基于北斗的重载铁路列控系统新增功能测试方法

史立柱

(国能新朔准池铁路（山西）有限责任公司，山西朔州 036002)

1 概述

重载铁路是承担大型货物或原材料运输的铁路，具有列车总重大、行车密度大和运量大的特点，其在铁路运输中占有重要地位，并在推动国民经济发展中也起到了至关重要的作用。随着国内铁路建设的快速发展，为列车运行控制系统对列车运行速度、运行效率与安全性等也提出更高的要求。

基于北斗的普速铁路列控系统在既有信号设备（联锁、轨道电路、LKJ）基础上，增加列车自动防护（ATP）系统、列车辅助驾驶设备、数据管理控制设备、临时限速服务器（TSRS）设备、以及应答器组，打造最高安全等级（SIL4级）的列车运行控制系统。系统结构示意如图1所示。

图1 系统结构示意Fig.1 Schematic diagram of system structure

基于北斗的重载铁路列控系统主要功能包括列车占用检查、安全防护距离、轨道电路发码、应答器设置、临时限速命令管理、控车转换、列车多源融合定位与测速测距、卫星定位及短报文通信等。

系统采用基于北斗的多源融合技术实现列车主动精准定位，通过无线通信网络实现线路数据（含限速信息）车-地信息传输。轨道电路实现列车占用检查并提供行车许可，车载设备计算目标距离连续速度模式曲线，监控列车安全运行[1-4]。

基于北斗的重载铁路列控系统与传统列控系统相比，最大的区别在于无线网络的覆盖范围。传统CTCS-3级列控系统的无线覆盖全线，列车在正常工作状态下的运行过程中始终与地面无线闭塞中心设备保持无线通信会话建立状态，以获得实时的移动授权，控制列车安全运行。基于北斗的重载铁路列控系统仅在站内覆盖了无线网络，当列车运行至区间时将通过站内提前发送的区间线路数据等信息，结合区间轨道电路状态保证列车安全运行。由于重载铁路一般存在全线基础设施改造困难、线路里程长等特点，使用这种列控方案能显著降低建设成本和后期的运营维护难度。根据上述新特点，针对基于北斗的重载铁路列控系统中各设备的功能特点的测试验证以及工程数据测试等工作提出了新的要求和挑战[5-7]。

2 基于北斗的重载铁路列控系统

在车站覆盖无线网络情况下，该系统由CTC、计算机联锁（Computer Based Interlocking,CBI）、TSRS、车站数据管理控制设备、列车自动防护系统以及车站无线网络系统组成。该系统中地面的数据管理控制设备负责和列车建立通信会话，当列车在站内时通过无线网络与车载设备实现双向通信，并根据列车位置信息实现列车管理；通过以太网与计算机联锁、TSRS通信，根据进路、道岔、信号机状态和TSRS下达的临时限速信息计算列车运行路径下的线路信息和临时限速信息，实时生成无线报文消息，并通过无线网络向车载设备发送线路信息及临时限速信息。当列车运行至区间时通过北斗短报文通信方式与车载设备进行应急通信，接收车载设备发送的线路数据校验请求信息，并将线路数据校验结果通过北斗短报文方式发送给车载设备。

3 新增测试内容分析

通过对新增列控设备的功能特点，以及特定功能验证的分析，需要在无线网络覆盖边界点测试、临时限速边界测试、列车特殊控车模式、区间应急通信等方面的测试方法进行详细设计。

3.1 车站覆盖无线网络边界点测试

在车站无线网络覆盖范围内，列车接收到车站数据管理控制设备发送的列车运行前方临时限速信息、线路信息后，以不引起列车制动为最小原则，同时考虑列车与车站控制设备通信容忍安全余量。需要针对车站覆盖无线网络的L无线覆盖值进行测试。

如图2所示，测试前提应使列车在进入L无线覆盖起点4097信号机前，排列A站的通过进路，同时确保列车在4097信号机前的列车速度达到列车最高允许运行速度。观察列车在与车站控制设备建立通信的最大允许链接时间内完成建链时，列车不降速运行并通过A站。

图2 车站无线网络覆盖区示意Fig.2 Schematic diagram of station wireless network coverage area

3.2 临时限速范围边界点测试

当列车出站后，接收到车站控制设备发送的临时限速信息，车站控制设备管辖的临时限速范围，以在列车与下一个相邻车站的车站控制设备建立连接时，列车前方临时限速信息不引起列车制动为基本原则。考虑车站控制设备设计为管辖单个车站，因此，以上一相邻站反向进站信号机作为临时限速管辖左边界，以下一相邻正向进站信号机作为临时限速管辖右边界，作为车站控制设备的临时限速管辖范围。

1）无线覆盖范围内的临时限速边界点测试

如图3所示，在A站管辖范围末端（B站X进站信号机）左右两侧分别设置临时限速TSR-1和TSR-2。当列车在A站无线管辖范围内，A站的车站数据管理控制设备仅会将TSR-1限速命令发送给车辆。当列车运行至B站无线管辖范围内，且与B站的车站数据管理控制设备注册成功时，应能同时收到由B站的车站数据管理控制设备发送的TSR-1与TSR-2的临时限速命令。

图3 临时限速区管辖范围示意Fig.3 Schematic diagram of jurisdiction of temporary speed restriction zone

2）无线覆盖范围外的临时限速边界测试

如图4所示，当列车处于A站无线覆盖范围内时，在A站管辖范围末端（B站X进站信号机）设置临时限速TSR-1。A站的车站数据管理控制设备仅会将TSR-1限速命令发送给车辆。

