基于CTCS-3级列车控制场景下的CTC仿真系统研究与设计

段雯誉，杨 扬，李毓磊

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 611756）

我国从2005年开始进行高速铁路的建设，至今已陆续开通了京广、京沪、郑西、哈大等高铁线路[1]。在这些线路中，分散自律调度集中（CTC）系统（简称：CTC系统）作为列车运行调度与控制的核心，用于保证高速铁路动车组高速度、高密度运行[2]，属于必不可少的基础设施，得到了广泛的应用[3]。

高速铁路CTC系统设置了与无线闭塞中心（RBC）、计算机联锁（CBI）、列车控制中心（TCC）、临时限速服务器（TSRS）等设备的网络通信接口[1]。在动车组运行过程中，CTC通过与RBC、TCC等列车控制系统地面设备进行信息交换，实时监视列车运行状态、地面设备工作状态，向列车控制设备下达临时限速命令。通过设置CTC车站子系统，车站可实现阶段计划接收和列车进路自动控制[4]。针对CTC系统这些功能特性，本文借助CTCS-3级列车控制仿真平台，设计CTC仿真系统，模拟CTCS-3级列车控制场景下的高速铁路行车指挥与控制流程。

1 仿真系统架构

1.1 仿真基础平台

CTC仿真系统借助CTCS-3级列车控制仿真平台。该平台具有RBC仿真和车载人机交互接口（DMI）仿真功能，同时，在车站层面可进行车站CBI仿真、TCC仿真、站场和区间信号设备仿真，可模拟动车组在CTCS-3级列车控制等级下的运行场景。

1.2 系统架构

本文设计的CTC仿真系统主要对铁路局集团公司CTC中心和车站子系统进行仿真，并加入模拟TSRS，仿真系统整体架构如图1所示。CTC中心内设表示工作站、列调工作站和通信服务器，通信服务器负责与RBC、TSRS、CTC中车站子系统间建立调度数据通信以太网，负责CTC中心的数据交互。CTC中心可管辖最多15个车站，对调度区段内的每个车站设置调度集中车站子系统，车站子系统内设车务终端和自律机[4]，自律机与CBI、TCC间设置车站调度局域网，实现车站子系统的信息交换。TSRS负责与临时限速命令执行设备RBC 和TCC建立网络通信，下达临时限速命令。

2 仿真系统设计

2.1 通信接口设计

CTC仿真系统包含CTC中心通信服务器网络通信接口和车站自律机网络通信接口，自律机网络通信接口实现与CTC中心通信服务器、TCC、CBI一对一的网络通信，接口设计较为简单，本文主要介绍CTC中心通信服务器网络通信接口设计。

通信服务器与调度区段范围内的多个RBC、TSRS，以及每个车站子系统进行网络通信，通信机制各不相同，且每种通信机制下都有各自的通信帧格式，处理方法为：通信服务器将一定时间接收到的RBC数据帧、TSRS数据帧、车站子系统数据帧进行分类存储，把同类数据帧合成通用数据包，组成通用发送帧，将通用发送帧发送至CTC中心。数据帧、通用发送帧关系如图2所示。如果数据包超过通用发送帧规定长度，则将通信数据包拆分，组成2个或多个通用发送帧。CTC中心收到通用发送帧后，按数据包类型、数据帧数目等信息进行解包。同理，CTC中心将要同时发送的反馈或命令信息按目标设备分类、组成通用帧，发送至通信服务器，由通信服务器解包，组成数据帧，发送至目标设备。

2.2 CTC中心

CTC中心列调工作站负责行车指挥和临时限速命令设置，表示工作站负责显示车站站场作业情况和列车区间运行情况[5]，调度中心对车站的远程人工控制功能也集成到表示工作站中。

