城軌系統(tǒng)中聯(lián)鎖仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

范 楷，馮浩楠，王俊高，王 鯤

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道技術(shù)研修學(xué)院， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所， 北京 100081）

計(jì)算機(jī)與通信信號(hào)

城軌系統(tǒng)中聯(lián)鎖仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

范 楷1，2，馮浩楠2，王俊高2，王 鯤2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道技術(shù)研修學(xué)院， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所， 北京 100081）

分析城市軌道對(duì)聯(lián)鎖新的需求，以面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)采用RSSP-I協(xié)議解決通信中的干擾問(wèn)題；不僅實(shí)現(xiàn)了鐵路基本聯(lián)鎖功能，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)屏蔽門(mén)的控制?；贑BTC仿真環(huán)境驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的有效性，為快速開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件和驗(yàn)證新的聯(lián)鎖功能提供便捷的手段。

軌道交通；CBTC；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；仿真環(huán)境

隨著近年來(lái)無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，城市軌道交通的列車(chē)控制系統(tǒng)已經(jīng)從基于軌道電路的列車(chē)控制系統(tǒng)發(fā)展為基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC，Control Based on Train Communication）[1～4]。城市軌道交通的新需求對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI，Computer Based Interlocking）的功能提出了新的要求，除了具備傳統(tǒng)聯(lián)鎖具有的排列進(jìn)路、開(kāi)放信號(hào)等基本功能外，增加了對(duì)屏蔽門(mén)控制等新的功能。

在開(kāi)發(fā) CBTC 系統(tǒng)中，為了早期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤以及節(jié)省開(kāi)發(fā)研制成本，計(jì)算機(jī)仿真成為測(cè)試及驗(yàn)證系統(tǒng)的重要手段。完整的 CBTC 系統(tǒng)包括 CBI、區(qū)域控制中心系統(tǒng)（ZC，Zone Controller）、自動(dòng)列車(chē)監(jiān)督系統(tǒng)（ATS，Automatic Train Supervision）、車(chē)載控制系統(tǒng)（VOBC，Vehicle On-board Control Unit)和軌旁設(shè)備共同構(gòu)成。CBTC 仿真平臺(tái)模擬了各個(gè)系統(tǒng)的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的驗(yàn)證。本文以北京地鐵 7號(hào)線為例，重點(diǎn)研究了 CBI仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并在 CBTC 的虛擬仿真測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證，提高了整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試的效率。

1 CBI聯(lián)鎖功能需求和仿真測(cè)試平臺(tái)

1.1 聯(lián)鎖功能需求

CBI是以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的聯(lián)鎖控制，其按照故障-安全、高可靠性的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),保證行車(chē)安全，提高運(yùn)輸效率，改善勞動(dòng)條件的需求。

CBI實(shí)時(shí)采集站場(chǎng)狀態(tài)信息和其他設(shè)備的狀態(tài)信息、人員的操作命令，在進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算后，給其他設(shè)備計(jì)算后的狀態(tài)信息，同時(shí)輸出控制命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。城市軌道交通中的 CBI具備信號(hào)機(jī)控制、道岔控制、區(qū)段控制、進(jìn)路控制、保護(hù)進(jìn)路控制、屏蔽門(mén)的監(jiān)督、緊急停車(chē)按鈕的監(jiān)督、防淹門(mén)控制和監(jiān)督、場(chǎng)聯(lián)控制、點(diǎn)式報(bào)文控制等功能。結(jié)合北京地鐵 7號(hào)線，仿真平臺(tái)中 CBI的詳細(xì)功能需求如下。

1.1.1 進(jìn)路管理功能

CBI確保列車(chē)運(yùn)行進(jìn)路的安全，其必須在規(guī)定的聯(lián)鎖條件和規(guī)定的時(shí)序下對(duì)進(jìn)路、信號(hào)和道岔實(shí)行控制，確保進(jìn)路上軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)之間的安全聯(lián)鎖。聯(lián)鎖仿真平臺(tái)能夠顯示所有線路占用狀態(tài):區(qū)段空閑時(shí)為灰色光帶，鎖閉為白色光帶，占用為紅色光帶，保護(hù)進(jìn)路為黃色光帶。

