200C型列控车载设备关键技术及核心部件深化研究

■ 李辉 范明 李一楠

200C型列控车载设备关键技术及核心部件深化研究

■ 李辉 范明 李一楠

200C型列控车载设备是中国第一代CTCS列控车载设备，基于引进国外的核心部件和关键技术实现列车运行安全防护功能。在200C设备中有部分核心部件和关键技术作为非技术转让项目，给200C设备的功能扩展、系统升级，以及运用和维护带来极大困难。以核心部件CFSK模块替代方案和系统软件升级为例，详细介绍200C关键设备技术深化研究的过程和成果，为全面实现列控车载设备自主化提供借鉴。

列控车载设备；关键技术；核心部件；自主化；自动过分相

1 概述

2007年，原铁道部从国外技术引进了CTCS2-200C型列控车载设备（简称200C设备，见图1），设备的技术转让方为法国CSEE公司，技术受让实施方是以中国铁道科学研究院作为牵头方的联合体。

图1 CTCS2-200C型列控车载设备

为了深入掌握200C设备的核心技术，自2009年起，项目组在技术引进的基础上，全面研究200C设备整体结构，进行了国产化CFSK板替代进口CRNB50板、国产化应答器传输模块（BTM）设备替代进口BTM设备、200C软件客专适应性优化、自动过分相功能实现及C2+列车自动驾驶（ATO）功能扩展等自主创新工作，完成了产品开发、安全认证、型式试验、现场测试等环节，最终替代产品实现了现场商用。

2 国产CFSK板替代进口CRNB50板

轨道电路信息接收是C2车载设备关键技术之一，在200C设备中由CRN模块完成。该模块为外方核心技术，也是200C设备运用和维护的薄弱环节。如何用自主化CFSK模块替代引进CRN模块的全部功能，是深化研究的主要任务之一。

2.1 总体方案

在深入研究200C设备系统结构的基础上，通过多次方案比选及论证，提出了最优化的CFSK板替代方案。在现有200C硬件不变的基础上，采用自主研发的二乘二取二CFSK模块，接收CTCS-0级和CTCS-2级轨道电路连续信息。替代方案的核心是基于主控软件修改轨道电路相关函数调用程序，底层程序和应用程序主体不变，主要对主控应用处理单元软件进行修改，修改内容包括：列控车载设备（ATP）主控程序中轨道电路信息调用、优化载频一致性判断、根据应答器信息切换上下行载频、增加CFSK运行数据和故障记录等；CFSK软件的修改则主要是为适应CTCS-2级车载设备应用做了必要的优化。替代系统结构见图2，红色区域为CFSK替代的CTVMS模块。

2.2 关键算法设计

（1）轨道电路信息调用修改。轨道电路信息调用的原则：在任何级别下，都不再使用CRN的译码结果，修改在CTCS-2级下轨道电路信息的调用逻辑。首先判断CFSK板的状态，当CFSK板正常时，将CFSK板的译码结果直接发给安全计算机；当CFSK板异常时，将CFSK板的故障信息发送给安全计算机。

（2）优化载频一致性判断。当列车在CTCS-2级线路运行时，车载设备通过应答器［CTCS-1］包得到轨道电路的数据，包括轨道电路的起点、长度、载频和末端的信号机类型。车载设备以此和实际收到的载频进行比较，如果不一致，则提示司机载频不一致，删除线路数据同时触发最大常用制动，保证行车安全。当列车经过绝缘节收到新的载频时，CRN立即将该载频信息传给安全计算机，而CFSK为了译码的可靠性，经3次比较后载频和低频信息一起传给安全计算机。为了提高车载设备对CFSK译码的延时容限，对载频判断的算法进行了修改。

图2 CFSK模块替代结构示意

①计算列车所在区段的载频最小范围Dmin和最大范围Dmax。

式中：D_Max、 D_Min分别为列车最大安全位置、列车最小安全位置；D_Sen为CFSK传感器距列车车头的距离；v为列车当前的速度；Δt为考虑CFSK载频译码和传输的延时。

②查找应答器数据中该范围内的所有载频集F。

式中：D_Starti、D_Endi分别为应答器数据中第i段轨道电路的起点和终点。

③将实际收到的载频f0与有效载频集F比较，如果f0∈F，则载频一致，否则为不一致。

（3）根据应答器信息切换上下行载频。在CTCS-2级区段，载频的选择命令不但要由司机发车时通过人机界面（DMI）选择实现，更多情况是采用应答器信息自动切换上下行命令，替代方案增加了发送应答器上下行信息命令给CFSK模块功能，从而实现在CTCS-2级区段与原系统的载频切换处理机制保持一致。

（4）增加CFSK运行数据和故障状态记录。在SAM数据记录中添加CFSK相关信息，其中包括：低频信息、载频信息、信号幅度、CFSK运行状态、CFSK接收的当前轨道电路类型。通过这些运行和状态记录可以更好地进行系统维护，有利于故障查找和判定。

