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区间自动闭塞系统安全性测试系统仿真建模

文档作者：陈邦兴吴芳美文档来源：同济大学		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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基金项目：铁道部科技研究开发计划资助项目（!""!&amp;amp;""’）
作者简介：陈邦兴（$()* # ），男，江苏泰州人，讲师，博士生+ ,-./01：20345/346789:;+ <:;+ =3
区间自动闭塞系统安全性测试系统仿真建模
陈邦兴，吴芳美
（同济大学电子与信息工程学院，上海!"""(!）
摘要：铁路区间自动闭塞系统的可靠性和安全性的测试与评估是铁路安全控制领域广为关注的焦点，开发区间自
动闭塞系统可靠性和安全性自动测试与评估平台是解决这一问题的有效途径+ 因此，结合作者正在参加研究开发
的区间自动闭塞系统可靠性和安全性自动测试与评估平台，介绍了铁路区间自动闭塞系统的基本原理，抽象出铁
路区间自动闭塞系统面向对象模型，详尽阐述了利用轨道作为传输通道的仿真模型中所采用的仿真技术，并给出
了自动闭塞系统可靠性和安全性自动测试与评估平台的总体设计框图+
关键词：自动闭塞系统；安全性；测试；仿真建模
中图分类号：> !?%+%* 文献标识码：@ 文章编号："!A* # *’%&amp;amp;（!""*）") # ")(! # "A
!"#$%&amp;amp;’"() *+,-)(%(./ 0(1 !&amp;amp;0+’/ *+2’"). (0
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WC1+*$ SC+)
P;3+ !""*
估平台（以下简称“自动闭塞系统测试评估平台”）为背景，阐述建造自动闭塞系统测试评估平台仿真子系统
的仿真技术!
! 区间自闭系统的功能模型
自动闭塞是国内外铁路广泛采用的组织区间行车的技术措施，它将连接两车站的铁路线路划分为若干
个闭塞分区，在每个闭塞分区内同一时刻只允许一列列车运行，这样使前行列车和追踪列车之间在空间上保
持一定的距离，可以有效地防止列车追尾事故的发生，确保列车运行安全和提高区间通过能力! 其具体实现
是利用通过信号机（当以地面信号作为主体信号时）来防护每个闭塞分区，每个闭塞分区内通常装设轨道电
路，通过轨道电路将列车和通过信号机的显示联系起来，使信号机的显示依列车运行或区间状态自动变换，
进而指挥列车在区间内的运行，确保行车安全! 图" 给出了自动闭塞系统信息生成、传输和系统执行动作过
图! 自动闭塞系统原理框图
"#$%! &amp;amp;’#()#*+,- ./ 01, 230.420#) 5+.)6 -7-0,4
程的原理框图% 图中，信息源根据自动闭塞所需要的信
息数量及特征构成；信息编码根据本信号点的显示，把
并行的信息源编制成符合设计要求的串行信息；信息
发送是把编码环节输出的串行信息进行调制及功率放
大送至传输信道；信息接受是把从通道中接收的信息
进行解调，获取原串行的信息；信息译解的作用是把接
收的串行信息译解出按设计要求驱动规定的执行元件的命令信息；执行元件一般采用安全型继电器，通过继
电器的接点，控制通过信号机的信号显示!
信息的传输可有多种方式，鉴于目前国内外采用最多的是利用轨道作为信息传输通道，故研制中的铁路
区间自动闭塞系统可靠性和安全性测试评估平台的传输通道仿真重点考虑轨道传输的仿真! 图# 给出了利
用钢轨作为传输通道的自动闭塞系统信息传递的原理框图!
