吉原冶

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司吉林電務(wù)段，吉林 吉林 132001）

1 研究背景

自黨的十八大以來(lái)，我國(guó)科技發(fā)展有了許多突破性的進(jìn)展，中國(guó)高鐵也逐漸成為我們國(guó)家的一個(gè)金字招牌。由于中國(guó)人口眾多，能夠進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)輸?shù)蔫F路事業(yè)必然會(huì)得到更加深入的發(fā)展。鐵路相對(duì)于其他交通方式而言，更加安全便捷。因此，提高運(yùn)輸效率的高速鐵路發(fā)展是必然存在的一個(gè)課題。高鐵在世界上已經(jīng)有50 年的歷史了。我國(guó)高鐵技術(shù)雖然相比日本歐洲等國(guó)家興起的晚，但是，發(fā)展十分迅猛。中國(guó)正在建設(shè)一個(gè)前所未有的高鐵系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2020 年將超過(guò)30500 公里(19000 英里)。在這個(gè)項(xiàng)目中，中國(guó)計(jì)劃連接27 個(gè)省的首都，這將大大方便出差工作的人和旅行者。該系統(tǒng)包括11 條高鐵線(xiàn)路。目前，超過(guò)1.9 萬(wàn)公里的系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，這大大減少了市民的出行時(shí)間。我國(guó)目前已經(jīng)形成了“四縱四橫”的鐵路網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)還會(huì)實(shí)現(xiàn)“八縱八橫”。由此可見(jiàn)，我國(guó)高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)躋身世界前列。但是，高鐵的發(fā)展不是一蹴而就的，我國(guó)鐵路一共經(jīng)歷了六次大提速。CRH 系列是第六次全國(guó)鐵路提速的核心，該系統(tǒng)于2007年4 月18 日實(shí)施。2017 年，中國(guó)高鐵為全國(guó)33 個(gè)省級(jí)行政區(qū)中的29 個(gè)提供服務(wù)，運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)25000 公里，占世界高速鐵路軌道交通總里程的三分之二。中國(guó)是世界上使用鐵路最廣泛的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017 年，共有17.13 億人次出行，總里程達(dá)到70 億人次。伴隨著高速鐵路的發(fā)展，CTCS 也飛速地成長(zhǎng)起來(lái)。由于中國(guó)鐵路火車(chē)和路線(xiàn)的多樣性，高速和低速的列車(chē)混合運(yùn)行，所以運(yùn)行比國(guó)外復(fù)雜得多。采用先進(jìn)的仿真技術(shù)對(duì)先進(jìn)的列車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，是十分必要的。

2 我國(guó)研究現(xiàn)狀

CTCS 建立的目的是為了定義中國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)。CTCS將成為中國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)將與新的信號(hào)系統(tǒng)互通使用。在未來(lái)，所有的信號(hào)系統(tǒng)、國(guó)外系統(tǒng)或國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)、軌旁系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)都必須符合CTCS 標(biāo)準(zhǔn)。除了互操作性外，CTCS 設(shè)計(jì)期間還需要考慮信號(hào)系統(tǒng)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，從現(xiàn)有信號(hào)傳輸?shù)紺TCS 的降級(jí)，子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸形式、安全性和可靠性，增加容量、易于維護(hù)、更低的投資和開(kāi)放市場(chǎng)等。在我國(guó)鐵路科研人員的不懈努力下，學(xué)習(xí)了其他國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)后，我國(guó)設(shè)計(jì)出了適合本國(guó)國(guó)情的高速鐵路列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，即CTCS 列控系統(tǒng)。我國(guó)列控系統(tǒng)一共有5 個(gè)級(jí)別，從CTCS-0 級(jí)到CTCS-4 級(jí)?？偟膩?lái)說(shuō)，是級(jí)別越高，速度越快，且在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可降級(jí)。

