第三節　列控系統行車許可使用實驗

一、實驗目的

理解列車運行控制系統地面設備工作原理以及車載設備使用MA的原理。掌握列控系統車載設備基本工作原理，初步具備解決列控系統實際工程問題的能力。

二、實驗原理

1.列控系統行車許可生成原理

列車運行控制系統（本節以CTCS-2級為例進行行車許可使用實驗介紹，后文簡稱列控系統）是基于軌道電路和應答器傳輸列車行車許可信息，采用目標距離模式曲線監控列車安全運行的列車運行控制系統。對于列控設備來說，行車許可終點就是列車前方被占用閉塞區入口，列控車載設備為實現監控列車運行速度的功能，必須確定前方被占用閉塞區的入口位置和入口速度，以及車頭到行車許可終點之間的線路數據和限速信息。

列控系統地面設備中，軌道電路通過發送18個低頻信息，連續向車載設備發送列車前方空閑閉塞分區數量信息以及列車接近的車站信號機開放經道岔側向位置進路信息，但無法發送確定的前方被占用閉塞區入口位置和道岔側向進路的長度及限速等。

因此，在軌旁安裝應答器（屬于點式信息傳輸設備），來進行閉塞分區長度信息和限速信息的傳輸。其中，使用區間無源應答器來傳輸閉塞分區的長度、線路限速和進路信息，使用有源應答器來傳輸進路信息和臨時限速信息。

當列控車載設備接收到軌道電路及應答器傳輸的信息后，對這些行車許可相關的信息綜合使用，生成進行目標距離模式曲線控制所需要的信息。行車許可生成原理如圖1-7所示。

2.列控系統行車場景

列控系統中，列車運行可分為區間行車和站內行車，其中站內行車的典型場景包括正線接/發車、側線接/發車、側線大號碼道岔接/發車、引導接/發車等，在本實驗中，我們考慮站內接車的情況。不同的場景中，軌道電路的碼序和行車速度要求也不同。

當接車信號未開放時，列車的行車許可終點應在進站信號機，對于車載設備應按照機外停車的方式進行模式曲線計算和速度防護。其軌道電路碼序及模式曲線如圖1-8所示。

當接車進路已排列，進站信號機開放后，則列車根據進路不同分別進行控制。

若為正線接車進路，則行車許可終點延伸至出站信號機，覆蓋正線股道，列車即將進入正線，停在出站信號機之前。其軌道電路碼序及模式曲線如圖1-9所示。

若為側線接車進路且接車進路上最小道岔為18號以下道岔時，行車許可終點延伸至出站信號機，覆蓋側線股道，列車即將進入側線，停在出站信號機之前。在接近區段發UU碼，當列車行至該區段時，通過碼序得知即將進入側線，并且道岔要求限速40km/h，則車載設備將接近區段的出口速度設為40km/h，以此為目標速度控制列車運行，并且在通過道岔后，根據實際進路長度計算至行車許可終點（進路終點）的限速曲線，控制列車運行。其軌道電路碼序及模式曲線如圖1-10所示。

若為側線接車進路且接車進路上最小道岔為18號的大號碼道岔時，與側線小號碼道岔接車流程相同，只是接近區段發UUS碼，車載設備得知道岔要求的限速為80km/h，以此為目標速度控制列車運行，并且在通過道岔后，根據實際進路長度計算至行車許可終點（進路終點）的限速曲線，控制列車運行。其軌道電路碼序及模式曲線如圖1-11所示。

若為引導接車進路，則接近區段發送HB碼，車載設備進入引導模式，該模式存在模式限速40km/h，因此車載設備需將允許速度立即設置為模式限速，且維持到通過咽喉區的無碼（B碼），列車進入股道后，再根據行車許可終點計算模式曲線，控制列車運行。其軌道電路碼序及模式曲線如圖1-12所示。

3.列控系統車載設備超速防護功能工作原理

根據列控系統的工作原理及典型場景，列控車載設備完成超速防護功能，是通過如圖1-13中的基本流程實現的。

在一個工作周期中，首先完成列車的測速測距，得到列車當前的走行速度和走行距離，然后讀取地面信息，完成行車許可信息的傳輸，分別接收軌道電路的軌道電路低頻信息，再接收應答器信息，并從中將軌道區段長度及限速信息進行解碼，最后，完成車載超速防護功能，這樣結束一個工作周期，進入下一個工作周期，循環運行，完成列車的實時監控。

其中，列車超速防護功能進一步展開，可見有了軌道電路碼和應答器信息的輸入，其基本工作流程如圖1-14所示。車載設備所需要計算的限速分為兩部分：速度—距離模式曲線上的線速和線路本身存在的靜態限速，車載設備應綜合考慮這兩部分限速，完成對列車的超速防護。因此，車載設備根據之前從地面獲得的閉塞分區長度、線路限速、軌道電路碼、當前速度和當前位置，首先能夠根據軌道電路碼和閉塞分區長度，確定EoA或LoA，即根據列車的當前走行距離計算到目標點的距離以及目標點限速，確定目標距離以及目標速度后，計算列車的距離—速度防護曲線在當前位置的曲線限速；再根據列車當前所處的位置和應答器提供的線路限速信息，得到當前點所對應的線路限速值，綜合考慮這兩部分限速后，能夠確定列車在當前位置的最終允許速度值，根據這個允許速度，完成與實際速度的對比，采取超速防護措施，即超過允許速度就要輸出制動，若速度在允許速度以下，則緩解制動。

