郭麗娜，王俊峰

（北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室， 北京100044）

我國的列車運行控制系統(tǒng)（CTCS）根據(jù)功能要求、運行速度和設(shè)備配置，分為0級～4級。目前我國正在大力發(fā)展建設(shè)CTCS-3級列控系統(tǒng)。除了速度上的差別外，與CTCS-2級列控系統(tǒng)相比，CTCS-3級列控系統(tǒng)增加了無線閉塞中心（RBC）來下達行車許可（MA），通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)了車-地間的雙向通信。

CTCS-2級列控系統(tǒng)是CTCS-3級列控系統(tǒng)的后備系統(tǒng)。在一些特殊狀況下，列車需要在運行中從CTCS-3級控車降級為CTCS-2級控車。鑒于CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng)在設(shè)備和運行速度上都存在較大差異，因此從系統(tǒng)設(shè)計的層面上解決二者的兼容性問題十分必要。其中，應(yīng)答器設(shè)置和降級切換是CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng)兼容性問題中兩個比較重要的問題。

1 應(yīng)答器的間距設(shè)置

CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器的布置需要同時滿足CTCS-3級和CTCS-2級列控系統(tǒng)的需求。

相鄰應(yīng)答器的距離應(yīng)大于列車在以最高速度壓過應(yīng)答器能夠完整接收報文這段時間走過的距離。考慮的因素有列運行速度（V）和報文傳遞時間（t）。CTCS-3級列控系統(tǒng)的運行速度為300 km/h～350 km/h。報文分為長幀報文和短幀報文。傳送長幀報文時，應(yīng)答器與車載天線的有效作用時間為5.1 ms，傳送短幀報文時，應(yīng)答器與車載天線的有效作用時間為3.6 ms。由此可以得出兩個應(yīng)答器之間的距離S為：

因此，只要按CTCS-3級列控系統(tǒng)的標準計算出的應(yīng)答器距離也滿足CTCS-2級的要求。計算得到傳送長幀報文，要求相鄰兩個應(yīng)答器的距離應(yīng)該大于0.5 m，即應(yīng)答器組內(nèi)的間距只要大于0.5 m就可同時滿足CTCS-2級和CTCS-3級的要求。

2 降級切換

2.1 降級情況

降級切換通常是由突發(fā)故障導(dǎo)致的，往往不是在級間切換邊界進行，沒有級間切換應(yīng)答器，不符合正常的級間切換條件。因此，研究突發(fā)狀況的降級過程，確保CTCS-2和CTCS-3級列控系統(tǒng)的可靠切換，具有現(xiàn)實意義。

2.2 降級過程

本文主要研究以下幾種故障的降級過程。

2.2.1 車載設(shè)備故障模式

車載設(shè)備發(fā)生故障時，通過GSM-R向RBC請求注銷；同時，列車觸發(fā)常用制動，直到速度降至滿足CTCS-2級列控系統(tǒng)運行所允許的速度；告知RBC速度降至CTS-2級允許速度，RBC發(fā)送注銷許可， RBC釋放對列車的控制；切換為CTCS-2級列控系統(tǒng)控車運行。

2.2.2 地面設(shè)備故障

地面設(shè)備種類比較多，本文只研究其中的RBC故障和應(yīng)答器故障。

（1） RBC故障

RBC采用雙套冗余設(shè)備。如果兩個RBC都發(fā)生故障，列車與RBC通信超時，那么列車自動觸發(fā)最大常用制動，直到速度降至CTCS-2級控車允許的速度，切換為CTCS-2級系統(tǒng)控車運行。當列車壓過RBC連接應(yīng)答器組時，重新嘗試與RBC建立連接，直到連接成功，切換至CTCS-3級控車。

（2） 應(yīng)答器故障

當壓過一個應(yīng)答器，沒有收到報文，或報文出現(xiàn)錯誤，列車向RBC報告當前列車位置，并觸發(fā)最大常用制動，直至速度降至CTCS-2級允許的速度。然后向RBC請求斷開連接，RBC發(fā)送注銷命令，列車切換為CTCS-2級系統(tǒng)控車，RBC刪除該車信息。列車行至下一組應(yīng)答器，如果應(yīng)答器報文正確，則人工切換為CTCS-3級控車，但仍按CTCS-2級的速度距離曲線行車。與RBC建立連接后，列車按照CTCS-3級的速度距離曲線行車。

