CTCS—3列控系统中RBC的功能需求及切换

姚向龙 孙卓

摘 要：无线闭塞中心（RBC）是CTCS-3级列控系统中的核心设备，负责根据地面设备提供的信息及与车载设备的交互生成行车许可，使列车在RBC的管辖范围内的线路上安全运行，RBC与车载设备之间通过专用无线通信系统即GSM-R网络进行信息的互换。该文对CTCS-3列控系统中RBC的功能需要进行了分析；采用配备2部通信电台的车载设备进行了RBC切换过程分析，并在此基础上运用状态分析法对RBC切换过程进行了形式化建模和验证。

关键词：RBC CTCS-3 功能需要 切换

中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0009-02

近几年来，随着我国高速铁路产业飞速发展，列车控制系统（CTCS）也进入了大发展阶段。目前，我国CTCS-2列车超速防护系统已经在200～250 km/h的高铁线路获得成功应用[1]，但CTCS-2级别系统对300 km/h以上的高速列车控制存在限制。为解决机车提速、客运安全等问题以满足市场的更高需求，我国吸取欧洲列车控制系统（ETCS）先进经验，将研究方向从CTCS-2（点式应答器和轨道电路信息的 ATP 系统）转向CTCS-3（轨道电路和无线通信（GSM-R）的ATP系统）。

CTCS-3是应用于300 km/h及以上高速铁路（客运专线）的控制模式[2]。该系统包括车载子系统和地面子系统，而地面子系统是由若干设备组合而成，其中无线闭塞中心（Radio Block Center，以下均简称RBC）属于核心部分，它是基于故障安全计算机平台的信号控制系统，是实现CTCS-3级别系统列控的关键因素[3]。

RBC是通过接受外部地面系统信息与列车车载设备信息，而后生成控制指令，在RBC管辖范围内得以控制线路上的列车安全。然而单套RBC的控制范围有限，相邻RBC控制范围边界的列控安全切换变得尤为重要。该文正是针对这一需求，研究了RBC的功能需求、切换过程等问题，并对RBC切换的详细过程进行了建模。

1 无线闭塞中心（RBC）设备功能分析

1.1 RBC系统结构

RBC主要由无线闭塞单元（RBU）、协议适配器（VIA）、RBC本地维护终端、地面司法记录器（WJ-RU）、ISDN服务器、交换机等设备组成，如图1所示。

1.2 RBC功能分析

与RBC相连的外部设备主要包括：联锁系统、调度集中（CTC）系统、监控工作站、相邻RBC、列控中心、维护工作站、GSM-R接入服务器等。

1.3 RBC功能需求分析

RBC在CTCS-3级列控系统主要参与包括注册与启动、注销、进出动车段、等级转换、行车许可、RBC切换、自动过分相、重联与摘解、临时限速、降级情况、灾害防护、调车作业、人工解锁进路、特殊进路等14个运营场景，是CTCS-3级别列控系统的地面核心设备。RBC设备功能如表1所示。

1.4 RBC的性能要求

RBC设备与列车完成建立通信任务需要单位时间N，其从收到列车报告开始到实现对每列车授权（MA）的控制需要单位时间N，也就是说，RBC控制运行周期为[0，T]；列车需要在[0，U]区间收到RBC的MA信息；前行与续行列车之间的运行距离大于保护距离；列车的最大运行速度小于线路限速。

注：N为RBC的控制周期，T=5 N、U=8 N。

2 CTCS-3级别列车控制系统RBC切换过程分析

RBC-RBC列控权限切换一般均是通过相邻RBC直接通信的方式[4]。RBC在切换过程中，RBC1负责向RBC2发送切换预告信息、切换通告信息、进路请求信息等；而RBC2负责向RBC1发送进路信息、列车控制权通报等信息。作为另外一种可选的RBC切换方式，相邻RBC设备间可以不进行列控信息的传输与交换，RBC通过分界点相邻联锁交叉互联的方式，获得在分界点交叉重叠的进路授权信息，并由车载设备在相邻RBC设备中重新连接注册，实现列车控制权在2个RBC间的安全切换。