图4 无线覆盖范围边界临时限速测试示意1Fig.4 Schematic Diagram No.1 of temporary speed restriction test for the wireless coverage boundary

如图5所示，当列车越过A站无线覆盖范围4107信号机，且与A站车站数据管理控制设备完成注销后，在A站管辖范围末端（B站X进站信号机）设置临时限速TSR-1。列车将无法收到临时限速TSR-1。因此要求调度员在下达区间临时限速时，确保该区间内无列车运行。

图5 无线覆盖范围边界临时限速测试示意2Fig.5 Schematic Diagram No.2 of temporary speed restriction test for the wireless coverage boundary

3.3 临时限速功能故障测试

1）临时限速移交站通信故障

当列车A站出发后，列车使用A站预告发送的临时限速进行控制运行，当列车在进入B站建链范围内，若未能与B站建立通信更新临时限速信息，为确保行车安全，列车应该在A站往B站方向的临时限速管辖范围末端停车后转入人工模式，由司机按照相关无限速下的安全行驶速度要求驾驶列车进站。

2）区间通信故障

当列车A站出发后，列车使用A站预告发送的临时限速进行控制运行，当列车尚未进入B站建链范围内，且在进入区间无线覆盖盲区后无法通过应急通信方式与A站进行连接，为确保行车安全，此时列车应该停车后转入人工模式，由司机按照相关无限速下的安全行驶速度要求驾驶列车在区间运行。

3.4 列车特殊控车模式

为保证重载铁路既有机车控制设备在跨制式运行及区间故障模式下与基于北斗的重载铁路列控系统间的互通性，在测试过程中也需要重点对区间信号故障降级模式下的走停走功能及ATP与LKJ不停车切换功能进行专项测试。

1）走停走功能测试

机车牵引的列车运行至自动闭塞区间通过信号机前，车载设备收到地面发送HU码时，停车持续时间超过2 min，司机选择“解锁”并确认后，解除停车控制转为走停走模式，并以20 km/h监控列车越过该信号机直至次一架信号机，如图6所示。测试应对停车持续时间2 min以内及2 min以外分别设置前置条件，对地面收HU码或其他码序分别设置前置条件，并对模式转换后列车运行速度是否按照20 km/h进行相应测试。

图6 走停走测试示意Fig.6 Schematic diagram of go-stop-go test

2）与LKJ不停车切换测试

车载ATP设备在通常模式（FS）控制列车运行时，收到转入LKJ控车的预告应答器信息，通过DMI提示司机前方将切换至LKJ控车。车载ATP设备接收到LKJ回复的控车状态后，将控车权切换至LKJ，车载ATP设备进入后台工作，在通过切换应答器后，通过DMI提示司机已切换至LKJ控车。切换场景如图7所示。

图7 ATP切换LKJ测试示意Fig.7 Schematic diagram of the test about ATP switching to LKJ

因此，测试方法中需要针对LKJ的切换条件前置模式的预置，可通过环境注入报文的方式，复用图示中的信号机2837外方500 m处布置的一组无源应答器作为预告应答器，在出站信号机2797外方1 000 m处布置一组应答器作为切换应答器。在整个切换过程中关注ATP与LKJ之间在预告及切换下的消息交互环节，以及最终控制模式进行重点功能验证。

3.5 区间应急通信

由于列车运行至区间后，存在一定范围的无线覆盖盲区。因此当车载设备在此区域内出现故障，将导致列车降级运行或停车。当车载设备故障恢复后，需要对车载设备内存储的线路数据与当前实际的数据进行校验，以使其快速投入正常的工作模式。车载设备将连接北斗卫星导航系统，启动故障恢复程序，通过北斗短报文的通信方式与数据管理控制设备进行通信交互。

针对区间内有数据变化和无数据变化进行分别的测试验证设计。

1） 数据无变化

如图8所示，列车由A站发车时，在无线覆盖盲区内设置一处临时限速TSR-1，当列车运行至无线覆盖盲区后，未到达临时限速TSR-1起点位置时，将车载设备重启。此时车载设备恢复工作后，将通过北斗卫星采用短报文通信方式与A站数据管理控制设备进行数据交互。此时由于区间内未发生数据变化，车载设备将根据数据校验结果信息判断已存储的线路信息有效，使用线路信息计算控车曲线，列车进入通常模式，恢复正常运行。列车将正常处理TSR-1的临时限速命令。

图8 区间数据无变化示意Fig.8 Schematic diagram of no data change in the section

2） 数据有变化

如图9所示，列车由A站发车时，在无线覆盖盲区内设置一处临时限速TSR-1，当列车运行至无线覆盖盲区后，未到达临时限速TSR-1起点位置时，将车载设备重启。此时在B站进站信号机外方设置TSR-2，车载设备恢复工作后，将通过北斗卫星采用短报文通信方式与A站数据管理控制设备进行数据交互。由于区间内发生数据变化，车载设备将根据数据校验结果信息判断已存储的线路信息无效，使用最低运行速度控制列车运行至B站无线覆盖范围后，再投入正常运行。

图9 区间数据有变化示意Fig.9 Schematic diagram of data change in the section

4 结束语

本文研究了基于北斗的重载铁路列控系统新增功能及接口，完成了相关测试方法设计。针对不具备全线覆盖无线网络的重载铁路，实施有针对性的列控系统功能测试方法，对未来推动重载铁路升级改造及功能验证提供了可行的解决方案。