魏國棟，袁 磊，付 強

（1.北京交通大學 軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

計算機與通信信號

CBTC半實物仿真平臺接口互聯(lián)互通方案的研究

魏國棟1，袁 磊2，付 強1

（1.北京交通大學 軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

本文提出一種基于分布式的接口互聯(lián)互通解決方案，在實驗室環(huán)境下成功搭建了一套融合不同供應商設備的CBTC最小系統(tǒng)，實現(xiàn)半實物仿真平臺的搭建，滿足各項性能指標要求。

CBTC ；互聯(lián)互通；分布式；半實物仿真平臺

隨著城市軌道交通的發(fā)展，基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（簡稱CBTC系統(tǒng)）得到了廣泛應用?，F(xiàn)階段國內(nèi)沒有關于地鐵信號設備的統(tǒng)一規(guī)范，雖然各大廠商供應的信號設備功能上基本一致，但每個廠家CBTC系統(tǒng)間各個子系統(tǒng)的接口協(xié)議卻千差萬別，無法實現(xiàn)互聯(lián)。具體體現(xiàn)：CBTC系統(tǒng)中各設備之間的安全通信協(xié)議不同；CBTC系統(tǒng)中各設備之間的應用層報文內(nèi)容以及交互流程不同。

采用CBTC半實物仿真平臺進行仿真研究時，也希望利用不同供應商的設備搭建一套CBTC仿真最小系統(tǒng)來做相關測試對比。因此，研究并實現(xiàn)可以用于CBTC仿真系統(tǒng)各關鍵設備之間互聯(lián)互通的方案有著實際的意義，同時對未來實現(xiàn)現(xiàn)場信號設備之間的互聯(lián)互通具有借鑒作用。

1 CBTC系統(tǒng)半實物仿真平臺

CBTC半實物仿真平臺是在現(xiàn)場真實CBTC系統(tǒng)基礎上，通過精簡與不同線路相關的功能配置，并增加線路仿真、車輛仿真以及仿真設備搭建而成。在該半實物仿真平臺中，各個真實設備可能來自于不同的生產(chǎn)廠家。因此，研究和實現(xiàn)各個真實設備間、仿真設備間以及真實設備與仿真設備間的接口互聯(lián)互通方案是完成搭建該套半實物仿真平臺的關鍵。

半實物仿真CBTC系統(tǒng)的真實設備包括一套車站設備、中心ATS設備及車載控制器VOBC；仿真設備包括仿真車站設備（仿真CI、仿真ZC）、仿真VOBC以及仿真軌旁，所有這些設備間的通信由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)連接。

半實物仿真CBTC的基本結(jié)構如圖1所示。

2 接口互聯(lián)互通方案研究

對于CBTC系統(tǒng)，ATS子系統(tǒng)、ZC子系統(tǒng)、CI子系統(tǒng)和VOBC子系統(tǒng)是其關鍵設備。而半實物仿真平臺的接口互聯(lián)互通則需要解決如何實現(xiàn)上述任意兩個真實設備間以及與仿真ZC、仿真CI和仿真VOBC的數(shù)據(jù)通信。不同設備廠家提供了各自的真實設備、安全協(xié)議（采用動態(tài)鏈接庫的方式）以及應用層接口說明文檔，因此對接口互聯(lián)互通方案的研究是搭建設備互聯(lián)互通的必要前提和條件。

圖1 CBTC半實物仿真平臺結(jié)構圖

接口互聯(lián)互通方案的實現(xiàn)需在不改變已經(jīng)固化硬件設備的基礎上滿足傳輸?shù)恼_性、安全性以及實時性。

2.1 基本結(jié)構

2.1.1 任意兩個關鍵設備間的單向通信

設計思路為采用通信發(fā)起設備的安全協(xié)議接收通信發(fā)起設備數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換后，采用通信接收設備安全協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給通信接收設備，即完成了單向數(shù)據(jù)互通，如圖2所示。

2.1.2 多個關鍵設備間的通信

對于多個設備互通其基本思路是將數(shù)據(jù)發(fā)送給互聯(lián)互通解決方案，方案處理后發(fā)送給目標設備。互聯(lián)互通方案需要滿足4個要求：（1）能夠接收到通信發(fā)起方數(shù)據(jù)；（2）接收到數(shù)據(jù)后，能對應用層數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換；（3）能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；（4）設備及方案內(nèi)程序不能有IP地址沖突。其設計思路如圖3所示。

2.2 接口互聯(lián)互通方案

圖3 多個關鍵設備間通信示意圖

2.2.1 基本方案

最基本的接口互聯(lián)互通方案為每兩個通信設備間單獨開發(fā)一套通信接口軟件，即針對任意兩類設備（假設A類、B類以及C類設備為不同廠家生產(chǎn)的設備），專門設計一個接口程序（具有兩類設備的安全協(xié)議以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口）。

基本方案的實現(xiàn)思路如圖4所示。

圖4 基本方案示意圖

按此方案進行接口互聯(lián)互通，需要開發(fā)n(n-1)/2個程序。同時，為了進行設備的網(wǎng)絡傳輸和程序的運行，需要配置大量的網(wǎng)卡以及服務器設備，從經(jīng)濟角度考慮，成本較高；對于軟硬件的維護和更新來說，也是一項龐大的工作量，因此，該方案從理論上可行，但對于實際使用來說存在很多問題。

2.2.2 集中接收集中處理方案

將數(shù)據(jù)接口和通信接口分離，并且分別合并通信接口的程序和數(shù)據(jù)接口的程序，如圖5所示。

此方案僅需開發(fā)2個程序，從設備角度來說，只需要數(shù)量極少的硬件設備。但由于各供應商所提供設備的網(wǎng)絡IP地址已經(jīng)固化無法更改，因此，該方案可能存在網(wǎng)絡IP重復的情況。由于所有通信接口都與一個程序通信，該方案無法解決網(wǎng)絡沖突的情況。

