城市轨道交通CBTC系统互联互通运营测试平台研究

白广争

BAI Guangzheng

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081）

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

城市轨道交通的网络化发展，迫切要求不同线路上的列车实现跨线运营[1]。然而，当同一城市的多条线路分别采用不同设计架构的无线通信列车控制系统(Communication Based Train Control System，CBTC)时，如果要进行列车跨线运营，则会出现不同子系统之间接口、功能等不兼容的现象[2]。为了解决这些配置不统一、接口不兼容的问题，加快不同子系统间的互通融合，需要搭建一套完善的城市轨道交通CBTC互联互通运营测试平台，利用该平台检验各系统在互联互通标准上的执行程度，如接口规范性、功能互补性、数据一致性等。国外方面，巴黎轨道交通基本实现了车辆、信号、线路的互联互通，柏林实现了多线共轨运营。国内方面，北京地铁房山线对2种CBTC系统的部分子系统进行了互联互通调试[3]；重庆轨道交通CBTC系统互联互通国家示范工程进行了4种异构CBTC系统的融合[4]，是目前国内最完整的互联互通项目。总体来说，我国互联互通建设仍然存在较多技术难题有待进一步解决，如列车自动调整问题[5]、时钟同步问题、跨线行车调度问题[6-7]等。依托重庆CBTC系统互联互通项目，分析CBTC系统互联互通运营原理，设计城市轨道交通CBTC系统互联互通运营测试平台，为实现不同线路上列车跨线运营提供保障。

1 CBTC系统互联互通运营原理

基于无线通信的列车控制系统是目前国内最先进、最主流的城市轨道交通列车控制系统，分为车载系统和地面系统2部分。车载系统包含列车自动防护系统(ATP)、列车自动运行系统(ATO)和车载无线通信系统；地面系统包括列车自动监控系统(ATS)、计算机联锁系统(CI)、区域控制器系统(ZC)和地面无线通信系统。

ATP主要完成接收地面下达的命令，并对列车的安全运行相关功能负责，以及将列车的运行状态反馈给地面系统功能，包括对列车的速度监督、超速防护、车门/屏蔽门监控、列车完整性监督、列车状态报告等。ATO通过接收地面系统及ATP下达的命令，完成对控制命令的自动执行，如牵引力的计算输出、对标停车、车门的自动开关等。ATS完成对所有在线运行列车下达调度命令的功能，并实现列车运行状态监督，如运行图下发、临时调度命令、列车运行状态信息回采等。CI实现对信号控制逻辑的运算，如信号灯的开关、进路的锁闭与解锁、屏蔽门的控制逻辑等。ZC通过获得列车运行状态，主要负责向列车下达安全行车命令，如移动授权等。CBTC系统的各子系统相互配合，共同实现对列车的安全运行控制。

CBTC系统互联互通是指将来自不同设计架构的CBTC系统的子系统重新组合，形成新的CBTC系统，要求能够满足信息的正常交互，并达到安全运营标准。CBTC系统互联互通运营示意图如图1所示。

图1 CBTC系统互联互通运营示意图Fig.1 Diagram of interconnection/intercommunication operation of CBTC system

在CBTC系统互联互通模式下，车载系统接收来自异构CBTC地面系统的信息，能够实现信息的正常解码，执行相关的控制命令，并将列车运行状态反馈回地面系统；地面系统收到异构CBTC车载系统的信息，在实现信息正常解码的基础上，完成控制命令的生成及下发。当列车在临线边界处进行跨线操作时，异构CBTC系统的地面系统之间应能够实现信息的正常交互，并共同完成对列车的无缝交接控制。

CBTC系统互联互通要解决的主要问题如下。①接口标准的统一。只有完善的接口标准，才能保证信息的畅通，使来自异构CBTC系统的各子系统之间能够正常通信。②安全控制功能划分的统一。针对某一安全防护功能，应明确由指定子系统完成，这样才能使重新组合的CBTC系统不会存在安全漏洞。

2 城市轨道交通 CBTC 系统互联互通运营测试平台设计

为了完成城市轨道交通CBTC系统互联互通运营任务，搭建可靠的交叉测试平台，用于检验互联互通接口及功能的完备性。

2.1 功能定位

城市轨道交通CBTC系统互联互通交叉测试平台的功能定位为：各异构CBTC系统根据国家技术规范要求，完成相关研发任务并在通过了子系统内部功能测试后，交付互联互通测试平台，进行互联互通相关测试。测试平台的功能定位如图2所示。

图2 测试平台的功能定位Fig.2 Function positioning of test platform

2.2 框架设计

在构建城市轨道交通CBTC系统互联互通测试平台过程中，对异构CBTC系统进行分层管理，有利于接口的一致性管理及功能测试划分。异构CBTC系统互联互通测试平台设计框架示意图如图3所示。根据各模块的功能及实现方式不同，平台共划分为4层管理结构，分别为中心控制层、车站管理层、仿真设备层和车载设备层。通过组建骨干网模拟无线通信系统。

2.3 组网原理

在城市轨道交通CBTC系统互联互通框架下，不同架构的CBTC系统采取统一的网络IP地址规划，并分别工作在不同的局域网内。异构CBTC系统各主要子系统及仿真层设备，均接入骨干网，利用交换机技术，实现测试平台内各子系统之间信息的交互。这些交互接口包括车载系统与地面计算机联锁系统、区域控制器系统、列车自动监督系统交互及相交的两条线路之间的地面系统之间的信息交互，对于某一子系统内部，根据需要通过组建内部局域网实现数据通信。

