CIR 线路数据模拟系统的研发

龚和宏

机车综合无线通信设备（CIR）线路数据是铁路运输行车指挥的重要数据，其准确性直接影响到正常的运输秩序和行车安全。随着铁路新线建设和既有线改造，CIR 线路数据需要同步进行新增或修改。为保证数据的准确有效，在CIR 线路数据批量灌装使用前，需要进行充分的模拟和验证。

1 需求分析

目前全路共有9 家CIR 设备生产企业，各厂家CIR 线路数据互不兼容。以武汉铁路局管内6 个CIR 厂家为例，每次数据验证至少要地面模拟12 次，模拟通过后再灌装上车验证12 次。而目前各厂家地面模拟方式是采用模拟软件控制CIR 进入模拟工作状态，再用电脑串口发送经纬度轨迹数据至CIR，然后人工判断CIR 工作情况是否正确。由于模拟时CIR 未在工作状态，不能反映CIR 线路数据上车运用后的真实结果；而且地面软件模拟及上车验证全程都需要人工判断，质量和效率难以保证，往往需要多次修改、重复验证才能确保数据正确，消耗了大量的人力、物力和时间成本；此外，上车验证时还需结合机车、动车组正常运用交路进行，频繁、大量的上车验证，给正常的列车运行和运输生产指挥及行车安全带来影响。

为了能真实模拟CIR 实际运用效果，同时兼容多家CIR 进行模拟，并能自动对数据正确性进行判断，研发了一套CIR 线路数据模拟系统。

2 系统研发

CIR 线路数据模拟系统采用无线电技术，通过软件模拟产生标准的GPS 卫星定位波形数据，然后经射频信号调制和功率放大发射，生成的射频信号可以被所有厂家的CIR 设备接收和解析，从而达到兼容所有设备的目的。CIR 通过GPS 天线直接接收射频信号，CIR 的工作状态与上车运行的状态一致，从而达到真实模拟的效果。

2.1 系统要求

1）模拟时CIR 应处于正常工作状态。

2）模拟的导航数据源应来自北京铁路通信技术中心核验发布的GIS 数据。

3）应能导入各路局集团公司提供的线路数据制作方案，作为补充的模拟数据源。

4）真实模拟导航卫星射频信号，以及隧道等信号遮挡的情况，达到上车验证的同等效果。

5）兼容所有CIR 厂家的设备，可同时对多个厂家的CIR 进行模拟验证。

6）能自动识别CIR 线路数据中的错误（如车站名称、电话号码、线路代码等）。

7）支持自定义长交路模拟，能对指定区段反复验证。

8） 模拟试验时，可根据需要随时调整模拟速度。

9）能输出验证报告。

10）无需屏蔽室环境，不应对外部环境产生信号干扰。

2.2 硬件研发

系统硬件主要由人机界面、核心运算处理单元、GPS 模拟单元、射频信号发生器组成，如图1所示。

图1 系统构架图

1）人机界面采用1080P 触摸屏，负责铁路地图、模拟导航位置、CIR 实时状态、操作界面和各种状态信息的显示，接收触摸屏控制信号发送给核心运算处理单元。

2）核心运算处理单元采用Win10 系统，Intel处理器和固态硬盘；运行CIR 线路数据模拟系统软件；控制GPS 模拟单元，产生模拟卫星数据，调节模拟速度，编辑交路数据，对CIR 的工作状态输出进行比对判断等；负责系统总体功能调度和内外部通信。

3）GPS 模拟单元接收来自核心运算处理单元的轨迹数据，根据星历进行转换，形成模拟的导航卫星实时波形数据后，控制射频信号发生器进行信号调制和发送。

4）射频信号发生器，将GPS 模拟单元输出的导航卫星实时波形数据，调制到GPS 射频基带频率上（1 575.42 MHz），经功放放大后，通过天线发送，根据GPS 模拟单元的设置调节发射功率。

系统利用CIR 公用信息对CIR 的工作状态自动进行比对判断，识别CIR 的工作状态是否正确。为了同时对多台CIR 进行模拟，该系统设置了6 个射频信号接口和6 个串口，可以同时对6 台设备进行模拟。

在系统的结构内部设计了一个电磁屏蔽腔体，腔体内部设置1 个发送天线和6 个接收天线，模拟输出的卫星射频信号通过屏蔽电缆连接到发送天线，被测CIR 通过屏蔽电缆连接到6 个接收天线。模拟产生的射频信号仅在屏蔽腔体内部发送，从而避免了对外部环境的影响。在正常办公室环境即可进行模拟，无需在屏蔽室内操作。

系统主要测量范围以及硬件技术指标详见表1。

表1 系统主要测量范围以及硬件技术指标

2.3 软件研发

系统软件采用基于QT 的C++语言开发设计，整体采用分层构架，从下往上分为QT 库函数层、软件支持层和业务处理层3 层，系统软件架构见图2。

1） QT 库函数层，主要包括串口类QSERIALPORT、网络TCP 协议类QTCPSOCKET、文件读写类QDIR、数据库操作类QSQLDATABASE、调试类QDEBUG 等QT 库函数。

