張 瑞，楊 揚(yáng) ，張乃心，沈 澤

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

列控中心（TCC, Train Control Center）是中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS, Chinese Train Control System)的核心組成部分[1]。在CTCS-2 級列控系統(tǒng)中，TCC 根據(jù)軌道區(qū)段占用/出清狀態(tài)、進(jìn)路信息、臨時(shí)限速信息等，生成行車許可，通過軌道電路和有源應(yīng)答器發(fā)送給車載設(shè)備[2]。在CTCS-3 級列控系統(tǒng)中，TCC 不僅滿足后備系統(tǒng)的需求，而且同時(shí)參與系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)將區(qū)間和站內(nèi)的軌道區(qū)段狀態(tài)發(fā)送給聯(lián)鎖系統(tǒng)(CBI, Computer Based InterLocking)，并由CBI 轉(zhuǎn)發(fā)至無線閉塞中心（RBC，Radio Block Center）[3]。由于TCC 無可視化展示界面，無法直觀監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，且功能邏輯復(fù)雜、外部接口眾多、信息交互的可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高，對于系統(tǒng)故障排查和電務(wù)人員培訓(xùn)十分不便。因此，本文基于CTCS-3 級列控仿真系統(tǒng)環(huán)境，對TCC 系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)上，提供二、三維可視化的監(jiān)控平臺，將內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)透明化，實(shí)時(shí)監(jiān)控與其他子系統(tǒng)的通信狀態(tài)和交互信息。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 CTCS-3級列控仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)

CTCS-3 級列控仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為調(diào)度中心設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層、地面設(shè)備層和車載設(shè)備層4個(gè)部分[4]。各個(gè)設(shè)備層通過通信層實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)，保證子系統(tǒng)之間的信息交互，最終實(shí)現(xiàn)CTCS-3 級列控仿真系統(tǒng)的整體功能。仿真平臺的4 層體系結(jié)構(gòu)保證了列車在不同場景下的模擬運(yùn)行。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

1.2 TCC仿真子系統(tǒng)整體架構(gòu)

TCC 是地面設(shè)備層的重要組成之一，主要由安全主機(jī)單元、通信接口單元、輔助維護(hù)單元和驅(qū)采單元組成。通過網(wǎng)絡(luò)通信層與仿真平臺的其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)地面信息的實(shí)時(shí)處理與傳送[5]。TCC 仿真子系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。

1.3 TCC與其他子系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)分別與調(diào)度集中(CTC, Centralized Traffic Control)仿真系統(tǒng)、臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS,Temporary Speed Restriction Sever)、CBI 仿真系統(tǒng)、軌旁設(shè)備模擬系統(tǒng)及鄰站TCC 仿真系統(tǒng)相互通信[6]。其中，CTC 仿真系統(tǒng)包含了TSRS 的功能。系統(tǒng)之間采用RJ45 以太網(wǎng)接口連接，數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP協(xié)議，以500 ms 為固定周期交互數(shù)據(jù)[7]，系統(tǒng)設(shè)置通信異常處理機(jī)制：3 s 之內(nèi)收不到有效數(shù)據(jù)，則判定通信中斷，并自動啟動通道重連；6 s 之內(nèi)仍收不到有效數(shù)據(jù)，表示通信中斷且重連失敗，則將所有危險(xiǎn)側(cè)信息全部置為安全側(cè)，同時(shí)給出通信中斷報(bào)警提示。TCC 仿真系統(tǒng)的通信內(nèi)容如圖3 所示。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 軌道電路低頻編碼及點(diǎn)燈功能設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)分別對區(qū)間和站內(nèi)軌道電路進(jìn)行低頻編碼[8]。

（1）區(qū)間軌道電路編碼及點(diǎn)燈功能

根據(jù)軌旁的區(qū)間軌道區(qū)段占用信息、鄰站TCC的邊界信息和聯(lián)鎖的車站進(jìn)路信息，確定區(qū)間運(yùn)行方向，按照編碼規(guī)則依次推算出全線的低頻碼序。