3 无线形式化建模语言CPN（Coloured Perti Nets）

目前应用于形式化建模的方法很多，包括CAN、UML、CSPM、CPN等，但在众多的建模方法中，着色Petri网（CPN）形式化建模语言是应用较为成熟的一种，其可用于系统设计、规范、仿真和验证，特别适合具有通信、同步和资源共享过程的系统建模。CPN是一种可用图形表示的组合模型，具有直观、易懂和易用的优点，既可以描述系统静态结构，又可以描述系统的动态行为； 既有丰富的系统描述手段和系统行为分析技术，又为计算机科学提供坚实的概念基础[5]。

Petri网是对离散并行系统的数学表示，在1960年首次被卡尔·A·佩特里用于描述异步的、并发的计算机系统模型，既有严格的数学表述方式，也有直观的图形表达方式。而所谓的着色Petri网，其实是一种在普通Petri网基础上衍生出的适用于描述并行和异构网络的系统分析和設计工具，它的最大优点就是具有直观性及严谨的数学理论基础[6]。目前，Petri网被当做是动态图形工具而广泛应用，其不但可以表述类似流程图、框图等具备可视性描述功能的图表外，还能够标记和模拟系统的活动行为，简单来说，作为理论和实践之间的通信媒介，Petri网对人们的相互交流提供了便利。

4 基于着色Petri的RBC切换过程分析

理论研究发现，在RBC切换过程中，采用2部电台可保证列车能不减速越过切换边界，延长了车载设备与RBC的通信连接时间[7]。列车两部无线通信电台均可正常工作时，车地通信遵循RBC交接协议A；只有一部无线通信电台能够正常工作时，车地通信遵循RBC交接协议B。（注：在RBC切换过程中，交接协议A是双电台并发工作才能够对列车行事管辖权；交接协议B是只有一部电台正常工作时对列车行事管辖权。）故采用2部电台进行形式化模型的构建，以验证其实际应用可行性。

无线消息CPN模型的构建采用CPN Tool工具交互仿真方式进行分析。构建步骤为：（1）建立RBC切换过程的简要模型，对该过程中所经历时间进行描述；（2）扩展及细化简要模型，通过结合移交RBC、接收RBC以及车载设备等3个变迁，对切换过程中的信息传输进行描述。切换变迁过程模型如图2所示，图中名词含义如表2所示。

运用CPN Tool进行模型，用状态分析法对RBC切换过程模型进行校验。结果表明，仿真模型的动态行为符合双电台RBC的切换流程。由此说明，采用2部电台降低切换过程中列车制动减速的风险，从而提高RBC切换过程可靠性。

5 结语

CTCS-3级列控系统是铁路“十一五”规划中具有全局性、战略性、前瞻性的十项重大专项之一。搞好CTCS-3级列控系统的技术开发，对我国铁路列控系统的技术发展和通信信号装备技术水平的提高具有深远的意义。相比我们已经掌握的CTCS-2 级列控系统，CTCS-3级中增加了许多新设备，RBC就是其中之一。RBC系统的安全性、可靠性、可用性、可维护性将直接关系到C3系统能否正常运行，RBC的切換只是其中的一个问题而已。相信随着武广、郑西、广深港等一批客运专线工程的开通运营，我们必将构成符合我国国情、路情、具有自主知识产权的CTCS-3级列控技术体系。

参考文献

[1] 李亮，郑乐藩.CTCS-2级列控系统几个问题的探讨[J].铁道通信信号，2008（5）：17-18.

[2] 章慧，张勇.CTCS3级列控系统车载设备测试方法研究[J].铁路计算机应用，2008，17（4）：23-27.

[3] 科技运[2008]34号CTCS-3级列控系统总体技术方案（V1.0）[S].

[4] 宋沛东，张勇.CTCS3仿真测试平台RBC仿真子系统的设计与实现[J].中国科技信息，2008（1）：100-101.

[5] 铁道部科学技术司.CTCS-3级列控系统系统需求规范（SRS）[M].北京：铁道部科学技术司，2008.

[6] 袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

[7] 江志斌.Petri网及其在制造系统建模与控制中的应用[M].北京：机械工业出版社，2004.