三、實驗環境

1.實驗仿真環境使用方法

根據上述車載設備超速防護功能原理，在本實驗中，我們模擬了一個列車運行控制系統，需要實驗人員對列控車載設備超速防護功能進行具體實現。

在這個列控系統仿真環境中，模擬列車運行的線路如圖1-15所示。

為了簡化起見，將列車運行的線路設定為：該線路共由11個閉塞分區構成，線路上列車只會經過兩個應答器組，固定應答器組BG1和進站口的有源應答器組BG2，當列車經過應答器組的時候，會收到它們提供的信息：

BG1提供固定的各閉塞分區長度和線路限速；BG2提供列車進路長度和進路處的線路限速。

注意：我們認為列車開始以一定的初速度通過了固定應答器組BG1，并假定列車位置的遞增均表示基于應答器組BG1的位置偏移量。并且，兩個應答器組的位置認為與閉塞分區起點重合。

仿真實驗環境的主要結構和相互關系如圖1-16所示。其中的超速防護程序部分是需要填寫的實驗部分，其他模塊是仿真環境已經編寫好的后臺程序，對實驗人員不可見。

列控車載設備為完成超速防護功能，其控制程序（上圖中虛框部分）大致為：

以上代碼為仿真環境完成，灰色部分為不可見。但是ATPprotection（）函數需要由實驗完成人填寫。

根據車載超速防護功能原理可知，若想要實現超速防護功能，需要有閉塞分區長度、線路限速、軌道電路碼、當前速度和當前位置的信息輸入，在實驗仿真環境中，這些信息分別由不同的函數模塊向實驗待填充部分程序，即超速防護程序部分ATPprotection（）提供。

（1）列車測速測距信息

后臺程序模擬列車駕駛，將列車當前的速度和走行距離用全局變量CurrentSpeed和CurrentPos保存，提供給實驗完成者直接使用。其中，列車當前速度CurrentSpeed以km/h為單位，而定義列車當前運行距離CurrentPos時，認為應答器組BG1為距離坐標原點，則該運行距離表示列車距離應答器組BG1的距離增量，以m為單位，如圖1-17所示。

（2）應答器及軌道電路信息

根據列控系統的行車許可的原理可知軌道電路碼告知前方空閑的閉塞分區個數，應答器數據告知前方線路數據，包括軌道區段長度等信息。

后臺程序會完成應答器數據和軌道電路碼實時讀取的功能，并把當前的軌道電路碼和應答器數據用變量保存，實驗人員在編寫ATPprotection（）程序時，可直接使用該變量，不用考慮對應答器和軌道電路數據的讀取。這些變量包括：

①軌道電路碼（TrackSignal）：表示當前收到的軌道電路低頻碼。軌道電路低頻碼含義如表1-1所示。

②應答器信息：包括閉塞分區長度和線路限速，由Blocks（）和LineAllowSpeed（，）兩個數組分別存儲從兩個應答器組BG1和BG2接收的閉塞分區長度和線路限速，仿真平臺已綜合兩個應答器組的信息，當列車經過BG2后，限速信息會進行自動更新。實驗完成人員可直接使用這兩個變量，而不用關心其數據更新問題。

a.閉塞分區長度數組Blocks（）：大小為11，分別表示11個閉塞分區的長度，排列順序按距離BG1由近及遠的順序排列。即Blocks（0）表示距離應答器組BG1最近的軌道區段的長度（從信號機到信號機）；Blocks（1）表示距離應答器第2近的軌道區段的長度，以此類推，Blocks（10）為整個接車進路的長度，從進站信號機到出站信號機。

b.線路限速數組LineAllowSpeed（，）內為二維數組。本實驗中假設線路上共存在3段限速，區間范圍內一段限速、道岔范圍內一段限速和股道范圍內一段。其取值含義如圖1-18所示。

對應二維數組的存儲結構和取值如表1-2所示，第一維保存的為限速的起點距離，第二維保存的為該段限速的限速值。

2.實驗部分程序說明

本實驗的目的是讓實驗人員自行完成超速防護程序ATPprotection，該部分是一個有形參的函數，根據列車超速防護工作流程，其大致結構為：

對于ATPprotection（）函數，其輸入變量和輸出變量定義如表1-3所示。

其中，仿真環境提供了計算模式曲線限速值的函數，可由實驗人員直接調用，該函數定義如表1-4所示。

3.VBA編程語法指南

本實驗所需要的編程環境為VBA，是微軟公司開發出來在其桌面應用程序中執行通用的自動化任務的編程語言——Visual Basic For Application（VBA），可以認為VBA是非常流行的應用程序開發語言VASUALBASIC的子集，實際上VBA是“寄生于”VB應用程序的版本。

