城际铁路CTCS2-200C扩展单元的设计与实现

程林芳，徐效宁，李一楠

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081）

随着我国城市化进程的不断加快，连接区域性城市的城际铁路具有广阔的发展前景。目前，以正在建设的穗莞深 ( 广州—东莞—深圳 )、莞惠 ( 东莞—惠州 ) 城际铁路为代表的珠三角城际轨道交通已确定采用 CTCS2＋ATO 模式的列车运行自动控制系统。根据城际铁路 CTCS2+ATO 列控系统的特点，在既有 CTCS2-200C 设备的基础上，提出基于CTCS2-200C 扩展的城际铁路列控车载设备构成方案。该方案对既有 CTCS2-200C 设备改动较小，在保证安全性的前提下，通过对关键模块扩展单元进行深入研究，实现城际铁路列控系统的功能需求。

1 基于 CTCS2-200C 扩展的城际铁路列控车载设备

1.1 城际铁路列控车载设备构成和功能

根据《 城际铁路 CTCS2+ATO 列控系统暂行总体技术方案 》[1]，城际铁路列控系统车载设备由ATP ( 列车自动防护系统 ) 与 ATO ( 列车自动驾驶系统 ) 2 个部分构成，车载设备满足《 CTCS-3 级列控车载设备技术规范 》[2]中 CTCS-2 运行等级相关的要求，城际铁路车载设备结构图如图 1 所示。

（1）ATP 设备。ATP 设备由车载安全计算机( VC )、GSM-R 无线通信单元 ( RTU )、轨道电路信息接收单元 ( TCR )、应答器信息接收模块 ( BTM )、司法记录单元 ( JRU )、人机界面( DMI )、列车接口单元 ( TIU ) 及测速测距单元( SDU ) 等组成。ATP 设备具备 GSM-R 车地通信、车门防护功能，同时支持车门与站台门联动控制及ATO 自动驾驶等功能；当 ATP 判定列车停车位置与运营停车点误差超过安全停车窗时，禁止向车辆发出开门允许信息，并向通信控制服务器 ( CCS ) 发送停准停稳信息；ATP 通过车辆提供的继电器接口条件实现折返功能；ATP 通过 DMI 提供系统预选模式(“预选 ATO”、“预选无 ATO”)设定功能。DMI 应支持 ATO 功能相关的控制、状态、报警等信息显示及操作。

（2）ATO 设备。ATO 设备具有站间自动运行、车站定点停车、车站通过、折返驾驶、列车运行自动调整、列车运行节能控制、车门自动控制，以及设备诊断、记录和报警等功能。

1.2 基于 CTCS2-200C 扩展的城际铁路列控车载设备构成

图1 城际铁路车载设备结构图

根据城际铁路列控车载设备构成和功能，提出基于 CTCS2-200C 扩展的城际铁路列控车载设备构成方案。该方案在 CTCS2-200C 的基础上增加扩展单元，扩展单元分别与列车自动运行 ATO、移动终端 MT、司法记录器 JRU 连接，其列控车载设备构成图如图 2 所示。CTCS2-200C 利用原与 LKJ 连接的 RS422 接口，与扩展单元进行安全通信。CTCS2-200C 硬件不需修改，只对软件进行较小的变动，在保证安全的前提下，实现城际铁路列车自动驾驶、精确定位、站台门控制和运行计划处理等功能。

图2 基于 CTCS2-200C 扩展的列控车载设备构成

2 CTCS2-200C 扩展单元设计

CTCS2-200C 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。

2.1 扩展单元与列车接口

根据城际铁路的车辆接口说明，列车传送至ATP 的输入信号如表 1 所示，ATP 发送至列车的输出信号如表 2 所示。

表1 列车传送至 ATP 的输入信号

表2 ATP 发送至列车的输出信号

相对于既有 ATP 设备，城际铁路 ATP 设备新增9 路输入信号和 3 路输出信号。因 CTCS2-200C 硬件限制，新增的 IO 信号由扩展单元通过智能 IO 模块进行处理。智能 IO 模块是计算机联锁系统中通过 SIL4 认证的成熟产品，具有完善的自诊断功能，系统周期性检测采集驱动回路是否正确，任意一路采集或驱动回路故障均可及时检出。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，保证命令的正确执行。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。

