基于移动闭塞的重载铁路列控系统仿真研究

侯明明 马睿杰

摘要 在分析国能集团重载列车信号系统现状及列车驾驶培训需求的基础上，结合国能集团重载列车运营的特殊性与既有LKJ系统的局限性，以及重载移动闭塞列控系统的运营现状，研究重载铁路列控仿真平台、列车与运营线路耦合数学模型、运营场景及相应的培训考核规则。仿真实例与研究分析表明，该系统能精准仿真重载列车功能业务，高度还原现场实际作业场景，能实现移动闭塞列控系统体系与系统化的培训考核，对国能集团移动闭塞列车的驾驶培训考核具有较好的指导意义，同时为国能集团全面推广移动闭塞列控系统奠定了坚实的基础。

关键词 高速动车组；列控系统；培训考核；案例场景

中图分类号 U284.44文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0005-03

0 引言

重载铁路是我国钢铁、煤炭、矿石、建筑材料等大重型货物运输的主要通道。对重载铁路列车司机而言，其所需要熟练掌握的重载列车车载信号控制原理、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，尤其涉及既有系统的升级和改造、更换新型信号系统，需要对其开展更系统全面和体系化的培训[1]。因此，对于重载铁路列控系统，应基于真实信号系统的控制原理、界面风格、操作逻辑对其进行仿真处理，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，此举不仅不影响正常重载铁路的正常运营，还能极大缩短培训周期以及提高培训效率[2]。

1 重载铁路信号简介

1.1 重载铁路

重载铁路相较于普通铁路着重关注列车重点、轴重以及单线年运量等相关指标，1986年要求列车重量至少达到5 000 t，轴重在21 t及以上，单线年运2 000万吨及以上；1994年要求列车重量至少达到5 000 t，轴重在25 t及以上，在至少150 km的线路区段上单线年运量至少达到2 000万吨；2005年要求列车重量至少达到8 000 t，轴重在27 t及以上，在至少150 km的线路区段上单线年运量至少达到4 000万吨[3]。

重载铁路所运营列车相较于地铁列车与高速动车组有很多差异：①列车牵引重量大，编组多、编组长，纵向冲击大。②列车受空气制动波速传播速度呈现非线性特征的限制，制动命令传递时间长，制动时间长。③列车受到长大下坡道等因素影響，重载列车以空气制动为主，长大下坡道需采取循环制动。④受充放风时间、过分相、低速缓解限制、临时限速、不同作业模式等因素限制，以人工驾驶为主[4]。

1.2 重载移动闭塞

重载铁路列控移动闭塞系统是在既有固定闭塞三显示或四显示模式基础上，新增地面应答器、RBC、北斗设备以及车载列控，升级改造既有CTC/TDCS、计算机联锁系统、通信设备等[5]，实现完全基于无线通信的车地双向高速通信。应用RBC与车载设备完成列车占用检测及完整性检查；应答器信息用于列车定位和测距修正列车位置信息[6]；结合速度传感器、加速度计、地面卫星数据、异构卫星北斗设备及应答器信息实现列车的精准定位、测速、测距等，进而实现重载列车的安全准点运行[7]。

2 重载铁路列控系统仿真研究

2.1 系统总体设计方案

重载铁路列控仿真系统以朔黄铁路“肃宁北到沧州西”线路及轨旁设备为基础，以升级改造后的神华号列车为研究臷体，以移动闭塞列控系统为核心，以现场重载铁路列车实际运营场景为依据，以教学管理为辅助，结合铁路现场实际构建神华号列车驾驶操作台、列车网络、RBC、LTE网络、速度传感器、加速度计、地面卫星数据、异构卫星北斗设备、移动闭塞列控设备、万吨重载动力学、线路三维场景等模型，运用重载动力学与RBC和ATP协同联动计算列尾包络、行车许可以及列车进路相关信息，构建集信号、供电、线路、场景等于一体的重载铁路列控专项培训设备，实现“1∶1沉浸式”全仿真，能精准仿真还原重载铁路移动闭塞列车的原理与实际作业和运营场景，能较好地满足铁路现场实际的标准作业培训、故障处置培训、非正常作业培训及考核评价与统计决策分析等需要。重载铁路列控仿真总体业务框架如图1所示：