2.2.3 分散接收集中處理方案

針對集中接收集中處理方案中存在的網(wǎng)絡IP地址沖突問題，將同一個設備廠家的通信接口合并，不同設備廠家的通信接口采用不同的通道；而對于數(shù)據(jù)接口則所有設備廠家進行統(tǒng)一合并和處理，如圖6所示。

圖5 集中接收集中處理通信示意圖

圖6 分散接收集中處理方案示意圖

此方案需開發(fā)n+1個程序，假設一個服務器只放置一個程序，則需要的服務器為n+1個，所需的網(wǎng)卡為2n+1個?？梢詫⑼ㄐ沤涌诘臋C器采用雙網(wǎng)卡作為網(wǎng)關，物理分隔硬件設備網(wǎng)絡，即將所有與A類設備相連的接口機器接入一個交換網(wǎng)絡，所有與B類設備相連的接口機器接入一個交換網(wǎng)絡。

2.2.4 方案對比

3種接口互聯(lián)互通的方案對比如表1所示。

表1 3種接口互聯(lián)互通方案對比

通過上述3種方案的比較和分析，本文最終選擇分散接收集中處理的方案進行接口互聯(lián)互通詳細方案的設計與實現(xiàn)。

2.3 分散接收集中處理方案分析

2.3.1 結(jié)構分散性

分散性接收帶來的最大好處是，通信接口可以與真實設備放置在同一個網(wǎng)絡內(nèi)部，即物理上可以放置在同一個地方，對于車載VOBC來說，車載VOBC數(shù)據(jù)立刻被互聯(lián)互通接口接收，通過地面設備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接口中心，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到相應目標設備，此時數(shù)據(jù)層已經(jīng)處理好，采用目標設備安全協(xié)議發(fā)送給目標設備即可。

結(jié)構分散性同樣可以保證整套系統(tǒng)沒有IP端口沖突。由系統(tǒng)結(jié)構可知，對于某類設備，由于是同一個廠家生產(chǎn)，因此，其固化的IP端口保證沒有沖突的IP端口；而通信接口采用雙網(wǎng)卡作為網(wǎng)關物理隔開網(wǎng)絡，即真實設備與通信接口之間網(wǎng)絡唯一性，而通信接口與數(shù)據(jù)接口之間網(wǎng)絡自己配置，也可以保證唯一性，即所有網(wǎng)絡內(nèi)不會有沖突。

2.3.2 消息接收與發(fā)送

供應商提供的安全協(xié)議皆為封裝后的UDP協(xié)議，周期發(fā)送至通信接口，通信接口接收后，采用統(tǒng)一安全協(xié)議，立即發(fā)送到目標設備接口，目標設備收到后放入隊列內(nèi)，等待目標設備安全協(xié)議周期到達立即發(fā)送。

對于接受通信發(fā)起方設備和發(fā)送給通信接收設備，采用供應商提供dll，只能周期收發(fā)。對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的收發(fā)，采用集群技術，均衡負載的并行執(zhí)行接收、處理、發(fā)送過程。

2.3.3 通信實時性

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程為即發(fā)即收即處理，所以此部分處理為毫秒級，而對于周期接收與周期發(fā)送模塊，假設接收周期為a，發(fā)送周期為b，最壞可能產(chǎn)生a+b時間的延遲。而供應商設備安全協(xié)議可以接收的周期為100 ms，最大延遲為200 ms，此時對CBTC系統(tǒng)正常工作是沒有太大影響。

2.3.4 通信安全性

在通信接口模塊采用供應商安全協(xié)議，數(shù)據(jù)接口模塊采用自身的安全協(xié)議，保證數(shù)據(jù)在整個傳輸過程中都是安全的，即通信是安全的。

3 實現(xiàn)與驗證

依托于北京地鐵公司的半實物仿真CBTC運營平臺項目，采用分散接收集中處理方案，成功組建了一套由不同供應商提供的真實設備，以及配套仿真設備之間的互聯(lián)互通，滿足仿真CBTC運營平臺的需求。

4 結(jié)束語

本文研究并提出了一種分布式的CBTC接口互聯(lián)互通解決方案，解決了接口在互聯(lián)互通過程中的諸多細節(jié)問題，成功地將該解決方案應用于搭建的半實物仿真CBTC運營平臺上。

該方案能夠解決CBTC系統(tǒng)設備級的互聯(lián)互通，同樣，對于若干條線路不同系統(tǒng)間的互聯(lián)互通具有推廣意義。

[1] 于 超，鄭生全，石文靜. 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通方案研究[J]. 鐵道通信信號，2010，46（1）：44-47.

[2] 郜春海. 基于通信的軌道交通列車運行控制系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2007 （2）：7-10.

[3] 沖 蕾，馬子彥，楊明來. CBTC系統(tǒng)與車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)接口研究[J]. 城市軌道交通研究，2013，16（12）：64-66.

責任編輯 陳 蓉

Interface interoperability of semi-physical simulation platform of CBTC

WEI Guodong1, YUAN Lei2, FU Qiang1
( 1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. National Key Laboratory of Rail Traffc Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

In this paper, a distributed interface interoperability solution was proposed, and a set of CBTC minimum system was successfully constructed in the laboratory environment, and the construction of the semi physical simulation platform could meet the requirements of the performance index.

CBTC; interoperability; distributed; semi physical simulation platform

U284.48∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0036-04

2014-12-30

北京高等學校青年英才計劃項目（YETP0580）。

魏國棟，研究實習員；袁 磊，講師。