由于我們的實驗目的是讓實驗人員更好的理解列控原理，而并非學習計算機編程語言，因此，本實驗選取了VBA這種簡單的編程語言，并且所需要的語法也比較簡單，只需要一些基本的操作就能夠完成本實驗。

（1）變量定義

本實驗中可能用到的變量定義語句及變量作用域如下：

【Dim變量as類型】：定義為局部變量，如：

Dim xyz as integer；

【Private變量as類型】：定義為私有變量，如：

Private xyz as byte；

【Public變量as類型】：定義為公有變量，如：

Public xyz as single；

【Global變量as類型】：定義為全局變量，如：

Global xyz as date；

【Static變量as類型】：定義為靜態變量，如：

Static xyz as double；

本實驗可能使用到的變量類型包括：整型Integer（16位）；long（32位）；浮點型Single；布爾型Boolean。

在本實驗中用法示例：'Dim BlockPos As Integer，即定義一個整型變量BlockPos。

（2）循環語句

【For Next語句】：以指定次數來重復執行一組語句For循環。其語法如下：

在本實驗中可能的用法示例：

當For循環需要退出時，用法示例：

（3）IF判斷語句

【If…Then…Else】語句，其基本語法如下：

在本實驗中可能用到的用法示例：

（4）數據記錄

本實驗中，仿真環境專門提供一個DataRecord的表格供實驗人員對關鍵信息進行記錄，當需要記錄數據時可使用數據記錄語句，將關鍵信息保存到Excel表中，方便調試和最后的結果記錄。

示例用法：

Sheets ["DataRecord"].Cells（1，1）=CurrentPos

其中Sheets["DataRecord"]為打開的student.dat中的表格名稱，而Cells（1，1）表示將CurrentPos的值記錄到第一行和第一列；行和列都是從1開始。

（5）函數調用

在本實驗中，需要調用一個仿真環境提供的函數CalcLimit，該函數的定義語句為：Public Function CalcLimit（Distance_LoA As Single，Speed_LoA As Single）As Single，當需要在代碼中使用該函數時，必須加入前綴ff，即：

ff.CalcLimit（TargetDistance，TargetSpeed）

示例代碼如下：

Dim TrainAllowSpeed as Single '定義返回值變量

TrainAllowSpeed=ff.CalcLimit（TargetDistance，TargetSpeed）

（6）書寫規范

VBA不區分標識符的字母大小寫，一律認為是小寫字母；一行可以書寫多條語句，各語句之間以冒號分開；一條語句可以多行書寫，以空格加下劃線“_”來標識下行為續行；標識符最好能簡潔明了，不造成歧義。

VBA基本的賦值語句和運算符號與標準C語言類似，在此不做描述。

4.實驗環境操作說明

（1）打開文件夾中C2Simu.xls文件，如圖1-19所示。

（2）依次選擇Office按鈕、“Excel選項”。

（3）選擇“常用”，勾選“在功能區顯示開發工具選項卡”，如圖1-20所示。

（4）設置宏安全性：依次選擇“開發工具”、“宏安全性”，在“宏設置”中選擇啟用所有宏以及“信任對VBA工程對象模型的訪問”，如圖1-21所示。

（5）單擊菜單“開發工具”，選擇左邊“Visual Basic”按鈕，進入軟件編輯界面，如圖1-22所示。

（6）在“student（DataRecord）”中按要求編寫代碼，如圖1-23所示。

（7）代碼編寫完畢后回到excel界面，如圖1-24所示。

（8）在工作簿“mf”中將應答器解析選為“自動解析”，并設置適合的初速度，點擊“開始運行”按鈕，列車開始運行，如圖1-25所示。

（9）在列車開始運行后，點選排列相應的進路選項，觀察程序運行結果，如需要加速運行，可點擊“加速運行”選項，如圖1-26所示。

（10）如需要暫停，單擊“暫?！卑粹o；如需要退出程序，單擊“退出”按鈕；在工作簿“運行記錄”頁中查看運行過程中列車數據。

四、實驗內容

列車在裝備列控設備的線路上運行。但是，當前的仿真程序由于車載控車部分的程序不完善，會出現超速或冒進等危險。本實驗要求實驗人員：

（1）補充完成車載安全防護程序ATPprotection，使列車可安全地在該線路上運行（不超速、不冒進），并且能夠完成以下典型場景：

①區間運行；

②正線接車；

③側線接車；

④側線大號碼道岔接車；

⑤側線引導接車（選做）。

（2）編寫完成后，請利用仿真程序測試你的程序功能。

五、實驗報告要求

實驗應完成如下內容：

（1）在仿真環境的基礎上，加上編寫的代碼，實現列控系統超速防護功能。

（2）實驗報告說明開發過程以及設計了怎樣的測試場景來證明所完成程序是正確的。