2.2 软件仿真设计

2.2.1 重载移动闭塞模块

（1）车载列控仿真模块。重载列车车载列车运行控制设备主要包括列车运行控制核心模块、HMI人机交互界面、ATP与车辆接口模块、LKJ与ATP及车辆接口模块等组成。基于列车运行控制原理及联锁控制逻辑和地铁实际线路的运营场景，依据重载列车运行控制系统功能业务框架和通信机制构建的地面列车运行控制系统及通信系统进行数学建模；并根据真实列车实际行车组织与运营调整要求，结合万吨重载铁路长大下坡、特殊困难区段、重载列车相关的功能特性以及运营场景等信息生成相应的行车许可；再通过地面列车运行控制模块与重载车载列车运行控制设备进行通信。重载列车仿真模块通过行车许可得到重载列车的目标运行速度、目标运行距离与基础固定及可变线路信息，结合重载铁路列车列尾、牵引计算、动力学及制动曲线，监控重载列车运行。基于轨道交通运营联控网络平台，将ATP与LKJ-15C核心计算模块及DMI人机交互界面进行连通，并与重载铁路列车仿真模块进行数据交互与命令控制。

（2）地面环境服务仿真模块。地面环境服务包括列控地面基础设备、联锁、基础线路设备、供电设备等，其中列控设备主要包括信号机、道岔、轨道电路、应答器、RBC、LTE网络、速度传感器、加速度计、地面卫星数据、异构卫星北斗设备等。重载铁路列车通过通信仿真模块，实现BTM、TCR模块与地面列车运行控制仿真模块进行数据传输与命令控制交互，能实现相关数运营及设备信息的时序仿真及联动控制，能模拟车地双向通信、地面列控联锁逻辑及供电与通信等功能，还能模拟与再现地面轨旁设备、信号设备以及故障及非正常突发事件等场景。重载移动闭塞列控系统仿真业务及功能界面如图2所示。

2.2.2 重载铁路列车仿真模块

根据重载铁路列车功能特点、重载移动闭塞列控系统专项培训需求及典型场景案例，结合现场实际操作与应用培训便捷等需求，以神华号信号升级改造列车为载体，按照真实列车设备构成及控制原理进行仿真建模，能正确反映列车的固有控制逻辑关系，能实时精准响应参训司机各项实作与处置流程，并能根据列车运行控制原理及运营调整计算神华号列车的相关运行条件及运营状态信息。

2.2.3 教学教务系统

教学教务系统是重载铁路列车仿真场景的控制中枢，能实现运行场景编辑设计、场景运行监控、整个训练过程管理等。该教学教务系统能实现人员信息管理、教学资源管理、教学过程及培训数据管理、考核评价成绩管理以及统计分析等。基于移动闭塞的重载铁路列控系统的教学场景制作流程及实现框架如图3所示。

2.3 典型场景设计

基于重载铁路现场实际、相关作业标准及要求构建相应的课程场景体系，重载铁路列车运行场景主要包括一次出乘标准作业、正常作业场景、故障作业场景、非正常突发场景以及现场实际运营的特殊场景等。首先，基于重载铁路列车故障维护处理手册及线路运营条件，梳理归整各场景的设备及触发条件；然后，根据各场景的运行和触发条件设置各场景的运行时序及运营状态；再次，根据现场实际作业要求及规范，通过教学教务管理软件設置各场景的考核评价规则；最后，通过教学教务系统对重载铁路列车运行控制系统进行专项培训与考核。

