趙隨海，宋鵬飛，林海桐，方力一

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100081）

0 引言

調度集中是對調度區(qū)段內管轄的信號設備進行集中控制和管理的技術裝備，是一個內部結構復雜、關聯(lián)性強、外部接口種類多且復雜的綜合系統(tǒng)[1-2]。隨著高速鐵路在我國的飛速發(fā)展，新建線路和既有設備的升級、改造逐漸增多，如何確保設備改造、軟件升級后調度集中系統(tǒng)軟件功能的完整性和穩(wěn)定性，如何對行車作業(yè)人員進行日常的培訓演示，成為目前亟需解決的問題。

在調度集中系統(tǒng)相關的仿真研究方面，王建英[3]采用部分實物仿真方式設計模擬系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，采用進路自動生成算法、控制命令自動生成算法、列車群自動追蹤運行算法等，結合電器集中聯(lián)鎖和計算機聯(lián)鎖，構建了1 ∶ 1的仿真實驗環(huán)境；周妍等[4]依據管控一體化思想，以列車運行計劃編制、調整和半實物沙盤列車運行仿真為基礎，構建了行車調度指揮一體化仿真實驗平臺。這2種方法都基于半實物仿真，涉及的設備較多，搭建仿真環(huán)境過程復雜。程鋼[5]提出了基于計算機聯(lián)鎖和車站控制終端機的模擬仿真方法，該方法側重于聯(lián)鎖關系的模擬仿真，側重于行車作業(yè)人員的培訓方面。

為提高仿真平臺可操作性，減少設備投入，滿足軟件升級改造前的仿真測試需求和行車作業(yè)人員日常的培訓需要，以調度集中系統(tǒng)的軟件和行車數(shù)據[6]為基礎，采用一體化技術實現(xiàn)調度集中相關信號設備的綜合仿真，分析列車受力模型[7-9]，研究列車速度控制曲線，實現(xiàn)基于虛擬列車群運行過程的一體化仿真測試平臺。

1 高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺結構設計

1.1 功能模塊設計

高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺的主要功能模塊可以劃分為信號設備仿真、列車運行仿真、基礎數(shù)據管理和外部接口模塊。高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)功能模塊結構如圖1所示。

（1）信號設備仿真模塊依據線路基礎數(shù)據實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖、車站列控中心、臨時限速服務器和移動閉塞中心的綜合仿真。按照規(guī)定的算法和規(guī)則，對各類操作事件進行響應和反饋。主要功能包括操作事件的沖突檢查和響應、列調車進路命令的生成和觸發(fā)執(zhí)行、車站與區(qū)間聯(lián)鎖邏輯的仿真實現(xiàn)、臨時限速執(zhí)行過程仿真和移動授權的計算。

（2）列車運行過程仿真模塊以線路和列車參數(shù)為基礎，依據仿真的信號狀態(tài)、調度集中操作事件和故障輸入狀態(tài)等信息，動態(tài)分析列車受力模型，調整列車運行狀態(tài)，實現(xiàn)列車運行過程的仿真。

（3）接口模塊實現(xiàn)系統(tǒng)功能模塊間的數(shù)據傳輸、操作事件的交換和人機事件的響應。主要包括列車運行階段計劃、進路和站場設備的操作、模擬仿真列車、臨時限速的生成及故障狀態(tài)的輸入等。

（4）基礎數(shù)據管理模塊采用Oracle數(shù)據庫和文件系統(tǒng)實現(xiàn)對線路基礎數(shù)據、列車相關性能參數(shù)和動態(tài)調度指揮信息的讀取和更新存儲。

圖 1 高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)功能模塊結構Fig.1 Function and structure of integrated simulation and test platform for high-speed railway Centralized Traf fi c Control

1.2 層級結構設計

根據系統(tǒng)的功能特點和信息處理邏輯，可將該一體化仿真測試平臺劃分為交互層、應用層和數(shù)據層3層結構。高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)層級設計示意圖如圖2所示。

圖 2 高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺系統(tǒng)層級設計示意圖Fig.2 System level design diagram of integrated simulation and test platform for high-speed railway Centralized Traf fi c Control

