城軌系統中聯鎖仿真平臺的設計和實現

范 楷，馮浩楠，王俊高，王 鯤

（1.中國鐵道科學研究院 鐵道技術研修學院， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

計算機與通信信號

城軌系統中聯鎖仿真平臺的設計和實現

范 楷1，2，馮浩楠2，王俊高2，王 鯤2

（1.中國鐵道科學研究院 鐵道技術研修學院， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

分析城市軌道對聯鎖新的需求，以面向對象的方法設計和實現了聯鎖仿真平臺。該仿真平臺采用RSSP-I協議解決通信中的干擾問題；不僅實現了鐵路基本聯鎖功能，還實現了對屏蔽門的控制。基于CBTC仿真環境驗證了仿真平臺的有效性，為快速開發計算機聯鎖軟件和驗證新的聯鎖功能提供便捷的手段。

軌道交通；CBTC；計算機聯鎖；仿真環境

隨著近年來無線通信技術的飛速發展，城市軌道交通的列車控制系統已經從基于軌道電路的列車控制系統發展為基于通信的列車控制系統（CBTC，Control Based on Train Communication）[1～4]。城市軌道交通的新需求對計算機聯鎖（CBI，Computer Based Interlocking）的功能提出了新的要求，除了具備傳統聯鎖具有的排列進路、開放信號等基本功能外，增加了對屏蔽門控制等新的功能。

在開發 CBTC 系統中，為了早期發現系統錯誤以及節省開發研制成本，計算機仿真成為測試及驗證系統的重要手段。完整的 CBTC 系統包括 CBI、區域控制中心系統（ZC，Zone Controller）、自動列車監督系統（ATS，Automatic Train Supervision）、車載控制系統（VOBC，Vehicle On-board Control Unit)和軌旁設備共同構成。CBTC 仿真平臺模擬了各個系統的功能來實現對真實系統的驗證。本文以北京地鐵 7號線為例，重點研究了 CBI仿真平臺的設計和實現，并在 CBTC 的虛擬仿真測試環境中進行了驗證，提高了整個系統開發和測試的效率。

1 CBI聯鎖功能需求和仿真測試平臺

1.1 聯鎖功能需求

CBI是以計算機為主要技術手段實現現場設備的聯鎖控制，其按照故障-安全、高可靠性的原則進行設計,保證行車安全，提高運輸效率，改善勞動條件的需求。

CBI實時采集站場狀態信息和其他設備的狀態信息、人員的操作命令，在進行聯鎖邏輯運算后，給其他設備計算后的狀態信息，同時輸出控制命令對現場設備進行控制。城市軌道交通中的 CBI具備信號機控制、道岔控制、區段控制、進路控制、保護進路控制、屏蔽門的監督、緊急停車按鈕的監督、防淹門控制和監督、場聯控制、點式報文控制等功能。結合北京地鐵 7號線，仿真平臺中 CBI的詳細功能需求如下。

1.1.1 進路管理功能

CBI確保列車運行進路的安全，其必須在規定的聯鎖條件和規定的時序下對進路、信號和道岔實行控制，確保進路上軌道區段、道岔、信號機之間的安全聯鎖。聯鎖仿真平臺能夠顯示所有線路占用狀態:區段空閑時為灰色光帶，鎖閉為白色光帶，占用為紅色光帶，保護進路為黃色光帶。

1.1.2 道岔管理功能

道岔能夠單獨操縱或隨進路的排列而自動選動。道岔應設有位置表示，在仿真平臺上，當道岔位于定位鎖閉時表示綠色，當道岔位于反位鎖閉時表示黃色。

1.1.3 信號管理功能

仿真平臺中的信號機位置根據實際站場圖進行布設。信號機采用黃、綠、紅3種信息表示。綠色燈光:表示道岔已鎖閉，并開通直向，準許列車按規定速度越過該架信號機；黃色燈光:表示道岔已鎖閉，并開通側向，準許列車按規定速度越過該架信號機；紅色燈光:不準列車越過信號機；紅色燈光+黃色燈光:表明開放引導信號，準許列車以不大于一個規定的速度（如 25 km/h）越過該架信號機并隨時準備停車。

