郭虹利，张 龙，韩安平，辛 未，刚建雷

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.黑龙江瑞兴科技股份有限公司，哈尔滨 150030）

ZPW-2000 系列轨道电路是我国铁路列车运行控制（简称：列控）系统的关键基础装备，对保证行车安全、提高运行效率起着非常重要的作用[1]。根据编码方式和应用需求的不同，分为继电编码和通信编码2 种[2]，其中通信编码方式主要应用于高速铁路中，与列控中心设备及其相关控制电路进行接口，完成相应功能[3]。

对于轨道电路等铁路信号安全设备而言，实验室内的测试和试验，是确保产品安全性和可靠性的必要手段。目前，国内各厂商已对ZPW-2000 轨道电路的各类器材建立了手动、自动单机测试台，可以对单体设备的各个功能、接口及电气性能指标等进行测试；但是在系统整体功能测试方面，现有的轨道电路接口仿真测试环境大多仅能够简单模拟列控中心的编码功能，并未实现编码自动追踪变化、区段状态判断、方向电路控制等其他功能[4-6]。如实验室内配置真实列控中心等辅助测试设备，成本较高，配置应用复杂且无法进行特殊条件下的模拟测试，使得测试工作不能灵活、方便地开展。因此利用计算机仿真技术，搭建轨道电路接口仿真测试平台，实现实验室环境下的灵活、便捷、高效、自动测试，显得尤为必要。

1 接口需求分析

1.1 双路CAN 总线接口

ZPW-2000 轨道电路与列控中心间采用2 条冗余CAN 总线进行通信接口，并在列控中心主系和备系设备侧分别设置总线终端匹配电阻。列控中心主系设备周期循环将各轨道区段的载频、低频、方向等编码信息和同步帧发送至2 条CAN 总线，轨道电路通信接口板在收到同步帧后依次将区段状态、方向等信息上传至2 条CAN 总线[7]。

1.2 点对点以太网接口

轨道电路维护机软件需要获得各区段的方向信息以正确记录和区分送、受端的相关数据[8]。对于无法从CAN 通信编码数据包中获得方向信息的，通常由列控中心维护机通过以太网方式点对点发送给轨道电路维护机相关信息。

1.3 继电器状态采集接口

列控中心在进行区段状态判断时，除通过通信方式上传的状态外，还需采集接收器驱动的轨道继电器的状态。当两者均为空闲时，按照空闲处理，否则按占用处理；当两者状态不一致时要给出报警[3]。因此，轨道区段的通信状态与继电器状态的一致性，是引起轨道电路闪“红光带”的一个重要故障诱因，应纳入轨道电路设备的测试项。

1.4 方向电路接口

每个轨道电路区段对应有一个方向切换FQJ 继电器，用于完成发码方向切换。

（1）对于全电子化ZPW-2000 轨道电路，FQJ继电器方向电路已模块化内置于移频柜中，由轨道电路设备根据通信方式接收的列控中心的方向命令信息控制内置的FQJ 继电器电路完成发码方向切换，无需外部方向电路接口[9]；

（2）对于既有ZPW-2000 轨道电路，FQJ 继电器方向电路外置于组合架，连接于移频柜和接口柜之间，FQJ 继电器由列控中心直接或间接进行驱动控制[10]，FQJ 继电器吸起表示反向发码，落下表示正向发码，同时，提供方向条件电源给轨道电路衰耗器设备，用于驱动衰耗器内置的继电器，从而切换正反向对应的小轨道调整电路[11]。

2 方案设计

根据以上接口需求分析，设计ZPW-2000 轨道电路接口仿真测试平台结构，如图1所示。

图1 ZPW-2000 轨道电路接口仿真测试平台结构

（1）仿真计算机通过USB 或PCIE 总线连接2块双通道CAN 接口卡，模拟列控中心双机结构；

（2）通过交换机以网络方式对智能IO 模块进行控制，每个模块可提供8 路开关量采集输入端口和8 组继电器常开、常闭对外接点，可实现一个轨道电路区段设备的轨道继电器采集和方向电路模拟功能，智能IO 模块数量根据待测区段数量进行相应配置；

（3）仿真计算机同时通过点对点网络方式与轨道电路维护机连接，发送各区段方向信息。

3 仿真测试平台功能

仿真测试平台按照功能模块结构，分为参数设置和配置管理、编码发送、状态显示、方向切换和数据服务5 部分，如图2所示。

图2 ZPW-2000 轨道电路接口仿真测试平台功能模块

3.1 参数设置

具备参数设置功能，包括CAN 接口卡的工作参数、智能IO 模块的工作参数、待测轨道电路设备的移频柜数量以及模拟列控中心数据发送的周期等，发送周期可设置为200 ms 以上的任一固定值或为列表随机变化值，便于进行特殊条件测试。

3.2 编码发送

能够模拟列控中心将配置好的包含载频、低频和方向信息的编码数据帧发送给轨道电路设备，同时发送同步帧用于轨道电路设备的同步处理。

3.2.1 数据模式

根据ZPW-2000 轨道电路与列控中心接口实际应用经验，针对数据帧和同步帧分别设计了2 种发送模式，如图3所示。

图3 数据发送模式示意

（1）对于数据帧，每个移频柜都有自己独立的正码数据包和反码数据包，可按照移频柜为单位，将对应的正码数据包和反码数据包发送完成，再发送下一个移频柜对应的数据帧；也可按照正反码进行区分，先将所有正码数据包发送完成，再发送所有反码数据包。

（2）对于同步帧，可按照总线区分，CAN-A总线发送完数据帧立刻发送同步帧，执行CAN-B 总线数据发送任务；也可按数据类型区分，CAN-A、CAN-B 总线均先发送完数据帧，依次发送同步帧。