（1）交互層實現(xiàn)數(shù)據傳輸、操作事件的交換和人機事件的響應。主要包括仿真測試平臺與調度集中之間的數(shù)據和操作事件的交互，如下達階段計劃、設置臨時限速及故障事件的輸入等。

（2）應用層是該平臺的核心，是仿真功能的實現(xiàn)層。依據確定的基礎數(shù)據輸入和邏輯運算規(guī)則，實現(xiàn)對交互層操作事件的響應，并產生相對應的反饋和報警提示。

（3）數(shù)據層負責對基礎數(shù)據和動態(tài)數(shù)據文件的維護和管理，并將數(shù)據傳輸給應用層進行業(yè)務邏輯的處理。

2 高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺關鍵技術

2.1 信號設備仿真

高速鐵路線路上，區(qū)間和車站內的地面信號設備分別由車站列控中心和車站計算機聯(lián)鎖進行編碼和控制，通過安全通信協(xié)議實現(xiàn)兩者的信息交互。信號設備仿真平臺對區(qū)間和車站內的軌道區(qū)段進行載頻和低頻信息的同步計算，通過軟件模塊之間的數(shù)據交互，監(jiān)視仿真列車運行位置，綜合相鄰車站、相鄰區(qū)段的編碼信息、信號機狀態(tài)及臨時限速狀態(tài)等，實現(xiàn)對車站列控中心和車站計算機聯(lián)鎖的一體化仿真。信號設備仿真主要包括故障仿真模塊、臨時限速服務器仿真模塊、無線閉塞中心仿真模塊和接口集群仿真模塊。

（1）故障仿真模塊主要實現(xiàn)對機械和電氣系統(tǒng)的故障進行仿真。

（2）臨時限速服務器仿真模塊主要完成臨時限速調度命令的管理，通過安全通信協(xié)議與調度集中系統(tǒng)連接，接收調度集中發(fā)送的臨時限速調度命令信息，仿真臨時限速的下達、校驗、設置和取消過程。

（3）無線閉塞中心仿真模塊主要實現(xiàn)仿真列車的管理和行車許可的計算，采用RSSP-II鐵路信號安全通信協(xié)議與調度集中系統(tǒng)連接，向調度集中傳遞列車靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)、實時速度和移動授權位置等信息。

（4）接口集群仿真模塊主要實現(xiàn)對多個車站和外部接口的一體化設計。采用調度集中與各系統(tǒng)標準的接口方式和信息交互協(xié)議，簡化了仿真平臺的搭建過程，既實現(xiàn)了仿真功能的一體化，又保證了接口方式的差異化，確保仿真結果與現(xiàn)場應用結果的一致性。

2.2 基礎數(shù)據管理

基礎數(shù)據包括路網靜態(tài)數(shù)據、列車性能參數(shù)和列車運行計劃數(shù)據。

（1）路網靜態(tài)數(shù)據采用專用繪圖工具，以信號設備和相關基礎設施為基本單位，采用點線模型[10]對路網信息進行精準的描述，并設置相應的參數(shù)。信號設備包括信號機、區(qū)間閉塞分區(qū)、道岔和股道等，主要的參數(shù)包括信號機位置、線路參數(shù)、公里標、允許的最大速度等?；A設施的描述主要包括橋梁、坡度、曲率半徑、隧道的位置和長度。

（2）列車性能參數(shù)為列車運行仿真提供基本的列車數(shù)據，由列車基本編組信息和牽引制動性能參數(shù)2部分組成。列車編組信息包括動車組類型、換算長度、計算重量和最高運行速度。列車性能參數(shù)包括牽引力曲線和制動力曲線。

（3）列車運行計劃包括基本圖、日班計劃和3小時階段計劃，為系統(tǒng)提供列車運行的徑路和時刻表信息。列車運行計劃為按圖自動仿真列車規(guī)定了列車運行順序、接發(fā)車類型和發(fā)車時刻，也是調度集中系統(tǒng)進路自動觸發(fā)的依據。

2.3 列車運行過程仿真

列車運行過程的仿真是在線路參數(shù)和列車牽引計算的基礎上，基于時間計算實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)(列車速度曲線、列車位置、工況選擇等)的仿真。