（1）CTCS-0 級(jí)列控系統(tǒng)：它由現(xiàn)有軌道電路、鐵路中通用的機(jī)車(chē)信號(hào)(與中國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)上六種軌道電路的數(shù)字微處理器兼容的機(jī)車(chē)信號(hào)，該信號(hào)多年前由北京交通大學(xué)的研究小組設(shè)計(jì))和列車(chē)運(yùn)行組成監(jiān)督系統(tǒng)。在0 級(jí)的情況下，軌旁信號(hào)是主要信號(hào)，而機(jī)車(chē)信號(hào)是輔助信號(hào)。它是CTCS 最基本的模式。實(shí)現(xiàn)0 級(jí)的唯一方法是配備車(chē)載系統(tǒng)。CTCS-0 僅適用于時(shí)速低于120 公里的列車(chē)。

（2）CTCS-1 級(jí)列控系統(tǒng)：它由現(xiàn)有的軌道電路、應(yīng)答器和ATP 系統(tǒng)組成。它的速度在120 ～160 公里/小時(shí)。在這個(gè)級(jí)別上，不需要閉塞信號(hào)，而是基于車(chē)載系統(tǒng)為主要信號(hào)進(jìn)行操作。必須在線(xiàn)路上安裝應(yīng)答器。軌道電路的要求比第0 級(jí)的要求高，是CTCS-0 的加強(qiáng)版。

（3）CTCS-2 級(jí)列控系統(tǒng)：它包括數(shù)字軌道電路(或多信息的模擬軌道電路)、應(yīng)答器(balise)和ATP 系統(tǒng)。它適用于時(shí)速超過(guò)160 公里的火車(chē)。在第2 級(jí)沒(méi)有任何軌旁信號(hào)。ATP 是速度-距離的控制模式。數(shù)字軌道電路可以比模擬軌道電路傳輸更多的信息。ATP 系統(tǒng)可以獲得列車(chē)控制所需的所有信息。在這個(gè)級(jí)別上，固定閉塞模式仍然適用。該系統(tǒng)體現(xiàn)了中國(guó)鐵路信號(hào)的特點(diǎn)。

（4）CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)：它由軌道電路、應(yīng)答器和ATP 和GSM-R 組成。在3 級(jí)，軌道電路用來(lái)檢查列車(chē)前方區(qū)段是否空閑和列車(chē)是否完整。列車(chē)運(yùn)行的信息已經(jīng)不用通過(guò)軌道電路來(lái)傳輸了，而是通過(guò)GSM-R。所有關(guān)于列車(chē)運(yùn)行信息的數(shù)據(jù)都由GSM-R 傳輸。GSM-R 是該級(jí)別的核心。在這個(gè)層次上，固定閉塞系統(tǒng)的原理仍然適用。該系統(tǒng)比起上一級(jí)系統(tǒng)行駛速度更快，可降級(jí)使用。RBC 跟據(jù)軌道的特點(diǎn)(如坡度和限速)、軌道占用率和聯(lián)鎖路線(xiàn)狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)將“速-距”監(jiān)控信息發(fā)送到車(chē)輛設(shè)備，以確保該區(qū)域內(nèi)列車(chē)的安全。運(yùn)行閉塞方式為準(zhǔn)移動(dòng)閉塞。

（5）CTCS-4 級(jí)列控系統(tǒng)：這是CTCS 系統(tǒng)的最高級(jí)。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的功能可以在這一級(jí)別實(shí)現(xiàn)。列車(chē)與列車(chē)之間的信息傳輸：軌旁設(shè)備主要由GSM-R 組成。GPS 或應(yīng)答器用于確定火車(chē)位置。列車(chē)完整性檢查由車(chē)載系統(tǒng)完成。軌道電路只在車(chē)站使用。為了降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，該系統(tǒng)將路邊系統(tǒng)的數(shù)量減少到最小。對(duì)于同一線(xiàn)路上不同密度的列車(chē)運(yùn)行，可以對(duì)列車(chē)進(jìn)行非常靈活的調(diào)度。

3 國(guó)內(nèi)外列控仿真系統(tǒng)