图8 自动闭塞信息传递原理框图
"#$%8 9(/.’420#.( 0’2(-*.’020#.( *’#()#*+, ./ 01, 230.420#) 5+.)6 -7-0,4
区间轨道电路是区间钢轨传输线和连接于其发送端和接受端设备（图# 中虚线内的部分）的总称! 它是
以两根钢轨作为信息传输通道，给出轨道空闲、占用或完整的信息，同时还起着通过信号机之间以及地面设
备与机车信号设备之间信息传输通道的作用! 无论是何种区间自动闭塞制式，列车的运行安全要求区间轨道
电路系统中的各种设备在任何状态下都要使闭塞分区的防护信号机显示安全信号! 在三显示制式下，图# 信
号机之间的显示关系可用图$ 的有色%&amp;amp;’() 网进行描述! 图$ 中，库所""
，"#
，"$
分别代表图# 中相应信号机
的显示状态，变迁#"
和##
表示信号机状态的变化，$ 为变量，其取值集合% *｛+&amp;amp;,，-&amp;amp;../0，1(&amp;amp;&amp;amp;2｝! 函数&amp;amp;
定义如下：
（&amp;amp; +&amp;amp;,）* -&amp;amp;../0， （&amp;amp; -&amp;amp;../0）* 1(&amp;amp;&amp;amp;2， （&amp;amp; 1(&amp;amp;&amp;amp;2）* 1(&amp;amp;&amp;amp;2
" 自动闭塞系统面向对象的抽象模型
实践证明，面向对象技术是一种建立多数实际系统抽象模型的有效方法! 在面向对象的仿真中，对象是
第4期 陈邦兴，等：区间自动闭塞系统安全性测试系统仿真建模 43$
构成仿真模型的主体! 建模的主要任务就是识别并定义出组成系统的对象，正确描述出它们之间的相互作用
和关系，并将它们组织成系统! 每一个对象都是一个封装起来的模块，对象的属性和行为均限制在各对象的
内部，并通过明确定义的接口与其它对象交换信息! 整个模型的行为表现为对象之间的交互行为!
图! 三显示闭塞分区防护信号机显示
关系的有色"#$%&amp;amp; 网描述
’&amp;amp;()! *+,#-’$.%## /-0#1$- -&amp;amp;(2/, &amp;amp;23&amp;amp;1/$&amp;amp;42
&amp;amp;2 /+$45/$&amp;amp;1 6,417 -8-$#5 3#-1%&amp;amp;6#3
68 14,4+%#3 "#$%&amp;amp; 2#$
对象建模技术（"#$%&amp;amp;’ (")%*+,- ’%&amp;amp;.,"*"-/，012）是当今较为实用
的面向对象的方法之一! 其基本思想是从空间、时间及功能这3 个
既相互独立又相互联系的角度去分析和设计一个系统［4］! 012 的
基本方法和过程是：首先从空间角度，直接面向应用的自然存在，
并依据应用的目的把它划分成若干个离散对象（或抽象成类），并
确定这些对象的属性，操作（主动的和被动的）以及这些对象间的
关系，来构成问题空间的静态结构；接下来从时间角度，考察系统
中对象（特别是那些有交互活动或并发操作的对象）在不同时刻的
状态变化及对象之间相互关系的变迁，从而构成对象的控制结构；
最后从功能的角度来描述系统中对象属性值从输入到输出的变化过程及相关的操作，从而构成数据计算或
处理的逻辑结构———数据流图（565）或称为系统的功能模型!
笔者采用面向对象技术对自动闭塞系统建立图4 所示的对象模型! 图中车站不属于区间信号仿真范围，
但对区间有消息发送接收关系，用虚方框以示区分! 下面给出建立图4 抽象模型时用到的对象和一些关系的
一般定义!
图9 自动闭塞系统的对象模型
’&amp;amp;()9 :6;#1$ 543#, 4< $.# /+$45/$&amp;amp;1 6,417 -8-$#5
定义= 一个对象0789:2 是一个五元组，定义为0789:2 ; < =5，15，5>，?>@，>2 A ! 其中：=5 为对象标
识符；15 为对象中的方法；5> 为对象数据结构；?>@ 为对象存储空间；>2 为对象状态集合!
定义> 对象之间的关系0B> 是对象序对，定义为0B> ;｛< 0#$%&amp;amp;’C，0#$%&amp;amp;’D A （0#$%&amp;amp;’C!0789:2）"
（0#$%&amp;amp;’D!0789:2）｝!
在区间信号仿真系统中，对象间关系分为消息关系和聚合关系!
定义! 消息关系1B> 是0B> 的子集，定义为1B> ;｛< 0#$%&amp;amp;’C，0#$%&amp;amp;’D A （0#$%&amp;amp;’C!0789:2）"（0#E
$%&amp;amp;’D!0789:2）"（1>（0#$%&amp;amp;’C，0#$%&amp;amp;’D，19）"（19!0#$%&amp;amp;’D!15））｝! 其中：1>（0#$%&amp;amp;’C，0#$%&amp;amp;’D，19）表示对象
0#$%&amp;amp;’C 向对象0#$%&amp;amp;’D 发送消息19；19!0#$%&amp;amp;’D!15 表示对象0#$%&amp;amp;’D 中有相应的方法处理消息19!
