城市軌道交通信號系統互聯互通協議框架研究*

馮浩楠 范 楷 段宏偉 唐凱林

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京;2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，100081，北京//第一作者,助理研究員)

隨著城市軌道交通規模的擴展，急需對網絡進行整體化運行，以打破各線路之間的碎片化管理。信號系統作為城市軌道交通系統的重要載體，是確保整個運營體系安全、正確、效率運轉的關鍵，也是城市軌道交通互聯互通的關鍵因素之一[1]。因此,需要對城市軌道交通的信號系統進行統一規劃，編制一種通用的協議實現城市軌道交通互聯互通運轉。

信號系統互聯互通已成為城市軌道交通未來的發展趨勢[2]。文獻[3-4]對城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統的總體框架和系統設計原則進行了描述，給出了互聯互通系統間的功能分配和定義;文獻[5-6]給出了互聯互通集成測試建議方案；文獻[7-8]對于互聯互通運營進行了研究；文獻[9]對互聯互通CBTC系統中ATS(列車自動監控)系統改造的優選方案進行了探討。本文在分析CBTC系統內部子系統信息交互機制的基礎上，總結信號系統互聯互通的需求和特點，從信息流的角度分析系統間協議設計的機理，并對CBTC系統關鍵子系統間的互聯互通協議內容進行了深入分析;最后,結合重慶軌道交通10號線互聯互通示范工程項目的具體實例，驗證了互聯互通協議實施的可行性。

1 CBTC系統互聯互通的特點

由于各個信號廠商的CBTC系統設計和實現方式存在差異，因此在互聯互通時存在以下幾個方面的挑戰：

(1) 不同信號系統架構及數據設計模式差異大；

(2) 不同信號系統的接口和適配功能不同；

(3) 不同信號系統的硬件設備型號差異很大；

(4) 不同信號系統的功能分配和軟件實現的差異大。

為克服上述問題并實現異構CBTC系統間的互聯互通，互聯互通協議在設計時應具備以下特點：

(1) 統一性:由于各信號系統設備及應用過程的限制特性，技術標準具備局限性，因此只能通過協議的要求實現統一；

(2) 多樣性:協議應具備多樣性的特點，以兼容目前一段時期內各地城市軌道交通快速發展的需求；

(3) 專業性:協議內容能夠反映城市軌道交通設備供應商的CBTC系統中各個子系統的專業特點和要求；

(4) 系統性:協議的內容受到多種外部因素影響，需要在多個方面上得以體現，因而在信息的安排上不應雜亂無章，而應該系統規劃；

(5) 擴展性:工程的需求千變萬化，且因地制宜的需要會提出新的需求，因此應適當考慮工程信息的動態變化特點，通過友好的擴展部分解決此類問題。

(6) 安全性:信號系統具有SIL 4安全等級，能夠保證傳輸信息的安全性和正確性，在故障模式下不能出現危險側的行為。

2 CBTC互聯互通協議架構研究

2.1 CBTC系統架構

CBTC系統由VOBC(車載控制器)、CI(計算機聯鎖)、ZC(區域控制器)和ATS等關鍵系統組成，通過DCS(數據通信系統)實現各個系統間的信息交互。系統組成及交互信息流如圖1所示[10]。CI系統實時采集軌旁信號設備狀態并發送給ZC和ATS系統,同時根據ATS系統命令控制道岔、信號機狀態和辦理進路，當VOBC在站臺時，還需要接收處理從VOBC發送的開關站臺屏蔽門的控制命令，并將站臺屏蔽門的狀態發送給VOBC。ZC系統根據列車位置、行進方向速度，以及CI提供的進路信息，為控區內的列車提供移動授權。ATS系統位于CBTC系統的上層，部署在控制中心和車站，提供列車監督、自動調度和時刻表調整等功能。VOBC根據線路速度和ZC提供的移動授權計算列車限速，同時提供自動駕駛、自動折返、自動開關門等功能。