1.1.2 道岔管理功能

道岔能夠單獨(dú)操縱或隨進(jìn)路的排列而自動(dòng)選動(dòng)。道岔應(yīng)設(shè)有位置表示，在仿真平臺(tái)上，當(dāng)?shù)啦砦挥诙ㄎ绘i閉時(shí)表示綠色，當(dāng)?shù)啦砦挥诜次绘i閉時(shí)表示黃色。

1.1.3 信號(hào)管理功能

仿真平臺(tái)中的信號(hào)機(jī)位置根據(jù)實(shí)際站場(chǎng)圖進(jìn)行布設(shè)。信號(hào)機(jī)采用黃、綠、紅3種信息表示。綠色燈光:表示道岔已鎖閉，并開(kāi)通直向，準(zhǔn)許列車(chē)按規(guī)定速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)；黃色燈光:表示道岔已鎖閉，并開(kāi)通側(cè)向，準(zhǔn)許列車(chē)按規(guī)定速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)；紅色燈光:不準(zhǔn)列車(chē)越過(guò)信號(hào)機(jī)；紅色燈光+黃色燈光:表明開(kāi)放引導(dǎo)信號(hào)，準(zhǔn)許列車(chē)以不大于一個(gè)規(guī)定的速度（如 25 km/h）越過(guò)該架信號(hào)機(jī)并隨時(shí)準(zhǔn)備停車(chē)。

1.1.4 地鐵屏蔽門(mén)控制

屏蔽門(mén)的監(jiān)督和控制是城市軌道交通聯(lián)鎖的新特點(diǎn)。開(kāi)啟屏蔽門(mén)的過(guò)程為:當(dāng)ATO自動(dòng)發(fā)出或由司機(jī)手動(dòng)發(fā)出開(kāi)啟車(chē)門(mén)命令后，VOBC 將給 CBI發(fā)送“開(kāi)啟左（右）側(cè)屏蔽門(mén)”指令，CBI在檢查相應(yīng)的聯(lián)鎖條件后，如果滿足開(kāi)門(mén)情況，就向屏蔽門(mén)下達(dá)“開(kāi)啟左（右）側(cè)屏蔽門(mén)”指令；關(guān)閉屏蔽門(mén)情況類(lèi)似。

1.2 CBTC調(diào)試平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CBTC仿真調(diào)試平臺(tái)為驗(yàn)證聯(lián)鎖子系統(tǒng)的功能提供了測(cè)試環(huán)境。各子系統(tǒng)間接口關(guān)系如圖1所示。各個(gè)子系統(tǒng)功能如下 :ATS實(shí)現(xiàn)人工指令下達(dá)功能 ；ZC 為 CBI提供邏輯區(qū)段狀態(tài)，列車(chē)停穩(wěn)，跨壓等信息以及信號(hào)機(jī)強(qiáng)制點(diǎn)燈命令 ；CBI為 ZC 提供道岔位置和鎖閉狀態(tài)，區(qū)段運(yùn)行方向，記軸區(qū)段占用等信息 ；相鄰的 CBI提供為所在站的站場(chǎng)信息。VOBC為 CBI提供開(kāi)啟屏蔽門(mén)的命令信息，CBI返回屏蔽門(mén)狀態(tài)信息。

圖1 CBTC仿真系統(tǒng)各子系統(tǒng)間接口關(guān)系

2 聯(lián)鎖仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

計(jì)算聯(lián)鎖系統(tǒng) CBI包括通信子系統(tǒng)和邏輯子系統(tǒng)兩個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)及其與其他系統(tǒng)交互關(guān)系

