城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

崔亦博, 焦怡博, 孫 旺, 王壯鋒

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2．北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044)

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

崔亦博1, 焦怡博2, 孫 旺1, 王壯鋒1

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2．北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044)

設(shè)計(jì)了城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。CBTC系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)構(gòu)成，集成度高，硬件設(shè)備多。實(shí)驗(yàn)室按照先搭建各子系統(tǒng)，最后整體集成的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室各子系統(tǒng)可獨(dú)立進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，也可由各子系統(tǒng)配合完成整體實(shí)驗(yàn)。通過合理規(guī)劃，在一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了完整CBTC系統(tǒng)的仿真環(huán)境搭建。該方案保證了整個(gè)CBTC系統(tǒng)功能的完整性，將設(shè)備集成于同一實(shí)驗(yàn)室也減少了占地面積，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，為類似實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了參考。

城市軌道交通； 基于通信的列車控制； 仿真； 子系統(tǒng)； 集成

0 引 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來越多的城市將軌道交通建設(shè)作為未來的重要發(fā)展方向。至2016年末，國(guó)內(nèi)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)城市總數(shù)已超過29個(gè)[1]?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂?Communication Based Train Control，CBTC)系統(tǒng)是當(dāng)前城軌領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)具有信息傳輸實(shí)時(shí)性高、行車間隔短、無線通信能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。CBTC系統(tǒng)是安全苛求系統(tǒng)，應(yīng)遵循故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)理念[2]。因此需通過最高等級(jí)的SIL-4安全認(rèn)證，它是歐洲鐵路聯(lián)盟以IEC61508為基礎(chǔ)制定的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[3]。EN50128:2011不僅將安全完整性等級(jí)SIL(Safety Integrity Level)劃分為4級(jí)，更規(guī)范了各等級(jí)下軟件的需求、設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試、確認(rèn)各階段的活動(dòng)流程和具體要求[4]。要通過嚴(yán)苛的安全認(rèn)證，便需要依靠完整的仿真環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完備的測(cè)試。CBTC系統(tǒng)的硬件設(shè)備眾多，功能復(fù)雜，許多系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試需各子系統(tǒng)協(xié)同參加才能完成。若將不同子系統(tǒng)分開安置于各實(shí)驗(yàn)室，在協(xié)同測(cè)試時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多不便，因此有必要在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建一套完整的系統(tǒng)仿真環(huán)境，以提高實(shí)驗(yàn)效率。

1 CBTC系統(tǒng)介紹

以中國(guó)鐵道科學(xué)研究院與廣州市地下鐵道總公司研制的MTC-I型CBTC系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)的組成及功能。整個(gè)CBTC系統(tǒng)由以下子系統(tǒng)組成(系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

(1) 列車自動(dòng)防護(hù)(Automatic Train Protection，ATP)子系統(tǒng)，此子系統(tǒng)包括車載ATP設(shè)備(Vehicle On-Board Control Unit，VOBC)和軌旁區(qū)域控制器(Zone Controller，ZC)。ATP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)督列車的運(yùn)行速度和列車狀態(tài)(包括列車車門、完整性、司機(jī)操作等信息)。它完成列車超速防護(hù)、控制前后列車間安全間隔、實(shí)現(xiàn)車門與站臺(tái)屏蔽門聯(lián)動(dòng)等功能[5]。

(2) 列車自動(dòng)監(jiān)測(cè)(Automatic Train Supervision，ATS)子系統(tǒng)，由控制中心和車站本地控制設(shè)備組成。ATS子系統(tǒng)完成列車運(yùn)行圖繪制、列車運(yùn)行自動(dòng)追蹤、進(jìn)路自動(dòng)控制等功能[6]。

(3) 列車自動(dòng)運(yùn)行(Automatic Train Operation，ATO)子系統(tǒng)，由車載設(shè)備組成。ATO子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)列車在有人輔助或無人狀況下的列車自動(dòng)駕駛，它需在ATP子系統(tǒng)的監(jiān)督下使用。ATO系統(tǒng)可自動(dòng)完成列車的牽引、巡航、惰行、制動(dòng)等功能，它減輕了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行過程中的電能的合理分配，在節(jié)能的同時(shí)保證了列車運(yùn)行的平穩(wěn)[7]。

(4) TYJL-III型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(Computer Based Interlocking，CBI)子系統(tǒng)。CBI子系統(tǒng)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，如道岔、信號(hào)機(jī)等設(shè)備。

(5) 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)(Data Communication System，DCS)，DCS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 實(shí)驗(yàn)室布局

CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室坐落于中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)創(chuàng)新基地二層，實(shí)驗(yàn)室搭建了一整套CBTC系統(tǒng)仿真環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)即可對(duì)各子系統(tǒng)或整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室主要被劃分為機(jī)柜區(qū)、工作站區(qū)、車載設(shè)備區(qū)、辦公區(qū)4個(gè)區(qū)域。

2.1 機(jī)柜區(qū)

完整的CBTC系統(tǒng)硬件設(shè)備包含眾多機(jī)柜，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)會(huì)將機(jī)柜設(shè)置于控制中心、車站設(shè)備室等地[8]。在實(shí)驗(yàn)室中為了便于操作和布線，將所有子系統(tǒng)機(jī)柜集中擺放于機(jī)柜區(qū)，如圖2所示。機(jī)柜區(qū)后方墻壁設(shè)置安全電源，各機(jī)柜可就近獲取供電。機(jī)柜集中放置也方便實(shí)驗(yàn)人員對(duì)機(jī)柜進(jìn)行維護(hù)操作，例如有分屬不同機(jī)柜的多塊板卡需要更換時(shí)，若機(jī)柜放置于不同實(shí)驗(yàn)室，會(huì)給操作人員帶來一定麻煩。此區(qū)域擺放ATS、ZC、聯(lián)鎖子系統(tǒng)的機(jī)柜，用以模擬控制中心、車站設(shè)備室等地的環(huán)境。此區(qū)域機(jī)柜是整個(gè)CBTC仿真系統(tǒng)的核心，道旁聯(lián)鎖設(shè)備的控制、列車移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)都由這些機(jī)柜完成。機(jī)柜自身含一套維護(hù)用KVM液晶套件，采用穩(wěn)定的Windows Server操作系統(tǒng)，可在此對(duì)機(jī)柜軟件進(jìn)行升級(jí)、維護(hù)、用戶登錄等操作。機(jī)柜的運(yùn)算結(jié)果主要由工作站進(jìn)行顯示輸出，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中工作站一般設(shè)置于控制中心或車站的調(diào)度室，而機(jī)柜設(shè)置于設(shè)備室，兩者通過專用網(wǎng)絡(luò)連接[9]。在實(shí)驗(yàn)室仿真中，將工作站區(qū)域設(shè)置于機(jī)柜區(qū)旁，便于運(yùn)算信息的輸出顯示。

圖2 機(jī)柜區(qū)

2.2 工作站區(qū)

工作站區(qū)模擬控制中心或車站調(diào)度室的工作站，實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)路排列、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督、運(yùn)行圖繪制等功能，如圖3所示。工作站區(qū)由電腦主機(jī)、顯示屏、鍵盤鼠標(biāo)等輸入設(shè)備組成，此區(qū)域設(shè)置于機(jī)柜區(qū)前，通過線纜與機(jī)柜連接，獲取機(jī)柜運(yùn)算結(jié)果并輸出顯示。工作站相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)人員與機(jī)柜等核心硬件系統(tǒng)的人機(jī)接口，它將輸入指令傳輸給后方機(jī)柜，并將后方機(jī)柜的運(yùn)算結(jié)果輸出。在此區(qū)域，實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行排列進(jìn)路、異常情況下軌道占用、扣車、跳停等操作，并在顯示屏上監(jiān)督列車的運(yùn)行位置、速度、移動(dòng)授權(quán)延伸等狀態(tài)。將工作站區(qū)設(shè)置于機(jī)柜區(qū)前，相較于跨實(shí)驗(yàn)室傳輸數(shù)據(jù)節(jié)省了線纜長(zhǎng)度，也有助于實(shí)驗(yàn)及培訓(xùn)人員了解仿真軟件與硬件機(jī)柜的數(shù)據(jù)流關(guān)系。

圖3 工作站區(qū)

2.3 車載設(shè)備區(qū)

車載設(shè)備區(qū)由駕駛臺(tái)及車載設(shè)備分機(jī)組成，模擬地鐵列車上司機(jī)室的設(shè)備，如圖4所示。地鐵列車在車頭、車尾兩端各有一套駕駛臺(tái)和車載設(shè)備分機(jī)，由于實(shí)驗(yàn)室需仿真列車自動(dòng)折返、駕駛臺(tái)換端等操作，故需配備兩套駕駛臺(tái)及分機(jī)設(shè)備。車載設(shè)備區(qū)設(shè)置于工作站區(qū)對(duì)面，這樣設(shè)計(jì)可方便實(shí)驗(yàn)人員操作。實(shí)驗(yàn)人員在駕駛臺(tái)對(duì)仿真車進(jìn)行加速、減速、列車控制模式切換時(shí)，需同時(shí)觀察工作站上列車狀態(tài)的變化，因此將車載設(shè)備區(qū)與工作站區(qū)對(duì)向設(shè)置大大地方便了實(shí)驗(yàn)人員操作。實(shí)驗(yàn)人員在駕駛臺(tái)完成操作后即可觀察工作站顯示器上的列車狀態(tài)，為車載設(shè)備與ATS等子系統(tǒng)的協(xié)同仿真提供了便利。

