基于北斗的重载铁路列控系统仿真测试系统研究

韩兴邦

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 概述

基于卫星定位的列控系统是新兴的下一代列控系统。卫星定位技术的应用可以补强现有列车测速测距方法，同时减少用于辅助列车定位的地面应答器等轨旁设备的部署数量，节省系统建设和维护成本[1-2]。伴随北斗三号推广应用战略机遇，短报文服务为列控系统的车-地通信提供新的通道，各式各样的基于卫星定位的列控系统研究相继开展[3-4]，基于北斗的重载铁路列控系统便是其中之一。

基于北斗的重载铁路列控系统是针对国内重载专用铁路线路现状，最大复用重载专用铁路的已有信号设备，结合北斗卫星导航系统的授时+定位+短报文服务的全功能的一种轻量化列控系统。系统由中心设备、车站设备、轨旁设备、车载设备、网络安全系统和上道作业人防系统等组成，如图1所示。

图1 基于北斗的重载铁路列控系统组成Fig.1 Composition of the heavy-haul railway train control system based on BeiDou

列控系统是保障列车安全运行，提高运输效率的重要行车装备[5]。因此在系统研发和工程实施期间，都需要经过充分的系统测试验证，以确定其是否满足系统规范要求[6]。针对基于北斗的重载铁路列控系统，需围绕其在已有重载铁路信号系统基础上新增的关键列控设备，构建配套的测试系统支撑实验室系统功能测试及数据测试。

目前，国内实际应用的面向基于卫星定位列控系统的测试系统，大部分仅针对车载设备构建[7-8]；对于能够同时集成联锁设备、地面列控设备和车载设备的半实物系统集成测试环境，主要面向成熟的CTCS或CBTC系统。

因此，本文提出完整的适用于基于北斗的重载铁路列控系统的仿真测试系统设计方案并对其进行实现，包括仿真数据从生成到使用再到监测的全套方案。系统可基于工程数据快速构建仿真数据并完成测试环境构建，支持验证基于北斗的重载铁路列控系统技术方案可行性，支撑装备调试及测试，为装备研发及工程实施提供环境保障，并且满足实验室集成测试需求。

2 架构设计

基于北斗的重载铁路列控系统的仿真测试系统，需提供基础的列车仿真、线路及轨旁设备仿真、车地通信通道仿真，能够接入车载设备实物、地面列控设备实物及车站联锁实物，构建半实物的系统集成测试环境。通过列车仿真、线路及轨旁设备仿真提供人机交互接口，实现系统正常运营及异常场景的构建，测试验证接入的实物设备的系统功能及整系统的功能及数据。

在列车仿真、线路及轨旁设备仿真、车地通信通道仿真等基本功能基础上，增加基于北斗的重载铁路列控系统的数据管理控制设备、上道作业人防系统等关键设备的接口，增加北斗卫星导航系统、重载铁路已有闭塞系统的仿真，引入车站联锁、调度集中控制（Centralized Traffi c Control，CTC）等系统，构建半实物仿真测试系统，如图2所示。

图2 基于北斗的重载铁路列控系统仿真测试系统架构Fig.2 Simulation testing system architecture of the heavy-haul railway train control system based on BeiDou

被测设备实物为基于北斗的重载铁路列控系统核心装备，包括：列车自动防护系统（Automatic Train Protection，ATP）主要设备、列车辅助驾驶设备、数据管理控制设备、临时限速服务器和上道作业人防系统等。其他外部设备/仿真为基于北斗的重载铁路列控系统被测设备的陪测设备，包括车站联锁、CTC车站自律机、CTC调度中心和信号集中监测站机。

被测设备仿真为依据安全平台硬件的工作原理，基于操作系统交叉编译技术，可在通用服务器、工作站或工控机等硬件设备上，在桌面操作系统上运行的软件。数据管理控制设备、车站联锁、车载设备等核心软件程序，与设备实物嵌入式操作系统搭载的核心软件程序逻辑完全一致，替代对应的设备实物接入实验室半实物仿真测试系统。与设备仿真交互的设备无法区分对方是否为真实设备。

仿真测试平台串联实验室半实物仿真测试系统内各设备实物及仿真，为所有被测设备实物、被测设备仿真、其他外部设备/仿真提供所需要的信号设备模拟（含轨道电路、道岔、信号机和应答器等轨旁设备，闭塞系统）、列车设备模拟（含司控台、车载智能感知设备和上道作业人防系统车载装置）、上道作业人防子系统相关设备模拟（含车载装置、施工区便携地面装置和可穿戴设备）、北斗卫星导航系统模拟、通信设备模拟（含无线通信网、信号数据通道和调度集中数据通道），并进行实时的车地信息计算，反馈列车位置及前后轨旁设备信息。

3 关键技术

基于北斗的重载铁路列控系统仿真测试系统，关键在仿真测试平台实现北斗卫星导航系统的仿真、重载货运列车（接口及动力学模型）的模拟以及重载铁路已有的闭塞系统的模拟。

3.1 北斗卫星导航系统仿真

北斗卫星导航系统仿真的关键在于给实验室内静止的车载设备实时发送模拟列车推进所处位置的卫星定位射频信号，并与列控系统定位信息（例如基于应答器的定位信息）保持一致。列控系统测试系统的车地信息计算逻辑能够通过列控工程数据中的线路数据及应答器数据实时计算列车所在位置的轨道电路和应答器等信息，即以列控工程数据为视角描述列车位置；依据此信息，可根据列车所在轨道区段位置点，结合列控工程数据和包含卫星定位信息的车载电子地图的数据关系[9-11]，实时换算当前位置点的卫星仿真数据，供卫星信号输出设备产生卫星射频信号至车载设备实物，同时供卫星地图监测界面显示[12]，如图3所示。