2）软件支持层，提供标准的操作接口给业务处理层调用，主要包含数据库读写模块、串口模块、网络模块、EXCEL 读写模块和USB 驱动模块。软件支持层模块根据控制需要调用QT 库函数层对应的库函数。

图2 系统软件架构图

3）业务处理层，主要包含线路数据处理、公用信息显示、GPS 模拟器通信、人机交互显示、验证报告生成、数据导入等业务模块。各模块根据自身业务调用相应的软件支持层模块，实现具体功能业务。

2.4 功能设计

先用U 盘将北京铁路通信技术中心发布的原始GIS 数据导入系统，在导入的过程中自动对GIS数据进行判断和纠错处理，形成新的GIS 数据；再用U 盘将铁路局输出的线路数据制作方案导入系统，作为辅助模拟数据源，同新GIS 数据、原始GIS 数据一并存放在数据库中；最后对整个数据库进行加密处理，作为系统模拟时调用的线路数据库。

系统通过电缆与CIR 连接，将CIR 置为自动工作模式，操作系统触摸屏菜单从已经导入的模拟线路数据库中选择指定的线路，并根据所选择的线路数据，在屏幕上描绘出轨迹点，连接轨迹点形成线路地图；同时标记局界点、切换点、站名、站中心等信息；通过改变数据计算的间隔，来调节模拟速度。

系统通过串口接收被测CIR 输出的公用信息，从中解析CIR 当前工作的线路数据，如线路名称、线路代码、区段名称、车站名称、车站号码、调度号码、经纬度、时间等信息；判断CIR 的线路数据是否符合预期，符合则将CIR 输出的信息记录到验证报告中，否则在屏幕上给出错误提示，同时将CIR 输出的信息记录到验证报告中，并以红色底色进行标注。在验证过程中，测试人员可根据屏幕的提示或自行判断，并在触摸屏上操作相应按钮进行自定义标记，标记结果一并记录到验证报告中。

系统实时记录测试过程和结果，生成验证报告作为模拟验证的结论。数据制作人员可以根据报告，对CIR 线路数据进行错误修正。

3 关键技术

3.1 GIS 原始数据自动纠错

GIS 数据采集时需人工采集车站中心、进出站信号机和切换点等关键位置，再人工导入到GIS 数据库中。由于人工操作容易插错位置，导致模拟时出现折返，因此需要对这类错误数据进行纠正。

按顺序对组成各条线路的轨迹点数据进行遍历纠错。方法是在原始GIS 数据导入过程中，依次读取3 个轨迹点的经纬度进行距离计算，根据3 个点相互之间的距离来计算中间点的角度。如果角度小于等于90°，则判定第3 个轨迹点的数据异常，剔除第3 个轨迹点；继续读取下一个轨迹点作为第3 个轨迹点，然后重新计算中间点的角度，直到中间点的角度大于90°，即认为第3 个轨迹点正确。在第2 和第3 轨迹点之间画直线，并按照每米一个轨迹点均匀插入轨迹数据，然后向前移位，将第2 轨迹点作为新的第1 轨迹点，将第3 轨迹点作为新的第2 轨迹点，并继续读取下一个GIS 轨迹点作为第3 轨迹点，直到处理完所有GIS 数据。

在GIS 数据库中，如果读取到轨迹点经纬度为全0，则判断为隧道数据，直接跳过不处理；在均匀插入导航轨迹数据时，标记插入的数据属性为“隧道”。

3.2 隧道实景再现和智能变速

列车运行时会经过隧道，在隧道中无法接收到卫星信号，此时CIR 的工作状态需要模拟验证，因此在模拟验证时也应重现列车进入隧道的场景。当模拟过程中识别到有隧道标记的数据时，系统将自动控制射频信号发生器，临时关闭射频功放的输出，从而达到模拟列车进入隧道的状态。

模拟过程中，当经过车站、线路切换点、线路选择区等关键位置时，或者判断到CIR 输出的信息异常时，系统可以减少轨迹数据计算间隔，来自动降低模拟运行的速度，方便用户观察；当模拟运行离开关键位置后，系统自动恢复到设置的运行速度，从而提高模拟的效率和用户体验。

3.3 多角度闭环验证

系统通过串口获取CIR 当前的工作状态，与模拟数据库中的信息进行比对，如果不一致，则在验证报告中采用红色标记；当同时对多个CIR 进行模拟时，系统会对各CIR 进行横向对比；当各CIR 输出的信息不一致时，在验证报告中采用蓝色或红色标记异常，方便测试人员进行判断。

4 结语

武汉局集团公司与有关企业按上述方案，研制完成了CIR 线路数据模拟系统，自2019 年6 月在武汉电务段投入试用以来，地面模拟工作量由原来6次（每厂家一次），减少为1次（6个厂家同时模拟），工作量缩减了5/6。经该系统模拟累计发现不同厂家数据线路名称错误、站名错误、线路选择区位置错误等问题10 多次，数据经修改后上车使用一次通过，至今未发现异常，实现了经本系统模拟完成后直接批量灌装使用的效果，大大提高了工作效率。

本系统后续可进一步扩展，增加BD 卫星信号模拟输出功能，以适应CIR 设备扩展BD 卫星接收功能时的数据验证需求。