高速动车组列控系统仿真研究设计

杨宝昆

国家铁路局装备技术中心 北京 100070

铁路作为国民经济的大动脉，是社会与经济发展的先行产业，也是社会的重要基础设施之一[1]。铁路运输部门是国民经济中的一个重要部门，肩负着各种物资与乘客运输重任，对社会主义建设与发展有着举足轻重的作用。为了适应中国高速铁路和客运专线的迅速发展并保证运输安全的需要，铁道部结合欧洲铁路控制系统(ETCS，European Train Control System)成功研制了中国列车运行控制系统(CTCS，Chinese Train Control System)，根据功能要求与配置将其应用等级划分为CTCS0～4[2]。目前中国列车运行控制系统多为CTCS2和CTCS3，同一等级列控系统与不同等级列控系统均不是由一个供应商研制，界面风格、转换条件、操作联锁逻辑均存在较大差异[3]。

对于高速动车组司机而言，则需要熟练掌握多种列控系统控制原理、操作逻辑以及不同车型制动测试及故障处理的方式方法，难度较大不易学习且在铁路现场实际中很容易引发事故[4]。因此，基于真实列控系统控制原理、界面风格、操作逻辑对其进行仿真并将现场案例场景与故障、非正常场景注入其中，对列车司机进行列控系统专项培训，不仅不影响正常高速动车组的运营，还能极大缩短培训周期。

1 列控系统培训现状

随着中国高速动车组不断发展，高铁线路也越来越长，国内高速铁路线路不断增加，减少普客列车增加高铁动车已成为一种趋势，国内各路局将面临大量普客司机向高速铁路司机转岗以及既有高铁司机能力晋升[5]。当前，部分路局机务段仍然采用理论培训与跟岗学习的方式对新版列控系统和既有列控系统升级功能进行学习，实操技能提升慢、培训效率低且不易于快速批量化培训，也有部分路局机务段已购置高速动车组驾驶仿真器对司机基本操作、故障与非正常进行培训，实操技能得到了很大的提高。但因驾驶仿真设备集中放置，且需脱产培训学习，影响高速动车组司机的正常运营计划[6]。

在确保高速铁路安全高效运营与平稳准点运行情况下，如何构建一套功能业务逻辑、界面风格、操作流程与真实列控系统一致的便携式列控系统专项培训装置，能较快地对高速动车组司机快速、高效、体系的列控进行专项培训考核，同时也能实现岗位晋升培训考核与列控专项技术比武等。

2 列控系统仿真设计

2.1 总体设计方案

高速动车组列控仿真实训系统以ATP车载设备仿真为核心，以地面线路和轨旁设备等虚拟运行环境为基础，以列车驾驶实作场景为依据，以教学管理软件为辅助，以便携式简易操作台体为载体，构建集信号、供电与列车于一体的列控专项培训设备。该系统涵盖了所有与高速动车组车载设备功能业务相关的功能模块，能实现ATP各项核心功能仿真以及与其他功能模块的联动联控，同时基于列车驾驶运行场景和操作流程，精简锐化复杂列车控制逻辑实现场景流程化培训，优化归整列车驾驶操作台体设备只保留部分开关及操作手柄，简化操纵台体设备，用于专项培训列控相关功能业务及逻辑。具体功能业务框架如图1所示：

图1 高速动车组列控仿真实训设备功能业务框架

2.2 软件设计方案

根据高速动车组车载及地面设备功能业务框架及列控系统所涉系统与功能模块，将该系统设计为四大模块：(1)车载列控模块：ATP核心服务、DMI人机交互；(2)地面列控运行环境模块：列控服务、联锁逻辑、CTC调度服务；(3)高速动车组列车仿真模块：逻辑控制、牵引计算；(4)教学管理及评价模块：场景/作业模块、数据管理模块、教学评价模块。

2.2.1 车载列控模块

车载设备建模主要针对ATP核心服务、DMI人机交互构建数学模型，同时结合高速动车组正常、故障与非正常运行所需的列控相关组件进行拟化建模，ATP核心服务计算模块集成虚拟线路环境，根据线路信息并结合高速动车组车组功能特性生成常用全制动曲线和紧急制动曲线，并结合运行时刻表、线路数据等信息生成列车的移动授权，再通过地面列控运行模块告知高速动车组列车仿真模块，高速动车组仿真模块通过移动授权得到目标速度、目标距离、线路数据，结合自身制动性能产生一次制动曲线，监控列车运行，采用统一的网络平台将ATP核心计算模块与DMI人机交互界面进行连通，并与高速动车组列车仿真模块进行数据交互与命令控制。

DMI人机交互屏是司机与车载设备交互的直接显示设备，其硬件采用4∶3显示比例，屏幕尺寸大小应与实际设备相同。DMI人机交互界面中每个子界面按各自独立的显示逻辑控制，显示逻辑依据接收到的基本条件来判断DMI人机交互界面的显示与跳转逻辑等。同时能实现车载列控单系主机故障、双系主机故障、STM故障、TCR故障、ATP黑屏等故障以及载频切换、预告信息、自动过分相、制动测试、换系/隔离、警惕确认等特殊场景。

