王 恒，吳敏東

城市軌道交通是大型城市主要的公共交通工具，隨著城市軌道交通建設(shè)和運營規(guī)模的不斷擴大，線網(wǎng)化運營需求日益迫切。信號系統(tǒng)間互聯(lián)互通有利于實現(xiàn)城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運營，可進一步提升乘客出行效率［1］。同時隨著國家都市圈市域軌道交通的發(fā)展，互聯(lián)互通的軌道交通網(wǎng)絡(luò)對都市圈融合發(fā)展也具有重要意義，軌道交通互聯(lián)互通設(shè)計成為軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營的重要技術(shù)特征之一［2］。而當前城市軌道交通線路中，不同廠商基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）之間的通信接口、網(wǎng)絡(luò)方案等并不相同，難以實現(xiàn)跨線運行。

為了推動線網(wǎng)互聯(lián)互通工作的開展，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《城市軌道交通 基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通系統(tǒng)規(guī)范》，明確了互聯(lián)互通系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求、接口和報文規(guī)范等內(nèi)容，為不同信號系統(tǒng)之間實現(xiàn)互聯(lián)互通提供了設(shè)計依據(jù)［3-4］；規(guī)范了系統(tǒng)間的安全通信協(xié)議，包括接口模式、安全通信協(xié)議和應(yīng)用信息3 個層次［5］，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。其中，在安全通信協(xié)議中的三重時間戳設(shè)計可進一步提升互聯(lián)互通數(shù)據(jù)交互的可靠性和可用性，通過應(yīng)用信息校驗可以解決數(shù)據(jù)是否有效及可用的問題。本文針對CBTC 互聯(lián)互通的應(yīng)用信息校驗部分進行分析和設(shè)計。

1 三重時間戳定義

在《城市軌道交通 基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC） 互聯(lián)互通接口規(guī)范 第2 部分：CBTC 系統(tǒng)車地連續(xù)通信協(xié)議》中規(guī)定：區(qū)域控制器（ZC） 與車載控制單元（VOBC），以及VOBC 與聯(lián)鎖（CI）之間，每周期最多允許發(fā)送1 個通用消息包［6］，在該消息包中包含VOBC 與ZC、CI 之間交互信息時三重時間戳相關(guān)信息。三重時間戳在互聯(lián)互通報文中的定義見表1，具體示例見圖1。

表1 三重時間戳在互聯(lián)互通報文中的定義

圖1 三重時間戳示例

根據(jù)圖1，本機收到報文后，通過對時間戳進行計算，可以實現(xiàn)以下3種判斷邏輯。

1）對端邏輯處理延時判斷。通過（T1-T3），可以得出從對端收到報文到產(chǎn)生輸出所花費的時間，據(jù)此可以判斷出“對端邏輯處理”是否延時。如果延遲超過閾值，則本機認為該數(shù)據(jù)無效，丟棄數(shù)據(jù)并進行異常處理。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸及對端邏輯處理延時判斷。通過（N1-T2），可以得出從本機發(fā)出報文到對端產(chǎn)生輸出，再到本機收到報文的時間。通過該時間可以判斷“對端邏輯處理+網(wǎng)絡(luò)傳輸”是否延時。如果延時超過閾值，則本機認為該數(shù)據(jù)無效，丟棄數(shù)據(jù)并進行異常處理。

3）對端與本機處理周期同步判斷。通過比較本機接收報文（M1）中對端接收報文時間T3和發(fā)送報文時間T1，以及本機接收該報文時間N1和發(fā)送報文時間N2，得出對端和本機周期時間差值，可以判斷收發(fā)兩端系統(tǒng)處理周期是否保持同步。

通過（ΔT1-ΔT2）與閾值比較，判斷對端與本機的周期是否保持同步，如果延遲超過閥值，則本機與對端周期同步有問題，進行告警和異常處理。

2 三重時間戳應(yīng)用

在沒有三重時間戳的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時主要通過通信協(xié)議進行防范，數(shù)據(jù)使用方對于對端邏輯處理是否延時無法進行自主判斷和處理。使用三重時間戳設(shè)計后，數(shù)據(jù)使用方不僅可以判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸是否延時，而且還能判斷數(shù)據(jù)的邏輯處理是否延時，從而使數(shù)據(jù)使用方在應(yīng)用層能夠更精細化、更主動地對延時場景進行處理，并能及時執(zhí)行相關(guān)安全控制措施。

在城市軌道交通CBTC 信號系統(tǒng)中，車載VOBC 系統(tǒng)與軌旁ZC 系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通接口設(shè)計尤為重要。為了實現(xiàn)互聯(lián)互通，車地?zé)o線通信接口需要按照互聯(lián)互通中VOBC-ZC 接口協(xié)議進行設(shè)計［7］。車載VOBC 與ZC 之間通過傳輸列車位置、移動授權(quán)、運行狀態(tài)等信息［8］，實現(xiàn)列車運行間隔防護和速度防護，而這些邏輯處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r將影響列車的安全運行。下面以網(wǎng)絡(luò)傳輸及對端邏輯處理延時判斷為例，對車載VOBC 與軌旁ZC 之間傳遞報文的邏輯處理關(guān)系進行系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 三重時間戳交互設(shè)計