區(qū)間信號機(jī)點(diǎn)燈時(shí)，根據(jù)碼序與信號機(jī)顯示的對應(yīng)關(guān)系，在推算出軌道電路低頻碼的同時(shí)將閉塞分區(qū)的通過信號機(jī)置為相匹配的燈光顯示[9]。區(qū)間編碼和點(diǎn)燈的程序設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

（2）站內(nèi)軌道電路編碼

根據(jù)軌旁的站內(nèi)軌道區(qū)段占用信息、CBI 的車站進(jìn)路信息和TSRS 的臨時(shí)限速信息，按照無進(jìn)路、接車進(jìn)路和發(fā)車進(jìn)路不同情況的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼[3] [10]，當(dāng)進(jìn)路有車占用時(shí)，需考慮咽喉區(qū)碼序保持功能。站內(nèi)編碼程序設(shè)計(jì)流程，如圖5 所示。

3.2 有源應(yīng)答器報(bào)文編制功能設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)的有源應(yīng)答器報(bào)文編制功能分為應(yīng)答器邏輯報(bào)文編制和應(yīng)答器報(bào)文編碼2 部分。

（1）應(yīng)答器邏輯報(bào)文編制

根據(jù)車站進(jìn)路信息、臨時(shí)限速信息，結(jié)合有源應(yīng)答器的信息構(gòu)成、數(shù)據(jù)范圍和臨時(shí)限速管轄范圍，對進(jìn)站信號機(jī)有源應(yīng)答器組JZ、反向進(jìn)站信號機(jī)有源應(yīng)答器組FJZ、出站信號機(jī)有源應(yīng)答器組CZ、反向出站信號機(jī)有源應(yīng)答器組FCZ 實(shí)時(shí)編制邏輯報(bào)文，并存入對應(yīng)信息包的結(jié)構(gòu)體中[11]。

（2）應(yīng)答器報(bào)文編碼

按照應(yīng)答器報(bào)文定義原則，對邏輯報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)組幀，生成應(yīng)答器用戶報(bào)文[12]，如應(yīng)答器鏈接包【ETCS-5】、線路坡度包【ETCS-21】、線路速度包【ETCS-27】、軌道區(qū)段包【CTCS-1】、臨時(shí)限速包【CTCS-2】、絕對停車包【CTCS-5】等，并對用戶報(bào)文進(jìn)行二進(jìn)制實(shí)時(shí)編碼，生成應(yīng)答器報(bào)文。

3.3 臨時(shí)限速及信號降級處理功能設(shè)計(jì)

當(dāng)TCC 收到CTC 下達(dá)的臨時(shí)限速命令時(shí), 首先預(yù)存所有限速命令，然后驗(yàn)證每條命令的可執(zhí)行性[13]，若驗(yàn)證成功，TCC 向CTC 反饋該限速命令的狀態(tài)，CTC 收到該狀態(tài)后，發(fā)送該臨時(shí)限速執(zhí)行命令；若驗(yàn)證失敗，TCC 向CTC 發(fā)送該臨時(shí)限速命令驗(yàn)證失敗的錯(cuò)誤回執(zhí)，CTC 收到此回執(zhí)后，將撤銷該限速命令。

當(dāng)TCC 收到CTC 發(fā)送的臨時(shí)限速執(zhí)行命令時(shí)，首先檢查該命令是否驗(yàn)證通過，若已通過驗(yàn)證，則立即執(zhí)行限速命令，生成臨時(shí)限速包，下達(dá)給管轄范圍內(nèi)的有源應(yīng)答器，同時(shí)向CTC 反饋該限速命令的狀態(tài)；若未通過驗(yàn)證，則不執(zhí)行該限速命令，同時(shí)向CTC 發(fā)送該臨時(shí)限速命令不可執(zhí)行的錯(cuò)誤回執(zhí)[14]。