圖1 CBTC系統組成及交互信息流圖

從信息交互流程可知，VOBC、CI、ZC和ATS等4個子信號系統間的信息交互構成了CBTC系統正常運行的首要條件。若異構CBTC系統中的4個子系統間在互聯互通協議框架下實現了信息無縫傳輸和應用，搭載任意廠商VOBC的列車就可以在裝配了其他廠商CBTC地面系統的線路上正常運行，實現跨線運營作業。

2.2 互聯互通協議框架

互聯互通包含兩層含義：“聯”指系統間物理連接和信息傳輸，為可靠的“通”做基礎；“通”具體指異構CBTC系統應用層信息之間的可靠交互，信息能夠被接收系統識別并有效利用。根據設備類型性能及其通信特點，可將圖1中各個系統之間的通信關系分為以下四種類型：

(1) I類型系統交互:包括VOBC-ZC,VOBC-ATS,VOBC-CI。

(2) II類型系統交互:包括ZC-ZC,CI-CI。

(3) III類型系統交互:包括ATS-ATS。

(4) IV類型系統交互:包括VOBC-LEU(軌旁電子單元)。

根據通信過程中出現的問題，上述系統間交互的核心問題涉及接口方式、通信體系結構、接口數據描述和應用信息的定義等四類問題。

2.2.1 接口方式

I、II、III類型的物理接口都采用冗余網絡進行通信, 網絡拓撲結構采用A網-A網、B網-B網兩個鏈路方式。其連接方式如圖2所示。此種方式下，任何一個單網的故障都不會對系統的正常使用產生影響。

圖2 雙網冗余連接圖

VI類型的物理接口應滿足如下要求：地面有源應答器通過LEU進行編碼，有源應答器與LEU間采用專用電纜連接；車載應答器天線與BTM(應答器傳輸單元)通過專用饋纜連接。

2.2.2 通信體系結構

通信體系結構涉及通信模型、通信機制兩個方面。

2.2.2.1 通信模型

I、II類型接口采用的通信模型如圖3所示。在安全通信協議層，I類型系統間通信使用RSSP-II通信協議，II類型系統間通信采用RSSP-I通信協議,以實現安全功能。

注:UDP為用戶數據包協議;IP為互聯網協議

ATS不是SIL 4的安全設備，III類型系統中沒有使用安全通信協議，其通信模型如圖4所示。

VI類型通信模型為：地面應答器與車載應答器天線間的信息傳輸接口(也稱接口A)、應答器編碼與解碼應滿足《應答器傳輸系統技術條件》的要求。

2.2.2.2 通信機制

I類型系統通信方式:僅能由VOBC發起安全

注:TCP為傳輸控制協議

連接的建立過程；ZC/ATS/CI與VOBC采用周期發送和消息觸發的方式進行通信；通信雙方均采用大端字節序進行數據傳輸；ZC/ATS/CI與VOBC均應對接收的應用信息進行判斷和邏輯運算。

II類型系統通信方式:相鄰ZC/CI間通信應采用周期發送的方式；通信雙方均采用大端字節序進行數據傳輸。

III類型系統通信方式: 相鄰ATS間通信應采用周期與非周期發送的方式；通信雙方均采用大端字節序進行數據傳輸。

IV類型系統通信方式:車載天線單元將發射磁場為應答器提供能量(下行鏈路)，當天線單元位于接觸區內時，應答器接收此能量，建立工作電源，并發送數據報文(上行鏈路)。

2.2.3 接口數據描述

2.2.3.1 消息報文組成方式

為擴展應用消息容量，I、II、III類型系統間每個周期交互的信息組成通用信息包進行傳輸，每個通用信息包又由多個應用層信息包組成。如圖5所示,第k個通用信息包包括n個應用層信息包。

