基于CTCS-3级列控场景的TCC仿真系统研究与设计

张 瑞，杨 扬 ，张乃心，沈 泽

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 611756）

列控中心（TCC, Train Control Center）是中国列车运行控制系统(CTCS, Chinese Train Control System)的核心组成部分[1]。在CTCS-2 级列控系统中，TCC 根据轨道区段占用/出清状态、进路信息、临时限速信息等，生成行车许可，通过轨道电路和有源应答器发送给车载设备[2]。在CTCS-3 级列控系统中，TCC 不仅满足后备系统的需求，而且同时参与系统的正常运行，实时将区间和站内的轨道区段状态发送给联锁系统(CBI, Computer Based InterLocking)，并由CBI 转发至无线闭塞中心（RBC，Radio Block Center）[3]。由于TCC 无可视化展示界面，无法直观监控系统运行，且功能逻辑复杂、外部接口众多、信息交互的可靠性和实时性要求较高，对于系统故障排查和电务人员培训十分不便。因此，本文基于CTCS-3 级列控仿真系统环境，对TCC 系统进行仿真设计，在实现其功能的基础上，提供二、三维可视化的监控平台，将内部逻辑结构透明化，实时监控与其他子系统的通信状态和交互信息。

1 系统架构

1.1 CTCS-3级列控仿真系统整体架构

CTCS-3 级列控仿真系统整体架构可分为调度中心设备层、网络通信层、地面设备层和车载设备层4个部分[4]。各个设备层通过通信层实现相互关联，保证子系统之间的信息交互，最终实现CTCS-3 级列控仿真系统的整体功能。仿真平台的4 层体系结构保证了列车在不同场景下的模拟运行。系统的整体架构如图1 所示。

1.2 TCC仿真子系统整体架构

TCC 是地面设备层的重要组成之一，主要由安全主机单元、通信接口单元、辅助维护单元和驱采单元组成。通过网络通信层与仿真平台的其他子系统进行数据交互，实现地面信息的实时处理与传送[5]。TCC 仿真子系统整体架构如图2 所示。

1.3 TCC与其他子系统的通信设计

TCC 仿真系统分别与调度集中(CTC, Centralized Traffic Control)仿真系统、临时限速服务器(TSRS,Temporary Speed Restriction Sever)、CBI 仿真系统、轨旁设备模拟系统及邻站TCC 仿真系统相互通信[6]。其中，CTC 仿真系统包含了TSRS 的功能。系统之间采用RJ45 以太网接口连接，数据传输采用TCP/IP协议，以500 ms 为固定周期交互数据[7]，系统设置通信异常处理机制：3 s 之内收不到有效数据，则判定通信中断，并自动启动通道重连；6 s 之内仍收不到有效数据，表示通信中断且重连失败，则将所有危险侧信息全部置为安全侧，同时给出通信中断报警提示。TCC 仿真系统的通信内容如图3 所示。

3 系统功能设计

3.1 轨道电路低频编码及点灯功能设计

TCC 仿真系统分别对区间和站内轨道电路进行低频编码[8]。

（1）区间轨道电路编码及点灯功能

根据轨旁的区间轨道区段占用信息、邻站TCC的边界信息和联锁的车站进路信息，确定区间运行方向，按照编码规则依次推算出全线的低频码序。

区间信号机点灯时，根据码序与信号机显示的对应关系，在推算出轨道电路低频码的同时将闭塞分区的通过信号机置为相匹配的灯光显示[9]。区间编码和点灯的程序设计流程如图4 所示。

（2）站内轨道电路编码

根据轨旁的站内轨道区段占用信息、CBI 的车站进路信息和TSRS 的临时限速信息，按照无进路、接车进路和发车进路不同情况的编码规则进行编码[3] [10]，当进路有车占用时，需考虑咽喉区码序保持功能。站内编码程序设计流程，如图5 所示。

3.2 有源应答器报文编制功能设计

TCC 仿真系统的有源应答器报文编制功能分为应答器逻辑报文编制和应答器报文编码2 部分。

（1）应答器逻辑报文编制

根据车站进路信息、临时限速信息，结合有源应答器的信息构成、数据范围和临时限速管辖范围，对进站信号机有源应答器组JZ、反向进站信号机有源应答器组FJZ、出站信号机有源应答器组CZ、反向出站信号机有源应答器组FCZ 实时编制逻辑报文，并存入对应信息包的结构体中[11]。

（2）应答器报文编码

按照应答器报文定义原则，对逻辑报文进行实时组帧，生成应答器用户报文[12]，如应答器链接包【ETCS-5】、线路坡度包【ETCS-21】、线路速度包【ETCS-27】、轨道区段包【CTCS-1】、临时限速包【CTCS-2】、绝对停车包【CTCS-5】等，并对用户报文进行二进制实时编码，生成应答器报文。

3.3 临时限速及信号降级处理功能设计

当TCC 收到CTC 下达的临时限速命令时, 首先预存所有限速命令，然后验证每条命令的可执行性[13]，若验证成功，TCC 向CTC 反馈该限速命令的状态，CTC 收到该状态后，发送该临时限速执行命令；若验证失败，TCC 向CTC 发送该临时限速命令验证失败的错误回执，CTC 收到此回执后，将撤销该限速命令。

当TCC 收到CTC 发送的临时限速执行命令时，首先检查该命令是否验证通过，若已通过验证，则立即执行限速命令，生成临时限速包，下达给管辖范围内的有源应答器，同时向CTC 反馈该限速命令的状态；若未通过验证，则不执行该限速命令，同时向CTC 发送该临时限速命令不可执行的错误回执[14]。