图3 北斗卫星导航系统仿真接口示意Fig.3 Schematic diagram of simulation interfaces of the BeiDou Navigation Satellite System

3.2 闭塞系统仿真模拟

闭塞系统仿真模拟，是基于北斗的重载铁路列控系统仿真测试系统实现跑车场景的基础。基于北斗的重载铁路列控系统的设计思想为在已有重载铁路信号装备基础上进行轻量化叠加，故需要根据具体改造的重载铁路实现其闭塞制式，比较普遍的是基于轨道电路继电编码的四显示自动闭塞。

针对此，提出并实现一种简化的轨道电路继电编码仿真模型。本仿真模型并不对具体的继电电路进行实际且复杂的建模，通过继电器采集状态组合实现轨道电路编码逻辑；而是通过模拟列控中心编码逻辑实现轨道电路编码。可以理解为设计了一个仅具备轨道电路发码及区间信号机控制功能的列控中心模型，因此该方案主要参考的资料来自于列控中心以及列控中心与联锁接口的技术规范[13-14]。

根据上述分析，简化的轨道电路继电编码仿真模型需要与联锁设备及仿真测试平台中的车地信息计算模块接口，获取编码的输入并自动计算码序，发送至仿真测试平台中车地信息计算单元，如图4所示。轨道电路码序的自动计算有效降低跑车场景构建操作，提升测试效率。

图4 轨道电路继电编码仿真模型接口示意Fig.4 Schematic diagram of interfaces of simulation model of track circuit relay coding

3.3 重载列车仿真模拟

重载铁路的机车牵引式列车的仿真模拟，重点在设备接口及动力学模型。

设备接口方面，列车自动防护设备及列车辅助驾驶设备并不直接与机车牵引式列车接口，而是中间增加了智能驾驶单元（Driver Smart Unit，DSU）作为中间信号转换设备。仿真测试平台需要考虑将仿真边界划在DSU设备的两侧，实现不同的测试范围，如图5所示。既能提供DSU的仿真模拟，直接与车载设备接口进行列车信号的交互（仿真边界1）；也能同时将车载设备以及DSU设备接入仿真测试平台，与DSU设备和车载设备接口进行列车信号的交互（仿真边界2）。

图5 重载列车接口仿真示意Fig.5 Schematic diagram of interface simulation of heavy-haul railways

在动力学仿真方面，难点在于重载铁路机车牵引式列车的动力学仿真建模。相较于动车组列车直接采用车辆厂提供的拟合的“速度-级位-加速度”公式进行加速度计算，重载铁路机车牵引式列车需参考相关规范针对不同机车及车辆类型，将电力牵引制动及空气制动分别进行独立建模，实现更加贴近现实的动力学计算[15]。限于篇幅本文将不再展开描述。

4 系统实现

根据系统架构设计及关键技术实现，成功搭建基于北斗的重载铁路列控系统实验室半实物仿真测试系统：由被测设备实物、其他外部设备实物、车载设备接口平台、交换机、仿真服务器、卫星信号仿真设备和操作终端组成，如图6所示。

图6 基于北斗的重载铁路列控系统实验室半实物仿真测试系统设备结构Fig.6 Equipment structure of the semi-physical simulation testing system for the heavy-haul railway train control system based on BeiDou in lab

目前，在已搭建的基于北斗的重载铁路列控系统实验室半实物仿真测试系统中，通过虚实互换，采用列车自动防护仿真软件及列车辅助驾驶仿真软件替代对应实物设备，可以实现系统运行，执行设备上电，驾驶室激活、发车准备、发车准备、列车发车、行车许可、站间运行、自动过分相、临时限速、通过车站、进站接车、自动发车、自动通过车站、区间自动运行、自动进站停车、关闭电源、溜逸防护、退行防护、重载列车控制、轨道电路无码、提示场景、ATP与LKJ切换、上道作业人防、障碍物感知、车地无线通信故障、地面设备故障和卫星定位故障等典型场景，有效验证基于北斗的重载铁路列控系统技术方案可行性，支撑装备调试及测试，为装备研发及工程实施提供环境保障。分布式部署的基于北斗的重载铁路列控系统实验室半实物仿真测试系统在运行多车列车辅助驾驶运行场景的部分分机截图（包括线路及列车仿真界面、车站联锁控显界面、列车自动防护设备DMI界面和数据管理控制设备仿真界面）如图7所示。

图7 基于北斗的重载铁路列控系统实验室半实物仿真测试系统场景执行Fig.7 Implementing the scenarios of the semi-physical simulation testing system for the heavy-haul railway train control system based on BeiDou in lab

5 结语

本文充分分析基于北斗的重载铁路列控系统的系统结构，围绕其关键设备，设计了适用于基于北斗的重载铁路列控系统的仿真测试系统架构，分析实现该架构的北斗卫星导航系统仿真、闭塞系统仿真模拟、重载列车仿真模拟3项关键技术。最后通过系统实现，成功搭建了基于北斗的重载铁路列控系统仿真测试系统，有效支撑系统功能验证、装备研发调试以及系统集成测试，满足仿真测试需求。

后续的系统优化方向为：闭塞系统仿真模拟的优化，面向真实的继电编码电路进行建模，更加真实地模拟编码逻辑，提供更加丰富的故障注入功能；重载列车仿真模拟的动力学模型的优化，参考相关规范的细化仿真模型，将曲线、坡度和桥隧等线路特性引入动力学计算，更加真实地模拟重载列车的动力学特性，并适配更多车型，支撑开展更加丰富全面的实验室测试。