2.2.1 行车指挥

列调工作站制定列车运行计划，选择从本地数据文件中读取基本运行图，选择一列或多列车次进行计划加车，系统对添加车次自动进行间隔时间冲突检测。

列调工作站将列车运行计划下发至所属各站车站子系统，各站按运行计划模拟开行列车，并向CTC中心发送列车实际运行到发点，列调工作站根据各车实际运行到发点进行自动报点，绘制实际运行图。根据运行计划执行情况对列车运行计划内车次进行人工调整，生成列车运行调整计划，下发至各站。对于实际按图行车模拟效果较好的列车运行图，可保存至本地数据文件中。行车指挥流程如图3所示。

2.2.2 信号设备监视与控制

表示工作站通过多台显示器全屏显示全线所有信号设备和列车的实时状态，包括相邻车站信号设备状态、列车运行状态、线路布局、临时限速命令执行状态。信号设备状态数据和列车运行数据分别由信号设备仿真软件、车载DMI仿真软件生成。

在表示工作站中加入单站显示模式，在单站显示模式下设置控制按钮，在中心操作方式下，提供与车站控制台相同的控制功能[6]，进行车站列车进路办理和取消、闭塞、联锁等作业。

2.2.3 临时限速

列调工作站设置调度命令终端，仿真临时限速命令拟定、执行过程。仿真TSRS负责接收CTC中心拟定的临时限速命令，向模拟RBC、模拟TCC下达列车控制限速命令，模拟列车控制限速流程[7]。CTC仿真系统临时限速命令（包含取消列车控制限速命令）拟定流程如图4所示。

临时限速具体执行过程如图5所示。在临时限速命令列表区中，临时限速分成3种状态[8]：已拟定（灰色）、已激活（绿色）和已设置（执行中为红色，完全执行为黄色），已拟定限速命令通过TSRS进行激活校验；对已激活限速命令进行执行，限速命令转为已设置，若限速未被TCC与RBC完全执行，则命令为执行中状态，待列车控制设备完全执行该限速命令，命令变为完全执行状态。临时限速取消命令与设置命令过程相同，当取消命令被激活，正在执行的被取消命令也变为绿色，与限速取消命令相对应。

2.3 车站子系统功能设计

车站子系统自律机主要实现按图排路功能，在分散自律模式下，车站子系统自律机接收列车运行计划[9]，根据车次号、占用股道、出入口号、始发终到标志、到发时刻等信息进行自律检查，从联锁表中检索待办理列车进路，生成列车进路序列，将进路序列送至车务终端显示。

列车进路自动控制过程如图6所示，设列车进路序列中进路数目为n,自律机当前处理的进路序号为i。自律机内存储的列车进路序列包含有未触发、已触发和已出清3种状态，对于未触发进路，进行触发时机检测；对于已触发进路，检测进路是否在规定时间内建立；检测进路为已出清状态，则延时一定时间后将该进路删除。

3 仿真结果

仿真系统采用C++ 面向对象编程语言，软件操作界面使用VC++集成开发环境下的 MFC 建立基于单文档的界面框架。仿真系统的线路数据取自郑西高速铁路，系统设置一个CTC中心，仿真调度区段内设有3个车站。

3.1 列车进路自动控制

在CTC中心绘制列车运行图，列车运行计划包含下行车次（G101和G103）、上行车次（G112和G114）。将行车计划下达至车站子系统自律机，自律机生成列车进路序列，如图7所示。自律机按进路计划触发时间，自动控制列车进路办理，更新进路状态。

3.2 临时限速设置

临时限速管理界面如图8所示，在郑西高铁下行线路设置正线限速，激活调度命令号为100004的限速命令；在渭南北站设置侧线限速，激活并执行该侧线限速命令。

4 结束语

CTC系统是高速铁路列车运行指挥与调度的核心系统，是高速铁路列车控制系统的重要组成部分。本文在CTCS-3级列车控制系统RBC、TCC、车载设备以及CBI仿真的基础上，对CTC系统基本的行车调度与控制过程进行仿真设计，实现按运行计划模拟行车，列车进路自动控制，信号设备监控，模拟临时限速的拟定、执行与取消过程。CTC仿真系统完善了列车控制仿真系统的结构与功能，更直观地展现CTC系统功能特性以及控制流程，对与铁路调度相关的教学培训具有一定的实用价值[7][10]。