馮浩楠 范 楷 段宏偉 唐凱林

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，100081，北京;2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，100081，北京//第一作者,助理研究員)

隨著城市軌道交通規(guī)模的擴(kuò)展，急需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體化運(yùn)行，以打破各線(xiàn)路之間的碎片化管理。信號(hào)系統(tǒng)作為城市軌道交通系統(tǒng)的重要載體，是確保整個(gè)運(yùn)營(yíng)體系安全、正確、效率運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，也是城市軌道交通互聯(lián)互通的關(guān)鍵因素之一[1]。因此,需要對(duì)城市軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，編制一種通用的協(xié)議實(shí)現(xiàn)城市軌道交通互聯(lián)互通運(yùn)轉(zhuǎn)。

信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通已成為城市軌道交通未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)城市軌道交通CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)的總體框架和系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了描述，給出了互聯(lián)互通系統(tǒng)間的功能分配和定義;文獻(xiàn)[5-6]給出了互聯(lián)互通集成測(cè)試建議方案；文獻(xiàn)[7-8]對(duì)于互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[9]對(duì)互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案進(jìn)行了探討。本文在分析CBTC系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)信息交互機(jī)制的基礎(chǔ)上，總結(jié)信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通的需求和特點(diǎn)，從信息流的角度分析系統(tǒng)間協(xié)議設(shè)計(jì)的機(jī)理，并對(duì)CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵子系統(tǒng)間的互聯(lián)互通協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行了深入分析;最后,結(jié)合重慶軌道交通10號(hào)線(xiàn)互聯(lián)互通示范工程項(xiàng)目的具體實(shí)例，驗(yàn)證了互聯(lián)互通協(xié)議實(shí)施的可行性。

1 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的特點(diǎn)

由于各個(gè)信號(hào)廠(chǎng)商的CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式存在差異，因此在互聯(lián)互通時(shí)存在以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

(1) 不同信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)模式差異大；

(2) 不同信號(hào)系統(tǒng)的接口和適配功能不同；

(3) 不同信號(hào)系統(tǒng)的硬件設(shè)備型號(hào)差異很大；

(4) 不同信號(hào)系統(tǒng)的功能分配和軟件實(shí)現(xiàn)的差異大。

為克服上述問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CBTC系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，互聯(lián)互通協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

(1) 統(tǒng)一性:由于各信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備及應(yīng)用過(guò)程的限制特性，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具備局限性，因此只能通過(guò)協(xié)議的要求實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一；

(2) 多樣性:協(xié)議應(yīng)具備多樣性的特點(diǎn)，以兼容目前一段時(shí)期內(nèi)各地城市軌道交通快速發(fā)展的需求；

(3) 專(zhuān)業(yè)性:協(xié)議內(nèi)容能夠反映城市軌道交通設(shè)備供應(yīng)商的CBTC系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和要求；

(4) 系統(tǒng)性:協(xié)議的內(nèi)容受到多種外部因素影響，需要在多個(gè)方面上得以體現(xiàn)，因而在信息的安排上不應(yīng)雜亂無(wú)章，而應(yīng)該系統(tǒng)規(guī)劃；

(5) 擴(kuò)展性:工程的需求千變?nèi)f化，且因地制宜的需要會(huì)提出新的需求，因此應(yīng)適當(dāng)考慮工程信息的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，通過(guò)友好的擴(kuò)展部分解決此類(lèi)問(wèn)題。

(6) 安全性:信號(hào)系統(tǒng)具有SIL 4安全等級(jí)，能夠保證傳輸信息的安全性和正確性，在故障模式下不能出現(xiàn)危險(xiǎn)側(cè)的行為。

2 CBTC互聯(lián)互通協(xié)議架構(gòu)研究

2.1 CBTC系統(tǒng)架構(gòu)

CBTC系統(tǒng)由VOBC(車(chē)載控制器)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、ZC(區(qū)域控制器)和ATS等關(guān)鍵系統(tǒng)組成，通過(guò)DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間的信息交互。系統(tǒng)組成及交互信息流如圖1所示[10]。CI系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集軌旁信號(hào)設(shè)備狀態(tài)并發(fā)送給ZC和ATS系統(tǒng),同時(shí)根據(jù)ATS系統(tǒng)命令控制道岔、信號(hào)機(jī)狀態(tài)和辦理進(jìn)路，當(dāng)VOBC在站臺(tái)時(shí)，還需要接收處理從VOBC發(fā)送的開(kāi)關(guān)站臺(tái)屏蔽門(mén)的控制命令，并將站臺(tái)屏蔽門(mén)的狀態(tài)發(fā)送給VOBC。ZC系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)位置、行進(jìn)方向速度，以及CI提供的進(jìn)路信息，為控區(qū)內(nèi)的列車(chē)提供移動(dòng)授權(quán)。ATS系統(tǒng)位于CBTC系統(tǒng)的上層，部署在控制中心和車(chē)站，提供列車(chē)監(jiān)督、自動(dòng)調(diào)度和時(shí)刻表調(diào)整等功能。VOBC根據(jù)線(xiàn)路速度和ZC提供的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算列車(chē)限速，同時(shí)提供自動(dòng)駕駛、自動(dòng)折返、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)等功能。

