城市轨道交通CBTC 系统互联互通测试平台的设计与实现*
2021-02-04万勇兵王大庆
万勇兵 王大庆
（上海申通地铁集团有限公司技术中心，201103，上海∥第一作者，高级工程师）
随着中国城市轨道交通协会（以下简称“协会”）组织编写的有关CBTC（基于通信的列车控制）系统互联互通系列标准的发布和实施，国内互联互通型CBTC 系统建设如火如荼的开展［1］。作为国家示范工程项目，重庆首次在轨道交通4、5、10 号线和环线上实现了互联互通。这意味着，在今后的城市轨道交通建设中，必然要求在规划城市轨道交通网络时，满足互联互通要求。然而CBTC 系统属于复杂巨系统，即使各厂商依据相同的标准，但因各自理解和自身设计的不同，导致在产品的具体实现上存在一定差异。因此，如何验证不同厂商的系统是否符合互联互通规范要求，成为产品研制和应用推广的工程技术难题［2］。
本文依据协会发布的系列标准，设计开发了一套CBTC 系统互联互通测试平台，在实现与被测系统闭环的半实物仿真条件下，可为跨厂商的互联互通型CBTC 系统及其所包含的子系统提供功能、性能和接口的交叉测试验证。
1 互联互通定义和架构
1.1 互联互通定义
城市轨道交通的互联互通是指装备不同信号厂家车载设备的列车可以在装备不同信号厂家轨旁设备的一条轨道交通线路内或多条轨道交通线路上无缝互通安全可靠运营［3］。
从国内外城市轨道交通互联互通研究现状来看，目前实现互联互通主要有4 种处理方式：①A家车载设备在B 家CBTC 线路上运行；②A 家轨旁设备作为B 家线路的延伸段设备组成完整的工程线路；③A 家的ATS（列车自动监控）可以控制B 家线路并指挥B 家车载设备运行；④线路间ATS 的互联互通。
1.2 系统功能
根据文献［3］给出的定义，互联互通型CBTC系统主要由ATS 子系统、CBTC 轨旁设备（含ZC（区域控制器）等）、CBTC 车载设备（含ATP（列车自动防护）、ATO（列车自动运行）等子系统）、CI（计算机联锁）和DCS（数据传输子系统）等组成。
如下图1 所示，与传统CBTC 相比，互联互通型CBTC 系统物理接口和功能接口中增加了列车与邻线地面设备间的接口，以及各线间地面设备间的接口。
图1 互联互通型CBTC 系统架构图
2 互联互通测试平台需求分析
2.1 CBTC 互联互通测试需求
系统测试是确保不同厂商产品及系统符合标准规范，验证其实现互联互通的重要环节。根据CBTC系统互联互通测试生命周期划分，将测试验证活动分为产品供应商测试、第三方实验室室内测试和试验线测试三个阶段［4-5］。
对CBTC 系统互联互通进行验证应根据功能分配进行测试需求的划分，即可测需求和不可测需求。其中，对可测需求，应借助互联互通系统集成实验室验证平台，采用黑盒测试的方法对系统及其各子系统进行测试验证。验证的内容包括系统功能需求、接口内容、车载电子地图和车-地通信协议等。本文重点关注第二阶段室内测试验证。
2.2 互联互通测试平台需求
对于室内测试验证，由不同厂商的轨旁设备、不同厂商的车载设备与测试平台构成闭环运行环境。通过仿真列车进行本线、跨线、其他互联互通线路运行，来验证CBTC 系统互联互通功能。
因此，搭建CBTC 系统互联互通测试平台，应能模拟线路上各基础设备（如信号机、道岔、区段、应答器、站台门、紧急停车按钮等）、仿真列车（包括车辆仿真器、车载VOBC（车载控制器）仿真软件、虚拟驾驶台等），以及与被测系统相关联的其它外部子系统，构建与CBTC 系统实际运营场景一致的半实物仿真环境，提供系统互联互通功能、性能和接口测试条件［6］。
3 测试平台设计
3.1 互联互通测试平台功能设计
针对互联互通测试平台需求，本文设计的CBTC 系统互联互通测试平台（结构框图见2）主要由被测CBTC 系统、CBTC 组件仿真器、接口仿真器、线路设备仿真器和车辆（群）仿真器5 大模块组成，各模块的功能如表1 所示。
3.2 互联互通测试平台接口设计
为实现测试平台各仿真器与被测系统无缝对接，各系统设备之间的接口设计是测试平台实现的关键技术难点［7］。通过分析信号与车辆、站台门等外部系统的接口需求，结合不同厂商CBTC 系统的特点，对CBTC 互联互通测试平台接口进行设计［8］。从图2 可见，测试平台主要接口包括：