2.2.2 地面列控运行环境模块

列控系统地面基础设备主要包含信号机、道岔、轨道电路、应答器、RBC、无线通信GSM-R系统等，对于车载列控模块设备，需要BTM、TCR模块等接收单元接收地面列控运行环境模块的数据。因此，要实现车载列控模块相关功能需构建虚拟地面线路环境再与车载列控模块进行数据与命令控制交互，以模拟相关功能业务控制逻辑及数据交互时序。列控地面设备运行及控制是基于地面列控中心、计算机联锁、CTC调度等的综合联动控制集合。

地面运行环境是根据列车运营、行车组织、信号控制、供电、运营线路等功能业务逻辑特点，并结合行车调度、列车运行计划、车站作业及自律机等联动控制逻辑，模拟建模地面轨旁设备、线路设备、供电设备、列控地面基础设备、基本联锁条件、调度等数学模型，并构建集行车、供电、信号等于一体的虚拟运行环境，是车载设备运行的必备支撑环境，不仅可以为ATP车载设备提供各项线路数据、轨道电路发码等以维持车载设备的正常运行，还可以模拟轨道发码故障、信号机故障、应答器故障、RBC故障、轨道电路故障等各类外部环境变化仿真非正常行车下的处理方法及流程。

2.2.3 高速动车组列车仿真模块

根据高速动车组功能特点及列控专项培训需求与项点，再结合实际使用培训便捷等需求，对高速动车组的DMI人机交互显示屏及标准按键、ATP电源开关、ATP隔离开关、ATP冗余开关、方向开关、复位开关、牵引手柄、制动手柄、状态指标灯、电钥匙、音箱等组件进行数据建模，能实现列车操作环境、运行环境等仿真，能模拟列车在各种运行环境与工况下的运行状况、操纵特性、牵引/制动特性。

2.2.4 教学管理及评价模块

教员系统是高速动车组列控系统仿真运行的控制中枢，具有训练课程编制、训练过程监控、训练过程管理等功能。能实现学员教员等人力资源管理、培训过程数据收集与统计分析管理、课程场景编辑修改与切换选择、教学过程与教学结果考核评估等功能。

2.3 课程场景设计

根据铁路现场实际作业场景、高速动车组作业规范及标准、列控系统专项知识点、列控系统故障维护手册以及非正常和应急处置场景等构建列控专项培训场景体系。首先，梳理归整各培训场景线路基础条件、地面信号设备状态、列车运行状态、列控系统场景变化点及触发条件等，排布各场景触发时序及相应的状态现象。其次，将该场景参数及初始状态通过教学课程管理软件植入系统并根据培训需求制作各项实操的考核评价规则。最后,根据教学培训需求进行高速动车组列控专项培训与考核。课程场景具体方案如图2所示：

图2 课程场景设计方案

课程场景运行是基于仿真线路运行环境和场景初始参数在列控仿真运行平台上进行场景状态设置、场景构建、场景复现、场景处置以及场景考核评价和场景终止等一系列操作流程进行实现的。具体执行流程及步骤如图3所示。

图3 课程场景执行流程

该系统能实现的场景包括：(1)等级转换：CTCS0-CTCS2、CTCS2-CTCS0、CTCS2-CTCS3、CTCS3-CTCS2等；(2)模式转换：CTCS3等级9个、CTCS2等级8个；(3)地面系统故障：轨道电路故障、应答器故障、信号机故障等；(4)车载设备故障：单系主机故障、双系主机故障、STM故障、TCR故障、ATP黑屏等；(5)特殊场景：载频切换、预告信息、自动过分相、制动测试、换系/隔离、警惕确认等。

2.4 硬件设计方案

根据高速动车组驾驶操纵台体及相关组件的功能属性及对列控系统操控的影响，结合铁路现场实际运营场景与列控系统专项培训需求，归整设计DMI人机交互显示屏及按键(标准19键)、ATP电源开关、ATP隔离开关、ATP冗余开关、方向开关、复位开关、牵引手柄、制动手柄、状态指标灯、电钥匙、音箱等，应用驱采控制电路将相关组件进行状态采集与驱动控制，将其与列控仿真系统进行联动联控，并应用便携式工具箱将列控仿真计算机、DMI人机交互屏、相关操纵组件及驱采控制设备进行组装设计。具体方案如图4所示。

图4 便携式列控专项培训装置设计方案

2.5 场景运行流程

根据高速动车组功能特性及列控专项培训特点，对高速动车组的部分组件与业务进行了抽象简化拟化，与铁路现场实际作业流程一致。场景执行流程的具体方法步骤为：(1)电钥匙激活，高速动车组列控系统自动启机并加载场景；(2)选择场景课程并执行教学培训计划；(3)根据高速动车组操作步骤操控相关功能开关，并控显DMI人机界面进行教学计划实施；(4)教学计划执行结束后，根据教学培训目标自动打印评价考核成绩报表；(5)成绩报表打印完成后，系统转回高速动车组待机模式。

3 结论

本文分析了全路高速动车组列控系统运用升级整改现状与司机培训使用需求，并结合了全路高速动车组保有量与其配置的列控系统型号和不同线路不同车型对列控系统的运用需求，基于高速动车组列控系统原理、功能业务框架及实际案例场景研究，并设计一套功能业务逻辑、界面风格、操作流程与真实列控系统一致的便携式列控仿真培训装置。该系统具有功能全面、便于携带、场景丰富且设置合理等优点，能有效培训高速动车组司机列控专业知识及实作技能，对国铁集团、国家铁路局和各铁路局全面统筹规划高速动车组专项培训及考核具有较好的理论指导意义。