圖1 CBTC系統(tǒng)組成及交互信息流圖

從信息交互流程可知，VOBC、CI、ZC和ATS等4個(gè)子信號(hào)系統(tǒng)間的信息交互構(gòu)成了CBTC系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要條件。若異構(gòu)CBTC系統(tǒng)中的4個(gè)子系統(tǒng)間在互聯(lián)互通協(xié)議框架下實(shí)現(xiàn)了信息無(wú)縫傳輸和應(yīng)用，搭載任意廠(chǎng)商VOBC的列車(chē)就可以在裝配了其他廠(chǎng)商CBTC地面系統(tǒng)的線(xiàn)路上正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)跨線(xiàn)運(yùn)營(yíng)作業(yè)。

2.2 互聯(lián)互通協(xié)議框架

互聯(lián)互通包含兩層含義：“聯(lián)”指系統(tǒng)間物理連接和信息傳輸，為可靠的“通”做基礎(chǔ)；“通”具體指異構(gòu)CBTC系統(tǒng)應(yīng)用層信息之間的可靠交互，信息能夠被接收系統(tǒng)識(shí)別并有效利用。根據(jù)設(shè)備類(lèi)型性能及其通信特點(diǎn)，可將圖1中各個(gè)系統(tǒng)之間的通信關(guān)系分為以下四種類(lèi)型：

(1) I類(lèi)型系統(tǒng)交互:包括VOBC-ZC,VOBC-ATS,VOBC-CI。

(2) II類(lèi)型系統(tǒng)交互:包括ZC-ZC,CI-CI。

(3) III類(lèi)型系統(tǒng)交互:包括ATS-ATS。

(4) IV類(lèi)型系統(tǒng)交互:包括VOBC-LEU(軌旁電子單元)。

根據(jù)通信過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，上述系統(tǒng)間交互的核心問(wèn)題涉及接口方式、通信體系結(jié)構(gòu)、接口數(shù)據(jù)描述和應(yīng)用信息的定義等四類(lèi)問(wèn)題。

2.2.1 接口方式

I、II、III類(lèi)型的物理接口都采用冗余網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信, 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用A網(wǎng)-A網(wǎng)、B網(wǎng)-B網(wǎng)兩個(gè)鏈路方式。其連接方式如圖2所示。此種方式下，任何一個(gè)單網(wǎng)的故障都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常使用產(chǎn)生影響。

圖2 雙網(wǎng)冗余連接圖

VI類(lèi)型的物理接口應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：地面有源應(yīng)答器通過(guò)LEU進(jìn)行編碼，有源應(yīng)答器與LEU間采用專(zhuān)用電纜連接；車(chē)載應(yīng)答器天線(xiàn)與BTM(應(yīng)答器傳輸單元)通過(guò)專(zhuān)用饋纜連接。

2.2.2 通信體系結(jié)構(gòu)

通信體系結(jié)構(gòu)涉及通信模型、通信機(jī)制兩個(gè)方面。

2.2.2.1 通信模型

I、II類(lèi)型接口采用的通信模型如圖3所示。在安全通信協(xié)議層，I類(lèi)型系統(tǒng)間通信使用RSSP-II通信協(xié)議，II類(lèi)型系統(tǒng)間通信采用RSSP-I通信協(xié)議,以實(shí)現(xiàn)安全功能。

注:UDP為用戶(hù)數(shù)據(jù)包協(xié)議;IP為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

ATS不是SIL 4的安全設(shè)備，III類(lèi)型系統(tǒng)中沒(méi)有使用安全通信協(xié)議，其通信模型如圖4所示。

VI類(lèi)型通信模型為：地面應(yīng)答器與車(chē)載應(yīng)答器天線(xiàn)間的信息傳輸接口(也稱(chēng)接口A)、應(yīng)答器編碼與解碼應(yīng)滿(mǎn)足《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求。

2.2.2.2 通信機(jī)制

I類(lèi)型系統(tǒng)通信方式:僅能由VOBC發(fā)起安全

注:TCP為傳輸控制協(xié)議

連接的建立過(guò)程；ZC/ATS/CI與VOBC采用周期發(fā)送和消息觸發(fā)的方式進(jìn)行通信；通信雙方均采用大端字節(jié)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；ZC/ATS/CI與VOBC均應(yīng)對(duì)接收的應(yīng)用信息進(jìn)行判斷和邏輯運(yùn)算。