定义9 聚合关系:?F 是0B> 的子集，定义为:?F ;｛< 0#$%&amp;amp;’C，0#$%&amp;amp;’D A （0#$%&amp;amp;’C!0789:2）"（0#E
$%&amp;amp;’D!0789:2）"（0#$%&amp;amp;’D!0#$%&amp;amp;’C! ?>@）｝! 其中，0#$%&amp;amp;’D!0#$%&amp;amp;’C! ?>@ 表示对象0#$%&amp;amp;’D 存在于对象0#$%&amp;amp;’C
的存储空间!
综上所述，运用面向对象的方法进行仿真建模非常符合人们对实际系统的自然认识，使建模的过程与方
法尽可能接近人们认识世界解决问题的过程与方法! 在建立了区间信号仿真系统对象模型以后，即可将研究
重点放在模型中各对象自身的仿真模型和仿真算法上!
HG4 同济大学学报第3C 卷
! 自动闭塞系统可靠性、安全性测试评估平台组成原理和仿真模型
研制自动闭塞系统测试评估平台的目的就是要建立自动闭塞系统运行的仿真环境，以便在该仿真环境
下可对自闭系统的安全性和可靠性进行测试评估! 随着高速铁路的发展，地面信号将逐渐被机车信号取代!
因此，为了满足未来的需求，在系统总体框架设计过程中也考虑了与机车信号处理系统的接口! 图" 描述了
该平台的组成原理（机车信号处理系统用虚线框给出）!
图! 区间自动闭塞系统测试与评估平台组成原理图
"#$%! &amp;amp;’#()#*+, -#.$’./ 01 23, )0/*42,’ 2,52 .(- .55,55/,(2 5652,/
01 23, ’.#+7.6 .420/.2#) 8+0)9 5652,/
平台可同时测试多个闭塞分区设备，# $ % 驱动模块和数据采集与处理模块的通道数可按实际需要进行
扩充! 区间自闭系统测试与评估平台计划分为两个阶段实施：第一阶段实现轨道电路传输仿真并对基于轨道
电路传输的设备进行测试和安全性评估；第二阶段实现机车信号传输仿真并对机车信号设备进行测试和安
全性评估! 就平台第一阶段的仿真实现而言，关键是要实现传输信道仿真!
由于对轨道电路的技术要求及运用条件不同，区间轨道电路种类繁多，但其工作原理可用图&amp;amp; 的等效四
端口网络表示!
此四端网由’ 个级联的等效四端网!(
，!)
和!*
组成" 其中!(
为轨道电路发送端匹配器的等效四端
网，!)
为钢轨传输线的等效四端网，!*
为轨道电路接收端匹配器的等效四端网" #(
，$(
，%(
和&amp;amp;(
为四端网
!(
的+ 参数；#)
，$)
，%)
和&amp;amp;)
为四端网!)
的+ 参数；#*
，$*
，%*
和&amp;amp;*
为四端网!*
的+ 参数；, 为激励
源；- 为负载" , 发送的信号（携带某种行车控制信息）经过!(
，!)
，!*
的传输后，加于-" 对四端网传输仿真
主要是仿真其输入输出关系，这可以通过四端网的+ 参数加以描述" 轨道电路对于行车控制信息的传输主
要取决于!)
的传输特性，行车控制信息在传输过程中除受到轨道电路本身的传输特性影响外，还不可避免
地受到外界干扰的影响" 对于一般的四端口网络的传输特性可由图. 描述" 其传输方程为：’/ 0 #’1 2 $(1
，(/
0 %’1 2 &amp;amp;(1 !