1）车辆仿真器（TrainSim）与VOBC 接口。二者间存在3 种接口：①采用继电器构成的驱动采集电路；②通过以太网接口传输电平信号对应的表示值；③通过RS-485 传输TIMS（列车综合管理系统）信息（若有）。TrainSim 通过车载接口中间件接收VOBC 发送的列车控制命令（见表2），并向VOBC发送驾驶台控制、列车状态等信息，经过信号转换后，实现VOBC 控制。
图2 互联互通测试平台系统结构框图
表1 测试平台各模块功能表
表2 列车控制命令信息报文
2）线路仿真器（LineSim）与CI 接口。二者间存在2 种接口：①采用继电器构成的驱动采集电路；②通过以太网接口传输线路中各设备的实际状态。LineSim 通过轨旁接口中间件接收CI 发送的线路设备控制命令信息，并向CI 发送线路设备状态信息（见表3），经过信号转换后，实现CI 控制。
3）车辆仿真器与线路仿真器接口。二者间采用RJ-45 以太网接口连接，两者之间的数据传输采用UDP/IP 方式通信。TrainSim 向LineSim 发送列车的当前位置信息（见表4），LineSim 向TrainSim 发送应答器报文信息，实现列车位置的校正，以及列车的运行轨迹的实时显示。
表3 线路设备状态报文
表4 列车位置信息报文
4 互联互通测试平台实现及应用
4.1 互联互通测试平台-车辆仿真器
车辆仿真器由车辆动力学仿真和驾驶台仿真两部分构成。
1） 车辆动力学仿真。如图3 所示，实时显示列车速度、加速度、门状态、EB（紧急制动）状态、列车完整性等信息；实时更新列位置信息，由轨道区段ID 和偏移量组成；通过接口板信息可查看TrainSim和VOBC 之间的信息交互。
2）驾驶台仿真。如图4 所示，用于模拟司机驾驶台各项操作，主要通过驾驶模式、车门模式、车门控制、运行等级、方式方向手柄等选项，以及ATO发车、紧急停车、驾驶端激活等开关按钮来实现。端A/B 分别代表列车的两端驾驶室，指示灯亮（红色）表示该端头被激活。
图3 车辆动力学仿真（部分）显示图
图4 驾驶台仿真（单端）显示图
4.2 互联互通测试平台-线路仿真器
线路仿真器用于模拟信号机、道岔、计轴、站台门、轨道区段等线路设备的动作和状态，实现对CBTC 系统线路设备的功能逻辑仿真，以及设备状态和列车运行位置的实时性显示（见图5）、线路设备故障注入等，提供测试所需的各种列车运行工况。
在图5 中，通过“故障注入”操作，可实现不同故障场景的测试。若在X10-X12 进路正常办理，X10 信号开放后，向G06 区段注入“占用”故障，LineSim 上显示该区段为被占用（显示红光带），同时将区段占用信息发送给CI 设备，由CI 控制进路始端信号机X10 的显示，LineSim 回采信号机的状态后更新显示。
4.3 平台应用
在实验室环境下，测试平台利用上海轨道交通张江试验线三站两区间工程线路数据，对卡斯柯（A家）提供的iTRANVI 型CBTC 系统和电气泰雷兹（B 家）提供的TST_CBTC-IOP 型CBTC 系统进行了室内互联互通交叉测试，即分别验证了：
1）A 家的车载CBTC 设备在B 家的轨旁CBTC 设备（含ATS）上无缝互通正常运行；
图5 线路仿真器显示图
2）B 家的车载CBTC 设备在A 家的轨旁CBTC 设备（含ATS）上无缝互通正常运行。
依据文献［6］和文献［7］的要求，系统应测试项点60 项，其中点式部分18 项、CBTC 部分34 项、其它8 项（不在标准要求范围内，如点式红灯误出发功能、停车保证功能等），除列车站后自动折返、多车追踪等5 项因线路条件不支持外，其余互联互通功能均测试通过。
可见，本文设计并实现的测试平台具备CBTC系统互联互通功能、接口和性能的测试验证能力，可应用于轨道交通互联互通型CBTC 系统产品测试和工程验证。
5 结论
城市轨道交通互联互通网络化运营是大势所趋，互联互通CBTC 系统可提高线路和设备利用率，实现车辆、车辆基地等资源共享及分段建设和定制运行线路等目标。通过对系统架构、系统测试需求和测试验证平台功能要求的分析，在满足互联互通上位标准基础上，结合地方CBTC 建设特点，设计并实现了CBTC 系统互联互通测试平台。该测试平台可以切实解决城市轨道交通CBTC 系统互联互通测试验证的技术难题，并提供全场景、多工况的仿真方案。该测试平台的建成应用，将对提高产品质量、缩短系统研发周期、降低项目建设成本等具有重大意义。