II類(lèi)型系統(tǒng)通信方式:相鄰ZC/CI間通信應(yīng)采用周期發(fā)送的方式；通信雙方均采用大端字節(jié)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

III類(lèi)型系統(tǒng)通信方式: 相鄰ATS間通信應(yīng)采用周期與非周期發(fā)送的方式；通信雙方均采用大端字節(jié)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

IV類(lèi)型系統(tǒng)通信方式:車(chē)載天線(xiàn)單元將發(fā)射磁場(chǎng)為應(yīng)答器提供能量(下行鏈路)，當(dāng)天線(xiàn)單元位于接觸區(qū)內(nèi)時(shí)，應(yīng)答器接收此能量，建立工作電源，并發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文(上行鏈路)。

2.2.3 接口數(shù)據(jù)描述

2.2.3.1 消息報(bào)文組成方式

為擴(kuò)展應(yīng)用消息容量，I、II、III類(lèi)型系統(tǒng)間每個(gè)周期交互的信息組成通用信息包進(jìn)行傳輸，每個(gè)通用信息包又由多個(gè)應(yīng)用層信息包組成。如圖5所示,第k個(gè)通用信息包包括n個(gè)應(yīng)用層信息包。

2.2.3.2 應(yīng)用層信息包

I和II類(lèi)型系統(tǒng)間通信，每周期最多允許發(fā)送1個(gè)通用消息包，通用消息包中包含ZC/ATS/CI與VOBC之間傳輸?shù)母鳁l應(yīng)用信息。每個(gè)通用消息包總長(zhǎng)不得超過(guò)1 000字節(jié)。通用信息包字段包括：接口信息類(lèi)型、發(fā)送方標(biāo)識(shí)信息、接收方標(biāo)識(shí)信息、數(shù)據(jù)版本校驗(yàn)信息、時(shí)間戳、協(xié)議版本號(hào)、應(yīng)用層數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和應(yīng)用層信息。

III類(lèi)型系統(tǒng)(ATS系統(tǒng))間通信的通用信息包中包含ATS間傳輸?shù)母鳁l應(yīng)用信息。每個(gè)通用消息包總長(zhǎng)不得超過(guò)65 000字節(jié)，包括多個(gè)應(yīng)用信息包。ATS的通用信息包包括：幀頭、雙網(wǎng)序列號(hào)、接口信息類(lèi)型、發(fā)送方標(biāo)識(shí)信息、接收方標(biāo)識(shí)信息、數(shù)據(jù)版本校驗(yàn)信息、時(shí)間戳、協(xié)議版本號(hào)、應(yīng)用層信息包個(gè)數(shù)、應(yīng)用層數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和應(yīng)用數(shù)據(jù)字段信息等。

IV類(lèi)型系統(tǒng)間通信的消息包采用830位長(zhǎng)報(bào)文結(jié)構(gòu)，用戶(hù)信息包中不足的比特位以1補(bǔ)齊，包括幀標(biāo)志、用戶(hù)信息包和信息結(jié)束位。

2.2.4 應(yīng)用信息

2.2.4.1 I類(lèi)型系統(tǒng)間通信應(yīng)用信息

ZC-VOBC系統(tǒng)間應(yīng)用信息包括：列車(chē)控制信息幀、應(yīng)用層注冊(cè)/注銷(xiāo)響應(yīng)幀、ZC主動(dòng)注銷(xiāo)請(qǐng)求幀、特殊控制報(bào)文幀、ZC城市自定義幀、ZC廠(chǎng)商自定義幀、列車(chē)位置信息幀、應(yīng)用層注冊(cè)/注銷(xiāo)請(qǐng)求幀、VOBC城市自定義幀、VOBC廠(chǎng)商自定義幀。

ATS-VOBC系統(tǒng)間應(yīng)用信息包括：ATS心跳信息幀、ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)命令信息幀、ATS城市自定義幀、ATS廠(chǎng)商自定義幀、ATO狀態(tài)信息幀、列車(chē)信息幀、車(chē)載設(shè)備報(bào)警信息幀、車(chē)載設(shè)備日檢狀態(tài)信息幀、VOBC城市自定義幀、VOBC廠(chǎng)商自定義幀。

CI-VOBC系統(tǒng)間應(yīng)用信息包括：VOBC控制信息幀、CI狀態(tài)信息幀、VOBC心跳幀、CI心跳幀、VOBC城市自定義幀、CI城市自定義幀、VOBC廠(chǎng)商自定義幀、CI廠(chǎng)商自定義幀、VOBC注銷(xiāo)請(qǐng)求幀、CI注銷(xiāo)回復(fù)幀。

