CTCS2-200C型ATP车载设备自动过分相功能的设计与实现

2014-05-11李一楠徐乐英刘德超

铁路计算机应用 2014年4期

李一楠，徐乐英，刘德超

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京 100081）

随着我国铁路运行速度的提高，列车通过分相区时间间隔变得更短，如果司机频繁瞭望线路上的分相区标志牌并手动完成断主断、合主断的操作，一旦出现失误将会引起故障。因此利用自动控制方式实现过分相功能成为必然。目前我国在不同等级线路上采用了不同的自动过分相方法，降低了司机疲劳度，提高了运输安全和自动化程度。自动过分相大体分为两种技术：（1）车载过分相控制装置与地面磁感应装置实现自动过分相；（2）车载ATP设备与无线闭塞中心（RBC）或地面应答器实现自动过分相。

1 自动过分相工作原理

1.1 地面感应装置实现自动过分相

在200 km/h线路上运行的动车组，均采用地面感应装置实现自动过分相。由车载控制装置和地面感应器两部分组成。地面感应器可提供分相预告信号、即时断电信号、自动恢复信号，为车载控制装置提供是否临近分相点或已过分相点的判断依据。车载控制装置根据接收到的地面感应器信号，进行自动过分相功能的相应控制。

1.2 CTCS-2级车载ATP自动过分相

车载列车自动防护（ATP）设备根据地面设备提供的分相区信息，在适当位置给动车组过分相装置发送指令，实现自动过分相。对于CTCS-3级列车控制系统（以下简称：列控系统），分相区信息与列车行车许可一起由RBC提供给列车。

对于CTCS-2级列控系统，分相区信息由地面应答器提供给列车，前方自动过分相信息来自地面应答器。正常情况下，车载ATP设备在收到分相预告应答器的报文ETCS-68包信息后，输出分析有效信号为高电平，此时应由车载ATP设备控制自动过分相，直到列车通过分相区600 m后，分相有效信号降为低电平。

2 技术方案

2.1 总体技术方案

本方案设计基于成熟的，满足CTCS2级列控系统功能要求的CTCS2-200C型ATP车载设备。根据ATP输出的分相有效指令，由车辆控制器判断采用ATP 控制方式还是车辆控制方式。如果分相有效指令为高电平，则由ATP控制过分相；如果分相有效指令为低电平，则由车辆控制过分相。分相控制原理如图1所示。

图1 分相控制原理图

分相有效置位时机：收到过分相应答器信息。

分相有效复位时机：分相区结束点后600 m。

分相指令置位时机：列车行至分相区起始位置前3 s～10 s处（具体时间由车辆给出）。

分相指令复位时机：分相区结束点后130 m。

司机-车载设备接口（DM I）声音输出时机：列车行至分相区起始位置前10 s处。

DM I声音复位时机：分相区起始位置处。

2.2 硬件改造

为实现自动过分相功能，CTCS2-200C型ATP车载设备（以下简称200C）硬件改造主要涉及以下4个方面。

（1）EVC-A/B组匣增加布线

增加组匣内部安全输入输出插件（mTORE）到继电器插件（COR6U）的布线，实现组匣内部继电器之间的逻辑关系以及2个指令（“分相有效”和“分相指令”）的继电器结点输出。

（2）控制组匣增加开关和布线

由于200C已经没有足够的转换开关触点，所以需要在控制组匣上再增加一个转换开关（组匣已预留安装孔位），实现分相的隔离功能，通过开关可以强制200C输出“分相指令”有效和“分相指令”无效。

（3）机柜增加布线

增加组匣到机柜之间的布线，实现组匣信号从机柜的输出。

（4）机车布线更换

在200C机柜既有的P2接口增加2组信号，实现ATP与车辆控制器的连接，实现200C的自动过分相功能。

2.3 软件修改

软件修改主要涉及3个方面：主机软件，DM I软件，地面分析软件。

2.3.1 主机软件修改

（1）报文解析模块：主要实现对ETCS-68信息的解析和传递。

（2）过分相控制模块：分相功能控制。

（3）列车接口模块：增加与分相功能相关的输入输出。

（4）DM I接口模块：增加分相功能相关的通信信息。

（5）运行数据记录模块：增加分相功能的相关记录。

（6）列车运行监控记录（LKJ）通信模块：增加分相相关通信信息，用于动态监测系统（DMS）的信息传输。

2.3.2 DM I软件修改

（1）图标管理模块：增加分相功能相关图标。（2）通信模块：与主机软件通信匹配。

2.3.3 地面分析软件修改

（1）数据解析模块：数据分析软件对ETCS-68信息包正确解析。

（2）数据显示模块：数据分析软件增加分相功能相关数据记录的显示。

3 方案实现

根据上述技术方案进行软件修改和硬件改造，实现200C双路冗余自动过分相功能。

3.1 增加输入输出通道

200C有两条输入输出链路（A链、B链），输出指令时，安全计算机（CCTE）将输出指令通过Profibus总线发送至mTORE插件（输入输出板），MTORE插件再通过相关继电器输出至列车。接收回读信号时，mTORE将相关继电器状态通过Profibus总线发送至CCTE。为了实现A链、B链自动过分相输入输出功能冗余，每条输入输出链路增加分相有效输出、分相指令输出、分相有效回读、分相指令回读、分相隔离输入、分相禁止输入，200C系统中，E代表输入，S代表输出。A、B两链分相有效输出和分相指令输出逻辑如图2所示。

