高速铁路调度集中一体化仿真测试平台的设计与实现

赵随海，宋鹏飞，林海桐，方力一

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

0 引言

调度集中是对调度区段内管辖的信号设备进行集中控制和管理的技术装备，是一个内部结构复杂、关联性强、外部接口种类多且复杂的综合系统[1-2]。随着高速铁路在我国的飞速发展，新建线路和既有设备的升级、改造逐渐增多，如何确保设备改造、软件升级后调度集中系统软件功能的完整性和稳定性，如何对行车作业人员进行日常的培训演示，成为目前亟需解决的问题。

在调度集中系统相关的仿真研究方面，王建英[3]采用部分实物仿真方式设计模拟系统的软硬件环境，采用进路自动生成算法、控制命令自动生成算法、列车群自动追踪运行算法等，结合电器集中联锁和计算机联锁，构建了1 ∶ 1的仿真实验环境；周妍等[4]依据管控一体化思想，以列车运行计划编制、调整和半实物沙盘列车运行仿真为基础，构建了行车调度指挥一体化仿真实验平台。这2种方法都基于半实物仿真，涉及的设备较多，搭建仿真环境过程复杂。程钢[5]提出了基于计算机联锁和车站控制终端机的模拟仿真方法，该方法侧重于联锁关系的模拟仿真，侧重于行车作业人员的培训方面。

为提高仿真平台可操作性，减少设备投入，满足软件升级改造前的仿真测试需求和行车作业人员日常的培训需要，以调度集中系统的软件和行车数据[6]为基础，采用一体化技术实现调度集中相关信号设备的综合仿真，分析列车受力模型[7-9]，研究列车速度控制曲线，实现基于虚拟列车群运行过程的一体化仿真测试平台。

1 高速铁路调度集中一体化仿真测试平台结构设计

1.1 功能模块设计

高速铁路调度集中一体化仿真测试平台的主要功能模块可以划分为信号设备仿真、列车运行仿真、基础数据管理和外部接口模块。高速铁路调度集中一体化仿真测试平台系统功能模块结构如图1所示。

（1）信号设备仿真模块依据线路基础数据实现计算机联锁、车站列控中心、临时限速服务器和移动闭塞中心的综合仿真。按照规定的算法和规则，对各类操作事件进行响应和反馈。主要功能包括操作事件的冲突检查和响应、列调车进路命令的生成和触发执行、车站与区间联锁逻辑的仿真实现、临时限速执行过程仿真和移动授权的计算。

（2）列车运行过程仿真模块以线路和列车参数为基础，依据仿真的信号状态、调度集中操作事件和故障输入状态等信息，动态分析列车受力模型，调整列车运行状态，实现列车运行过程的仿真。

（3）接口模块实现系统功能模块间的数据传输、操作事件的交换和人机事件的响应。主要包括列车运行阶段计划、进路和站场设备的操作、模拟仿真列车、临时限速的生成及故障状态的输入等。

（4）基础数据管理模块采用Oracle数据库和文件系统实现对线路基础数据、列车相关性能参数和动态调度指挥信息的读取和更新存储。

图 1 高速铁路调度集中一体化仿真测试平台系统功能模块结构Fig.1 Function and structure of integrated simulation and test platform for high-speed railway Centralized Traf fi c Control

1.2 层级结构设计

根据系统的功能特点和信息处理逻辑，可将该一体化仿真测试平台划分为交互层、应用层和数据层3层结构。高速铁路调度集中一体化仿真测试平台系统层级设计示意图如图2所示。

图 2 高速铁路调度集中一体化仿真测试平台系统层级设计示意图Fig.2 System level design diagram of integrated simulation and test platform for high-speed railway Centralized Traf fi c Control

（1）交互层实现数据传输、操作事件的交换和人机事件的响应。主要包括仿真测试平台与调度集中之间的数据和操作事件的交互，如下达阶段计划、设置临时限速及故障事件的输入等。

（2）应用层是该平台的核心，是仿真功能的实现层。依据确定的基础数据输入和逻辑运算规则，实现对交互层操作事件的响应，并产生相对应的反馈和报警提示。

（3）数据层负责对基础数据和动态数据文件的维护和管理，并将数据传输给应用层进行业务逻辑的处理。

2 高速铁路调度集中一体化仿真测试平台关键技术

2.1 信号设备仿真

高速铁路线路上，区间和车站内的地面信号设备分别由车站列控中心和车站计算机联锁进行编码和控制，通过安全通信协议实现两者的信息交互。信号设备仿真平台对区间和车站内的轨道区段进行载频和低频信息的同步计算，通过软件模块之间的数据交互，监视仿真列车运行位置，综合相邻车站、相邻区段的编码信息、信号机状态及临时限速状态等，实现对车站列控中心和车站计算机联锁的一体化仿真。信号设备仿真主要包括故障仿真模块、临时限速服务器仿真模块、无线闭塞中心仿真模块和接口集群仿真模块。

