萬勇兵 王大慶

（上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，201103，上?！蔚谝蛔髡?，高級工程師）

隨著中國城市軌道交通協(xié)會（以下簡稱“協(xié)會”）組織編寫的有關(guān)CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)互聯(lián)互通系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實施，國內(nèi)互聯(lián)互通型CBTC 系統(tǒng)建設(shè)如火如荼的開展［1］。作為國家示范工程項目，重慶首次在軌道交通4、5、10 號線和環(huán)線上實現(xiàn)了互聯(lián)互通。這意味著，在今后的城市軌道交通建設(shè)中，必然要求在規(guī)劃城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)時，滿足互聯(lián)互通要求。然而CBTC 系統(tǒng)屬于復(fù)雜巨系統(tǒng)，即使各廠商依據(jù)相同的標(biāo)準(zhǔn)，但因各自理解和自身設(shè)計的不同，導(dǎo)致在產(chǎn)品的具體實現(xiàn)上存在一定差異。因此，如何驗證不同廠商的系統(tǒng)是否符合互聯(lián)互通規(guī)范要求，成為產(chǎn)品研制和應(yīng)用推廣的工程技術(shù)難題［2］。

本文依據(jù)協(xié)會發(fā)布的系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計開發(fā)了一套CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺，在實現(xiàn)與被測系統(tǒng)閉環(huán)的半實物仿真條件下，可為跨廠商的互聯(lián)互通型CBTC 系統(tǒng)及其所包含的子系統(tǒng)提供功能、性能和接口的交叉測試驗證。

1 互聯(lián)互通定義和架構(gòu)

1.1 互聯(lián)互通定義

城市軌道交通的互聯(lián)互通是指裝備不同信號廠家車載設(shè)備的列車可以在裝備不同信號廠家軌旁設(shè)備的一條軌道交通線路內(nèi)或多條軌道交通線路上無縫互通安全可靠運營［3］。

從國內(nèi)外城市軌道交通互聯(lián)互通研究現(xiàn)狀來看，目前實現(xiàn)互聯(lián)互通主要有4 種處理方式：①A家車載設(shè)備在B 家CBTC 線路上運行；②A 家軌旁設(shè)備作為B 家線路的延伸段設(shè)備組成完整的工程線路；③A 家的ATS（列車自動監(jiān)控）可以控制B 家線路并指揮B 家車載設(shè)備運行；④線路間ATS 的互聯(lián)互通。

1.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)文獻［3］給出的定義，互聯(lián)互通型CBTC系統(tǒng)主要由ATS 子系統(tǒng)、CBTC 軌旁設(shè)備（含ZC（區(qū)域控制器）等）、CBTC 車載設(shè)備（含ATP（列車自動防護）、ATO（列車自動運行）等子系統(tǒng)）、CI（計算機聯(lián)鎖）和DCS（數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)）等組成。

如下圖1 所示，與傳統(tǒng)CBTC 相比，互聯(lián)互通型CBTC 系統(tǒng)物理接口和功能接口中增加了列車與鄰線地面設(shè)備間的接口，以及各線間地面設(shè)備間的接口。

圖1 互聯(lián)互通型CBTC 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 互聯(lián)互通測試平臺需求分析

2.1 CBTC 互聯(lián)互通測試需求

系統(tǒng)測試是確保不同廠商產(chǎn)品及系統(tǒng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，驗證其實現(xiàn)互聯(lián)互通的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通測試生命周期劃分，將測試驗證活動分為產(chǎn)品供應(yīng)商測試、第三方實驗室室內(nèi)測試和試驗線測試三個階段［4-5］。

對CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通進行驗證應(yīng)根據(jù)功能分配進行測試需求的劃分，即可測需求和不可測需求。其中，對可測需求，應(yīng)借助互聯(lián)互通系統(tǒng)集成實驗室驗證平臺，采用黑盒測試的方法對系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)進行測試驗證。驗證的內(nèi)容包括系統(tǒng)功能需求、接口內(nèi)容、車載電子地圖和車-地通信協(xié)議等。本文重點關(guān)注第二階段室內(nèi)測試驗證。