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)又可以細(xì)分成通信子系統(tǒng)和邏輯子系統(tǒng)。通信子系統(tǒng)主要完成 CBI系統(tǒng)與外圍設(shè)備的交互，確保接收的數(shù)據(jù)能夠無(wú)錯(cuò)的傳遞給邏輯子系統(tǒng)；邏輯子系統(tǒng)根據(jù)輸入信息主要完成聯(lián)鎖運(yùn)行并輸出邏輯控制信息。

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

在功能需求分析和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)安全信息交互的功能，通過(guò)模擬仿真，驗(yàn)證安全通信協(xié)議的有效性；在邏輯子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是通過(guò)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算功能。

2.2.1 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖仿真平臺(tái)與外界的信息交互。由于聯(lián)鎖子系統(tǒng)屬于信號(hào)安全設(shè)備，它與其他信號(hào)安全設(shè)備之間必須進(jìn)行安全通信，克服通信的不確定性。鐵路上使用 RSSP-I安全通信協(xié)議克服通信中的威脅[5]，如表 1 所示，表中列舉了通信中可能出現(xiàn)的威脅以及針對(duì)威脅協(xié)議所采取的安全措施。

表1 RSSP-I安全通信協(xié)議威脅、防御矩陣

2.2.2 邏輯子系統(tǒng)

使用面向?qū)ο蟮乃枷?，借鑒鐵路 6502 聯(lián)鎖模塊化的設(shè)計(jì)思想，邏輯子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號(hào)類(lèi)，區(qū)段類(lèi)，道岔類(lèi)，絕緣類(lèi)4個(gè)類(lèi)；每個(gè)類(lèi)的函數(shù)功能是通過(guò)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。邏輯子系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖3所示。

圖3 邏輯子系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖

針對(duì)城市軌道地鐵中的屏蔽門(mén)控制問(wèn)題，邏輯子系統(tǒng)處理流程如圖4所示。

圖4 屏蔽門(mén)控制通信流程圖

3 仿真系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證聯(lián)鎖仿真平臺(tái)的功能需求，基于CBTC仿真平臺(tái)，以北京地鐵7號(hào)線雙河村站為例，進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M列車(chē)2號(hào)車(chē)進(jìn)入雙河村站臺(tái)的過(guò)程，此過(guò)程中涉及了列車(chē)進(jìn)路的辦理，道岔位置的表示和鎖閉，信號(hào)開(kāi)放，以及對(duì)屏蔽門(mén)控制等功能的測(cè)試項(xiàng)目。仿真過(guò)程如下:

（1） 當(dāng)模擬列車(chē) 2 號(hào)車(chē)位于股道 21G 時(shí)，該計(jì)軸區(qū)段 21G 顯示紅色，表示有車(chē)占用。排列了從信號(hào)機(jī)F5到XC3的通過(guò)進(jìn)路，道岔11位于定位且鎖閉，道岔 9-7 位于反位鎖閉。根據(jù)需求可知，道岔有反位表示時(shí)，信號(hào)機(jī) F5 顯示黃燈，XC3 防護(hù)的股道 3DG為保護(hù)區(qū)段，為黃色顯示。此時(shí)，模擬列車(chē)2號(hào)車(chē)的 VOBC 不與雙河村仿真聯(lián)鎖 CBI通信，因此顯示狀態(tài)為通信中斷。如圖5所示。

圖5 列車(chē)未進(jìn)站狀態(tài)

（2） 當(dāng)模擬列車(chē) 2 號(hào)車(chē)進(jìn)入站 臺(tái) 區(qū) 段 17G 時(shí)，VOBC 開(kāi)始向模擬聯(lián)鎖 CBI發(fā)送查詢命令 0x00，模擬聯(lián)鎖CBI向VOBC發(fā)送PSD的狀態(tài)。此時(shí)站場(chǎng)狀態(tài)及模擬平臺(tái)通信狀態(tài)如圖6所示。

