高速動車組列控系統(tǒng)仿真研究設計

楊寶昆

國家鐵路局裝備技術中心 北京 100070

鐵路作為國民經(jīng)濟的大動脈，是社會與經(jīng)濟發(fā)展的先行產(chǎn)業(yè)，也是社會的重要基礎設施之一[1]。鐵路運輸部門是國民經(jīng)濟中的一個重要部門，肩負著各種物資與乘客運輸重任，對社會主義建設與發(fā)展有著舉足輕重的作用。為了適應中國高速鐵路和客運專線的迅速發(fā)展并保證運輸安全的需要，鐵道部結合歐洲鐵路控制系統(tǒng)(ETCS，European Train Control System)成功研制了中國列車運行控制系統(tǒng)(CTCS，Chinese Train Control System)，根據(jù)功能要求與配置將其應用等級劃分為CTCS0～4[2]。目前中國列車運行控制系統(tǒng)多為CTCS2和CTCS3，同一等級列控系統(tǒng)與不同等級列控系統(tǒng)均不是由一個供應商研制，界面風格、轉換條件、操作聯(lián)鎖邏輯均存在較大差異[3]。

對于高速動車組司機而言，則需要熟練掌握多種列控系統(tǒng)控制原理、操作邏輯以及不同車型制動測試及故障處理的方式方法，難度較大不易學習且在鐵路現(xiàn)場實際中很容易引發(fā)事故[4]。因此，基于真實列控系統(tǒng)控制原理、界面風格、操作邏輯對其進行仿真并將現(xiàn)場案例場景與故障、非正常場景注入其中，對列車司機進行列控系統(tǒng)專項培訓，不僅不影響正常高速動車組的運營，還能極大縮短培訓周期。

1 列控系統(tǒng)培訓現(xiàn)狀

隨著中國高速動車組不斷發(fā)展，高鐵線路也越來越長，國內(nèi)高速鐵路線路不斷增加，減少普客列車增加高鐵動車已成為一種趨勢，國內(nèi)各路局將面臨大量普客司機向高速鐵路司機轉崗以及既有高鐵司機能力晉升[5]。當前，部分路局機務段仍然采用理論培訓與跟崗學習的方式對新版列控系統(tǒng)和既有列控系統(tǒng)升級功能進行學習，實操技能提升慢、培訓效率低且不易于快速批量化培訓，也有部分路局機務段已購置高速動車組駕駛仿真器對司機基本操作、故障與非正常進行培訓，實操技能得到了很大的提高。但因駕駛仿真設備集中放置，且需脫產(chǎn)培訓學習，影響高速動車組司機的正常運營計劃[6]。

在確保高速鐵路安全高效運營與平穩(wěn)準點運行情況下，如何構建一套功能業(yè)務邏輯、界面風格、操作流程與真實列控系統(tǒng)一致的便攜式列控系統(tǒng)專項培訓裝置，能較快地對高速動車組司機快速、高效、體系的列控進行專項培訓考核，同時也能實現(xiàn)崗位晉升培訓考核與列控專項技術比武等。

2 列控系統(tǒng)仿真設計

2.1 總體設計方案

高速動車組列控仿真實訓系統(tǒng)以ATP車載設備仿真為核心，以地面線路和軌旁設備等虛擬運行環(huán)境為基礎，以列車駕駛實作場景為依據(jù)，以教學管理軟件為輔助，以便攜式簡易操作臺體為載體，構建集信號、供電與列車于一體的列控專項培訓設備。該系統(tǒng)涵蓋了所有與高速動車組車載設備功能業(yè)務相關的功能模塊，能實現(xiàn)ATP各項核心功能仿真以及與其他功能模塊的聯(lián)動聯(lián)控，同時基于列車駕駛運行場景和操作流程，精簡銳化復雜列車控制邏輯實現(xiàn)場景流程化培訓，優(yōu)化歸整列車駕駛操作臺體設備只保留部分開關及操作手柄，簡化操縱臺體設備，用于專項培訓列控相關功能業(yè)務及邏輯。具體功能業(yè)務框架如圖1所示：

圖1 高速動車組列控仿真實訓設備功能業(yè)務框架

2.2 軟件設計方案

根據(jù)高速動車組車載及地面設備功能業(yè)務框架及列控系統(tǒng)所涉系統(tǒng)與功能模塊，將該系統(tǒng)設計為四大模塊：(1)車載列控模塊：ATP核心服務、DMI人機交互；(2)地面列控運行環(huán)境模塊：列控服務、聯(lián)鎖邏輯、CTC調(diào)度服務；(3)高速動車組列車仿真模塊：邏輯控制、牽引計算；(4)教學管理及評價模塊：場景/作業(yè)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、教學評價模塊。