2.3.1 仿真列車運行策略

系統(tǒng)可以按照定時策略和節(jié)時策略仿真列車運行[11]，自動實現(xiàn)接入和始發(fā)列車的自動加車、終到和交出列車的自動減車。仿真系統(tǒng)操作員可以動態(tài)調整列車的運行策略。

（1）定時策略是以調度集中基本圖為基礎，通過周期回歸計算的方法實時計算預計前方車站的到達時間，并與基本圖的運行時刻進行比較，綜合線路上的其他在線列車和信號開放情況不斷調整列車運行狀態(tài)，以達到按圖行車的目的。

（2）節(jié)時策略以線路和列車允許速度為基礎，在滿足信號和列車追蹤間隔的條件下以最大速度仿真列車的運行過程。這種列車運行的方式，區(qū)間運行時分最小，可以檢測調度集中系統(tǒng)階段計劃調整的有效性，適用于調度員日常操作的演練和培訓。

2.3.2 牽引計算

列車的運行是一個復雜的過程，會受到來自不同方向、大小各不相同的多種作用力的影響。為了簡化列車受力的分析和計算，仿真測試平臺將仿真列車看作單質點模型[8]，僅考慮與列車運行速度相關的作用力，包括牽引力、阻力和制動力。

基礎數(shù)據管理模塊按照列車類型，采用矢量化的方式存儲了列車牽引力和制動力特性曲線，并利用關鍵數(shù)據點修正曲線，擬合列車牽引力、阻力和制動力函數(shù)。仿真列車模塊將列車運行過程所受的合力抽象為列車類型、線路參數(shù)、工況和運行速度相關的函數(shù)。

式中：c為列車所受合力；x為列車類型；y為線路參數(shù)，包括線路的曲率半徑、隧道長度和坡度等；z為列車工況定義，包括牽引加速、惰行和制動；v為列車的運行速度。

2.3.3 控車速度計算

我國高速鐵路大部分采用固定閉塞方式，因此，該一體化仿真測試平臺在計算列車當前運行速度時，以列車運行前方移動授權內每一個閉塞分區(qū)的起點再減去一定的安全距離作為目標距離點，以每一個閉塞分區(qū)內的最低允許速度作為目標速度(包括信號設備、橋梁、隧道、曲線、臨時限速等的速度限制)。按照列車類型計算對應速度的制動力和阻力，反向推算列車制動曲線，以計算所得的最低速度和相應的速度曲線作為仿真列車的速度控制曲線。列車當前允許速度可以抽象為目標速度與距離的函數(shù)。

式中：V為列車當前允許速度；υ為閉塞分區(qū)允許的速度；δ為列車距離該速度點的距離(并減去安全距離)。

因此，列車運行前方移動授權范圍內各閉塞分區(qū)反向推算的列車當前的允許速度為

式中：Vc為列車當前允許速度；Vi(i= 1，2，…，n)為移動授權范圍內各閉塞分區(qū)反向推算的允許速度的集合。

仿真列車速度控制曲線示意圖如圖3所示。

圖 3 仿真列車速度控制曲線示意圖Fig.3 Permissible speed curve of simulation train

以不同速度值對應的閉塞分區(qū)的起點，反向推算出當前的速度值，采用當前線路的允許速度和各推算曲線的最低速度和相應的速度曲線模擬列車的運行。如圖3所示，當前時刻列車運行速度控制曲線為a-b-c-d-e-f-g。仿真測試平臺的列車管理模塊以100 ms為一個周期，循環(huán)計算仿真列車的速度控制曲線。

仿真列車綜合當前列車速度、控車速度和相鄰列車的關系，根據列車的運行策略動態(tài)調整列車的加速運行、勻速運行、惰行和制動時機。

2.4 故障狀態(tài)輸入

故障狀態(tài)仿真通過人為因素設置自然災害、設備和列車的故障狀態(tài)，模擬對列車運行過程的影響，以提高作業(yè)人員對行車故障的應急處置能力。故障狀態(tài)可以抽象為時間、空間和列車的函數(shù)。