（1）故障仿真模块主要实现对机械和电气系统的故障进行仿真。

（2）临时限速服务器仿真模块主要完成临时限速调度命令的管理，通过安全通信协议与调度集中系统连接，接收调度集中发送的临时限速调度命令信息，仿真临时限速的下达、校验、设置和取消过程。

（3）无线闭塞中心仿真模块主要实现仿真列车的管理和行车许可的计算，采用RSSP-II铁路信号安全通信协议与调度集中系统连接，向调度集中传递列车静态和动态参数、实时速度和移动授权位置等信息。

（4）接口集群仿真模块主要实现对多个车站和外部接口的一体化设计。采用调度集中与各系统标准的接口方式和信息交互协议，简化了仿真平台的搭建过程，既实现了仿真功能的一体化，又保证了接口方式的差异化，确保仿真结果与现场应用结果的一致性。

2.2 基础数据管理

基础数据包括路网静态数据、列车性能参数和列车运行计划数据。

（1）路网静态数据采用专用绘图工具，以信号设备和相关基础设施为基本单位，采用点线模型[10]对路网信息进行精准的描述，并设置相应的参数。信号设备包括信号机、区间闭塞分区、道岔和股道等，主要的参数包括信号机位置、线路参数、公里标、允许的最大速度等。基础设施的描述主要包括桥梁、坡度、曲率半径、隧道的位置和长度。

（2）列车性能参数为列车运行仿真提供基本的列车数据，由列车基本编组信息和牵引制动性能参数2部分组成。列车编组信息包括动车组类型、换算长度、计算重量和最高运行速度。列车性能参数包括牵引力曲线和制动力曲线。

（3）列车运行计划包括基本图、日班计划和3小时阶段计划，为系统提供列车运行的径路和时刻表信息。列车运行计划为按图自动仿真列车规定了列车运行顺序、接发车类型和发车时刻，也是调度集中系统进路自动触发的依据。

2.3 列车运行过程仿真

列车运行过程的仿真是在线路参数和列车牵引计算的基础上，基于时间计算实现对列车运行状态(列车速度曲线、列车位置、工况选择等)的仿真。

2.3.1 仿真列车运行策略

系统可以按照定时策略和节时策略仿真列车运行[11]，自动实现接入和始发列车的自动加车、终到和交出列车的自动减车。仿真系统操作员可以动态调整列车的运行策略。

（1）定时策略是以调度集中基本图为基础，通过周期回归计算的方法实时计算预计前方车站的到达时间，并与基本图的运行时刻进行比较，综合线路上的其他在线列车和信号开放情况不断调整列车运行状态，以达到按图行车的目的。

（2）节时策略以线路和列车允许速度为基础，在满足信号和列车追踪间隔的条件下以最大速度仿真列车的运行过程。这种列车运行的方式，区间运行时分最小，可以检测调度集中系统阶段计划调整的有效性，适用于调度员日常操作的演练和培训。

2.3.2 牵引计算

列车的运行是一个复杂的过程，会受到来自不同方向、大小各不相同的多种作用力的影响。为了简化列车受力的分析和计算，仿真测试平台将仿真列车看作单质点模型[8]，仅考虑与列车运行速度相关的作用力，包括牵引力、阻力和制动力。

基础数据管理模块按照列车类型，采用矢量化的方式存储了列车牵引力和制动力特性曲线，并利用关键数据点修正曲线，拟合列车牵引力、阻力和制动力函数。仿真列车模块将列车运行过程所受的合力抽象为列车类型、线路参数、工况和运行速度相关的函数。

式中：c为列车所受合力；x为列车类型；y为线路参数，包括线路的曲率半径、隧道长度和坡度等；z为列车工况定义，包括牵引加速、惰行和制动；v为列车的运行速度。

2.3.3 控车速度计算

我国高速铁路大部分采用固定闭塞方式，因此，该一体化仿真测试平台在计算列车当前运行速度时，以列车运行前方移动授权内每一个闭塞分区的起点再减去一定的安全距离作为目标距离点，以每一个闭塞分区内的最低允许速度作为目标速度(包括信号设备、桥梁、隧道、曲线、临时限速等的速度限制)。按照列车类型计算对应速度的制动力和阻力，反向推算列车制动曲线，以计算所得的最低速度和相应的速度曲线作为仿真列车的速度控制曲线。列车当前允许速度可以抽象为目标速度与距离的函数。