该方案设计合理、简便易行，只需拆下CRNB50和CPOV板件，以及2G感应器和TVM接线盒等设备，并更换已经灌装替代程序的CCTE板件即可。该方案无需更改配线，不会影响设备启机和自检。通过国产CFSK板替代，200C设备在轨道电路接收方面彻底摆脱了国外供应商的束缚，满足CTCS0/2级运用要求。该项创新优化了200C系统结构，提高了系统稳定性，显著降低了200C设备总成本，符合CTCS-2级技术规范。

3 系统软件升级

3.1 200C软件客专适应性优化

200C软件的最初设计只满足在既有CTCS-0/2级线路上的运用，随着高速铁路（客运专线）的快速发展，出现了更多新需求和复杂的现场运用场景。为解决这些问题，项目组自主完成对软件的适应性修改，优化并完成的软件功能主要包括：

（1）大号码道岔处理优化。

（2）京津城际铁路应答器特殊处理。由于京津城际铁路北京南站7道进站地面应答器未按照线路实际情况描述链接关系（不符合CTCS规范），导致应答器丢失触发制动。对200C软件侧线丢失应答器防护功能进行了特殊处理，即70-2-4-15和70-2-4-16两组应答器丢失按地面链接反应处理（无反应）。

（3）提高进站效率。为提高京津城际铁路的进站效率，完全模式（FS）转入部分模式（PS3）的转换条件由原来的300 m改为150 m。

（4）ETCS-46包兼容性。为解决接收ETCS-46信息包时200C报应答器信息错误的问题，根据应答器规范的报文定义，在软件中增加相关代码，正确识别和解析ETCS-46包信息。

（5）加强侧向应答器安全防护。为加强侧向应答器防护功能，提高系统安全性，将接收到默认报文加入到防护条件中，当侧向进站接收到默认报文时会触发最大常用制动，速度低于45 km/h时转入PS模式，删除线路数据。

（6）增加与动态监测系统（DMS）数据传输。根据DMS厂家提出的需求，修改ATP与列车运行监控装置（LKJ）通信协议，增加向DMS传输应答器信息、载频信息、工况信息、司机操作信息、ATP各模块状态等信息。

（7）DEF故障的解决。列车接口自检时，每隔一定时间间隔发出一条指令，然后检查回读。各个链路的时间间隔根据继电器类型不同而不同，交权模块自检时间间隔设置为2．5 s，即每2．5 s改变一次输出，然后检查回读。通过对该继电器性能分析和测试验证，证明2．5 s的时间间隔有很大余量，在程序中调整至2．2 s，每个步骤缩短0．3 s，10个检测步骤共缩短3 s。这样DEF自检在22 s内完成，保持和I73版底层一致。经过实验室数千次的启动测试验证，未发生DEF故障导致的启动不成功情况。

（8）测速测距模块（CODOU）通信故障的解决。通过对安全计算机与CODOU通信机制的深入研究，确定方案为基于CODOU与主机通信冗余结构及状态实时检测机制，软件在启动自检时，优化对CODOU状态的检测裕度。软件修改后结合集成测试结果，数千次启动均未出现CODOU通信故障情况。

通过200C软件客专适应性优化，项目组按照原铁道部技术转让的要求，掌握了200C设备软件优化和功能性修改技术，并通过对200C设备软件的深入分析，具备了进一步优化200C设备的能力，完全打破了外方对200C设备软件修改控制的格局；同时，软件优化大大降低了200C设备的故障率，目前，设备整体故障率已降低至原故障率的20%以下。

3.2 自动过分相功能实现

为了进一步完善既有CTCS-2级列控车载设备功能，实现既有设备与CTCS-3级列控车载设备的CTCS-2级功能一致性，中国铁路总公司提出了既有设备实现自动过分相功能的需求。根据铁总运［2014］29号《CTCS-2级列控车载设备暂行技术规范》对于分相控制的相关要求，项目组进行了200C设备软硬件的适应性设计和修改。

由于原200C设备不具备自动过分相功能，并且在硬件设计中未预留自动过分相接口，项目组通过对200C设备硬件接口的详细分析及列车接口板件（MTORE）的深入研究，提出扩展使用MTORE板输入输出的硬件方案，并配套相应的软件方案，最终实现了原200C设备不具备的自动过分相功能。自动过分相软件修改主要涉及3方面：主机软件、DMI软件和地面分析软件。

