城市軌道交通CBTC系統(tǒng)歐標應(yīng)答器仿真測試平臺設(shè)計與實現(xiàn)

陳寧寧，徐 杰，尹遜政

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）作為城市軌道交通核心的安全控制子系統(tǒng)，其開發(fā)遵從實驗室驗證到實際線路驗證的研發(fā)流程。由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，控制對象具有多目標、多模式、高速度等特點，研發(fā)前期階段需要面向系統(tǒng)需求，最大限度地采用軟件模擬仿真實際線路構(gòu)建系統(tǒng)仿真試驗環(huán)境。

目前我國城市軌道交通CBTC系統(tǒng)普遍采用符合歐洲鐵路標準的應(yīng)答器設(shè)備完成列車位置校準、降級模式下列車授權(quán)報文發(fā)送等功能。面向城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成測試要求，研發(fā)室內(nèi)應(yīng)答器子系統(tǒng)仿真測試軟件平臺對CBTC系統(tǒng)自主研發(fā)工作至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

CBTC列車控制系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備如計算機聯(lián)鎖、軌旁ATP（列車自動防護-軌旁）、信號機、計軸、應(yīng)答器等。車載設(shè)備如車載ATP（列車自動防護-車載）、BTM（應(yīng)答器發(fā)送接收單元-車載）等。系統(tǒng)有3個控制等級：CTC（連續(xù)式列車控制級）、ITC（點式列車控制級）、ILC（聯(lián)鎖級列車控制級）。ILC是車載設(shè)備復(fù)位后的默認運行等級同時也是最低級的運行等級。ILC通過定位及移動授權(quán)的接收可以切換到相應(yīng)的ITC或更高的CTC運行等級如圖1所示。

圖 1 CBTC系統(tǒng)控制級別轉(zhuǎn)換圖

ILC級別下的列車需要接收到兩個連續(xù)的固定應(yīng)答器報文才能確定當前的位置及運行方向。列車位置的變化是通過累加車輪運轉(zhuǎn)圈數(shù)得到的。由于車輪磨損導致的車輪直徑誤差使長距離運行時列車位置計算存在不確定性。該不確定性的增長危及系統(tǒng)的安全性，因此，ITC與CTC級別下都需要應(yīng)答器設(shè)備作為列車行駛位置的修正標準。在ITC級別下，應(yīng)答器在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)控制下還承擔著移動授權(quán)的發(fā)送功能，因此應(yīng)答器報文收發(fā)是3個控制級別的運行基礎(chǔ)，它的正確與否直接關(guān)系到列車控制的可靠性與安全性。

CBTC系統(tǒng)應(yīng)答器相關(guān)設(shè)備的分布如圖2所示。

圖 2 CBTC系統(tǒng)設(shè)備分布圖

實際線路的應(yīng)答器是按照系統(tǒng)設(shè)計部署在整條線路上的，按照報文控制方式，可分為固定應(yīng)答器與可變應(yīng)答器。固定應(yīng)答器每隔一段距離安裝一個用于修正列車的運行位置信息。可變應(yīng)答器根據(jù)其物理安裝位置，定義為主信號應(yīng)答器和填充應(yīng)答器。主信號應(yīng)答器與信號燈關(guān)聯(lián)，可以發(fā)送信號機表示的進路信息。填充應(yīng)答器則可以復(fù)示前方信號機關(guān)聯(lián)主信號應(yīng)答器的報文。應(yīng)答器及其它軌旁設(shè)備布局如圖3所示。

歐標應(yīng)答器（Eurobalise）是依據(jù)ETCS（歐洲鐵路控制系統(tǒng)）標準規(guī)范開發(fā)而成的，廣泛應(yīng)用于歐洲軌道交通信號系統(tǒng)中，近年來在我國高速鐵路和城市軌道交通中的應(yīng)用也日益廣泛。歐標應(yīng)答器在保證硬件通用性的前提下，內(nèi)部存儲報文具有嚴格的結(jié)構(gòu)定義，根據(jù)報文長度不同，劃分為長報文和短報文兩種方式。長報文共1 023 bit數(shù)據(jù)，其中有效報文830 bit，除去幀頭50 bit和幀結(jié)束包8 bit，用戶數(shù)據(jù)包共計772 bit。短報文共341 bit，其中有效報文210 bit，除去幀頭50 bit和幀結(jié)束包8 bit,用戶數(shù)據(jù)包共計152 bit。CBTC系統(tǒng)中通常使用長報文方式。

圖 3 軌旁應(yīng)答器布置圖

由于應(yīng)答器設(shè)備的重要性、位置相關(guān)性且CBTC系統(tǒng)軟件開發(fā)工作不可能始終在正式線路上進行，開發(fā)一套室內(nèi)應(yīng)答器仿真測試軟件勢在必行。應(yīng)答器仿真測試平臺軟件功能主要包括信號機、道岔、應(yīng)答器、BTM（車載應(yīng)答器接收設(shè)備）。可以生成和發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答器報文。

2 功能需求及實現(xiàn)