式中：V为列车当前允许速度；υ为闭塞分区允许的速度；δ为列车距离该速度点的距离(并减去安全距离)。

因此，列车运行前方移动授权范围内各闭塞分区反向推算的列车当前的允许速度为

式中：Vc为列车当前允许速度；Vi(i= 1，2，…，n)为移动授权范围内各闭塞分区反向推算的允许速度的集合。

仿真列车速度控制曲线示意图如图3所示。

图 3 仿真列车速度控制曲线示意图Fig.3 Permissible speed curve of simulation train

以不同速度值对应的闭塞分区的起点，反向推算出当前的速度值，采用当前线路的允许速度和各推算曲线的最低速度和相应的速度曲线模拟列车的运行。如图3所示，当前时刻列车运行速度控制曲线为a-b-c-d-e-f-g。仿真测试平台的列车管理模块以100 ms为一个周期，循环计算仿真列车的速度控制曲线。

仿真列车综合当前列车速度、控车速度和相邻列车的关系，根据列车的运行策略动态调整列车的加速运行、匀速运行、惰行和制动时机。

2.4 故障状态输入

故障状态仿真通过人为因素设置自然灾害、设备和列车的故障状态，模拟对列车运行过程的影响，以提高作业人员对行车故障的应急处置能力。故障状态可以抽象为时间、空间和列车的函数。

式中：y为故障状态；γ为故障的时间范围；φ为故障的空间区域；μ为故障列车。

通过设置参数γ可以将故障的设置方式分为实时故障和延时预设置故障2种。实时故障由系统管理人员在操作终端上实时进行设置或取消；延时预设置可以由系统管理人员设置信号设备的故障状态和故障的时间范围等，系统通过时间轮询的方式触发预设置的故障。

参数φ表示故障的空间区域，用以描述自然灾害和相关的信号设备故障。自然灾害包括雨雪、大风和基础设施故障等；设备故障包括轨道区段红光带、道岔挤岔或失表示、信号机故障关闭、进路不能完全解锁、轨道区段停电和失去分路等状态。

参数μ描述故障的列车和故障状态，主要表现为列车故障停车。

通过对调度集中系统故障状态的分析和总结，结合信号设备和列车仿真模型的计算，以查表的方法向仿真系统的管理人员提供故障设备和故障状态设置表，简化故障输入过程。

3 实例验证

为验证该仿真平台的有效性，以中国铁路成都局集团有限公司调度集中系统为基础，搭建成渝客运专线(成都东—重庆)一体化仿真测试平台。成渝客运专线列车调度台包含成都东城际场、华兴村线路所、简阳南、资阳北、资中北、内江北、隆昌北、荣昌北、大足南、永川东和璧山共11个车站，日均开行65对动车组列车。该仿真测试平台以既有成渝客运专线的调度集中软件、线路数据和基本图数据为基础，实现对计算机联锁、车站列控中心、临时限速服务器和无线闭塞中心的综合仿真。

仿真平台依据列车运行调整计划、列车属性、线路限制条件、进路状态按图仿真列车的运行过程，实现联锁进路、区间状态、临时限速和移动授权等信号设备的仿真。调度集中系统依据仿真测试平台输出的信号设备状态，自动跟踪列车运行，采集列车到发时刻，生成仿真列车运行实绩图如图4所示。

图4为成渝客专台一体化仿真测试平台根据阶段计划，按照定时策略仿真列车运行，调度集中系统自动生成的列车运行实绩图(成都南站和璧山站不在成渝客运专线列车调度台的管辖范围内)。通过分析图中列车在各区间的运行时分，并与基本图相比较，仅有个别区间运行时分有1 min的差别，而此差别是由于调度集中系统的列车运行时分以分钟作为最小单位，从而导致仿真列车的运行时分与基本图运行时刻之间存在时间差。

图 4 仿真列车运行实绩图Fig.4 Actual train graph of simulation train

由此可见，该一体化仿真测试平台能基本还原列车的运行轨迹，实现了对计算机联锁、区间逻辑编码、临时限速和无线闭塞中心的仿真，可以应用于调度集中系统软件功能和性能的测试，也可以作为行车作业人员日常的仿真培训系统。

4 结束语

高速铁路调度集中一体化仿真测试平台采用一体化仿真技术，实现了调度集中外部接口系统的综合仿真，并通过列车牵引计算和故障状态的输入，实现了虚拟列车运行过程的仿真。这种方法简化了仿真环境的结构，降低了设备间的相关度，为调度集中系统的设备改造和软件功能测试，以及行车指挥人员的操作演练提供了重要的软件基础。经过实例验证，证明该仿真测试平台实现了调度集中相关软件的功能仿真，在行车作业人员的日常培训与学习，以及调度集中软件的升级改造、软件功能测试、故障现象还原等方面发挥了重要作用。