发达区域 (如珠三角，长三角，长株潭、青荣、郑开、成绵乐等地区)相继规划在现有高速铁路的技术和运营基础上，建设城际轨道交通系统，总里程近3000 km，预计在2015年开通运营珠三角莞惠线、佛肇线和长株潭城际铁路。城际铁路必将是未来区域和省内重要城市之间交通的大通道和主通道。

为了增强运输能力和运输效率，根据客运专线“高速度、高密度、跨线运行”的实际特点，城际铁路列控系统在CTCS-2级列控系统基础上，新增了站间自动运行、车站定点停车及车站通过、折返作业、列车运行自动调整、车门/屏蔽门 (或安全门，以下简称屏蔽门)防护及联动控制、列车运行节能控制等自动运行相关功能。城际铁路列控系统地面设备配置，兼容CTCS-2级列控系统，与CTCS-2相关的地面设备设置方式维持不变。地面设置专用的精确定位应答器，实现列车精确定位;设置通信控制服务器 (CCS)，实现站台门控制和运行计划处理;设置车载ATO设备，实现列车自动驾驶;采用GSM-R网络实现车-地双向通信。城际铁路整体车载结构如图1所示。

图1 城际铁路车载设备结构图

2 城际列控车载ATP的新增关键功能

从城际列控系统总体构成和技术总体方案中可以看出，CTCS-2级列控系统的安全功能是城际列控系统的安全基石，在此基础上增加了城际列控特有的ATP和ATO功能。从研究开发成本和周期、列控技术的积累和掌握、系统自主化等角度出发，尤其是考虑到既有CTCS-2级列控车载设备的安全性和可用性，并经长期运营实践充分证明，以既有CTCS-2级列控车载设备作为安全和技术基础，在此基础上进行城际铁路列控车载ATP的研究和开发，是一条最优路径。

在最优路径确定的基础上，选用CTCS2-200C型ATP车载设备作为现有CTCS-2级列控ATP的原型。通过分析和比对CTCS-2级列控和城际铁路列控系统ATP功能，确定出CTCS2-200C型ATP车载设备所要新增和升级的主要ATP功能为：车-地双向安全通信、列车停准停稳、车门使能、车门防护能、站台门联动、新增模式 (CS，SL，AM)及其转换、自动折返等。同时可以确定，城际铁路列控系统新增的ATP功能，是为了满足和适应城际铁路ATO功能的需要而随之增加的，新增的和既有CTCS-2的ATP功能是ATO设备工作的基础，是整体车载设备的安全基础。如果在现有CTCS2-200C型ATP车载设备的基础上无法设计出合理的、新的整体方案，无法进行系统整体功能的扩充，无法实现上述关键新增功能，将会直接导致与之配合的ATO设备无法正常工作，从而影响城际铁路列控系统非CTCS-2功能的正常实现。

3 城际列控车载ATP的总体技术方案

依据城际铁路整体车载结构 (图1所示)，以及确定的ATP新增功能，同时确保原有CTCS-2列控车载设备的安全功能不受任何影响，提出了一种完全基于现有CTCS2-200C的安全功能，在其原有CTCS-2级安全功能不做任何改动的基础上，实现新增ATP功能的城际列控ATP整体设计思路。

城际动车组与列控车载设备之间的接口如表1和表2所示，其中动车组传送至ATP的输入信号如表1所示，ATP发送至动车组的输出信号如表2所示。

表1 动车组传送至ATP的输入信号

表2 ATP发送至动车组的输出信号

ATP车载整体技术方案如图2所示，其特点是完全不改变CTCS2-200C与车辆既有的接口，CTCS2-200C自身的机柜和组匣不做任何改动，即通过既有的RS-422，与扩展单元部分以安全通信方式，实时获取新增接口内容和无线通信消息，通过相应的软件升级，完成和实现新增的ATP关键功能。

图2 基于CTCS2-200C及扩展单元的列控车载ATP设备总体构成图

为了保证通信方式获取的接口信息和无线通信消息安全、可靠，CTCS-200C扩展单元硬件采用成熟的二乘二取二安全计算机平台。二乘二取二安全计算机由功能完全相同的2套子系统构成，分别为Ⅰ通道 (由计算机A和B组成的故障-安全通道)和Ⅱ通道 (由计算机C和D组成的故障-安全通道)。2个通道构成主备冗余关系，每个通道采用2台独立的计算机对系统输入信号进行独立运算，并对运算结果进行比较。如果结果一致，则进行系统输出;如果结果不一致或自监测出现故障，则判断该通道故障，自动切换到另一正常通道工作。