图: 轨道电路四端网等效电路
"#$%: ;<4#=.+,(2 104’ ,(-5 (,2 01 2’.)9 )#’)4#2
图> 四端网传输特性示意图
"#$%> "04’ ,(-5 (,2’5 2’.(5*0’2.2#0(
)3.’.)2,’ -#.$’./
第&amp;amp;期 陈邦兴，等：区间自动闭塞系统安全性测试系统仿真建模 &amp;amp;3"
当需具体求! 参数时，可以把钢轨线路看作由两根钢轨组成的传输线和大地构成的等效电路" 钢轨具
有单位阻抗!#
和!$
，两根钢轨之间具有互感抗!%
，这&amp;amp; 条传输线间以均匀分布的漏电导"#
，"$
和"#$
连接
起来# 钢轨传输线的微分段’$ 的等效电路［(］，如图) 所示。图中：$ 表示列车与轨道电路接收端的距离；
%#$
，%$$
表示两根钢轨的对地电压；$
，&amp;amp;$$
表示两根钢轨的对地电流# 对于钢轨线路的微分段’$ 有
’%#$ ’ ’$ ( !# $ ) !% &amp;amp;$$
， ’%$$ ’ ’$ ( !$ &amp;amp;$$ ) !% $
’$ ’ ’$ (（ "# ) "#$
）%#$ * "#$%$$
， ’&amp;amp;$$ ’ ’$ (（ "$ ) "#$
）%$$ * "#$%#$
对不同类型的轨道电路区段，具体微分方程的形式不尽相同" 尤其在考虑传输干扰因素时，不同类型的
轨道电路区段，其干扰来源不同" 考虑传输干扰因素时应区分电气化轨道电路区段和非电气化轨道电路
图! 钢轨传输线的微分等效电路
"#$%! &amp;amp;’(#)*+,-. /#00,1,-.#*+ 2#12(#. 30 .1*24 +#-,5
区段以及有绝缘轨道电路和无绝缘轨道电路的多种
存在的组合情况" 不同类型的轨道电路的四端口网
络传输方程的分析与求解方法和获取! 参数的具体
算法可参阅文献［*］"
这样根据不同环境对! 参数的影响，通过上述
传输方程可确定不同环境对传输线路的影响" 铁路
信号系统的相关标准和技术条件规定了铁路区间自
动闭塞系统在不同! 参数情况下应达到的性能" 自
闭系统安全性、可靠性测试评估平台可测试被测系
统在不同! 参数下的性能，并在此基础上对其安全
性进行评估"
! 结语
利用上述四端网络的仿真模型，自动闭塞系统测试评估平台可以得到被测系统和设备在不同! 参数下
的性能" 自动闭塞系统测试评估平台的建立弥补了目前国内外对该领域产品可靠性和安全性自动测试与评
估上的空白" 目前的测试与评估的依据是相关标准或技术条件，标准制定的准确性与合理性直接影响到测试
与评估的结果" 但如果要精确地确定不同的! 参数所对应的现实环境却需要进行大量基础数据的搜集，同
时获取这些基础数据的试验方法也需进行深入细致的研究" 目前，国内外对这些基础数据获取的方法和数据
的积累方面都很欠缺" 因此，国家相关部门应有计划地组织人力和物力加大对这些基础领域的研究，这样才
能带动其它领域的发展"
参考文献：
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P9HG @5’ %9@HTF9D95［G ;］" ?9:U:56：K5G9F5@G:45@O !I@’9D:I VTMO:H39FH Q ?9:U:56 B4F’ VTMO:H3:56 ;4FS4F@G:45，$,,#"((# . ((/"
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*-* 同济大学学报第 卷
区间自动闭塞系统安全性测试系统仿真建模
作者： 陈邦兴， 吴芳美
作者单位： 同济大学,电子与信息工程学院,上海,200092
刊名：
同济大学学报(自然科学版)
英文刊名： JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)
年，卷(期)： 2003，31(6)
被引用次数： 0次
参考文献(6条)
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相似文献(10条)
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分析了半自动闭塞系统的功能需求,指出了继电半自动闭塞系统的不足.给出了基于光纤通信网的计算机半自动闭塞系统设计方案.研制光纤半自动闭
塞系统的工程样机并成功应用于舞钢线铁山等车站,应用效果表明,该系统满足半自动闭塞系统的功能和安全需求.