城市轨道交通CBTC系统互联互通交叉测试平台采用红蓝双网冗余的方式组建网络，从而能更真实地模拟运营环境，为倒机测试、单网通信故障测试等提供必要的条件。

2.4 结构组成及接口分析

城市轨道交通CBTC系统互联互通交叉测试平台采取分层管理的方式搭建，各CBTC系统的子系统均按照这种划分方式进行分类。结构组成及接口分析如下。

图3 异构CBTC系统互联互通测试平台设计框架示意图Fig.3 Diagram of design framework for interconnection/intercommunication test platform of heterogeneous CBTC system

（1）中心控制层。中心控制层由异构CBTC系统的列车自动监控系统构成。处于该层的系统针对自身管理的整条线路上列车运营状态、子系统工作状态等进行监督、报警与调度管理。通过列车自动监控系统中央大屏显示本线路设备状态和列车追踪运行状态，通过列车自动监控系统服务器向车站管理层的本线子系统下发调度命令，向在本线路上运行的车载系统下发运行图命令并回采车载运行状态。当实际运行结果与计划产生偏差时，列车自动监控系统对在线列车的运行计划进行调整。由于列车自动监控系统属于运营管理相关的系统，其安全等级要求较低，为非SIL4级的安全系统，因而在测试环境下，不必设置安全冗余，只需配备单套系统即可。列车自动监控系统对本线内的接口为与本线CBTC系统的车载系统、联锁及区域控制器系统进行信息交互。当本线与参与互联互通的其他线路存在跨线操作时，则列车自动监控系统的对外接口为与接驳线路列车自动监控系统，以及与异构CBTC系统的车载系统之间进行通信。

（2）车站管理层。针对城市轨道交通的一条线路，CBTC系统将全线划分为若干个集中控区进行管理。每个控区内包含区域控制器系统、集中站计算机联锁系统、集中站车站ATS系统，以及相应的各子系统维修终端，异构CBTC系统均采取这种管控方式。为此，在搭建测试平台时，将集中控区车站内的子系统统一划归为车站管理层。车站管理层的子系统是地面主体逻辑控制系统，完成对该集中控区内各种控车命令的生成以及对地面行车条件的维护。其中区域控制器系统、计算机联锁系统均为相关安全设备，测试平台均采用双套冗余设置。区域控制器系统既要与本线计算机联锁系统、车站ATS系统、相邻控区区域控制器及本线车载系统通信，还需考虑与其他线路的车载系统、接驳线路与本线相邻区域控制系统通信。计算机联锁系统既要与本线车载、区域控制器系统、本线相邻控区联锁以及仿真设备层通信，还与其他线路的列车、接驳线路的相邻计算机联锁系统有通信接口。车站ATS系统主要与本线计算机联锁系统及本线列车自动监控系统通信。为了增加测试平台的可靠性和可信性，对于异构CBTC系统的车站管理层设备应保证至少有2个相邻集中控区配备真实联锁和区域控制器系统，从而能够更精确地完成包括单控区内控制功能及跨控区移交、站联故障等相关测试。

（3）仿真设备层。该层主要针对参与互联互通的各条线路上的轨旁设备，以及计算机联锁系统与轨旁设备的继电接口进行仿真。通过仿真层提供的模拟软件，能够降低对实物条件的要求标准。例如，在现实线路中的大量应答器、信号机和道岔设备，这些设备在实验室测试环境下是无法全部满足要求的，测试平台通过仿真软件，能够完成这一任务。另外，对于一些体积较大或价格昂贵但技术成熟的产品模块，也可利用仿真软件进行模拟，从而降低测试成本及场地要求，如车载驾驶台、车载速度传感器等。在交叉测试平台内，其他各层如中心控制层、车站管理层和车载设备层所需要的现场数据均来自仿真设备层，因而提供稳定可靠的仿真设备及软件，是整个交叉测试平台的基石。仿真层工作原理示意图如图4所示。仿真驾驶台界面通过车载适配器完成与车载设备的数据交互，实现对车载设备的控制；轨旁仿真通过继电接口仿真及轨旁电子单元仿真与车站计算机联锁系统进行信息交互，完成对应答器数据及继电器状态的控制。在互联互通交叉仿真测试环境下，轨旁电子单元仿真结合轨旁仿真计算的列车运行位置，控制一块实体有源应答器内的报文变化，实现对全线应答器的模拟。具体为当列车在仿真系统中运行至任一块应答器时，仿真轨旁电子单元将该应答器对应的报文通过参考信号发生器(RSG)，写入有源应答器，并通过车载应答器传输模块(BTM)传送至车载系统中。

图4 仿真层工作原理示意图Fig.4 Diagram of working principle of simulation layer

（4）车载设备层。车载设备层主要由异构CBTC系统的ATP，ATO，以及车载无线通信系统构成。互联互通要求车载ATP，ATO与异构CBTC系统的计算机联锁系统、列车自动监督系统、区域控制器系统等进行通信，实现数据接口统一。另外，当车载系统在异构CBTC系统线路上运行时，车载系统中存储的其他线路的数据要与该线路的地面轨旁设备中存储的数据进行校验比对，必须保证车载数据库中的数据与地面设备中存储的数据一致，列车才能正常运行，这是车载设备层的一个重要的测试内容。

3 结束语

构建完善可靠的城市轨道交通CBTC系统互联互通运营测试平台，能够为其网络化运营快速发展提供强有力的技术支撑。经过测试平台运作实践，重庆CBTC系统互联互通项目取得了突破性进展[8]，共线运行已经通过第三方安全认证，不同CBTC系统的列车也已陆续投入共线运营，验证了测试平台能够承担互联互通相关的各方面测试验证工作。为此，还应在测试案例设计方面进行更加深入细致的研究，使测试平台既能达到验证的目的，又能够发现更多潜在的风险，从而在互联互通中发挥更大的作用，为更大范围的推广打下坚实的基础。