城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營測試平臺(tái)研究

白廣爭

BAI Guangzheng

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

(Signal & Communication Research Institute， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，迫切要求不同線路上的列車實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)營[1]。然而，當(dāng)同一城市的多條線路分別采用不同設(shè)計(jì)架構(gòu)的無線通信列車控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control System，CBTC)時(shí)，如果要進(jìn)行列車跨線運(yùn)營，則會(huì)出現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間接口、功能等不兼容的現(xiàn)象[2]。為了解決這些配置不統(tǒng)一、接口不兼容的問題，加快不同子系統(tǒng)間的互通融合，需要搭建一套完善的城市軌道交通CBTC互聯(lián)互通運(yùn)營測試平臺(tái)，利用該平臺(tái)檢驗(yàn)各系統(tǒng)在互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)上的執(zhí)行程度，如接口規(guī)范性、功能互補(bǔ)性、數(shù)據(jù)一致性等。國外方面，巴黎軌道交通基本實(shí)現(xiàn)了車輛、信號(hào)、線路的互聯(lián)互通，柏林實(shí)現(xiàn)了多線共軌運(yùn)營。國內(nèi)方面，北京地鐵房山線對(duì)2種CBTC系統(tǒng)的部分子系統(tǒng)進(jìn)行了互聯(lián)互通調(diào)試[3]；重慶軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通國家示范工程進(jìn)行了4種異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的融合[4]，是目前國內(nèi)最完整的互聯(lián)互通項(xiàng)目。總體來說，我國互聯(lián)互通建設(shè)仍然存在較多技術(shù)難題有待進(jìn)一步解決，如列車自動(dòng)調(diào)整問題[5]、時(shí)鐘同步問題、跨線行車調(diào)度問題[6-7]等。依托重慶CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通項(xiàng)目，分析CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營原理，設(shè)計(jì)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營測試平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)不同線路上列車跨線運(yùn)營提供保障。

1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營原理

基于無線通信的列車控制系統(tǒng)是目前國內(nèi)最先進(jìn)、最主流的城市軌道交通列車控制系統(tǒng)，分為車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)2部分。車載系統(tǒng)包含列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP)、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(ATO)和車載無線通信系統(tǒng)；地面系統(tǒng)包括列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)(CI)、區(qū)域控制器系統(tǒng)(ZC)和地面無線通信系統(tǒng)。

ATP主要完成接收地面下達(dá)的命令，并對(duì)列車的安全運(yùn)行相關(guān)功能負(fù)責(zé)，以及將列車的運(yùn)行狀態(tài)反饋給地面系統(tǒng)功能，包括對(duì)列車的速度監(jiān)督、超速防護(hù)、車門/屏蔽門監(jiān)控、列車完整性監(jiān)督、列車狀態(tài)報(bào)告等。ATO通過接收地面系統(tǒng)及ATP下達(dá)的命令，完成對(duì)控制命令的自動(dòng)執(zhí)行，如牽引力的計(jì)算輸出、對(duì)標(biāo)停車、車門的自動(dòng)開關(guān)等。ATS完成對(duì)所有在線運(yùn)行列車下達(dá)調(diào)度命令的功能，并實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督，如運(yùn)行圖下發(fā)、臨時(shí)調(diào)度命令、列車運(yùn)行狀態(tài)信息回采等。CI實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)控制邏輯的運(yùn)算，如信號(hào)燈的開關(guān)、進(jìn)路的鎖閉與解鎖、屏蔽門的控制邏輯等。ZC通過獲得列車運(yùn)行狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)向列車下達(dá)安全行車命令，如移動(dòng)授權(quán)等。CBTC系統(tǒng)的各子系統(tǒng)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的安全運(yùn)行控制。

CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通是指將來自不同設(shè)計(jì)架構(gòu)的CBTC系統(tǒng)的子系統(tǒng)重新組合，形成新的CBTC系統(tǒng)，要求能夠滿足信息的正常交互，并達(dá)到安全運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)。CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營示意圖如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營示意圖Fig.1 Diagram of interconnection/intercommunication operation of CBTC system

在CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通模式下，車載系統(tǒng)接收來自異構(gòu)CBTC地面系統(tǒng)的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的正常解碼，執(zhí)行相關(guān)的控制命令，并將列車運(yùn)行狀態(tài)反饋回地面系統(tǒng)；地面系統(tǒng)收到異構(gòu)CBTC車載系統(tǒng)的信息，在實(shí)現(xiàn)信息正常解碼的基礎(chǔ)上，完成控制命令的生成及下發(fā)。當(dāng)列車在臨線邊界處進(jìn)行跨線操作時(shí)，異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的地面系統(tǒng)之間應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的正常交互，并共同完成對(duì)列車的無縫交接控制。

CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通要解決的主要問題如下。①接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。只有完善的接口標(biāo)準(zhǔn)，才能保證信息的暢通，使來自異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間能夠正常通信。②安全控制功能劃分的統(tǒng)一。針對(duì)某一安全防護(hù)功能，應(yīng)明確由指定子系統(tǒng)完成，這樣才能使重新組合的CBTC系統(tǒng)不會(huì)存在安全漏洞。

