城市軌道交通CBTC系統(tǒng)歐標(biāo)應(yīng)答器仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳寧寧，徐 杰，尹遜政

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

基于無(wú)線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）作為城市軌道交通核心的安全控制子系統(tǒng)，其開發(fā)遵從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證到實(shí)際線路驗(yàn)證的研發(fā)流程。由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，控制對(duì)象具有多目標(biāo)、多模式、高速度等特點(diǎn)，研發(fā)前期階段需要面向系統(tǒng)需求，最大限度地采用軟件模擬仿真實(shí)際線路構(gòu)建系統(tǒng)仿真試驗(yàn)環(huán)境。

目前我國(guó)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)普遍采用符合歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答器設(shè)備完成列車位置校準(zhǔn)、降級(jí)模式下列車授權(quán)報(bào)文發(fā)送等功能。面向城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成測(cè)試要求，研發(fā)室內(nèi)應(yīng)答器子系統(tǒng)仿真測(cè)試軟件平臺(tái)對(duì)CBTC系統(tǒng)自主研發(fā)工作至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

CBTC列車控制系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備如計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、軌旁ATP（列車自動(dòng)防護(hù)-軌旁）、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸、應(yīng)答器等。車載設(shè)備如車載ATP（列車自動(dòng)防護(hù)-車載）、BTM（應(yīng)答器發(fā)送接收單元-車載）等。系統(tǒng)有3個(gè)控制等級(jí)：CTC（連續(xù)式列車控制級(jí)）、ITC（點(diǎn)式列車控制級(jí)）、ILC（聯(lián)鎖級(jí)列車控制級(jí)）。ILC是車載設(shè)備復(fù)位后的默認(rèn)運(yùn)行等級(jí)同時(shí)也是最低級(jí)的運(yùn)行等級(jí)。ILC通過(guò)定位及移動(dòng)授權(quán)的接收可以切換到相應(yīng)的ITC或更高的CTC運(yùn)行等級(jí)如圖1所示。

圖 1 CBTC系統(tǒng)控制級(jí)別轉(zhuǎn)換圖

ILC級(jí)別下的列車需要接收到兩個(gè)連續(xù)的固定應(yīng)答器報(bào)文才能確定當(dāng)前的位置及運(yùn)行方向。列車位置的變化是通過(guò)累加車輪運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)得到的。由于車輪磨損導(dǎo)致的車輪直徑誤差使長(zhǎng)距離運(yùn)行時(shí)列車位置計(jì)算存在不確定性。該不確定性的增長(zhǎng)危及系統(tǒng)的安全性，因此，ITC與CTC級(jí)別下都需要應(yīng)答器設(shè)備作為列車行駛位置的修正標(biāo)準(zhǔn)。在ITC級(jí)別下，應(yīng)答器在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制下還承擔(dān)著移動(dòng)授權(quán)的發(fā)送功能，因此應(yīng)答器報(bào)文收發(fā)是3個(gè)控制級(jí)別的運(yùn)行基礎(chǔ)，它的正確與否直接關(guān)系到列車控制的可靠性與安全性。

CBTC系統(tǒng)應(yīng)答器相關(guān)設(shè)備的分布如圖2所示。

圖 2 CBTC系統(tǒng)設(shè)備分布圖

實(shí)際線路的應(yīng)答器是按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署在整條線路上的，按照?qǐng)?bào)文控制方式，可分為固定應(yīng)答器與可變應(yīng)答器。固定應(yīng)答器每隔一段距離安裝一個(gè)用于修正列車的運(yùn)行位置信息。可變應(yīng)答器根據(jù)其物理安裝位置，定義為主信號(hào)應(yīng)答器和填充應(yīng)答器。主信號(hào)應(yīng)答器與信號(hào)燈關(guān)聯(lián)，可以發(fā)送信號(hào)機(jī)表示的進(jìn)路信息。填充應(yīng)答器則可以復(fù)示前方信號(hào)機(jī)關(guān)聯(lián)主信號(hào)應(yīng)答器的報(bào)文。應(yīng)答器及其它軌旁設(shè)備布局如圖3所示。

歐標(biāo)應(yīng)答器（Eurobalise）是依據(jù)ETCS（歐洲鐵路控制系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開發(fā)而成的，廣泛應(yīng)用于歐洲軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，近年來(lái)在我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通中的應(yīng)用也日益廣泛。歐標(biāo)應(yīng)答器在保證硬件通用性的前提下，內(nèi)部存儲(chǔ)報(bào)文具有嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)定義，根據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度不同，劃分為長(zhǎng)報(bào)文和短報(bào)文兩種方式。長(zhǎng)報(bào)文共1 023 bit數(shù)據(jù)，其中有效報(bào)文830 bit，除去幀頭50 bit和幀結(jié)束包8 bit，用戶數(shù)據(jù)包共計(jì)772 bit。短報(bào)文共341 bit，其中有效報(bào)文210 bit，除去幀頭50 bit和幀結(jié)束包8 bit,用戶數(shù)據(jù)包共計(jì)152 bit。CBTC系統(tǒng)中通常使用長(zhǎng)報(bào)文方式。

圖 3 軌旁應(yīng)答器布置圖

由于應(yīng)答器設(shè)備的重要性、位置相關(guān)性且CBTC系統(tǒng)軟件開發(fā)工作不可能始終在正式線路上進(jìn)行，開發(fā)一套室內(nèi)應(yīng)答器仿真測(cè)試軟件勢(shì)在必行。應(yīng)答器仿真測(cè)試平臺(tái)軟件功能主要包括信號(hào)機(jī)、道岔、應(yīng)答器、BTM（車載應(yīng)答器接收設(shè)備）?？梢陨珊桶l(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答器報(bào)文。