臨時(shí)限速設(shè)置分為區(qū)間及站內(nèi)正線臨時(shí)限速和站內(nèi)側(cè)線臨時(shí)限速。當(dāng)TCC 收到區(qū)間及站內(nèi)正線臨時(shí)限速時(shí)，按照臨時(shí)限速命令設(shè)置流程處理；當(dāng)TCC 收到站內(nèi)側(cè)線臨時(shí)限速時(shí)，由于客專線路站內(nèi)均采用大號碼道岔，因此，除了按照流程處理以外，若限速值小于80 km/h，還需要向軌道電路編碼模塊發(fā)送信號機(jī)降級顯示信息[3]，對應(yīng)區(qū)段由“UUS”降級為“UU”碼，否則對應(yīng)區(qū)段保持“UUS”碼。臨時(shí)限速及信號降級處理流程如圖6 所示。

3.4 區(qū)間改變運(yùn)行方向功能設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常改方和輔助改方的功能，以接車站改為發(fā)車站為例進(jìn)行說明。

（1）正常改變區(qū)間運(yùn)行方向

作為請求發(fā)車站的TCC（原接車站）需要根據(jù)本站聯(lián)鎖的發(fā)車請求信息、發(fā)車鎖閉狀態(tài)信息、接車站TCC 的允許改方命令，驅(qū)動本站方向口的方向繼電器動作，最終改為發(fā)車方向，并向本站聯(lián)鎖發(fā)送允許發(fā)車命令和區(qū)間方向信息。

（2）輔助改變區(qū)間運(yùn)行方向

區(qū)間軌道區(qū)段因故不能正常改方時(shí)，可采用此方式。作為請求發(fā)車站的TCC（原接車站）需要破封按下總輔助按鈕及發(fā)車輔助按鈕，根據(jù)本站聯(lián)鎖的發(fā)車輔助辦理請求，向接車站發(fā)送輔助改方請求。當(dāng)接收到接車站的允許輔助改方命令后，驅(qū)動本站方向口的方向繼電器動作，最終改為發(fā)車方向[15]。

3.5 模擬故障設(shè)置功能設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)可以模擬列車運(yùn)行過程中的各種故障場景。根據(jù)列車運(yùn)行狀態(tài)，在不同的時(shí)機(jī)通過設(shè)置可視化交互界面中TCC 與CTC、CBI 及鄰站TCC 的通信故障，改變列車的運(yùn)行情況。故障模擬可以為教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)提供多樣的故障場景和參數(shù)變化，驗(yàn)證CTCS-3 仿真平臺的可靠性和安全性，展示各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互制約關(guān)系。

3.6 通信數(shù)據(jù)透明化功能設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示通信數(shù)據(jù)包，并按照功能和類型自動整合形成數(shù)據(jù)查詢列表，包括接口數(shù)據(jù)包（如TCC 與CTC、CBI、軌旁及鄰站TCC的傳輸報(bào)文信息）、邏輯控制數(shù)據(jù)包（如軌道電路控制信息、站內(nèi)和區(qū)間信號機(jī)控制信息、應(yīng)答器報(bào)文）、狀態(tài)數(shù)據(jù)包、報(bào)警信息數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)查詢功能將抽象且繁多的二進(jìn)制報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀、可讀性強(qiáng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，明確每一位二進(jìn)制數(shù)所代表的類型和含義，實(shí)時(shí)保存變化的數(shù)據(jù)信息，并將變化的內(nèi)容高亮顯示，記錄變化的時(shí)間點(diǎn),最多可記錄100 條時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)列控仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或者故障狀態(tài)，且不能確定問題原因時(shí)，可以通過查詢數(shù)據(jù)列表的方式，找到數(shù)據(jù)變化時(shí)刻對應(yīng)的二進(jìn)制內(nèi)容，根據(jù)表中對每一bit 位的含義表示，從而推斷出問題原因。