临时限速设置分为区间及站内正线临时限速和站内侧线临时限速。当TCC 收到区间及站内正线临时限速时，按照临时限速命令设置流程处理；当TCC 收到站内侧线临时限速时，由于客专线路站内均采用大号码道岔，因此，除了按照流程处理以外，若限速值小于80 km/h，还需要向轨道电路编码模块发送信号机降级显示信息[3]，对应区段由“UUS”降级为“UU”码，否则对应区段保持“UUS”码。临时限速及信号降级处理流程如图6 所示。

3.4 区间改变运行方向功能设计

TCC 仿真系统能够实现正常改方和辅助改方的功能，以接车站改为发车站为例进行说明。

（1）正常改变区间运行方向

作为请求发车站的TCC（原接车站）需要根据本站联锁的发车请求信息、发车锁闭状态信息、接车站TCC 的允许改方命令，驱动本站方向口的方向继电器动作，最终改为发车方向，并向本站联锁发送允许发车命令和区间方向信息。

（2）辅助改变区间运行方向

区间轨道区段因故不能正常改方时，可采用此方式。作为请求发车站的TCC（原接车站）需要破封按下总辅助按钮及发车辅助按钮，根据本站联锁的发车辅助办理请求，向接车站发送辅助改方请求。当接收到接车站的允许辅助改方命令后，驱动本站方向口的方向继电器动作，最终改为发车方向[15]。

3.5 模拟故障设置功能设计

TCC 仿真系统可以模拟列车运行过程中的各种故障场景。根据列车运行状态，在不同的时机通过设置可视化交互界面中TCC 与CTC、CBI 及邻站TCC 的通信故障，改变列车的运行情况。故障模拟可以为教学实践环节提供多样的故障场景和参数变化，验证CTCS-3 仿真平台的可靠性和安全性，展示各个子系统之间的相互制约关系。

3.6 通信数据透明化功能设计

TCC 仿真系统可以实时显示通信数据包，并按照功能和类型自动整合形成数据查询列表，包括接口数据包（如TCC 与CTC、CBI、轨旁及邻站TCC的传输报文信息）、逻辑控制数据包（如轨道电路控制信息、站内和区间信号机控制信息、应答器报文）、状态数据包、报警信息数据包。

数据查询功能将抽象且繁多的二进制报文数据转换为直观、可读性强的数据报表，明确每一位二进制数所代表的类型和含义，实时保存变化的数据信息，并将变化的内容高亮显示，记录变化的时间点,最多可记录100 条时间点的数据。当列控仿真系统运行过程中出现数据传输错误或者故障状态，且不能确定问题原因时，可以通过查询数据列表的方式，找到数据变化时刻对应的二进制内容，根据表中对每一bit 位的含义表示，从而推断出问题原因。

通过通信数据透明化功能设计，给学员提供了对底层数据信息理解的机会，传输数据包不再是一个黑盒，而是帮助学员更好分析问题的手段，具有良好的教学意义。查询数据表如图7 所示。

3.7 三维模型动态展示功能设计

TCC 仿真系统属于二维功能型仿真范畴，虽然可以实现逻辑功能的完整性，但是缺乏与现场实际设备的结合效果，无法展示TCC 仿真系统的内部状态变化。因此，通过3dsMax 软件对TCC 机柜进行三维建模，利用Unity3D 软件实现模型与二维TCC仿真系统通信，可实时动态展示机柜灯位。

TCC 仿真系统设有与三维TCC 机柜仿真模型通信的接口。这里主要包括与CTC 仿真系统、CBI仿真系统、轨旁模拟系统及邻站TCC 仿真系统的通信状态，分别用5 个变量来表示。三维模型通过Unity3D 脚本与TCC 仿真系统建立通信，解析接收到的5 个通信状态变量，从而控制机柜中的指示灯变化。机柜的通信模块包括TM426 站间通信模块2 个、TM484 CTC 通信模块1 个、TM486 TC 通信模块1个以及TM492 LEU 通信模块若干。变量与灯位的对应情况如表1 所示，通信模块正面细节如图8 所示。

表1 变量与灯位的对应表

4 仿真实现和结果

4.1 仿真实现

CTCS-3 级列控仿真平台在Visio Studio 2012 环境下，基于MFC 框架，采用C++语言编程实现，并成功应用于郑西客运专线的一段线路中，可根据站场线路的真实数据实现列车的运行。TCC 仿真系统基于列控仿真平台运行。

4.2 仿真结果

CTCS-3 列控仿真平台搭建完成后，一键自启动，设置列车从华山北下行方向开始运行，图9 是列车运行至渭南北站进站口前方区段的监控显示结果。监控显示主要展示区间和车站的线路情况、列车的占用出清、轨道电路编码信息、应答器报文信息、区间运行方向、区间信号机点灯情况及与其他子系统的通信状态。

5 结束语

TCC 仿真系统在CTCS-3 级列控仿真平台的基础上实现了其基本功能，并从教学培训的角度出发，新增了通信数据包查询功能和模拟故障设置功能。另外，为了使TCC 仿真系统具有更好的拓展性和真实性，设置了与Unity3D 环境下三维TCC 机柜模型通信的接口，通过逼真的三维模型，动态展示与其他子系统的通信状态。TCC 仿真系统的实现为教学培训提供了便利的平台，解决了理论与实际脱节的教学弊端，对相关仿真系统的设计开发具有一定借鉴意义。