2 城市軌道交通 CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了完成城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營任務(wù)，搭建可靠的交叉測試平臺(tái)，用于檢驗(yàn)互聯(lián)互通接口及功能的完備性。

2.1 功能定位

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通交叉測試平臺(tái)的功能定位為：各異構(gòu)CBTC系統(tǒng)根據(jù)國家技術(shù)規(guī)范要求，完成相關(guān)研發(fā)任務(wù)并在通過了子系統(tǒng)內(nèi)部功能測試后，交付互聯(lián)互通測試平臺(tái)，進(jìn)行互聯(lián)互通相關(guān)測試。測試平臺(tái)的功能定位如圖2所示。

圖2 測試平臺(tái)的功能定位Fig.2 Function positioning of test platform

2.2 框架設(shè)計(jì)

在構(gòu)建城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺(tái)過程中，對(duì)異構(gòu)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行分層管理，有利于接口的一致性管理及功能測試劃分。異構(gòu)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺(tái)設(shè)計(jì)框架示意圖如圖3所示。根據(jù)各模塊的功能及實(shí)現(xiàn)方式不同，平臺(tái)共劃分為4層管理結(jié)構(gòu)，分別為中心控制層、車站管理層、仿真設(shè)備層和車載設(shè)備層。通過組建骨干網(wǎng)模擬無線通信系統(tǒng)。

2.3 組網(wǎng)原理

在城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通框架下，不同架構(gòu)的CBTC系統(tǒng)采取統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)IP地址規(guī)劃，并分別工作在不同的局域網(wǎng)內(nèi)。異構(gòu)CBTC系統(tǒng)各主要子系統(tǒng)及仿真層設(shè)備，均接入骨干網(wǎng)，利用交換機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測試平臺(tái)內(nèi)各子系統(tǒng)之間信息的交互。這些交互接口包括車載系統(tǒng)與地面計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、區(qū)域控制器系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)交互及相交的兩條線路之間的地面系統(tǒng)之間的信息交互，對(duì)于某一子系統(tǒng)內(nèi)部，根據(jù)需要通過組建內(nèi)部局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通交叉測試平臺(tái)采用紅藍(lán)雙網(wǎng)冗余的方式組建網(wǎng)絡(luò)，從而能更真實(shí)地模擬運(yùn)營環(huán)境，為倒機(jī)測試、單網(wǎng)通信故障測試等提供必要的條件。

2.4 結(jié)構(gòu)組成及接口分析

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通交叉測試平臺(tái)采取分層管理的方式搭建，各CBTC系統(tǒng)的子系統(tǒng)均按照這種劃分方式進(jìn)行分類。結(jié)構(gòu)組成及接口分析如下。

圖3 異構(gòu)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺(tái)設(shè)計(jì)框架示意圖Fig.3 Diagram of design framework for interconnection/intercommunication test platform of heterogeneous CBTC system

（1）中心控制層。中心控制層由異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。處于該層的系統(tǒng)針對(duì)自身管理的整條線路上列車運(yùn)營狀態(tài)、子系統(tǒng)工作狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)督、報(bào)警與調(diào)度管理。通過列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中央大屏顯示本線路設(shè)備狀態(tài)和列車追蹤運(yùn)行狀態(tài)，通過列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器向車站管理層的本線子系統(tǒng)下發(fā)調(diào)度命令，向在本線路上運(yùn)行的車載系統(tǒng)下發(fā)運(yùn)行圖命令并回采車載運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與計(jì)劃產(chǎn)生偏差時(shí)，列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)在線列車的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。由于列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)屬于運(yùn)營管理相關(guān)的系統(tǒng)，其安全等級(jí)要求較低，為非SIL4級(jí)的安全系統(tǒng)，因而在測試環(huán)境下，不必設(shè)置安全冗余，只需配備單套系統(tǒng)即可。列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)本線內(nèi)的接口為與本線CBTC系統(tǒng)的車載系統(tǒng)、聯(lián)鎖及區(qū)域控制器系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。當(dāng)本線與參與互聯(lián)互通的其他線路存在跨線操作時(shí)，則列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)外接口為與接駁線路列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，以及與異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的車載系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。