2.2.1 車載列控模塊

車載設備建模主要針對ATP核心服務、DMI人機交互構建數(shù)學模型，同時結合高速動車組正常、故障與非正常運行所需的列控相關組件進行擬化建模，ATP核心服務計算模塊集成虛擬線路環(huán)境，根據(jù)線路信息并結合高速動車組車組功能特性生成常用全制動曲線和緊急制動曲線，并結合運行時刻表、線路數(shù)據(jù)等信息生成列車的移動授權，再通過地面列控運行模塊告知高速動車組列車仿真模塊，高速動車組仿真模塊通過移動授權得到目標速度、目標距離、線路數(shù)據(jù)，結合自身制動性能產(chǎn)生一次制動曲線，監(jiān)控列車運行，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺將ATP核心計算模塊與DMI人機交互界面進行連通，并與高速動車組列車仿真模塊進行數(shù)據(jù)交互與命令控制。

DMI人機交互屏是司機與車載設備交互的直接顯示設備，其硬件采用4∶3顯示比例，屏幕尺寸大小應與實際設備相同。DMI人機交互界面中每個子界面按各自獨立的顯示邏輯控制，顯示邏輯依據(jù)接收到的基本條件來判斷DMI人機交互界面的顯示與跳轉邏輯等。同時能實現(xiàn)車載列控單系主機故障、雙系主機故障、STM故障、TCR故障、ATP黑屏等故障以及載頻切換、預告信息、自動過分相、制動測試、換系/隔離、警惕確認等特殊場景。

2.2.2 地面列控運行環(huán)境模塊

列控系統(tǒng)地面基礎設備主要包含信號機、道岔、軌道電路、應答器、RBC、無線通信GSM-R系統(tǒng)等，對于車載列控模塊設備，需要BTM、TCR模塊等接收單元接收地面列控運行環(huán)境模塊的數(shù)據(jù)。因此，要實現(xiàn)車載列控模塊相關功能需構建虛擬地面線路環(huán)境再與車載列控模塊進行數(shù)據(jù)與命令控制交互，以模擬相關功能業(yè)務控制邏輯及數(shù)據(jù)交互時序。列控地面設備運行及控制是基于地面列控中心、計算機聯(lián)鎖、CTC調(diào)度等的綜合聯(lián)動控制集合。

地面運行環(huán)境是根據(jù)列車運營、行車組織、信號控制、供電、運營線路等功能業(yè)務邏輯特點，并結合行車調(diào)度、列車運行計劃、車站作業(yè)及自律機等聯(lián)動控制邏輯，模擬建模地面軌旁設備、線路設備、供電設備、列控地面基礎設備、基本聯(lián)鎖條件、調(diào)度等數(shù)學模型，并構建集行車、供電、信號等于一體的虛擬運行環(huán)境，是車載設備運行的必備支撐環(huán)境，不僅可以為ATP車載設備提供各項線路數(shù)據(jù)、軌道電路發(fā)碼等以維持車載設備的正常運行，還可以模擬軌道發(fā)碼故障、信號機故障、應答器故障、RBC故障、軌道電路故障等各類外部環(huán)境變化仿真非正常行車下的處理方法及流程。

2.2.3 高速動車組列車仿真模塊

根據(jù)高速動車組功能特點及列控專項培訓需求與項點，再結合實際使用培訓便捷等需求，對高速動車組的DMI人機交互顯示屏及標準按鍵、ATP電源開關、ATP隔離開關、ATP冗余開關、方向開關、復位開關、牽引手柄、制動手柄、狀態(tài)指標燈、電鑰匙、音箱等組件進行數(shù)據(jù)建模，能實現(xiàn)列車操作環(huán)境、運行環(huán)境等仿真，能模擬列車在各種運行環(huán)境與工況下的運行狀況、操縱特性、牽引/制動特性。

2.2.4 教學管理及評價模塊

教員系統(tǒng)是高速動車組列控系統(tǒng)仿真運行的控制中樞，具有訓練課程編制、訓練過程監(jiān)控、訓練過程管理等功能。能實現(xiàn)學員教員等人力資源管理、培訓過程數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計分析管理、課程場景編輯修改與切換選擇、教學過程與教學結果考核評估等功能。