高速列車(chē)運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)和過(guò)程，涉及機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)、通信和信號(hào)、軌道等，仿真系統(tǒng)為設(shè)計(jì)、測(cè)試和分析提供了一個(gè)實(shí)用的平臺(tái)。自動(dòng)列車(chē)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，使其具有良好的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)。列控系統(tǒng)對(duì)安全要求極高，因此，在開(kāi)通前必須對(duì)列控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，以確保其安全。我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試技術(shù)解決這一問(wèn)題。

由于國(guó)外鐵路發(fā)展較早，它們對(duì)列控系統(tǒng)的仿真起步也比較早。外國(guó)的鐵路領(lǐng)域仿真發(fā)展于20 世紀(jì)70 年代。在列控車(chē)載系統(tǒng)仿真方面，目前，世界上有10 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的高速鐵路運(yùn)營(yíng)，全球鐵路總里程超過(guò)1 萬(wàn)公里。高速鐵路因?yàn)樗麄兊目焖俸痛罅康倪\(yùn)輸、能源節(jié)約的經(jīng)濟(jì)影響以及安全和舒適的服務(wù)，已經(jīng)成為許多國(guó)家建設(shè)的重點(diǎn)計(jì)劃。然而，如何進(jìn)一步提高高速鐵路的效率和安全性，是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題。英國(guó)鐵路研究公司在1970 年設(shè)計(jì)了它的第一個(gè)列車(chē)運(yùn)行模擬器。這個(gè)強(qiáng)大的模擬器叫作GATTS，它只能運(yùn)行在大型計(jì)算機(jī)上，因此，并不是那么友好，它需要復(fù)雜的技能和計(jì)算機(jī)知識(shí)建立和運(yùn)行進(jìn)行模擬。1987 年，VISION 和OSLO 模擬器被開(kāi)發(fā)出了新版本，該版本充分利用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)。視覺(jué)設(shè)計(jì)是一種易于使用的模擬器，且具有建模的能力。目前，正在使用或計(jì)劃在不久的將來(lái)在英國(guó)鐵路上建造該系統(tǒng)。它對(duì)用戶(hù)是友好的，所以即使是基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃者，不是計(jì)算機(jī)專(zhuān)家也可以操作它。

我國(guó)列控系統(tǒng)仿真發(fā)展較晚，但由于我國(guó)人口較多，客貨混跑，列控系統(tǒng)急需發(fā)展，因此，在迫切的需要下，運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真發(fā)展迅猛。仿真可以解決許多問(wèn)題，諸如設(shè)計(jì)方案優(yōu)化問(wèn)題、系統(tǒng)適應(yīng)性問(wèn)題、技術(shù)條件可行性問(wèn)題等。通過(guò)仿真不僅節(jié)省了人力物力，也使許多由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在仿真的多次測(cè)試中得到了發(fā)現(xiàn)并得以解決。但仿真畢竟只是仿真，不可能和實(shí)際運(yùn)行一模一樣，或多或少都會(huì)存在一些偏差。而我們要做的，就是讓仿真盡可能的貼近真實(shí)的列車(chē)運(yùn)行情況。為此，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

4 課題的研究意義

像鐵路這種消耗資金比較多、發(fā)生事故等后果較嚴(yán)重的大型系統(tǒng)，仿真不僅節(jié)省資金和人力物力，很大程度上也能避免悲劇的發(fā)生，這是十分必要的。實(shí)際上可能發(fā)生的問(wèn)題多種多樣，用仿真可以進(jìn)行測(cè)試，查漏補(bǔ)缺。列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅節(jié)省大量人力、物力，也更加保險(xiǎn)。對(duì)鐵路運(yùn)行的安全性進(jìn)行了驗(yàn)證，使結(jié)果更加可信，能夠提高安全。目前，我國(guó)高鐵主要研究對(duì)象為CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是已應(yīng)用的系統(tǒng)中時(shí)速最快的一個(gè)。由于鐵路領(lǐng)域注重安全與效率，那么，如何實(shí)現(xiàn)又快又安全幾乎已經(jīng)成為了一個(gè)永恒的話(huà)題。對(duì)CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)進(jìn)行仿真來(lái)確定其安全性是必不可少的內(nèi)容。