2.学位论文李晓举 微机化站间自动闭塞冗余控制系统研究 2007
在大型复杂实时协作等关键应用中，需要高可靠性的保障。如何保证系统能快速、准确、可靠、持久的运行，是需重点解决的关键问题之一，这就
需要系统具备冗余和容错能力。微机化站间自动闭塞系统采用计算机实现站间闭塞，并结合现有计轴技术，显著的提高了区间通过能力，对提高我国单
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的可靠性研究为实例研究铁路信号设备的可靠性与安全性，其研究方法对该类系统的研制、改进和完善及可靠性设计具有一定的参考意义。
　　本文的目的是研究铁路信号系统的可靠性设计与分析的方法，论文以系统的功能需求、技术指标为出发点，利用容错技术进行可靠性设计，提出设
计方案，系统地进行设计方案的可靠性分析和验证，对系统的可靠度和可用度进行合理的分配。然后，利用故障模式、效应分析和危害性分析、故障树
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5.学位论文梅萌 铁路区间自动闭塞系统测试评估平台的信息处理与接口研究 2005
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度对移频信号进行分析和处理方法.虚拟仪器技术的应用,成功的完成数字信号和模拟信号的相互转换,快速高效的实现数据采集和信号分析,方便计算机
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1．根据优化速度模型和轨道交通的特点，建立了移动自动闭塞系统下的列车追踪模型。通过该模型数值模拟生成的时空图和列车时间加速度图等
，我们探讨轨道交通流特性，如分析了列车加速度、位移和车头距的变化情况，考察了发车间隔对列车运行的影响。同时通过列车车头间距图验证了列
车运行安全性的要求。数值模拟结果表明该模型能够较好的描述一些真实移动自动闭塞系统的轨道交通流特性。
2．基于实际列车运行中加速度与减速度范围的不同，进一步提出了改进列车追踪模型。增加了混合流中单列列车加速度和速度仿真与分析，并通过
车头间距图，验证列车运行安全性。对两种可以做线性稳定性分析的列车追踪模型进行了详细的数学推导，并绘制了相关参数与车头间距的稳定性曲线
，分析曲线特性并与道路中跟驰模型稳定性曲线对比研究。模拟结果表明，不同模型中，列车运行中加速度和速度变化差异较大。加速度和速度变化越
平缓，变化频率越小，越有利于列车运行控制。与道路中跟驰模型相比，列车追踪模型的稳定性曲线也有很大变化，曲线存在突变点，而不是平滑的曲
线。
3．比较不同列车追踪运行模型中列车运行特性，如加速度和速度的变化等，模拟结果证明了将跟驰原理应用于铁路中移动自动闭塞系统的可行性。
对比实际列车运行情况，模拟结果验证了基于全速度差模型的列车追踪模型更加接近实际情况，对实际具有一定指导意义。
8.期刊论文刘昌胜 基于计算机联锁的铁路信号自动闭塞系统 -计算机工程与应用2003,39(32)
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9.学位论文李志先 计轴+双轨条无绝缘自动闭塞设计 2005
本文针对武-广线UM71轨道电路雨季多处“红光带”，围绕“低道碴电阻道床雨季红光带”问题，为了解决工程的实际问题、确保工程顺利开通投产
使用，我们攻关组在铁道部的支持下，在广铁集团公司和设计院的共同努力下，同铁道部工程设计鉴定中心会同部运输局基础部、科研、工程建设、设
计、施工及接管使用等单位进行了长达近一年的反复研讨和论证，在武广线低道碴电阻区段开发、研制、探索出了切合实际的方案，并设计出了“计轴
+双轨条传输ZPW-2000A型机车信号信息的无绝缘移频轨道电路自动闭塞系统”，得到了铁道部以铁鉴函[2002]508号文的批复。
　　该系统在轨道电路的传输安全性、传输长度、系统可靠性、可维修性以及在20km～30km的站间距离及采用国产SPT数字信号电缆等方面都使系统技术
性能价格比大幅度提高、降低工程造价上都有了显著提高。并彻底解决了“低道碴电阻道床雨季红光带”和“传输机车信号”的问题。通过对轨道电路
计算机仿真系统的开发，采取了”断轨检查钢轨，对地不平衡分路，轨道电路运用中接收器固有信干比”等提高轨道电路传输性能的一系列技术措施
，满足了我国0.20～1.5Ω·km各种道碴电阻道床传输、从理论和实践结合上实现了传输系统的技术优化。ZPW-2000无绝缘移频自动闭塞系统还满足了
“机车信号做为主体信号”的要求，为落实和实施2000年5月1日起施行铁路新技规第91条，为今后铁路进一步安全提速创造了必备条件。
10.期刊论文杨华 关于ZPW-2000A移频自动闭塞+1FS对在线发送频率干扰的研究探讨 -郑州铁路职业技术学院学报
2009,21(3)
ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统是在引进法国UM71无绝缘轨道电路技术的国产化基础上,结合我国周情进行技术再开发的新型自动闭塞系统,主
要用在无轨缝的电气化铁路线上.ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统在传输安全性、系统可靠性、可维修性以及传输长度、性价比上有着显著优势.
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