2.2.3 無線通信設(shè)備故障

GSM-R故障時，車載與RBC通信中斷。列車按原有的行車許可行車，并嘗試與RBC通信，仍通信超時，列車觸發(fā)最大常用制動。將速度降至CTCS-2級列控系統(tǒng)允許的運行速度，列車切換為CTCS-2級控車，關(guān)閉與RBC通信連接。直到列車壓過下一個RBC連接應(yīng)答器組，嘗試通過GSMR連接RBC，發(fā)出呼叫請求，直到列車與RBC建立連接后，切換成CTCS-3級控車。

3 仿真設(shè)計

3.1 兼容性驗證仿真模型

采用HLA（高層體系結(jié)構(gòu)）方式建模，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式進行仿真驗證。

HLA提供了一套基于模擬系統(tǒng)開發(fā)與互聯(lián)的標準。在HLA中，整個系統(tǒng)作為一個聯(lián)邦，具有相對獨立功能的模塊作為聯(lián)邦成員。各成員模塊間通過RTI相互通信。HLA的優(yōu)點在于RTI提供底層通信，不需考慮通信的問題，只需設(shè)計上層應(yīng)用模型即可。

本模型仿真的是列車在模擬線路上的運行過程。圖1為本模型的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

圖1中，應(yīng)答器、RBC、車載和故障庫共同構(gòu)成一個聯(lián)邦。它們各自都是該聯(lián)邦中的一個聯(lián)邦成員。聯(lián)邦成員通過“發(fā)布”確定向外發(fā)送的信息，通過“訂購”確定接收的信息。每個輸入端口都有與其相對應(yīng)的輸出端口。

3.2 仿真模型中聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)傳遞

聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)傳遞如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)流圖

3.2.1 應(yīng)答器聯(lián)邦成員

應(yīng)答器聯(lián)邦成員主要用于模擬鐵路線路，訂購車載成員的位置信息，向車載成員發(fā)布應(yīng)答器報文。編寫應(yīng)答器數(shù)據(jù)表，其中包括應(yīng)答器編號及其在線路上的位置。線路的模擬以應(yīng)答器作為參考點。始發(fā)站為起點，每組應(yīng)答器最先被壓過的應(yīng)答器位置是確定的，組內(nèi)其他應(yīng)答器的位置是可更新的。當組內(nèi)應(yīng)答器的間隔設(shè)置發(fā)生變化時，以組內(nèi)第1個被壓過的應(yīng)答器位置為基準，組內(nèi)其他應(yīng)答器位置根據(jù)間隔的設(shè)置自動進行更新。通過讀取應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)表向車載成員發(fā)送報文。當收到應(yīng)答器故障信息，則根據(jù)故障類型對列車運行前方應(yīng)答器發(fā)送的報文情況進行設(shè)置。

3.2.2 車載成員

車載成員是模擬一輛列車以一定的速度運行和在運行過程中與其他相關(guān)設(shè)備的通信，即與應(yīng)答器和RBC通信。車載成員向應(yīng)答器成員和RBC成員發(fā)送列車位置信息，從應(yīng)答器成員處接收報文，從RBC成員處獲得行車許可。當收到車載故障信息和GSM-R通信故障信息后，根據(jù)信息類型，自動進行降級處理。

3.2.3 RBC成員

RBC成員根據(jù)列車運行情況，向列車發(fā)送行車許可。當出現(xiàn)RBC故障和GSM-R通信故障時，做與降級運行相關(guān)的操作和處理。

3.2.4 故障庫成員

故障庫成員主要用來設(shè)置故障類型，對參數(shù)值的設(shè)定和方案進行評價。故障成員讀取故障數(shù)據(jù)表，根據(jù)故障數(shù)據(jù)表，向車載成員、應(yīng)答器成員和RBC發(fā)送故障類型和各設(shè)備因設(shè)置故障需要更新的參數(shù)，并存有預(yù)期結(jié)果腳本。預(yù)期結(jié)果腳本與測試結(jié)果做比較，根據(jù)比較結(jié)果對解決方案進行評價，判斷實驗參數(shù)設(shè)置得是否合理。

