CBTC半實物仿真平臺接口互聯互通方案的研究

魏國棟，袁 磊，付 強

（1.北京交通大學 軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

計算機與通信信號

CBTC半實物仿真平臺接口互聯互通方案的研究

魏國棟1，袁 磊2，付 強1

（1.北京交通大學 軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

本文提出一種基于分布式的接口互聯互通解決方案，在實驗室環境下成功搭建了一套融合不同供應商設備的CBTC最小系統，實現半實物仿真平臺的搭建，滿足各項性能指標要求。

CBTC ；互聯互通；分布式；半實物仿真平臺

隨著城市軌道交通的發展，基于通信的列車運行控制系統（簡稱CBTC系統）得到了廣泛應用。現階段國內沒有關于地鐵信號設備的統一規范，雖然各大廠商供應的信號設備功能上基本一致，但每個廠家CBTC系統間各個子系統的接口協議卻千差萬別，無法實現互聯。具體體現：CBTC系統中各設備之間的安全通信協議不同；CBTC系統中各設備之間的應用層報文內容以及交互流程不同。

采用CBTC半實物仿真平臺進行仿真研究時，也希望利用不同供應商的設備搭建一套CBTC仿真最小系統來做相關測試對比。因此，研究并實現可以用于CBTC仿真系統各關鍵設備之間互聯互通的方案有著實際的意義，同時對未來實現現場信號設備之間的互聯互通具有借鑒作用。

1 CBTC系統半實物仿真平臺

CBTC半實物仿真平臺是在現場真實CBTC系統基礎上，通過精簡與不同線路相關的功能配置，并增加線路仿真、車輛仿真以及仿真設備搭建而成。在該半實物仿真平臺中，各個真實設備可能來自于不同的生產廠家。因此，研究和實現各個真實設備間、仿真設備間以及真實設備與仿真設備間的接口互聯互通方案是完成搭建該套半實物仿真平臺的關鍵。

半實物仿真CBTC系統的真實設備包括一套車站設備、中心ATS設備及車載控制器VOBC；仿真設備包括仿真車站設備（仿真CI、仿真ZC）、仿真VOBC以及仿真軌旁，所有這些設備間的通信由數據通信系統連接。

半實物仿真CBTC的基本結構如圖1所示。

2 接口互聯互通方案研究

對于CBTC系統，ATS子系統、ZC子系統、CI子系統和VOBC子系統是其關鍵設備。而半實物仿真平臺的接口互聯互通則需要解決如何實現上述任意兩個真實設備間以及與仿真ZC、仿真CI和仿真VOBC的數據通信。不同設備廠家提供了各自的真實設備、安全協議（采用動態鏈接庫的方式）以及應用層接口說明文檔，因此對接口互聯互通方案的研究是搭建設備互聯互通的必要前提和條件。

圖1 CBTC半實物仿真平臺結構圖

接口互聯互通方案的實現需在不改變已經固化硬件設備的基礎上滿足傳輸的正確性、安全性以及實時性。

2.1 基本結構

2.1.1 任意兩個關鍵設備間的單向通信

設計思路為采用通信發起設備的安全協議接收通信發起設備數據，對數據進行轉換后，采用通信接收設備安全協議將數據發送給通信接收設備，即完成了單向數據互通，如圖2所示。

2.1.2 多個關鍵設備間的通信

對于多個設備互通其基本思路是將數據發送給互聯互通解決方案，方案處理后發送給目標設備。互聯互通方案需要滿足4個要求：（1）能夠接收到通信發起方數據；（2）接收到數據后，能對應用層數據進行轉換；（3）能將轉換后的數據發送出去；（4）設備及方案內程序不能有IP地址沖突。其設計思路如圖3所示。

2.2 接口互聯互通方案

圖3 多個關鍵設備間通信示意圖

2.2.1 基本方案

最基本的接口互聯互通方案為每兩個通信設備間單獨開發一套通信接口軟件，即針對任意兩類設備（假設A類、B類以及C類設備為不同廠家生產的設備），專門設計一個接口程序（具有兩類設備的安全協議以及數據轉換接口）。

基本方案的實現思路如圖4所示。

圖4 基本方案示意圖

按此方案進行接口互聯互通，需要開發n(n-1)/2個程序。同時，為了進行設備的網絡傳輸和程序的運行，需要配置大量的網卡以及服務器設備，從經濟角度考慮，成本較高；對于軟硬件的維護和更新來說，也是一項龐大的工作量，因此，該方案從理論上可行，但對于實際使用來說存在很多問題。

2.2.2 集中接收集中處理方案

將數據接口和通信接口分離，并且分別合并通信接口的程序和數據接口的程序，如圖5所示。

此方案僅需開發2個程序，從設備角度來說，只需要數量極少的硬件設備。但由于各供應商所提供設備的網絡IP地址已經固化無法更改，因此，該方案可能存在網絡IP重復的情況。由于所有通信接口都與一個程序通信，該方案無法解決網絡沖突的情況。