3.2.2 独立编码

根据设置的移频柜数量参数，可进行各区段的主轨道和小轨道的载频、低频以及区段方向信息的配置，既支持手动选择方式，也支持列表周期变化循环方式，各区段之间的编码相对独立互不关联。CAN-A 和CAN-B 总线上的编码数据可独立进行设置和发送，也可同步进行发送。同步发送模式下，CAN-A 和CAN-B 的数据及发送时机统一控制。

为满足特殊条件下的测试，提供数据故障注入选项，包括载频低频方向的无效编码、数据包序号重复、数据包序号间隔2 和3、数据包CRC 值错误、数据包正反码不一致和数据包缺失等故障注入选项。

3.2.3 追踪编码

各区段的低频配置，除独立编码方式外，支持行车追踪编码方式。行车追踪编码方式下，提供3种典型的行车径路追踪发码场景，如图4、图5和图6所示，分别展示了侧线出站、侧线进站和区间行车时的发码示意图，其中车辆走行产生的区段空闲和占用通过IO 模块的，2 组继电器接点控制移频信号通道的通断模拟实现。

图4 侧线出站发码示意

图5 侧线进站发码示意

图6 区间行车发码示意

3.3 状态显示功能

按照CAN-A、CAN-B 总线区分，分别实时显示2 条总线上的主轨道主并机状态和小轨道主并机状态、方向状态。

（1）状态信息为数据包CRC 校验和正反码校验通过后的值，校验不通过时直接显示数据无效；GJ 继电器状态实时显示其前后接点采集状态，50 ms左右更新一次。

（2）对于GJ 继电器吸起时，实时与CAN 总线通信上传的主轨道状态信息进行比较，当任一总线通道主、并机的主轨道状态出现“占用”或持续2 s以上的“通信故障”时，进行报警提示。GJ 继电器状态采集，原理如图7所示。

图7 GJ 继电器采集示意

3.4 方向切换

根据编码部分对各区段方向的设置情况，控制相应IO 模块实现发码方向切换，同时向衰耗器提供方向电源条件。使用IO 模块提供的4 组对外继电器接点直接模拟原FQJ 继电器实现的方向电路功能，再使用2 组继电器接点用于控制衰耗器内部的ZFJ继电器和FFJ 继电器的驱动，对于衰耗器内部只设一个继电器的，可作为FFJ 继电器进行控制。IO 模块电路连接示意图，如图8所示。

图8 IO 模块电路连接示意

3.5 数据服务

为了适应自动测试和长时间拷机试验要求，仿真平台可全程对发送的数据、接收的数据、采集的状态、报警信息等进行记录和查询，辅助进行故障原因的定位分析和查找。

3.6 软件设计

按照仿真测试平台的功能设计，软件上主要由数据发送任务模块、数据接收任务模块和数据记录任务模块3 部分实现，软件处理流程，如图9所示。3 个部分任务模块采用独立线程运行，完成各自相关功能。

图9 软件处理流程

（1）数据发送任务模块主要根据设置的参数和模式，将载频、低频和方向等信息完成组包并发送，同时控制相关继电器接点动作；

（2）数据接收任务模块主要接收轨道电路上传的数据并进行校验处理，将相关状态进行显示，同时获取GJ 继电器采集状态结果进行显示并进行报警提示；

（3）所有发送、接收的数据及采集的状态等，同时抄送给数据记录任务模块，由其进行记录，以备查询，为减少数据量，采用只记录变化数据的方式。

设计完成的仿真软件界面，如图10所示。

图10 软件界面

4 方案验证测试

按照图1所示结构以ZPW-2000R 轨道电路及某站站场数据为例搭建测试环境，配置1 个移频柜共10 个区段的轨道电路设备，其中室外设备及模拟轨道为选配设备，不影响仿真平台的测试应用，所有轨道电路设备全部模拟同一方向线路区段，设计测试案例进行方案验证测试，如表1所示。

表1 仿真平台测试案例及目的

方案验证测试分为独立编码测试和行车编码测试2 个过程，主要针对独立编码和行车编码2 大核心功能，期间可同步测试验证其他功能。

（1）在独立编码测试过程中，主要是通过改变载频、低频、方向的设定值或故障条件的注入，测试轨道电路设备是否能够正确执行控制命令或导向安全侧，同时通过人为制造条件改变轨道电路区段状态测试仿真软件能否正确显示相应状态；

（2）在行车编码测试过程中，主要测试在模拟列车走行状态下仿真软件编码控制和状态显示的正确性。测试验证过程中，可通过轨道电路诊断主机软件，辅助查看各区段载频、低频、方向和区段状态等数据，以验证测试结果，如图11所示。

图11 轨道电路诊断主机软件测试验证界面

测试结果表明，仿真测试平台完成了设计的各项功能。既能够以独立控制方式实现所有载频、低频和方向信息的全部遍历编码，且能进行故障注入以模拟特殊条件下的编码数据，实现了在真实列控中心设备下不能完成的功能和测试项，又能够实现改方向电路控制、区段状态判断和行车逻辑下的自动追踪编码等真实列控中心设备才具有的功能，且不受列控中心设备的应用条件约束限制，同时省去了测试过程中的部分人工操作和频繁调整测试环境等过程，达到了灵活、便捷、高效和自动的测试目标。

5 结束语

本文根据ZPW-2000 轨道电路与列控中心及其相关控制电路的接口，结合实际应用中遇到的各类问题、场景及测试需求，设计了该ZPW-2000 轨道电路接口仿真测试平台，可用于发送器、接收器、通信接口板的整体功能测试及接口试验，也适用于轨道电路系统的各类综合测试，节约了测试成本、提高了测试效率，对于轨道电路设备的研发测试具有重要意义。