通過通信數(shù)據(jù)透明化功能設(shè)計(jì)，給學(xué)員提供了對底層數(shù)據(jù)信息理解的機(jī)會，傳輸數(shù)據(jù)包不再是一個(gè)黑盒，而是幫助學(xué)員更好分析問題的手段，具有良好的教學(xué)意義。查詢數(shù)據(jù)表如圖7 所示。

3.7 三維模型動態(tài)展示功能設(shè)計(jì)

TCC 仿真系統(tǒng)屬于二維功能型仿真范疇，雖然可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能的完整性，但是缺乏與現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備的結(jié)合效果，無法展示TCC 仿真系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)變化。因此，通過3dsMax 軟件對TCC 機(jī)柜進(jìn)行三維建模，利用Unity3D 軟件實(shí)現(xiàn)模型與二維TCC仿真系統(tǒng)通信，可實(shí)時(shí)動態(tài)展示機(jī)柜燈位。

TCC 仿真系統(tǒng)設(shè)有與三維TCC 機(jī)柜仿真模型通信的接口。這里主要包括與CTC 仿真系統(tǒng)、CBI仿真系統(tǒng)、軌旁模擬系統(tǒng)及鄰站TCC 仿真系統(tǒng)的通信狀態(tài)，分別用5 個(gè)變量來表示。三維模型通過Unity3D 腳本與TCC 仿真系統(tǒng)建立通信，解析接收到的5 個(gè)通信狀態(tài)變量，從而控制機(jī)柜中的指示燈變化。機(jī)柜的通信模塊包括TM426 站間通信模塊2 個(gè)、TM484 CTC 通信模塊1 個(gè)、TM486 TC 通信模塊1個(gè)以及TM492 LEU 通信模塊若干。變量與燈位的對應(yīng)情況如表1 所示，通信模塊正面細(xì)節(jié)如圖8 所示。

表1 變量與燈位的對應(yīng)表

4 仿真實(shí)現(xiàn)和結(jié)果

4.1 仿真實(shí)現(xiàn)

CTCS-3 級列控仿真平臺在Visio Studio 2012 環(huán)境下，基于MFC 框架，采用C++語言編程實(shí)現(xiàn)，并成功應(yīng)用于鄭西客運(yùn)專線的一段線路中，可根據(jù)站場線路的真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行。TCC 仿真系統(tǒng)基于列控仿真平臺運(yùn)行。

4.2 仿真結(jié)果

CTCS-3 列控仿真平臺搭建完成后，一鍵自啟動，設(shè)置列車從華山北下行方向開始運(yùn)行，圖9 是列車運(yùn)行至渭南北站進(jìn)站口前方區(qū)段的監(jiān)控顯示結(jié)果。監(jiān)控顯示主要展示區(qū)間和車站的線路情況、列車的占用出清、軌道電路編碼信息、應(yīng)答器報(bào)文信息、區(qū)間運(yùn)行方向、區(qū)間信號機(jī)點(diǎn)燈情況及與其他子系統(tǒng)的通信狀態(tài)。

5 結(jié)束語

TCC 仿真系統(tǒng)在CTCS-3 級列控仿真平臺的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了其基本功能，并從教學(xué)培訓(xùn)的角度出發(fā)，新增了通信數(shù)據(jù)包查詢功能和模擬故障設(shè)置功能。另外，為了使TCC 仿真系統(tǒng)具有更好的拓展性和真實(shí)性，設(shè)置了與Unity3D 環(huán)境下三維TCC 機(jī)柜模型通信的接口，通過逼真的三維模型，動態(tài)展示與其他子系統(tǒng)的通信狀態(tài)。TCC 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為教學(xué)培訓(xùn)提供了便利的平臺，解決了理論與實(shí)際脫節(jié)的教學(xué)弊端，對相關(guān)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定借鑒意義。