圖4 車載設(shè)備區(qū)

2.4 辦公區(qū)

辦公區(qū)設(shè)置于實(shí)驗(yàn)室盡頭，由工作臺(tái)、主機(jī)、顯示器等設(shè)備構(gòu)成，此區(qū)域不執(zhí)行CBTC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作，不含有任何與CBTC系統(tǒng)有關(guān)的硬件設(shè)備。研發(fā)人員在此處進(jìn)行軟件開發(fā)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總、分析討論等工作。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置辦公區(qū)方便了實(shí)驗(yàn)人員工作，在實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)問題、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏洞時(shí)也可直接與研發(fā)人員討論溝通。在研發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)軟件做出修改后，也可直接將軟件更新于實(shí)驗(yàn)室仿真設(shè)備，提高了工作效率。

3 仿真系統(tǒng)搭建策略

CBTC系統(tǒng)包含眾多子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換多，邏輯復(fù)雜。在搭建CBTC仿真系統(tǒng)時(shí)，采用先子系統(tǒng)，后整個(gè)系統(tǒng)的搭建方式，如圖5所示。此種方式先實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部的硬件連接及軟件功能實(shí)現(xiàn)，最后再通過子系統(tǒng)間的接口將整個(gè)系統(tǒng)集成起來。采用模塊化的搭建方式不僅避免了搭建過程中系統(tǒng)接口混亂的問題，還使得不同子系統(tǒng)的搭建工作得以并行實(shí)施。搭建策略借鑒了軟件集成測(cè)試中自底向上的集成思想，顯著提高了實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境的搭建效率[10]。在實(shí)驗(yàn)室搭建之初，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)將各硬件設(shè)備安置于相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，然后各子系統(tǒng)針對(duì)各自需要的硬件設(shè)備分開搭建仿真環(huán)境。當(dāng)子系統(tǒng)內(nèi)部仿真環(huán)境搭建完畢后，需對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試，子系統(tǒng)功能全部實(shí)現(xiàn)后才可進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的集成工作。通過由子系統(tǒng)至整個(gè)系統(tǒng)的一步步集成工作，排除了子系統(tǒng)內(nèi)部錯(cuò)誤對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，模塊化的思路在日后的維護(hù)、檢修工作中也便于錯(cuò)誤快速定位。

圖5 仿真系統(tǒng)搭建策略圖

4 人才培養(yǎng)

城市軌道交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)提出了更高要求[11]。據(jù)預(yù)計(jì)，短期內(nèi)軌道交通專業(yè)人才供需比例為1∶4[12]。在人才培養(yǎng)上，實(shí)驗(yàn)室采取與搭建策略相反的“自頂向下”的路線，先讓學(xué)員對(duì)整個(gè)CBTC系統(tǒng)有個(gè)宏觀認(rèn)識(shí)，在了解各子系統(tǒng)間工作原理及數(shù)據(jù)流交換后，再深入學(xué)習(xí)各子系統(tǒng)內(nèi)部的軟硬件功能。整個(gè)系統(tǒng)的所有設(shè)備都被集成于同一實(shí)驗(yàn)室中，也有利于學(xué)員對(duì)全系統(tǒng)有清晰認(rèn)識(shí)。教學(xué)上采用先理論，后練習(xí)，最后參與實(shí)驗(yàn)的方式。在學(xué)員學(xué)習(xí)之初通過閱讀系統(tǒng)需求及接口設(shè)計(jì)等文檔，先對(duì)系統(tǒng)有個(gè)理論上的認(rèn)識(shí)。然后學(xué)員在實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)仿真軟件的使用，仿真軟件可在單獨(dú)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)路排列、列車狀態(tài)追蹤、運(yùn)行圖繪制等功能，且與實(shí)驗(yàn)室及實(shí)際線路中所用軟件操作一致。通過在仿真軟件上的反復(fù)練習(xí)，熟練學(xué)員的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，也讓學(xué)員對(duì)系統(tǒng)功能有了更加直觀認(rèn)識(shí)。學(xué)員對(duì)系統(tǒng)及仿真軟件有了一定基礎(chǔ)后，在實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境下先復(fù)現(xiàn)以往的實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及操作流程后才可進(jìn)入真正項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。