图2 输入输出逻辑示意图

3.2 ETCS-68包处理

ETCS-68包描述前方特殊区段信息，既有版本软件对ETCS-68包不处理，因此需要对该数据包解析。ETCS-68包结构中，D_TRACKCOND字段指示到特殊区段的距离，L_ TRACKCOND字段指示特殊区段的长度，M_TRACKCOND字段描述特殊区段类型，该字段值为9（二进制值为1001）时代表分相区。一个ETCS-68包可以嵌套多段特殊区段描述，通过N_ITER字段值来说明嵌套描述次数。

当接收到应答器组描述的报文时：（1）对数据包进行有效性判断，如方向有效、报文长度描述正确、数据包内容正确、存储空间剩余等。（2）只针对ETCS-68包中描述的分相区（M_TRACKCOND == 9）进行处理，其他特殊区段不处理。特殊区段存储数量最大为15个，如果数量大于15则会报错。每当接收到新的ETCS-68包时，如果数据有效，则删除所有已经存储的特殊区段，并存储新的ETCS-68包中描述的特殊区段，即接收到有效的ETCS-68包描述后，删除旧数据，使用新数据。

3.3 分相区管理

每次读取到ETCS-68包时，安全计算机将ETCS-68包描述的分相区依次存储（在一个ETCS-68包中可以描述多个分相区），在应用层处理分相区数据时，采取先存储、先读取的原则。

当接收到一个新的、有效的ETCS-68包描述前方分相区后，将删除之前存储的所有分相区信息，采用新的分相区描述。如图 3所示，应答器组A描述分相区1和分相区2，当ATP接收到应答器组B后，分相区1和分相区2信息将被删除，只执行分相区3的输出指令。

分相有效输出持续到分相区结束点之后600 m，因此在处理分相区信息时，必须保留分相区信息直到越过分相区结束点600 m，如图 4所示。

图 3 采用最新的分相区描述

如图5所示，如果两个分相区相隔较近，即分相区1的结束点和分相区2的起始点距离在600 m内，则将这两个分相区合并为一个分相区，避免在两个分相区之间分相有效和分相指令输出瞬间跳变。

图 5 两个分相区相隔较近时合并为一个分相区

3.4 指令输出逻辑

方案设计中，车载ATP需向车辆提供两个输出，分析有效和分相指令。分相有效输出和分相指令输出时机如图6所示。

图 6 分相有效输出和分相指令输出示意图

由于涉及到逻辑性的描述较多，利用图表形式描述将更加清晰明确。下文的逻辑图中，其中带弧线的条件表示逻辑“与”，不带弧线的条件表示逻辑“或”。

3.4.1 分相有效输出高电平逻辑

分相有效输出高电平逻辑如图7所示。

图 7 分相有效输出高电平逻辑

3.4.2 分相指令输出高电平逻辑

分相指令输出高电平逻辑如图8所示。

3.5 隔离和禁止

图 8 分相指令输出高电平逻辑

自动过分相功能具备硬件隔离开关，该开关有“正常”、“隔离”、“禁止”3个档位。当处于隔离档位时，ATP不处理分相区数据，自检功能正常，能够记录故障数据，DM I提示“自动过分相输出被隔离”，但不向DM I发送自动过分相其他故障信息。一旦将隔离开关置于“隔离”位，隔离状态不可恢复，除非重启系统。“禁止”状态与“隔离”状态的唯一区别是，“禁止”状态下不向DM I发送任何自动过分相相关文本，包括“自动过分相输出被隔离”文本信息。

3.6 系统原理图

综上所述，系统设计为采用双机冗余的方法，A/B组匣分别用两组继电器控制分相有效、分相指令的送出。S10输出高电平，使分相有效继电器闭合送出分相有效信号，同时也会把+24 V EMTORE信号送至E10端，作为继电器动作的反馈信号；S11输出高电平，使分相指令继电器闭合送出分相指令信号，同时也把+24 V EMTORE信号送至E11端，作为继电器动作的反馈信号。在控制组匣（CPR）增加旋钮开关，可以控制ATP自动过分相功能处于正常、隔离或禁止位。如图9所示。