2.2.4.2 II類(lèi)型系統(tǒng)間通信應(yīng)用信息

ZC-ZC系統(tǒng)間應(yīng)用信息包括：道岔狀態(tài)信息幀、物理區(qū)段狀態(tài)信息幀、移交狀態(tài)信息幀、移交列車(chē)信息幀、城市自定義幀、廠(chǎng)商自定義幀、站場(chǎng)信息延時(shí)幀、軌道區(qū)段列車(chē)排序信息幀。

CI-CI系統(tǒng)間應(yīng)用信息包括：道岔狀態(tài)信息幀、物理區(qū)段狀態(tài)信息幀、邏輯區(qū)段狀態(tài)信息幀、信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息幀、站臺(tái)門(mén)狀態(tài)信息幀、緊急關(guān)閉按鈕狀態(tài)信息幀、照查狀態(tài)信息幀、防淹門(mén)信息幀、上電鎖閉狀態(tài)信息幀、臨時(shí)限速信息幀、城市自定義信息幀、廠(chǎng)商自定義信息幀。

2.2.4.3 III類(lèi)型系統(tǒng)間通信應(yīng)用信息

ATS-ATS系統(tǒng)間應(yīng)用信息包括：站場(chǎng)顯示信息幀、列車(chē)信息幀、列車(chē)運(yùn)行調(diào)整信息幀、列車(chē)接入站跳停命令信息幀、列車(chē)接入站跳?；貓?zhí)信息幀、ATS城市自定義信息幀、ATS廠(chǎng)商自定義信息幀。

2.2.4.4 IV類(lèi)型系統(tǒng)間通信應(yīng)用信息

VOBC-LEU間應(yīng)用信息包括：當(dāng)應(yīng)答器為無(wú)源應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)用信息包為地圖版本信息幀；當(dāng)為有源應(yīng)答器時(shí)，正常報(bào)文發(fā)送的信息包包括地圖版本信息幀、公共信息幀、廠(chǎng)商自定義信息幀和城市自定義信息幀。

3 互聯(lián)互通協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.1 重慶軌道交通互聯(lián)互通示范工程

重慶軌道交通互聯(lián)互通示范工程的4條運(yùn)營(yíng)線(xiàn)為環(huán)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)、10號(hào)線(xiàn)和4號(hào)線(xiàn)，分別由4家國(guó)內(nèi)自主CBTC系統(tǒng)信號(hào)廠(chǎng)商承擔(dān)實(shí)施。4條線(xiàn)路及CBTC系統(tǒng)集成廠(chǎng)商的信息如表1所示。

3.2 互聯(lián)互通測(cè)試平臺(tái)

為了驗(yàn)證互聯(lián)互通協(xié)議的可行性，4家廠(chǎng)商提供了各自的全套CBTC設(shè)備和仿真設(shè)備，在重慶龍鳳溪實(shí)驗(yàn)室搭建了CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。4家CBTC系統(tǒng)聯(lián)接圖如圖6所示。集成測(cè)試環(huán)境包括被測(cè)設(shè)備和仿真設(shè)備兩大部分。每條線(xiàn)選取一個(gè)集中設(shè)備站,其由真實(shí)設(shè)備構(gòu)成，具體包括一套中心ATS設(shè)備、VOBC設(shè)備和車(chē)站設(shè)備(真實(shí)CI、真實(shí)ZC)；其余站采用仿真設(shè)備，包括仿真車(chē)站設(shè)備(仿真CI、仿真ZC)、仿真VOBC以及仿真軌旁設(shè)備，設(shè)備間的通信均采用有線(xiàn)物理連接。由于涉及大量真實(shí)設(shè)備與仿真設(shè)備的通信，并且通信的安全協(xié)議和應(yīng)用層接口要求是多樣性的，因此測(cè)試平臺(tái)采用了分散接收、集中處理的方法進(jìn)行接口互聯(lián)互通詳細(xì)方案實(shí)現(xiàn)[6]。系統(tǒng)間通信各層的具體實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)表2。測(cè)試平臺(tái)為CBTC互聯(lián)互通信號(hào)系統(tǒng)的驗(yàn)證和工程化實(shí)施提供了測(cè)試保障。

表2 CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)通信層實(shí)現(xiàn)方式

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，其應(yīng)用涉及到眾多廠(chǎng)商設(shè)備的信息安全交互和管理，是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的研究工作。為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通，本文基于信息流分析了互聯(lián)互通協(xié)議的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。重慶軌道交通互聯(lián)互通示范工程的開(kāi)展和實(shí)施,為其他城市的軌道交通建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)參考依據(jù)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)的不斷發(fā)展。