（1）主机软件修改。

报文解析模块：主要实现对［ETCS-68］信息的解析和传递；

过分相控制模块：分相功能控制；

列车接口模块：增加与分相功能相关的输入输出；

DMI接口模块：增加分相功能相关的通信信息；

运行数据记录模块：增加分相功能的相关记录；

LKJ通信模块：增加分相相关通信信息，用于DMS的信息传输。

（2）DMI软件修改。

图标管理模块：增加分相功能相关图标；

通信模块：与主机软件通信匹配。

（3）地面分析软件修改。

数据解析模块：数据分析软件对［ETCS-68］信息包正确解析；

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。

200C设备新增的自动过分相功能完全满足中国铁路总公司相关规范的要求。

3.3 C2+ATO功能扩展

为更好地适应城际轨道交通的需要，结合我国铁路信号系统应用现状和城际轨道交通用户需求，项目组对200C软件进行适应性修改，满足了C2+ATO的总体技术方案。

（1）增加与200C扩展单元的通信模块。实现ATP获取无线模块设备状态、ATO设备状态、IO及其他外设状态、GSM-R网络注册状态、通信控制服务器（CCS）注册/注销状态、门控状态信息，以及ATP发送ATO允许、门控许可、屏蔽门开关许可信息。

（2）实现精确定位功能。实现接收并正确解析地面精确定位应答器报文信息，获得运营停车点位置信息，列车停稳后，启动精确定位判断列车准确停在运营停车点的安全停车窗范围内（-0．5～0．5 m）。

（3）扩展模式管理功能。为实现城际铁路列控系统功能，在原有200C设备模式管理功能的基础上，扩展了对机车信号模式（CS）、休眠模式（SL）和自动驾驶模式（AM）的管理功能，并很好地调配了新增模式与既有模式之间的关系。

通过C2+ATO的功能扩展，为200C设备在城际轨道交通中的应用提供了可能性，也实现了我国自主建立的城际轨道交通自动驾驶应用。

4 其他技术深化研究成果

4.1 国产BTM设备替代进口BTM设备

应答器信息接收是200C设备另一个关键技术。在200C设备故障统计中，BTM相关故障占很大比例。由于BTM为非转让技术，因此对其故障的分析处理成为当务之急。项目组首先对进口BTM设备与200C安全计算机平台的通信接口进行了详细分析，在无外方技术人员及文件的支持下，完全破解了200C设备的Profibus通信握手协议、总线令牌逻辑及CTODL同步协议，实现了国产BTM设备与主控单元的无缝衔接及进口BTM设备的替代。方案的实施不用对原有设备接口做任何变动，现场保留原设备电缆，即可直接实现设备替换。

国产BTM设备具备良好的抗干扰性能，有效解决了进口BTM设备在CRH2型动车组及部分CRH5型动车组上存在受外界干扰易发故障的惯性问题，通过在CRH2057/58车上的替代，为西安铁路局减少直接经济损失约600万元。

国产BTM设备的替代，填补了国产BTM设备与列控车载设备实现互联的空白，进一步提升了国产设备在200C设备中的整体比例，深化了200C设备的国产替代进程。

4.2 单套200C设备双端应用的实现

目前成熟运营的200C设备均装备在动车组上，接触网作业车上检修设备众多，其列车接口和机械安装与动车组有明显区别，且接触网作业车又有其特殊的双端操作等运用要求，因此需要对车载设备与接触网作业车的电气接口、安装机械接口及车辆制动等参数进行适配，以满足接触网作业车的运用需求。

为实现200C设备在接触网作业车上的安装适配，项目组深入研究200C设备与接触网作业车接口的需求，优化了200C设备现有的列车接口方案，通过增加双端切换及接口转换逻辑的方式，完成了200C设备与接触网作业车的列车接口适配，从而实现了单套200C设备控制双端DMI及轨道电路接收感应器的功能。该项目已经通过了中国铁路总公司方案评审及试验评审。

单套200C设备双端应用的实现，为我国机车使用ATP设备提供了解决方案，使ATP设备可应用于动车组以外的车型上，为ATP的发展提供了更广阔的前景。

5 结束语

200C设备的深入优化研究提升了国产设备在200C设备中的整体占有比例，深化了200C设备的国产替代进程，并优化了系统结构，降低了200C设备总体成本，为200C设备的市场竞争力提供了有力保证。目前项目组继续优化完善200C设备，积极适应新需求，开拓200C设备的潜在市场。随着国产化和自主化工作的深入，200C列控车载设备已逐渐摆脱了国外供应商的束缚，具有良好的发展前景。项目成果已在沈阳、北京、上海、乌鲁木齐等12个铁路局得到应用和推广，取得了显著的社会效益和经济效益。

李 辉：中国铁道科学研究院通信信号研究所，副研究员，北京，100081

范 明：中国铁道科学研究院通信信号研究所，研究员，北京，100081

李一楠：中国铁道科学研究院通信信号研究所，副研究员，北京，100081

责任编辑 卢敏

U284

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1672-061X（2015）02-0103-04

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2013X001-B）。

所获奖项：2014年度中国铁道科学研究院科学技术奖一等奖。