2.2 互聯(lián)互通測試平臺需求

對于室內(nèi)測試驗證，由不同廠商的軌旁設(shè)備、不同廠商的車載設(shè)備與測試平臺構(gòu)成閉環(huán)運行環(huán)境。通過仿真列車進行本線、跨線、其他互聯(lián)互通線路運行，來驗證CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通功能。

因此，搭建CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺，應(yīng)能模擬線路上各基礎(chǔ)設(shè)備（如信號機、道岔、區(qū)段、應(yīng)答器、站臺門、緊急停車按鈕等）、仿真列車（包括車輛仿真器、車載VOBC（車載控制器）仿真軟件、虛擬駕駛臺等），以及與被測系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的其它外部子系統(tǒng)，構(gòu)建與CBTC 系統(tǒng)實際運營場景一致的半實物仿真環(huán)境，提供系統(tǒng)互聯(lián)互通功能、性能和接口測試條件［6］。

3 測試平臺設(shè)計

3.1 互聯(lián)互通測試平臺功能設(shè)計

針對互聯(lián)互通測試平臺需求，本文設(shè)計的CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺（結(jié)構(gòu)框圖見2）主要由被測CBTC 系統(tǒng)、CBTC 組件仿真器、接口仿真器、線路設(shè)備仿真器和車輛（群）仿真器5 大模塊組成，各模塊的功能如表1 所示。

3.2 互聯(lián)互通測試平臺接口設(shè)計

為實現(xiàn)測試平臺各仿真器與被測系統(tǒng)無縫對接，各系統(tǒng)設(shè)備之間的接口設(shè)計是測試平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)難點［7］。通過分析信號與車輛、站臺門等外部系統(tǒng)的接口需求，結(jié)合不同廠商CBTC 系統(tǒng)的特點，對CBTC 互聯(lián)互通測試平臺接口進行設(shè)計［8］。從圖2 可見，測試平臺主要接口包括：

1）車輛仿真器（TrainSim）與VOBC 接口。二者間存在3 種接口：①采用繼電器構(gòu)成的驅(qū)動采集電路；②通過以太網(wǎng)接口傳輸電平信號對應(yīng)的表示值；③通過RS-485 傳輸TIMS（列車綜合管理系統(tǒng)）信息（若有）。TrainSim 通過車載接口中間件接收VOBC 發(fā)送的列車控制命令（見表2），并向VOBC發(fā)送駕駛臺控制、列車狀態(tài)等信息，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)VOBC 控制。

圖2 互聯(lián)互通測試平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 測試平臺各模塊功能表

表2 列車控制命令信息報文

2）線路仿真器（LineSim）與CI 接口。二者間存在2 種接口：①采用繼電器構(gòu)成的驅(qū)動采集電路；②通過以太網(wǎng)接口傳輸線路中各設(shè)備的實際狀態(tài)。LineSim 通過軌旁接口中間件接收CI 發(fā)送的線路設(shè)備控制命令信息，并向CI 發(fā)送線路設(shè)備狀態(tài)信息（見表3），經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)CI 控制。

3）車輛仿真器與線路仿真器接口。二者間采用RJ-45 以太網(wǎng)接口連接，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸采用UDP/IP 方式通信。TrainSim 向LineSim 發(fā)送列車的當(dāng)前位置信息（見表4），LineSim 向TrainSim 發(fā)送應(yīng)答器報文信息，實現(xiàn)列車位置的校正，以及列車的運行軌跡的實時顯示。

表3 線路設(shè)備狀態(tài)報文

表4 列車位置信息報文

4 互聯(lián)互通測試平臺實現(xiàn)及應(yīng)用

4.1 互聯(lián)互通測試平臺-車輛仿真器

車輛仿真器由車輛動力學(xué)仿真和駕駛臺仿真兩部分構(gòu)成。

1） 車輛動力學(xué)仿真。如圖3 所示，實時顯示列車速度、加速度、門狀態(tài)、EB（緊急制動）狀態(tài)、列車完整性等信息；實時更新列位置信息，由軌道區(qū)段ID 和偏移量組成；通過接口板信息可查看TrainSim和VOBC 之間的信息交互。