式中：y為故障狀態(tài)；γ為故障的時間范圍；φ為故障的空間區(qū)域；μ為故障列車。

通過設置參數(shù)γ可以將故障的設置方式分為實時故障和延時預設置故障2種。實時故障由系統(tǒng)管理人員在操作終端上實時進行設置或取消；延時預設置可以由系統(tǒng)管理人員設置信號設備的故障狀態(tài)和故障的時間范圍等，系統(tǒng)通過時間輪詢的方式觸發(fā)預設置的故障。

參數(shù)φ表示故障的空間區(qū)域，用以描述自然災害和相關的信號設備故障。自然災害包括雨雪、大風和基礎設施故障等；設備故障包括軌道區(qū)段紅光帶、道岔擠岔或失表示、信號機故障關閉、進路不能完全解鎖、軌道區(qū)段停電和失去分路等狀態(tài)。

參數(shù)μ描述故障的列車和故障狀態(tài)，主要表現(xiàn)為列車故障停車。

通過對調度集中系統(tǒng)故障狀態(tài)的分析和總結，結合信號設備和列車仿真模型的計算，以查表的方法向仿真系統(tǒng)的管理人員提供故障設備和故障狀態(tài)設置表，簡化故障輸入過程。

3 實例驗證

為驗證該仿真平臺的有效性，以中國鐵路成都局集團有限公司調度集中系統(tǒng)為基礎，搭建成渝客運專線(成都東—重慶)一體化仿真測試平臺。成渝客運專線列車調度臺包含成都東城際場、華興村線路所、簡陽南、資陽北、資中北、內江北、隆昌北、榮昌北、大足南、永川東和璧山共11個車站，日均開行65對動車組列車。該仿真測試平臺以既有成渝客運專線的調度集中軟件、線路數(shù)據和基本圖數(shù)據為基礎，實現(xiàn)對計算機聯(lián)鎖、車站列控中心、臨時限速服務器和無線閉塞中心的綜合仿真。

仿真平臺依據列車運行調整計劃、列車屬性、線路限制條件、進路狀態(tài)按圖仿真列車的運行過程，實現(xiàn)聯(lián)鎖進路、區(qū)間狀態(tài)、臨時限速和移動授權等信號設備的仿真。調度集中系統(tǒng)依據仿真測試平臺輸出的信號設備狀態(tài)，自動跟蹤列車運行，采集列車到發(fā)時刻，生成仿真列車運行實績圖如圖4所示。

圖4為成渝客專臺一體化仿真測試平臺根據階段計劃，按照定時策略仿真列車運行，調度集中系統(tǒng)自動生成的列車運行實績圖(成都南站和璧山站不在成渝客運專線列車調度臺的管轄范圍內)。通過分析圖中列車在各區(qū)間的運行時分，并與基本圖相比較，僅有個別區(qū)間運行時分有1 min的差別，而此差別是由于調度集中系統(tǒng)的列車運行時分以分鐘作為最小單位，從而導致仿真列車的運行時分與基本圖運行時刻之間存在時間差。

圖 4 仿真列車運行實績圖Fig.4 Actual train graph of simulation train

由此可見，該一體化仿真測試平臺能基本還原列車的運行軌跡，實現(xiàn)了對計算機聯(lián)鎖、區(qū)間邏輯編碼、臨時限速和無線閉塞中心的仿真，可以應用于調度集中系統(tǒng)軟件功能和性能的測試，也可以作為行車作業(yè)人員日常的仿真培訓系統(tǒng)。

4 結束語

高速鐵路調度集中一體化仿真測試平臺采用一體化仿真技術，實現(xiàn)了調度集中外部接口系統(tǒng)的綜合仿真，并通過列車牽引計算和故障狀態(tài)的輸入，實現(xiàn)了虛擬列車運行過程的仿真。這種方法簡化了仿真環(huán)境的結構，降低了設備間的相關度，為調度集中系統(tǒng)的設備改造和軟件功能測試，以及行車指揮人員的操作演練提供了重要的軟件基礎。經過實例驗證，證明該仿真測試平臺實現(xiàn)了調度集中相關軟件的功能仿真，在行車作業(yè)人員的日常培訓與學習，以及調度集中軟件的升級改造、軟件功能測試、故障現(xiàn)象還原等方面發(fā)揮了重要作用。