新增的IO信号由扩展单元通过智能IO模块进行处理，扩展单元负责从智能IO模块获取城际铁路新增的动车组输入给ATP的信号，同时将ATP输出给动车组的新增IO信号，提交给智能IO模块处理。智能IO模块是通过SIL4认证的成熟产品，已应用于计算机联锁系统中，具有完善的自诊断功能，任意一路采集或驱动回路故障，均可被及时检出。智能IO模块硬件采用二取二结构，具有双CPU结构，通过双CPU间比较校验，确保命令的正确执行。CPU负责通过CAN总线的通信、双CPU之间的通信、采集驱动命令的执行及采集驱动回路的自诊断等工作。信息传输采用CRC编码和正反码重传机制等冗余技术，以保证信息安全传输。

当装备了基于CTCS2-200C及扩展单元的列控车载ATP设备的城际动车组，进入到C2/C3客运专线运行时，正常情况下，城际列控车载ATP设备将按照C2安全功能+城际新增ATP功能运行。如有异常，即使图2中的扩展单元及虚线部分设备都处于关机状态或不工作，列控车载ATP设备将按照原C2安全功能运行，能够确保城际动车组在城际线上完成C2功能运行。

4 城际列控车载ATP总体方案测试

从整体的角度出发，以图2所示的虚拟边界线的上下部分有机地理解城际列控ATP系统，可以发现图2的虚拟边界线的下半部分为ATP功能的实现部分，虚拟线的上半部分为ATP实现城际ATP新增功能提供必要的外部条件。基于上述的有机理解，对基于CTCS2-200C的城际列控车载ATP系统进行测试验证，通过CTCS2-200C目标仿真模拟器和仿真扩展单元软件搭建测试环境，使其能够与图2所示的列控车载ATP总体结构做到完全对应，全面模拟列车运行真实环境，对基于CTCS2-200C的城际列控车载ATP系统进行测试和验证，测试环境如图3所示。

图3 基于CTCS2-200C的城际列控车载ATP系统测试环境

200C目标模拟器是实验室用于ATP设备的系统集成、验证和测试工具，通过执行测试人员所编写的测试场景实现对ATP运行环境的仿真，利用监测工具来记录并分析ATP的运行状态。在该测试环境中，目标模拟器模拟BTM、速度脉冲、发送轨道电路信息、提供200C设备安全输入输出控制，模拟列车接口、电源控制、运行测试脚本，并给系统提供各种测试数据。仿真扩展单元运行于PC机，与CTCS-200C的双路RS-422口连接，通过安全通信协议，为200C提供新增的列车IO输入信息、无线输入消息和ATO输入信息等，同时200C可将新增的IO输出、无线输出消息和输出给ATO的信息发送给仿真扩展单元。

通过编写城际铁路列控功能测试案例和测试序列，测试内容包括既有CTCS-2级安全功能和城际铁路新增ATP功能，将200C目标模拟器和200C扩展单元仿真软件配合使用，模拟城际动车组实际运用环境，即可对基于CTCS2-200C的城际列控车载ATP进行功能测试。测试结果表明该系统能够完全实现既有CTCS-2级列控系统安全功能，同时实现了城际列控ATP车载新功能。通过测试结果可以确认，基于CTCS2-200C的城际列控车载ATP的总体技术方案的正确性、可行性、实用性。

5 总结

在CTCS-2级列控车载系统的基础上，研究和实现城际列控车载总体技术方案，对于城际铁路具有非常现实的意义，既可充分利用CTCS-2级列控车载系统的技术成果和运营经验，同时又能降低城际铁路列控车载系统开发的难度;可以确保城际列控车载系统的安全性完全基于和保持原有的CTCS-2级列控车载系统的安全性，同时还增加了城际铁路其特有的安全功能，使得城际列控车载系统的安全性得到进一步提升。

现阶段总体技术方案的研究和实现，可以使目前的CTCS-2级列控车载系统成功升级为满足和符合《暂行总体技术规范》的城际列控车载系统，也为进一步优化、完善城际列控车载系统奠定了良好的技术基础。城际铁路研究和起步时间不长，目前尚未有最终的城际列控车载系统技术标准，城际列控车载系统及其相关规范和标准，还需要随着城际铁路运营实践不断地完善和优化，其功能、安全性和可用性将会随之丰富和提升。

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