2.2 扩展单元与移动终端 MT 接口

城际铁路地面设置通信控制服务器 CCS，实现站台门控制和运行计划处理。CTCS2-200C 增加移动终端 MT，实现车地信息的双向通信。由于城际铁路采用 GSM-R 公开网络交换数据，车载和地面设备必须进行加密，以保证数据安全。基于CTCS2-200C的城际铁路车载无线功能结构图如图 3 所示。

CTCS2-200C 扩展单元与移动终端MT的接口模块划分为安全功能模块 ( SFM ) 和通信功能模块( CFM )。SFM 实现安全层提供安全相关传输系统的功能，主要包括通过“对等实体验证”建立安全连接、通过“消息源认证”安全数据传输、安全连接的释放及高优先级数据的传输等；CFM 主要实现传输、网络和数据链路层提供基于 GSM-R 网络的电路交换承载业务的通信系统功能。

2.3 扩展单元与列车自动运行 ATO 接口

城际铁路列控系统设置 ATO 设备以实现列车自动驾驶，CTCS2-200C扩展单元 ATO 接口模块实现 ATP 和 ATO 的信息交互，以及向 ATO 发送无线报文等功能。

（1）扩展单元发送给 ATO 的信息。①ATP 控车信息：列车速度、列车位置、允许速度、目标速度、目标距离等。②无线报文：[ CTCS-21 ] ATO 运行计划、[CTCS-22]折返信息、[ CTCS-2 ] 开关门命令确认和 [ CTCS-31 ] PIS 信息包。

（2）ATO 发送给扩展单元的信息。①ATO 控车信息：ATO 牵引/制动状态、门控命令、折返状态、跳停标志等。②无线报文：[ CTCS-25 ] ATO 运行计划报告和 [ CTCS-26 ] C2ATO 车载状态。

2.4 扩展单元与司法记录器接口

司法记录器用于记录车载设备的数据和控制信息，其中用于事故调查的数据存储在防撞击存储器上，以免发生事故时被损坏。在基于 CTCS2-200C扩展的列控车载设备中，司法记录器通过 RS422串口与扩展单元连接。根据城际铁路列控系统的特点，除 CTCS-2 级车载设备规范[3]规定的内容以外，扩展单元还将 ATO 的关键控车信息发送给 JRU记录。上述信息通过 [JRU-14] STM 包存储，确保与现有的JRU设备兼容。

图3 车载无线功能划分

3 系统测试

基于该方案设计的城际铁路列控车载设备主要进行以下仿真测试。

（1）利用 200C 目标模拟器和仿真扩展单元软件搭建测试环境，对 CTCS2-200C 进行测试，基于目标模拟器搭建的测试环境如图 4 所示。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 CTCS2-200C的 RS422 口连接，为 200C 提供新增的列车 IO 信息、无线消息和 ATO 信息等。

图4 基于目标模拟器搭建的测试环境

（2）利用龙厦铁路中三站两区间的数据搭建仿真测试平台，对 ATP 设备、ATO 设备、CCS 设备、无线通信系统、计算机联锁系统及列控中心等设备进行系统测试。

仿真测试结果表明：基于 CTCS2-200C 扩展的列控车载设备能够满足城际铁路的需要。该方案对既有 CTCS2-200C 设备改动较小，在保证安全性的前提下，实现城际铁路列控系统的功能需求。

4 结束语

通过 CTCS2-200C 扩展单元集成 ATO、CCS、RTU 等相关设备构成城际铁路 CTCS2+ATO 列控车载系统，实现城际铁路列控系统功能。经方案论证和仿真测试，基于 CTCS2-200C 城际列控车载设备的关键技术 CTCS2-200C 扩展单元方案设计合理可行。该城际铁路列控系统有利于提高信号系统自动化程度，降低司机劳动强度，提高我国城际轨道交通运营管理水平。

[1] 中国铁路总公司. 城际铁路 CTCS2+ATO 列控系统暂行总体技术方案[S]. 北京：中国铁路总公司，2013.

[2] 中国人民共和国铁道部. CTCS-3级列控车载设备技术规范( 暂行 )[S]. 北京：中华人民共和国铁道部，2012.

[3] 中国铁路总公司. CTCS-2级列控车载设备暂行技术规范[S]. 北京：中国铁路总公司，2014.