范 楷，馮浩楠，王俊高，王 鯤

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

計算機(jī)與通信信號

城軌系統(tǒng)中聯(lián)鎖仿真平臺的設(shè)計和實現(xiàn)

范 楷1，2，馮浩楠2，王俊高2，王 鯤2

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

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

軌道交通；CBTC；計算機(jī)聯(lián)鎖；仿真環(huán)境

隨著近年來無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，城市軌道交通的列車控制系統(tǒng)已經(jīng)從基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)發(fā)展為基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC，Control Based on Train Communication）[1～4]。城市軌道交通的新需求對計算機(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、開放信號等基本功能外，增加了對屏蔽門控制等新的功能。

在開發(fā) CBTC 系統(tǒng)中，為了早期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯誤以及節(jié)省開發(fā)研制成本，計算機(jī)仿真成為測試及驗證系統(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）、自動列車監(jiān)督系統(tǒng)（ATS，Automatic Train Supervision）、車載控制系統(tǒng)（VOBC，Vehicle On-board Control Unit)和軌旁設(shè)備共同構(gòu)成。CBTC 仿真平臺模擬了各個系統(tǒng)的功能來實現(xiàn)對真實系統(tǒng)的驗證。本文以北京地鐵 7號線為例，重點研究了 CBI仿真平臺的設(shè)計和實現(xiàn)，并在 CBTC 的虛擬仿真測試環(huán)境中進(jìn)行了驗證，提高了整個系統(tǒng)開發(fā)和測試的效率。

1 CBI聯(lián)鎖功能需求和仿真測試平臺

1.1 聯(lián)鎖功能需求

CBI是以計算機(jī)為主要技術(shù)手段實現(xiàn)現(xiàn)場設(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,保證行車安全，提高運輸效率，改善勞動條件的需求。

CBI實時采集站場狀態(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)鎖邏輯運算后，給其他設(shè)備計算后的狀態(tài)信息，同時輸出控制命令對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。城市軌道交通中的 CBI具備信號機(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、屏蔽門的監(jiān)督、緊急停車按鈕的監(jiān)督、防淹門控制和監(jiān)督、場聯(lián)控制、點式報文控制等功能。結(jié)合北京地鐵 7號線，仿真平臺中 CBI的詳細(xì)功能需求如下。

1.1.1 進(jìn)路管理功能

CBI確保列車運行進(jìn)路的安全，其必須在規(guī)定的聯(lián)鎖條件和規(guī)定的時序下對進(jìn)路、信號和道岔實行控制，確保進(jìn)路上軌道區(qū)段、道岔、信號機(jī)之間的安全聯(lián)鎖。聯(lián)鎖仿真平臺能夠顯示所有線路占用狀態(tài):區(qū)段空閑時為灰色光帶，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

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

1.1.3 信號管理功能

仿真平臺中的信號機(jī)位置根據(jù)實際站場圖進(jìn)行布設(shè)。信號機(jī)采用黃、綠、紅3種信息表示。綠色燈光:表示道岔已鎖閉，并開通直向，準(zhǔn)許列車按規(guī)定速度越過該架信號機(jī)；黃色燈光:表示道岔已鎖閉，并開通側(cè)向，準(zhǔn)許列車按規(guī)定速度越過該架信號機(jī)；紅色燈光:不準(zhǔn)列車越過信號機(jī)；紅色燈光+黃色燈光:表明開放引導(dǎo)信號，準(zhǔn)許列車以不大于一個規(guī)定的速度（如 25 km/h）越過該架信號機(jī)并隨時準(zhǔn)備停車。

1.1.4 地鐵屏蔽門控制

屏蔽門的監(jiān)督和控制是城市軌道交通聯(lián)鎖的新特點。開啟屏蔽門的過程為:當(dāng)ATO自動發(fā)出或由司機(jī)手動發(fā)出開啟車門命令后，VOBC 將給 CBI發(fā)送“開啟左（右）側(cè)屏蔽門”指令，CBI在檢查相應(yīng)的聯(lián)鎖條件后，如果滿足開門情況，就向屏蔽門下達(dá)“開啟左（右）側(cè)屏蔽門”指令；關(guān)閉屏蔽門情況類似。