4 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的兼容性方案驗證

本文采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對上文所述的應(yīng)答器間隔設(shè)置和各種降級情況的過程進行驗證。數(shù)據(jù)驅(qū)動是使用存檔的測試數(shù)據(jù)來驅(qū)動測試過程。測試數(shù)據(jù)存儲在獨立的數(shù)據(jù)文件中。因為數(shù)據(jù)與腳本分離，設(shè)計思路簡單，如果要修改某一降級過程，只需修改相應(yīng)的腳本即可。

4.1 驗證應(yīng)答器間隔距離

建立一個應(yīng)答器的編號和位置數(shù)據(jù)表。每個應(yīng)答器在這個數(shù)據(jù)表里都有其相應(yīng)的編號和其所在的位置的公里數(shù)。列車的位置與某個應(yīng)答器的位置一致時，該應(yīng)答器向列車發(fā)送相對應(yīng)的應(yīng)答器報文。即調(diào)用報文腳本，向列車發(fā)送相應(yīng)的報文。當應(yīng)答器間隔距離發(fā)生變化時，重新觸發(fā)一個行車案例：加載一輛列車，先以CTCS-2級最大允許速度行車，壓過應(yīng)答器時，應(yīng)答器向列車發(fā)送長報文。該報文是由應(yīng)答器腳本提供。然后將車載收到的信息與應(yīng)答器報文腳本對照，以驗證該距離能否滿足CTCS-2級行車要求。然后切換至CTCS-3級最大允許速度，用同樣的方法進行測試。如果在CTCS-2級和CTCS-3級都可以準確收到報文，那么說明這個距離滿足兩級列控系統(tǒng)應(yīng)答器共用的要求。

4.2 降級測試

故障庫成員包含有一個故障數(shù)據(jù)表、4個故障腳本和4個預(yù)期結(jié)果腳本。故障數(shù)據(jù)表中每一項對應(yīng)一種導(dǎo)致降級的故障。周期性地讀取故障數(shù)據(jù)表，每一項數(shù)據(jù)代表一種故障。每一項的正常數(shù)據(jù)為0，當某一項數(shù)據(jù)變?yōu)?時，該項數(shù)據(jù)對應(yīng)的故障被激活，然后調(diào)用相應(yīng)的故障腳本，將故障腳本信息通過相應(yīng)的端口發(fā)送至相關(guān)的聯(lián)邦成員。對其他聯(lián)邦成員的參數(shù)進行更新，設(shè)置降級驗證場景。對于其他聯(lián)邦成員來說，由于內(nèi)部參數(shù)發(fā)生了變化，成員即調(diào)用相應(yīng)的降級處理腳本，對降級過程進行模擬。記錄降級過程中各設(shè)備的狀態(tài)和結(jié)果，通過與預(yù)期結(jié)果腳本相比較，評判降級過程是否合理，是否達到了兼容性的要求。

如果參數(shù)設(shè)置不合理，可修改數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)對參數(shù)進行優(yōu)化。如果處理方法不合理，可通過修改相應(yīng)的故障處理腳本實現(xiàn)對方案的修改。這樣，每一次修改都有針對性，且不會對其他模塊產(chǎn)生影響，提高了模型的可修改性和可重用性。

5 結(jié)束語

本文分析了CTCS-2級列控系統(tǒng)和CTCS-3級列控系統(tǒng)兼容性需要解決的問題，提出了解決方案。使用HLA的建模方法建立兼容性測試模型，并采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式設(shè)計了測試案例。HLA建模方法提供了可靠的通信平臺，簡化了模型。使用核心數(shù)據(jù)來驅(qū)動測試增強了測試腳本的可修改性和可重用性。

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