（3） 當(dāng) 模擬列車(chē) 2 號(hào) 車(chē)在站臺(tái)停穩(wěn)后，VOBC 向 CBI發(fā)送“允許開(kāi)啟右側(cè)屏蔽門(mén)”命令 0x55，CBI確認(rèn)屏蔽門(mén)設(shè)備可開(kāi)啟后開(kāi)啟屏蔽門(mén)，模擬屏蔽門(mén)狀態(tài)由灰色的 CLOSE變成了紅色的 OPEN。此時(shí)站場(chǎng)狀態(tài)及模擬平臺(tái)通信狀態(tài)如圖7所示。

（4） 當(dāng) 模擬列車(chē) 2 號(hào) 車(chē)關(guān)門(mén)離站時(shí)，列車(chē)的 VOBC 向 CBI發(fā)送“關(guān)閉屏蔽門(mén)”命令0xAA，模擬聯(lián)鎖系統(tǒng) CBI監(jiān)督屏蔽門(mén)狀態(tài)，檢查是否所有的 PSD 都“關(guān)閉并鎖閉”，當(dāng)所有 PSD 關(guān)閉且鎖閉后，CBI將屏蔽門(mén)關(guān)閉并鎖閉狀態(tài)發(fā)送給VOBC，VOBC檢查車(chē)門(mén)關(guān)閉并取消“允許開(kāi)X側(cè)車(chē)門(mén)”的命令，列車(chē)方可離開(kāi)站臺(tái)。此時(shí)站場(chǎng)狀態(tài)及模擬平臺(tái)通信狀態(tài)如圖8所示。

圖6 列車(chē)進(jìn)站未停穩(wěn)狀態(tài)

圖7 列車(chē)進(jìn)站停穩(wěn)屏蔽門(mén)正常開(kāi)啟狀態(tài)

圖8 列車(chē)準(zhǔn)備出站屏蔽門(mén)正常關(guān)閉狀態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析城市軌道交通對(duì)聯(lián)鎖需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京地鐵7號(hào)線工程，利用面向?qū)ο蠓治龊徒５姆椒ㄍ瓿闪寺?lián)鎖仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)除了具備普通城軌聯(lián)鎖基本功能外，還增添了針對(duì)地鐵特有的屏蔽門(mén)控制功能。最后基于 CBTC 仿真平臺(tái)檢驗(yàn)了聯(lián)鎖仿真平臺(tái)的正確性和可行性。該聯(lián)鎖仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)為今后驗(yàn)證聯(lián)鎖軟件不同的聯(lián)鎖邏輯功能提供了便利。

[1] 王 鯤，龍廣錢(qián)，王俊高，于 瀟 . 關(guān)于城市軌道交通 CBTC 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)的研究 [J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2012（4）.

[2] 王 悉，唐 濤，黃友能 . 城市列控系統(tǒng)仿真平臺(tái)中聯(lián)鎖站的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（12）：3407-3410.

[3] 崔寧寧，董 昱，周 洋 .計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)仿真平臺(tái)的研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010（12）.

[4] 竇 偉 .計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在地鐵（輕軌）車(chē)輛段的應(yīng)用 [J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002（10）.

[5] 陳 臣 . 鐵路信號(hào) RSSP-1 安全通信協(xié)議在既有線站間安全信 息 傳 輸 中 的 應(yīng) 用 研 究 [D]. 北 京 ：北 京 交 通 大 學(xué) , 2013.

責(zé)任編輯 方 圓

Design and implementation of interlocking simulation platform for Urban Transit

FAN Kai1,2, FENG Haonan2, WANG Jungao2, WANG Kun2
( 1. Railway Technology Research College, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The new requirements of interlocking in Urban Transit were analyzed, the interlocking simulation platform was designed and implemented by the object-oriented method, which solved communication interference problem with the RSSP-I protocol, ful lled basic interlocking function, and controlled the action of PSD. The platform was veri ed in the CBTC simulation environment, which provided convenient way for developing rapidly interlocking software and validating new function.

Urban Transit; CBTC; control based interlocking; simulation environment

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）01-0036-04

2014-08-15

范 楷，在讀碩士研究生；馮浩楠，助理研究員。