2.3 課程場景設計

根據(jù)鐵路現(xiàn)場實際作業(yè)場景、高速動車組作業(yè)規(guī)范及標準、列控系統(tǒng)專項知識點、列控系統(tǒng)故障維護手冊以及非正常和應急處置場景等構建列控專項培訓場景體系。首先，梳理歸整各培訓場景線路基礎條件、地面信號設備狀態(tài)、列車運行狀態(tài)、列控系統(tǒng)場景變化點及觸發(fā)條件等，排布各場景觸發(fā)時序及相應的狀態(tài)現(xiàn)象。其次，將該場景參數(shù)及初始狀態(tài)通過教學課程管理軟件植入系統(tǒng)并根據(jù)培訓需求制作各項實操的考核評價規(guī)則。最后,根據(jù)教學培訓需求進行高速動車組列控專項培訓與考核。課程場景具體方案如圖2所示：

圖2 課程場景設計方案

課程場景運行是基于仿真線路運行環(huán)境和場景初始參數(shù)在列控仿真運行平臺上進行場景狀態(tài)設置、場景構建、場景復現(xiàn)、場景處置以及場景考核評價和場景終止等一系列操作流程進行實現(xiàn)的。具體執(zhí)行流程及步驟如圖3所示。

圖3 課程場景執(zhí)行流程

該系統(tǒng)能實現(xiàn)的場景包括：(1)等級轉換：CTCS0-CTCS2、CTCS2-CTCS0、CTCS2-CTCS3、CTCS3-CTCS2等；(2)模式轉換：CTCS3等級9個、CTCS2等級8個；(3)地面系統(tǒng)故障：軌道電路故障、應答器故障、信號機故障等；(4)車載設備故障：單系主機故障、雙系主機故障、STM故障、TCR故障、ATP黑屏等；(5)特殊場景：載頻切換、預告信息、自動過分相、制動測試、換系/隔離、警惕確認等。

2.4 硬件設計方案

根據(jù)高速動車組駕駛操縱臺體及相關組件的功能屬性及對列控系統(tǒng)操控的影響，結合鐵路現(xiàn)場實際運營場景與列控系統(tǒng)專項培訓需求，歸整設計DMI人機交互顯示屏及按鍵(標準19鍵)、ATP電源開關、ATP隔離開關、ATP冗余開關、方向開關、復位開關、牽引手柄、制動手柄、狀態(tài)指標燈、電鑰匙、音箱等，應用驅(qū)采控制電路將相關組件進行狀態(tài)采集與驅(qū)動控制，將其與列控仿真系統(tǒng)進行聯(lián)動聯(lián)控，并應用便攜式工具箱將列控仿真計算機、DMI人機交互屏、相關操縱組件及驅(qū)采控制設備進行組裝設計。具體方案如圖4所示。

圖4 便攜式列控專項培訓裝置設計方案

2.5 場景運行流程

根據(jù)高速動車組功能特性及列控專項培訓特點，對高速動車組的部分組件與業(yè)務進行了抽象簡化擬化，與鐵路現(xiàn)場實際作業(yè)流程一致。場景執(zhí)行流程的具體方法步驟為：(1)電鑰匙激活，高速動車組列控系統(tǒng)自動啟機并加載場景；(2)選擇場景課程并執(zhí)行教學培訓計劃；(3)根據(jù)高速動車組操作步驟操控相關功能開關，并控顯DMI人機界面進行教學計劃實施；(4)教學計劃執(zhí)行結束后，根據(jù)教學培訓目標自動打印評價考核成績報表；(5)成績報表打印完成后，系統(tǒng)轉回高速動車組待機模式。

3 結論

本文分析了全路高速動車組列控系統(tǒng)運用升級整改現(xiàn)狀與司機培訓使用需求，并結合了全路高速動車組保有量與其配置的列控系統(tǒng)型號和不同線路不同車型對列控系統(tǒng)的運用需求，基于高速動車組列控系統(tǒng)原理、功能業(yè)務框架及實際案例場景研究，并設計一套功能業(yè)務邏輯、界面風格、操作流程與真實列控系統(tǒng)一致的便攜式列控仿真培訓裝置。該系統(tǒng)具有功能全面、便于攜帶、場景豐富且設置合理等優(yōu)點，能有效培訓高速動車組司機列控專業(yè)知識及實作技能，對國鐵集團、國家鐵路局和各鐵路局全面統(tǒng)籌規(guī)劃高速動車組專項培訓及考核具有較好的理論指導意義。