固定應(yīng)答器的通信過程是當行駛列車通過固定應(yīng)答器上方時，車載BTM天線通過無線信號給固定應(yīng)答器提供電能，固定應(yīng)答器激活并發(fā)送存儲在內(nèi)部的固定應(yīng)答器報文。車載BTM天線接收報文并轉(zhuǎn)發(fā)給車載ATP。

可變應(yīng)答器的通信過程是行駛列車接近可變應(yīng)答器關(guān)聯(lián)的信號機時，聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù)線路情況和列車位置為列車排列進路并發(fā)送LEU控制指令修改可變應(yīng)答器內(nèi)部報文。當行駛列車通過可變應(yīng)答器上方時，可變應(yīng)答器激活并發(fā)送存儲在內(nèi)部的可變應(yīng)答器報文。車載BTM天線接收報文并轉(zhuǎn)發(fā)給車載ATP。

CBTC系統(tǒng)歐標應(yīng)答器仿真測試平臺由硬件和軟件組成。硬件主要包括一臺工業(yè)控制計算機以及相關(guān)的通信板塊。系統(tǒng)采用W indow s操作系統(tǒng)，軟件則由VC++開發(fā)，主要包括：計算機聯(lián)鎖接口模塊、車載ATP 接口模塊、人機接口模塊及應(yīng)用邏輯模塊。軟件主要功能保證應(yīng)答器及其相關(guān)信號機、道岔功能上的完全模擬。要求模擬軟件有與車載ATP及計算機聯(lián)鎖的通信接口，功能上確保應(yīng)答器報文與實際相符，能夠準確的判定報文的發(fā)送時機。軟件接口及工作流程如圖4所示。

圖 4 應(yīng)答器仿真測試平臺接口及工作流程圖

2.1 應(yīng)答器報文與實際相符

應(yīng)答器報文分為固定應(yīng)答器報文及可變應(yīng)答器報文。固定應(yīng)答器報文在設(shè)備中永遠不變。可變應(yīng)答器報文隨關(guān)聯(lián)信號機的狀態(tài)而改變，包括紅燈報文、綠燈報文、滅燈報文、默認報文。軟件中用配置文件方式存儲固定與可變應(yīng)答器報文，報文存儲結(jié)構(gòu)方便利用信號機狀態(tài)、應(yīng)答器名稱等搜索。

仿真軟件與車載ATP設(shè)備運行距離信息同源，可以根據(jù)道岔位置、信號機狀態(tài)推算出列車在線路地圖上的實際位置，同時不斷搜索該位置前方的應(yīng)答器編號、并在配置文件中搜索出相應(yīng)報文并發(fā)送給車載ATP。

2.2 支持多列車實時在線報文發(fā)送

實際運行過程是多輛列車同時在同一線路上運行。本軟件支持對多輛列車搜索其當前位置的前方應(yīng)答器報文。

2.3 支持應(yīng)答器故障測試

CBTC系統(tǒng)集成測試要求能對應(yīng)答器故障情況進行測試。主要故障模式包括應(yīng)答器丟失、內(nèi)置應(yīng)答器報文錯誤、應(yīng)答器報文發(fā)送遲緩等。通過配置文件及界面選擇，本仿真測試軟件可以實現(xiàn)對上述異常情況的模擬。應(yīng)答器列表界面如圖5所示。

2.4 支持手動進路排列與自動進路排列

圖5 應(yīng)答器列表

CBTC系統(tǒng)集成測試環(huán)境中計算機聯(lián)鎖設(shè)備用于列車進路的排列，如道岔位置、信號機狀態(tài)等。但是車載設(shè)備的測試不能完全依賴于真實的計算機聯(lián)鎖設(shè)備，因此在應(yīng)答器仿真測試軟件中添加與計算機聯(lián)鎖斷開狀態(tài)時對信號機狀態(tài)、道岔位置的手動選擇功能。信號機狀態(tài)包括紅燈、綠燈、黃燈、滅燈。道岔狀態(tài)包括定向、反向。

連接真實的計算機聯(lián)鎖設(shè)備，軟件可以實時從計算機聯(lián)鎖獲取當前的進路信息，動態(tài)更新本地信號機與道岔信息。自動進路排列更貼近于實際運行過程，測試效果更好。

3 結(jié)束語

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)歐標應(yīng)答器仿真測試平臺，可以使車載系統(tǒng)脫離軌旁測試環(huán)境的限制進行單獨測試，也可以將軌旁測試環(huán)境與車載測試環(huán)境無縫結(jié)合起來，實現(xiàn)整個CBTC系統(tǒng)的自動長時間室內(nèi)壓力測試。它不僅滿足了mTC-I型CBTC系統(tǒng)研發(fā)過程中的開發(fā)與測試需求，而且借助其自身通用化設(shè)計、良好的軟件擴展性以及歐洲標準應(yīng)答器在我國城市軌道交通、干線鐵路、高速鐵路的普遍應(yīng)用，在未來可以在軌道交通信號系統(tǒng)自主化工作中發(fā)揮更大作用。

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