1.1.4 地鐵屏蔽門控制

屏蔽門的監督和控制是城市軌道交通聯鎖的新特點。開啟屏蔽門的過程為:當ATO自動發出或由司機手動發出開啟車門命令后，VOBC 將給 CBI發送“開啟左（右）側屏蔽門”指令，CBI在檢查相應的聯鎖條件后，如果滿足開門情況，就向屏蔽門下達“開啟左（右）側屏蔽門”指令；關閉屏蔽門情況類似。

1.2 CBTC調試平臺網絡架構

CBTC仿真調試平臺為驗證聯鎖子系統的功能提供了測試環境。各子系統間接口關系如圖1所示。各個子系統功能如下 :ATS實現人工指令下達功能 ；ZC 為 CBI提供邏輯區段狀態，列車停穩，跨壓等信息以及信號機強制點燈命令 ；CBI為 ZC 提供道岔位置和鎖閉狀態，區段運行方向，記軸區段占用等信息 ；相鄰的 CBI提供為所在站的站場信息。VOBC為 CBI提供開啟屏蔽門的命令信息，CBI返回屏蔽門狀態信息。

圖1 CBTC仿真系統各子系統間接口關系

2 聯鎖仿真平臺設計及實現

2.1 系統模塊設計

計算聯鎖系統 CBI包括通信子系統和邏輯子系統兩個部分，如圖2所示。

圖2 計算機聯鎖系統架構及其與其他系統交互關系

計算機聯鎖子系統又可以細分成通信子系統和邏輯子系統。通信子系統主要完成 CBI系統與外圍設備的交互，確保接收的數據能夠無錯的傳遞給邏輯子系統；邏輯子系統根據輸入信息主要完成聯鎖運行并輸出邏輯控制信息。

2.2 系統詳細設計

在功能需求分析和系統結構確定后，對兩個子系統進行詳細設計。在通信子系統的設計中，重點是實現安全信息交互的功能，通過模擬仿真，驗證安全通信協議的有效性；在邏輯子系統的設計中，重點是通過面向對象的設計思想，實現邏輯運算功能。

2.2.1 通信子系統

通信子系統的主要功能是實現聯鎖仿真平臺與外界的信息交互。由于聯鎖子系統屬于信號安全設備，它與其他信號安全設備之間必須進行安全通信，克服通信的不確定性。鐵路上使用 RSSP-I安全通信協議克服通信中的威脅[5]，如表 1 所示，表中列舉了通信中可能出現的威脅以及針對威脅協議所采取的安全措施。

表1 RSSP-I安全通信協議威脅、防御矩陣

2.2.2 邏輯子系統

使用面向對象的思想，借鑒鐵路 6502 聯鎖模塊化的設計思想，邏輯子系統設計了信號類，區段類，道岔類，絕緣類4個類；每個類的函數功能是通過模塊來實現。邏輯子系統模塊構成如圖3所示。

圖3 邏輯子系統模塊構成圖

針對城市軌道地鐵中的屏蔽門控制問題，邏輯子系統處理流程如圖4所示。

圖4 屏蔽門控制通信流程圖

3 仿真系統功能驗證

為了驗證聯鎖仿真平臺的功能需求，基于CBTC仿真平臺，以北京地鐵7號線雙河村站為例，進行了模擬仿真實驗。仿真實驗模擬列車2號車進入雙河村站臺的過程，此過程中涉及了列車進路的辦理，道岔位置的表示和鎖閉，信號開放，以及對屏蔽門控制等功能的測試項目。仿真過程如下:

（1） 當模擬列車 2 號車位于股道 21G 時，該計軸區段 21G 顯示紅色，表示有車占用。排列了從信號機F5到XC3的通過進路，道岔11位于定位且鎖閉，道岔 9-7 位于反位鎖閉。根據需求可知，道岔有反位表示時，信號機 F5 顯示黃燈，XC3 防護的股道 3DG為保護區段，為黃色顯示。此時，模擬列車2號車的 VOBC 不與雙河村仿真聯鎖 CBI通信，因此顯示狀態為通信中斷。如圖5所示。

圖5 列車未進站狀態

（2） 當模擬列車 2 號車進入站 臺 區 段 17G 時，VOBC 開始向模擬聯鎖 CBI發送查詢命令 0x00，模擬聯鎖CBI向VOBC發送PSD的狀態。此時站場狀態及模擬平臺通信狀態如圖6所示。

（3） 當 模擬列車 2 號 車在站臺停穩后，VOBC 向 CBI發送“允許開啟右側屏蔽門”命令 0x55，CBI確認屏蔽門設備可開啟后開啟屏蔽門，模擬屏蔽門狀態由灰色的 CLOSE變成了紅色的 OPEN。此時站場狀態及模擬平臺通信狀態如圖7所示。

（4） 當 模擬列車 2 號 車關門離站時，列車的 VOBC 向 CBI發送“關閉屏蔽門”命令0xAA，模擬聯鎖系統 CBI監督屏蔽門狀態，檢查是否所有的 PSD 都“關閉并鎖閉”，當所有 PSD 關閉且鎖閉后，CBI將屏蔽門關閉并鎖閉狀態發送給VOBC，VOBC檢查車門關閉并取消“允許開X側車門”的命令，列車方可離開站臺。此時站場狀態及模擬平臺通信狀態如圖8所示。

圖6 列車進站未停穩狀態

圖7 列車進站停穩屏蔽門正常開啟狀態

圖8 列車準備出站屏蔽門正常關閉狀態

4 結束語

本文在分析城市軌道交通對聯鎖需求的基礎上，結合北京地鐵7號線工程，利用面向對象分析和建模的方法完成了聯鎖仿真平臺的設計和實現。該平臺除了具備普通城軌聯鎖基本功能外，還增添了針對地鐵特有的屏蔽門控制功能。最后基于 CBTC 仿真平臺檢驗了聯鎖仿真平臺的正確性和可行性。該聯鎖仿真平臺的實現為今后驗證聯鎖軟件不同的聯鎖邏輯功能提供了便利。

[1] 王 鯤，龍廣錢，王俊高，于 瀟 . 關于城市軌道交通 CBTC 計算機聯鎖子系統的研究 [J]. 現代城市軌道交通，2012（4）.

[2] 王 悉，唐 濤，黃友能 . 城市列控系統仿真平臺中聯鎖站的設計和實現 [J]. 系統仿真學報，2006，18（12）：3407-3410.

[3] 崔寧寧，董 昱，周 洋 .計算機聯鎖系統仿真平臺的研究[J].鐵路計算機應用，2010（12）.

[4] 竇 偉 .計算機聯鎖系統在地鐵（輕軌）車輛段的應用 [J].鐵路計算機應用，2002（10）.

[5] 陳 臣 . 鐵路信號 RSSP-1 安全通信協議在既有線站間安全信 息 傳 輸 中 的 應 用 研 究 [D]. 北 京 ：北 京 交 通 大 學 , 2013.

責任編輯 方 圓

Design and implementation of interlocking simulation platform for Urban Transit

FAN Kai1,2, FENG Haonan2, WANG Jungao2, WANG Kun2
( 1. Railway Technology Research College, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The new requirements of interlocking in Urban Transit were analyzed, the interlocking simulation platform was designed and implemented by the object-oriented method, which solved communication interference problem with the RSSP-I protocol, ful lled basic interlocking function, and controlled the action of PSD. The platform was veri ed in the CBTC simulation environment, which provided convenient way for developing rapidly interlocking software and validating new function.

Urban Transit; CBTC; control based interlocking; simulation environment

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）01-0036-04

2014-08-15

范 楷，在讀碩士研究生；馮浩楠，助理研究員。