在ZC 與車載VOBC 交互報文中，選擇列車位置報文和移動授權(quán)（Movement Authority，MA）報文進行三重時間戳設(shè)計，主要交互內(nèi)容如下。

1）車載VOBC 根據(jù)測速測距信息計算列車位置，并周期性地向軌旁ZC 發(fā)送列車位置、列車模式等信息［9］。

2）ZC 根據(jù)列車位置、行進方向，以及聯(lián)鎖CI 提供的進路等信息，為控區(qū)內(nèi)的列車提供移動授權(quán)［10］，車載VOBC 使用該信息進行速度防護計算。

通過報文交互，車載VOBC 可以判斷接收的MA 報文是基于哪個周期的“列車位置信息”，從而可以判斷出MA 報文的有效性。車載VOBC 與ZC之間位置信息和MA信息交互見圖2。

圖2 車載VOBC與ZC之間位置信息和MA信息交互

2.2 數(shù)據(jù)測試驗證

以某工程項目中的三重時間戳應(yīng)用為例，車載VOBC 的處理周期為100 ms，ZC 的處理周期為200 ms，網(wǎng)絡(luò)傳輸時間為50～100 ms，通過計算網(wǎng)絡(luò)傳輸時間和邏輯處理周期，車地正常交互時間差為600～700 ms。考慮到列車運行速度、運行間隔和安全防護距離等因素，車載VOBC 允許周期差為30 個周期，即交互延時閾值為3 s。當超過閾值，車載VOBC 將自動施加緊急制動，導(dǎo)向運行安全防護。

在實驗室CBTC 測試環(huán)境（見圖3）中，仿真驗證三重時間戳功能。測試環(huán)境包括1 套真實的車載VOBC 系統(tǒng)（含車載ATP、ATO 和車載TAU）、1 套ZC 系統(tǒng)、1 套聯(lián)鎖CI 系統(tǒng)和1 套中央ATS 系統(tǒng)，并采用LTE 無線通信設(shè)備實現(xiàn)車地之間的通信。為模擬網(wǎng)絡(luò)延時異常，在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)故障模擬器，進行特定報文延時模擬。

圖3 實驗室CBTC測試環(huán)境

設(shè)計ZC 與車載VOBC 系統(tǒng)之間三重時間戳交互測試用例，包括網(wǎng)絡(luò)通信與邏輯處理均正常、網(wǎng)絡(luò)通信延時、邏輯處理延時，以及網(wǎng)絡(luò)通信和邏輯處理均異常等。在網(wǎng)絡(luò)通信與邏輯處理均正常的測試用例中，預(yù)期結(jié)果為系統(tǒng)正常運行，不會輸出告警和制動；在網(wǎng)絡(luò)通信延時、邏輯處理延時、網(wǎng)絡(luò)通信和邏輯處理均異常的測試用例中，預(yù)期結(jié)果為出現(xiàn)1.5 s以上的延時，將輸出告警，超過3 s則輸出緊急制動。相關(guān)測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 軌旁ZC與車載VOBC交互報文中的時間戳應(yīng)用測試數(shù)據(jù)

由表2 可知，在網(wǎng)絡(luò)通信與邏輯處理均正常的場景下，車載當前周期與計算MA采用的列車位置報文的周期差為7，則數(shù)據(jù)延遲時間為700 ms，在延時設(shè)計范圍內(nèi)，該MA 數(shù)據(jù)可用，車載VOBC控制列車正常運行；在邏輯處理和網(wǎng)絡(luò)波動的情況下，車載當前周期與計算MA采用的列車位置報文的周期差為17，則進行告警提示；在網(wǎng)絡(luò)通信延時的異常場景下，車載當前周期與計算MA采用的列車位置報文的周期差為31，則數(shù)據(jù)延遲時間為3 100 ms，不在延時允許范圍內(nèi)，該MA 數(shù)據(jù)不可用，車載VOBC輸出緊急制動導(dǎo)向安全。

3 結(jié)束語

對CBTC 互聯(lián)互通中的三重時間戳提出3 種設(shè)計應(yīng)用方法，并結(jié)合車載VOBC 與軌旁ZC 之間的報文交互，以網(wǎng)絡(luò)傳輸及對端邏輯處理延時判斷為例進行了實驗室驗證。為多線路不同信號系統(tǒng)互聯(lián)互通數(shù)據(jù)安全交互及數(shù)據(jù)有效性的判斷檢查，給出了具體的設(shè)計思路和方法。