（2）車站管理層。針對(duì)城市軌道交通的一條線路，CBTC系統(tǒng)將全線劃分為若干個(gè)集中控區(qū)進(jìn)行管理。每個(gè)控區(qū)內(nèi)包含區(qū)域控制器系統(tǒng)、集中站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、集中站車站ATS系統(tǒng)，以及相應(yīng)的各子系統(tǒng)維修終端，異構(gòu)CBTC系統(tǒng)均采取這種管控方式。為此，在搭建測試平臺(tái)時(shí)，將集中控區(qū)車站內(nèi)的子系統(tǒng)統(tǒng)一劃歸為車站管理層。車站管理層的子系統(tǒng)是地面主體邏輯控制系統(tǒng)，完成對(duì)該集中控區(qū)內(nèi)各種控車命令的生成以及對(duì)地面行車條件的維護(hù)。其中區(qū)域控制器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)均為相關(guān)安全設(shè)備，測試平臺(tái)均采用雙套冗余設(shè)置。區(qū)域控制器系統(tǒng)既要與本線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、車站ATS系統(tǒng)、相鄰控區(qū)區(qū)域控制器及本線車載系統(tǒng)通信，還需考慮與其他線路的車載系統(tǒng)、接駁線路與本線相鄰區(qū)域控制系統(tǒng)通信。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)既要與本線車載、區(qū)域控制器系統(tǒng)、本線相鄰控區(qū)聯(lián)鎖以及仿真設(shè)備層通信，還與其他線路的列車、接駁線路的相鄰計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)有通信接口。車站ATS系統(tǒng)主要與本線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)及本線列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)通信。為了增加測試平臺(tái)的可靠性和可信性，對(duì)于異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的車站管理層設(shè)備應(yīng)保證至少有2個(gè)相鄰集中控區(qū)配備真實(shí)聯(lián)鎖和區(qū)域控制器系統(tǒng)，從而能夠更精確地完成包括單控區(qū)內(nèi)控制功能及跨控區(qū)移交、站聯(lián)故障等相關(guān)測試。

（3）仿真設(shè)備層。該層主要針對(duì)參與互聯(lián)互通的各條線路上的軌旁設(shè)備，以及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與軌旁設(shè)備的繼電接口進(jìn)行仿真。通過仿真層提供的模擬軟件，能夠降低對(duì)實(shí)物條件的要求標(biāo)準(zhǔn)。例如，在現(xiàn)實(shí)線路中的大量應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)和道岔設(shè)備，這些設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境下是無法全部滿足要求的，測試平臺(tái)通過仿真軟件，能夠完成這一任務(wù)。另外，對(duì)于一些體積較大或價(jià)格昂貴但技術(shù)成熟的產(chǎn)品模塊，也可利用仿真軟件進(jìn)行模擬，從而降低測試成本及場地要求，如車載駕駛臺(tái)、車載速度傳感器等。在交叉測試平臺(tái)內(nèi)，其他各層如中心控制層、車站管理層和車載設(shè)備層所需要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)均來自仿真設(shè)備層，因而提供穩(wěn)定可靠的仿真設(shè)備及軟件，是整個(gè)交叉測試平臺(tái)的基石。仿真層工作原理示意圖如圖4所示。仿真駕駛臺(tái)界面通過車載適配器完成與車載設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載設(shè)備的控制；軌旁仿真通過繼電接口仿真及軌旁電子單元仿真與車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，完成對(duì)應(yīng)答器數(shù)據(jù)及繼電器狀態(tài)的控制。在互聯(lián)互通交叉仿真測試環(huán)境下，軌旁電子單元仿真結(jié)合軌旁仿真計(jì)算的列車運(yùn)行位置，控制一塊實(shí)體有源應(yīng)答器內(nèi)的報(bào)文變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線應(yīng)答器的模擬。具體為當(dāng)列車在仿真系統(tǒng)中運(yùn)行至任一塊應(yīng)答器時(shí)，仿真軌旁電子單元將該應(yīng)答器對(duì)應(yīng)的報(bào)文通過參考信號(hào)發(fā)生器(RSG)，寫入有源應(yīng)答器，并通過車載應(yīng)答器傳輸模塊(BTM)傳送至車載系統(tǒng)中。

圖4 仿真層工作原理示意圖Fig.4 Diagram of working principle of simulation layer

（4）車載設(shè)備層。車載設(shè)備層主要由異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的ATP，ATO，以及車載無線通信系統(tǒng)構(gòu)成?；ヂ?lián)互通要求車載ATP，ATO與異構(gòu)CBTC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)、區(qū)域控制器系統(tǒng)等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一。另外，當(dāng)車載系統(tǒng)在異構(gòu)CBTC系統(tǒng)線路上運(yùn)行時(shí)，車載系統(tǒng)中存儲(chǔ)的其他線路的數(shù)據(jù)要與該線路的地面軌旁設(shè)備中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)比對(duì)，必須保證車載數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與地面設(shè)備中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一致，列車才能正常運(yùn)行，這是車載設(shè)備層的一個(gè)重要的測試內(nèi)容。

3 結(jié)束語

構(gòu)建完善可靠的城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營測試平臺(tái)，能夠?yàn)槠渚W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。經(jīng)過測試平臺(tái)運(yùn)作實(shí)踐，重慶CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通項(xiàng)目取得了突破性進(jìn)展[8]，共線運(yùn)行已經(jīng)通過第三方安全認(rèn)證，不同CBTC系統(tǒng)的列車也已陸續(xù)投入共線運(yùn)營，驗(yàn)證了測試平臺(tái)能夠承擔(dān)互聯(lián)互通相關(guān)的各方面測試驗(yàn)證工作。為此，還應(yīng)在測試案例設(shè)計(jì)方面進(jìn)行更加深入細(xì)致的研究，使測試平臺(tái)既能達(dá)到驗(yàn)證的目的，又能夠發(fā)現(xiàn)更多潛在的風(fēng)險(xiǎn)，從而在互聯(lián)互通中發(fā)揮更大的作用，為更大范圍的推廣打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。