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

CBTC仿真調(diào)試平臺為驗證聯(lián)鎖子系統(tǒng)的功能提供了測試環(huán)境。各子系統(tǒng)間接口關(guān)系如圖1所示。各個子系統(tǒng)功能如下 :ATS實現(xiàn)人工指令下達(dá)功能 ；ZC 為 CBI提供邏輯區(qū)段狀態(tài)，列車停穩(wěn)，跨壓等信息以及信號機(jī)強(qiáng)制點燈命令 ；CBI為 ZC 提供道岔位置和鎖閉狀態(tài)，區(qū)段運行方向，記軸區(qū)段占用等信息 ；相鄰的 CBI提供為所在站的站場信息。VOBC為 CBI提供開啟屏蔽門的命令信息，CBI返回屏蔽門狀態(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)鎖仿真平臺設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計

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

圖2 計算機(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)能夠無錯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)鎖運行并輸出邏輯控制信息。

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

在功能需求分析和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，對兩個子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。在通信子系統(tǒng)的設(shè)計中，重點是實現(xiàn)安全信息交互的功能，通過模擬仿真，驗證安全通信協(xié)議的有效性；在邏輯子系統(tǒng)的設(shè)計中，重點是通過面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，實現(xiàn)邏輯運算功能。

2.2.1 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)聯(lián)鎖仿真平臺與外界的信息交互。由于聯(lián)鎖子系統(tǒng)屬于信號安全設(shè)備，它與其他信號安全設(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)計思想，邏輯子系統(tǒng)設(shè)計了信號類，區(qū)段類，道岔類，絕緣類4個類；每個類的函數(shù)功能是通過模塊來實現(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

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

圖4 屏蔽門控制通信流程圖

3 仿真系統(tǒng)功能驗證

為了驗證聯(lián)鎖仿真平臺的功能需求，基于CBTC仿真平臺，以北京地鐵7號線雙河村站為例，進(jìn)行了模擬仿真實驗。仿真實驗?zāi)M列車2號車進(jìn)入雙河村站臺的過程，此過程中涉及了列車進(jìn)路的辦理，道岔位置的表示和鎖閉，信號開放，以及對屏蔽門控制等功能的測試項目。仿真過程如下:

（1） 當(dāng)模擬列車 2 號車位于股道 21G 時，該計軸區(qū)段 21G 顯示紅色，表示有車占用。排列了從信號機(jī)F5到XC3的通過進(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，信號機(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，模擬列車2號車的 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 列車未進(jìn)站狀態(tài)

（2） 當(dāng)模擬列車 2 號車進(jìn)入站 臺 區(qū) 段 17G 時，VOBC 開始向模擬聯(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)。此時站場狀態(tài)及模擬平臺通信狀態(tài)如圖6所示。

（3） 當(dāng) 模擬列車 2 號 車在站臺停穩(wěn)后，VOBC 向 CBI發(fā)送“允許開啟右側(cè)屏蔽門”命令 0x55，CBI確認(rèn)屏蔽門設(shè)備可開啟后開啟屏蔽門，模擬屏蔽門狀態(tài)由灰色的 CLOSE變成了紅色的 OPEN。此時站場狀態(tài)及模擬平臺通信狀態(tài)如圖7所示。

（4） 當(dāng) 模擬列車 2 號 車關(guān)門離站時，列車的 VOBC 向 CBI發(fā)送“關(guān)閉屏蔽門”命令0xAA，模擬聯(lián)鎖系統(tǒng) CBI監(jiān)督屏蔽門狀態(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將屏蔽門關(guān)閉并鎖閉狀態(tài)發(fā)送給VOBC，VOBC檢查車門關(guān)閉并取消“允許開X側(cè)車門”的命令，列車方可離開站臺。此時站場狀態(tài)及模擬平臺通信狀態(tài)如圖8所示。

圖6 列車進(jìn)站未停穩(wěn)狀態(tài)

圖7 列車進(jìn)站停穩(wěn)屏蔽門正常開啟狀態(tài)

圖8 列車準(zhǔn)備出站屏蔽門正常關(guān)閉狀態(tài)

4 結(jié)束語

本文在分析城市軌道交通對聯(lián)鎖需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京地鐵7號線工程，利用面向?qū)ο蠓治龊徒５姆椒ㄍ瓿闪寺?lián)鎖仿真平臺的設(shè)計和實現(xiàn)。該平臺除了具備普通城軌聯(lián)鎖基本功能外，還增添了針對地鐵特有的屏蔽門控制功能。最后基于 CBTC 仿真平臺檢驗了聯(lián)鎖仿真平臺的正確性和可行性。該聯(lián)鎖仿真平臺的實現(xiàn)為今后驗證聯(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，王俊高，于 瀟 . 關(guān)于城市軌道交通 CBTC 計算機(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)仿真平臺中聯(lián)鎖站的設(shè)計和實現(xiàn) [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（12）：3407-3410.

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

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

[5] 陳 臣 . 鐵路信號 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。