2）駕駛臺仿真。如圖4 所示，用于模擬司機駕駛臺各項操作，主要通過駕駛模式、車門模式、車門控制、運行等級、方式方向手柄等選項，以及ATO發(fā)車、緊急停車、駕駛端激活等開關(guān)按鈕來實現(xiàn)。端A/B 分別代表列車的兩端駕駛室，指示燈亮（紅色）表示該端頭被激活。

圖3 車輛動力學(xué)仿真（部分）顯示圖

圖4 駕駛臺仿真（單端）顯示圖

4.2 互聯(lián)互通測試平臺-線路仿真器

線路仿真器用于模擬信號機、道岔、計軸、站臺門、軌道區(qū)段等線路設(shè)備的動作和狀態(tài)，實現(xiàn)對CBTC 系統(tǒng)線路設(shè)備的功能邏輯仿真，以及設(shè)備狀態(tài)和列車運行位置的實時性顯示（見圖5）、線路設(shè)備故障注入等，提供測試所需的各種列車運行工況。

在圖5 中，通過“故障注入”操作，可實現(xiàn)不同故障場景的測試。若在X10-X12 進路正常辦理，X10 信號開放后，向G06 區(qū)段注入“占用”故障，LineSim 上顯示該區(qū)段為被占用（顯示紅光帶），同時將區(qū)段占用信息發(fā)送給CI 設(shè)備，由CI 控制進路始端信號機X10 的顯示，LineSim 回采信號機的狀態(tài)后更新顯示。

4.3 平臺應(yīng)用

在實驗室環(huán)境下，測試平臺利用上海軌道交通張江試驗線三站兩區(qū)間工程線路數(shù)據(jù)，對卡斯柯（A家）提供的iTRANVI 型CBTC 系統(tǒng)和電氣泰雷茲（B 家）提供的TST_CBTC-IOP 型CBTC 系統(tǒng)進行了室內(nèi)互聯(lián)互通交叉測試，即分別驗證了：

1）A 家的車載CBTC 設(shè)備在B 家的軌旁CBTC 設(shè)備（含ATS）上無縫互通正常運行；

圖5 線路仿真器顯示圖

2）B 家的車載CBTC 設(shè)備在A 家的軌旁CBTC 設(shè)備（含ATS）上無縫互通正常運行。

依據(jù)文獻［6］和文獻［7］的要求，系統(tǒng)應(yīng)測試項點60 項，其中點式部分18 項、CBTC 部分34 項、其它8 項（不在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，如點式紅燈誤出發(fā)功能、停車保證功能等），除列車站后自動折返、多車追蹤等5 項因線路條件不支持外，其余互聯(lián)互通功能均測試通過。

可見，本文設(shè)計并實現(xiàn)的測試平臺具備CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通功能、接口和性能的測試驗證能力，可應(yīng)用于軌道交通互聯(lián)互通型CBTC 系統(tǒng)產(chǎn)品測試和工程驗證。

5 結(jié)論

城市軌道交通互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)化運營是大勢所趨，互聯(lián)互通CBTC 系統(tǒng)可提高線路和設(shè)備利用率，實現(xiàn)車輛、車輛基地等資源共享及分段建設(shè)和定制運行線路等目標(biāo)。通過對系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)測試需求和測試驗證平臺功能要求的分析，在滿足互聯(lián)互通上位標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合地方CBTC 建設(shè)特點，設(shè)計并實現(xiàn)了CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測試平臺。該測試平臺可以切實解決城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測試驗證的技術(shù)難題，并提供全場景、多工況的仿真方案。該測試平臺的建成應(yīng)用，將對提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短系統(tǒng)研發(fā)周期、降低項目建設(shè)成本等具有重大意義。