2 功能需求及實(shí)現(xiàn)

固定應(yīng)答器的通信過(guò)程是當(dāng)行駛列車通過(guò)固定應(yīng)答器上方時(shí)，車載BTM天線通過(guò)無(wú)線信號(hào)給固定應(yīng)答器提供電能，固定應(yīng)答器激活并發(fā)送存儲(chǔ)在內(nèi)部的固定應(yīng)答器報(bào)文。車載BTM天線接收?qǐng)?bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)給車載ATP。

可變應(yīng)答器的通信過(guò)程是行駛列車接近可變應(yīng)答器關(guān)聯(lián)的信號(hào)機(jī)時(shí)，聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù)線路情況和列車位置為列車排列進(jìn)路并發(fā)送LEU控制指令修改可變應(yīng)答器內(nèi)部報(bào)文。當(dāng)行駛列車通過(guò)可變應(yīng)答器上方時(shí)，可變應(yīng)答器激活并發(fā)送存儲(chǔ)在內(nèi)部的可變應(yīng)答器報(bào)文。車載BTM天線接收?qǐng)?bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)給車載ATP。

CBTC系統(tǒng)歐標(biāo)應(yīng)答器仿真測(cè)試平臺(tái)由硬件和軟件組成。硬件主要包括一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的通信板塊。系統(tǒng)采用W indow s操作系統(tǒng)，軟件則由VC++開發(fā)，主要包括：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接口模塊、車載ATP 接口模塊、人機(jī)接口模塊及應(yīng)用邏輯模塊。軟件主要功能保證應(yīng)答器及其相關(guān)信號(hào)機(jī)、道岔功能上的完全模擬。要求模擬軟件有與車載ATP及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的通信接口，功能上確保應(yīng)答器報(bào)文與實(shí)際相符，能夠準(zhǔn)確的判定報(bào)文的發(fā)送時(shí)機(jī)。軟件接口及工作流程如圖4所示。

圖 4 應(yīng)答器仿真測(cè)試平臺(tái)接口及工作流程圖

2.1 應(yīng)答器報(bào)文與實(shí)際相符

應(yīng)答器報(bào)文分為固定應(yīng)答器報(bào)文及可變應(yīng)答器報(bào)文。固定應(yīng)答器報(bào)文在設(shè)備中永遠(yuǎn)不變?？勺儜?yīng)答器報(bào)文隨關(guān)聯(lián)信號(hào)機(jī)的狀態(tài)而改變，包括紅燈報(bào)文、綠燈報(bào)文、滅燈報(bào)文、默認(rèn)報(bào)文。軟件中用配置文件方式存儲(chǔ)固定與可變應(yīng)答器報(bào)文，報(bào)文存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)方便利用信號(hào)機(jī)狀態(tài)、應(yīng)答器名稱等搜索。

仿真軟件與車載ATP設(shè)備運(yùn)行距離信息同源，可以根據(jù)道岔位置、信號(hào)機(jī)狀態(tài)推算出列車在線路地圖上的實(shí)際位置，同時(shí)不斷搜索該位置前方的應(yīng)答器編號(hào)、并在配置文件中搜索出相應(yīng)報(bào)文并發(fā)送給車載ATP。

2.2 支持多列車實(shí)時(shí)在線報(bào)文發(fā)送

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程是多輛列車同時(shí)在同一線路上運(yùn)行。本軟件支持對(duì)多輛列車搜索其當(dāng)前位置的前方應(yīng)答器報(bào)文。

2.3 支持應(yīng)答器故障測(cè)試

CBTC系統(tǒng)集成測(cè)試要求能對(duì)應(yīng)答器故障情況進(jìn)行測(cè)試。主要故障模式包括應(yīng)答器丟失、內(nèi)置應(yīng)答器報(bào)文錯(cuò)誤、應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送遲緩等。通過(guò)配置文件及界面選擇，本仿真測(cè)試軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述異常情況的模擬。應(yīng)答器列表界面如圖5所示。

2.4 支持手動(dòng)進(jìn)路排列與自動(dòng)進(jìn)路排列

圖5 應(yīng)答器列表

CBTC系統(tǒng)集成測(cè)試環(huán)境中計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備用于列車進(jìn)路的排列，如道岔位置、信號(hào)機(jī)狀態(tài)等。但是車載設(shè)備的測(cè)試不能完全依賴于真實(shí)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備，因此在應(yīng)答器仿真測(cè)試軟件中添加與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖斷開狀態(tài)時(shí)對(duì)信號(hào)機(jī)狀態(tài)、道岔位置的手動(dòng)選擇功能。信號(hào)機(jī)狀態(tài)包括紅燈、綠燈、黃燈、滅燈。道岔狀態(tài)包括定向、反向。

連接真實(shí)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備，軟件可以實(shí)時(shí)從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖獲取當(dāng)前的進(jìn)路信息，動(dòng)態(tài)更新本地信號(hào)機(jī)與道岔信息。自動(dòng)進(jìn)路排列更貼近于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，測(cè)試效果更好。

3 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)歐標(biāo)應(yīng)答器仿真測(cè)試平臺(tái)，可以使車載系統(tǒng)脫離軌旁測(cè)試環(huán)境的限制進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，也可以將軌旁測(cè)試環(huán)境與車載測(cè)試環(huán)境無(wú)縫結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)CBTC系統(tǒng)的自動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間室內(nèi)壓力測(cè)試。它不僅滿足了mTC-I型CBTC系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的開發(fā)與測(cè)試需求，而且借助其自身通用化設(shè)計(jì)、良好的軟件擴(kuò)展性以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器在我國(guó)城市軌道交通、干線鐵路、高速鐵路的普遍應(yīng)用，在未來(lái)可以在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)自主化工作中發(fā)揮更大作用。

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