2.4 硬件仿真设计

根据重载铁路列车驾驶操纵台体及功能业务框架与属性和运营状态等，结合重载铁路现场实际与线路运营场景和重载铁路基于移动闭塞的列控专项培训需求，归整简化设计DMI屏、LKJ-15C、列车驾驶等相关功能按键等，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，并应用便携式列控仿真试验台将核心服务计算机、DMI屏、功能组件及驱采控制设备进行组装设计。基于移动闭塞的重载铁路列控实训系统的硬件组成结构及框架如图4所示：

3 系统功能

3.1 正常作业场景模拟

①ATP启动流程操作模拟。②ATP级间切换功能仿真培训。③ATP模式间切换功能仿真培训。④ATP超速防护等核心功能仿真培训。⑤DMI人机交互仿真。⑥ATP声音仿真。

3.2 故障与非正常场景模拟

（1）车载设备故障。ATP故障仿真模拟及处理方法/流程实现：模拟各型ATP常见的故障类型，例如安全主机故障、DMI黑屏、轨道电路接收单元故障、应答器信息丢失等，并能够进行各故障多种处理方法及流程的仿真培训。

（2）地面设备故障。地面环境故障、非正常仿真模拟及处理方法/流程实现：模拟地面信号系统设备故障等，例如各类信号机故障、轨道电路发码故障、非列车占用红光带、各类应答器故障等，并能够模拟培训与调度/车站相关的处理流程。

（3）其他故障。网络通信故障、通信故障、RBC故障等。

4 实验仿真

4.1 模式转换

重载移动闭塞ATP上电后，检测信号设备未被隔离时，列控系统默认进入待机模式。停车状态下，司机输入列车编组与车辆信息，通过DMI选择进入出段模式，车载ATP设备提示司机确认进入出段模式；司机确认后，车载ATP设备进入出段模式。若列车在运行过程中选择了出入段模式，则不会提示进行出入段模式，其他模式转为出入段模式需判断是否为零速。

4.2 等级转换

列车在LKJ模式运行过程中收到LKJ自动切换条件或收到手动切换LKJ命令时，LKJ切换模块判断是否满足LKJ自动切换完全监控模式的条件，当接收到有效MA信息，计算限速有效且当前列车速度低于限速，以及列车完整性完整时，则自动转入完全监控模式，继承原模式时司机的输入数据、测距误差、机车位置、列车车尾位置、列车完整性、MA信息。超速防护速度根据MA进行计算。

5 结语

该文分析了国能集团重载列车信号系统现状及列车驾驶培训需求，结合国能集团重载列车运营的特殊性与既有LKJ系统的局限性以及重载移动闭塞列控系统的运营现状，研发设计重载铁路列控仿真平台、列车与运营线路耦合数学模型、运营场景及相应的培训考核规则。试验结果表明，该系统能精准仿真重载列车功能业务，高度还原现场实际作业场景，能实现移动闭塞列控系统体系与系统化的培训考核，对国能集团移动闭塞列车的驾驶培训考核具有较好的指导意义，同时为国能集团全面推广移动闭塞列控系统奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]郝建， 张浩， 张军政， 等. 列车运行控制系统仿真测试自动化方法研究[J]. 铁道标准设计， 2022（6）： 152-158.

[2]付文刚， 刘畅， 杨居丰， 等. 基于LTE技术重载铁路移动闭塞通信系统研究及应用[J]. 铁道通信信号， 2018（5）： 47-49+53.

[3]曹亚博. 重载货车系统动力学建模及仿真分析[D]. 成都：西南交通大学， 2015.

[4]彭其渊， 冯丽萍， 文超， 等. 高铁列车运行控制信息传递流程结构脆性分析[J]. 西南交通大学学报， 2017（4）： 796-801+809.

[5]童姣. 移动闭塞系统下重载列车驾驶策略研究[D]. 北京：北京交通大学， 2020.

[6]曹亚博. 重载货车系统动力学建模及仿真分析[D]. 成都：西南交通大学， 2015.

[7]张波. 重载组合列车牵引及制动系统的试验与仿真研究[D]. 北京：中国铁道科学研究院， 2009.