2.2.3 分散接收集中處理方案

針對集中接收集中處理方案中存在的網絡IP地址沖突問題，將同一個設備廠家的通信接口合并，不同設備廠家的通信接口采用不同的通道；而對于數據接口則所有設備廠家進行統一合并和處理，如圖6所示。

圖5 集中接收集中處理通信示意圖

圖6 分散接收集中處理方案示意圖

此方案需開發n+1個程序，假設一個服務器只放置一個程序，則需要的服務器為n+1個，所需的網卡為2n+1個。可以將通信接口的機器采用雙網卡作為網關，物理分隔硬件設備網絡，即將所有與A類設備相連的接口機器接入一個交換網絡，所有與B類設備相連的接口機器接入一個交換網絡。

2.2.4 方案對比

3種接口互聯互通的方案對比如表1所示。

表1 3種接口互聯互通方案對比

通過上述3種方案的比較和分析，本文最終選擇分散接收集中處理的方案進行接口互聯互通詳細方案的設計與實現。

2.3 分散接收集中處理方案分析

2.3.1 結構分散性

分散性接收帶來的最大好處是，通信接口可以與真實設備放置在同一個網絡內部，即物理上可以放置在同一個地方，對于車載VOBC來說，車載VOBC數據立刻被互聯互通接口接收，通過地面設備傳輸到數據接口中心，數據轉換后，發送到相應目標設備，此時數據層已經處理好，采用目標設備安全協議發送給目標設備即可。

結構分散性同樣可以保證整套系統沒有IP端口沖突。由系統結構可知，對于某類設備，由于是同一個廠家生產，因此，其固化的IP端口保證沒有沖突的IP端口；而通信接口采用雙網卡作為網關物理隔開網絡，即真實設備與通信接口之間網絡唯一性，而通信接口與數據接口之間網絡自己配置，也可以保證唯一性，即所有網絡內不會有沖突。

2.3.2 消息接收與發送

供應商提供的安全協議皆為封裝后的UDP協議，周期發送至通信接口，通信接口接收后，采用統一安全協議，立即發送到目標設備接口，目標設備收到后放入隊列內，等待目標設備安全協議周期到達立即發送。

對于接受通信發起方設備和發送給通信接收設備，采用供應商提供dll，只能周期收發。對于數據轉換的收發，采用集群技術，均衡負載的并行執行接收、處理、發送過程。

2.3.3 通信實時性

數據轉換過程為即發即收即處理，所以此部分處理為毫秒級，而對于周期接收與周期發送模塊，假設接收周期為a，發送周期為b，最壞可能產生a+b時間的延遲。而供應商設備安全協議可以接收的周期為100 ms，最大延遲為200 ms，此時對CBTC系統正常工作是沒有太大影響。

2.3.4 通信安全性

在通信接口模塊采用供應商安全協議，數據接口模塊采用自身的安全協議，保證數據在整個傳輸過程中都是安全的，即通信是安全的。

3 實現與驗證

依托于北京地鐵公司的半實物仿真CBTC運營平臺項目，采用分散接收集中處理方案，成功組建了一套由不同供應商提供的真實設備，以及配套仿真設備之間的互聯互通，滿足仿真CBTC運營平臺的需求。

4 結束語

本文研究并提出了一種分布式的CBTC接口互聯互通解決方案，解決了接口在互聯互通過程中的諸多細節問題，成功地將該解決方案應用于搭建的半實物仿真CBTC運營平臺上。

該方案能夠解決CBTC系統設備級的互聯互通，同樣，對于若干條線路不同系統間的互聯互通具有推廣意義。

[1] 于 超，鄭生全，石文靜. 城市軌道交通CBTC系統互聯互通方案研究[J]. 鐵道通信信號，2010，46（1）：44-47.

[2] 郜春海. 基于通信的軌道交通列車運行控制系統[J]. 現代城市軌道交通, 2007 （2）：7-10.

[3] 沖 蕾，馬子彥，楊明來. CBTC系統與車輛段聯鎖系統接口研究[J]. 城市軌道交通研究，2013，16（12）：64-66.

責任編輯 陳 蓉

Interface interoperability of semi-physical simulation platform of CBTC

WEI Guodong1, YUAN Lei2, FU Qiang1
( 1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. National Key Laboratory of Rail Traffc Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

In this paper, a distributed interface interoperability solution was proposed, and a set of CBTC minimum system was successfully constructed in the laboratory environment, and the construction of the semi physical simulation platform could meet the requirements of the performance index.

CBTC; interoperability; distributed; semi physical simulation platform

U284.48∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0036-04

2014-12-30

北京高等學校青年英才計劃項目（YETP0580）。

魏國棟，研究實習員；袁 磊，講師。