城市軌道交通人才培養(yǎng)的傳統(tǒng)方式是理論教學(xué)與實(shí)習(xí)分別進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生參加工作后發(fā)現(xiàn)實(shí)際項(xiàng)目與實(shí)習(xí)并不一致[13-14]。CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室依托實(shí)際項(xiàng)目，為學(xué)員提供了真實(shí)仿真環(huán)境和項(xiàng)目經(jīng)歷。實(shí)驗(yàn)室所做實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際線路的開通、維護(hù)都有重要意義，與傳統(tǒng)理論教學(xué)相比具有更高的實(shí)用價(jià)值，也使得實(shí)驗(yàn)人員對(duì)實(shí)際線路中的設(shè)備、運(yùn)營(yíng)情況等有真實(shí)認(rèn)識(shí)，為軌道交通事業(yè)培養(yǎng)更多具有項(xiàng)目經(jīng)歷的人才。

5 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成效

CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室建成后，承擔(dān)了多個(gè)重大項(xiàng)目的測(cè)試驗(yàn)證任務(wù)。實(shí)驗(yàn)室擁有一整套CBTC系統(tǒng)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能,能夠真實(shí)復(fù)現(xiàn)實(shí)際線路中出現(xiàn)的問題。在SIL-4等級(jí)的安全認(rèn)證過程中，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的系統(tǒng)測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室落成1年多以來，已先后完成長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目和廣州七號(hào)線一期工程信號(hào)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，上述兩條線路在2016年均已開通運(yùn)營(yíng)，證明實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)仿真效果經(jīng)受住了實(shí)際線路運(yùn)營(yíng)的考驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室搭建的MTC-I型CBTC系統(tǒng)，是我國(guó)首套擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CBTC系統(tǒng)[15]。此系統(tǒng)打破了國(guó)外壟斷，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)化CBTC系統(tǒng)實(shí)際線路應(yīng)用空白。實(shí)驗(yàn)室在MTC-I型CBTC系統(tǒng)的研發(fā)過程中提供了許多實(shí)驗(yàn)支持，為系統(tǒng)研發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)。

6 結(jié) 語

CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室在合理規(guī)劃下，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了完整CBTC系統(tǒng)的搭建工作，節(jié)約了占地面積，提高了實(shí)驗(yàn)的效率和協(xié)同性。實(shí)驗(yàn)室在新線安全認(rèn)證、現(xiàn)有線路維護(hù)和人才培養(yǎng)上發(fā)揮了重要作用，落成1年多以來未發(fā)生任何安全事故，圓滿完成了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。事實(shí)證明，CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)安全可靠，將整個(gè)CBTC系統(tǒng)集成于一間實(shí)驗(yàn)室且功能齊全。與以往占有多間實(shí)驗(yàn)室乃至多個(gè)樓層相比，減少了硬件設(shè)備數(shù)量，也更有利于實(shí)驗(yàn)和教學(xué)的進(jìn)行。該方案為空間緊張的大中院校、科研院所提供了解決問題的新思路，具有一定參考價(jià)值。

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Design of CBTC System Simulation Laboratory for Urban Rail Transit

CUIYibo1，JIAOYibo2，SUNWang1，WANGZhuangfeng1

(1． Signal &Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China； 2． School of Computer and Information Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

A construction scheme for urban rail transit CBTC system simulation laboratory was designed. The CBTC system consists of various subsystems, so it is highly integrated and has much equipment. According to the construction scheme, we built subsystems firstly and then integrated the whole system. Each subsystem can run the simulation experiment independently, and some experiments can also be completed by the whole system. Through reasonable planning, a complete CBTC system simulation environment was built in one laboratory. The scheme ensures the integrity of the whole CBTC system, and the integration of the equipment in the same laboratory also reduces the occupied area and reduces the cost of laboratory construction. It also provides reference for the similar laboratory construction.

urban rail transit; Communication Based Train Control(CBTC); simulation; subsystems; integration

2016-12-15

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金課題(1451TH7302)資助

崔亦博(1992-)，男，河北石家莊人，碩士,研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向：軌道交通信號(hào)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證。

Tel.：18511548835；E-mail: cuiyibo@rails.cn

U 283;G 644

A

1006-7167(2017)05-0122-04