2.2.3.2 應用層信息包

I和II類型系統間通信，每周期最多允許發送1個通用消息包，通用消息包中包含ZC/ATS/CI與VOBC之間傳輸的各條應用信息。每個通用消息包總長不得超過1 000字節。通用信息包字段包括：接口信息類型、發送方標識信息、接收方標識信息、數據版本校驗信息、時間戳、協議版本號、應用層數據長度和應用層信息。

III類型系統(ATS系統)間通信的通用信息包中包含ATS間傳輸的各條應用信息。每個通用消息包總長不得超過65 000字節，包括多個應用信息包。ATS的通用信息包包括：幀頭、雙網序列號、接口信息類型、發送方標識信息、接收方標識信息、數據版本校驗信息、時間戳、協議版本號、應用層信息包個數、應用層數據長度和應用數據字段信息等。

IV類型系統間通信的消息包采用830位長報文結構，用戶信息包中不足的比特位以1補齊，包括幀標志、用戶信息包和信息結束位。

2.2.4 應用信息

2.2.4.1 I類型系統間通信應用信息

ZC-VOBC系統間應用信息包括：列車控制信息幀、應用層注冊/注銷響應幀、ZC主動注銷請求幀、特殊控制報文幀、ZC城市自定義幀、ZC廠商自定義幀、列車位置信息幀、應用層注冊/注銷請求幀、VOBC城市自定義幀、VOBC廠商自定義幀。

ATS-VOBC系統間應用信息包括：ATS心跳信息幀、ATO(列車自動運行)命令信息幀、ATS城市自定義幀、ATS廠商自定義幀、ATO狀態信息幀、列車信息幀、車載設備報警信息幀、車載設備日檢狀態信息幀、VOBC城市自定義幀、VOBC廠商自定義幀。

CI-VOBC系統間應用信息包括：VOBC控制信息幀、CI狀態信息幀、VOBC心跳幀、CI心跳幀、VOBC城市自定義幀、CI城市自定義幀、VOBC廠商自定義幀、CI廠商自定義幀、VOBC注銷請求幀、CI注銷回復幀。

2.2.4.2 II類型系統間通信應用信息

ZC-ZC系統間應用信息包括：道岔狀態信息幀、物理區段狀態信息幀、移交狀態信息幀、移交列車信息幀、城市自定義幀、廠商自定義幀、站場信息延時幀、軌道區段列車排序信息幀。

CI-CI系統間應用信息包括：道岔狀態信息幀、物理區段狀態信息幀、邏輯區段狀態信息幀、信號機狀態信息幀、站臺門狀態信息幀、緊急關閉按鈕狀態信息幀、照查狀態信息幀、防淹門信息幀、上電鎖閉狀態信息幀、臨時限速信息幀、城市自定義信息幀、廠商自定義信息幀。

2.2.4.3 III類型系統間通信應用信息

ATS-ATS系統間應用信息包括：站場顯示信息幀、列車信息幀、列車運行調整信息幀、列車接入站跳停命令信息幀、列車接入站跳停回執信息幀、ATS城市自定義信息幀、ATS廠商自定義信息幀。

2.2.4.4 IV類型系統間通信應用信息

VOBC-LEU間應用信息包括：當應答器為無源應答器時，應用信息包為地圖版本信息幀；當為有源應答器時，正常報文發送的信息包包括地圖版本信息幀、公共信息幀、廠商自定義信息幀和城市自定義信息幀。

3 互聯互通協議實現

3.1 重慶軌道交通互聯互通示范工程

重慶軌道交通互聯互通示范工程的4條運營線為環線、5號線、10號線和4號線，分別由4家國內自主CBTC系統信號廠商承擔實施。4條線路及CBTC系統集成廠商的信息如表1所示。

3.2 互聯互通測試平臺

為了驗證互聯互通協議的可行性，4家廠商提供了各自的全套CBTC設備和仿真設備，在重慶龍鳳溪實驗室搭建了CBTC互聯互通系統測試平臺。4家CBTC系統聯接圖如圖6所示。集成測試環境包括被測設備和仿真設備兩大部分。每條線選取一個集中設備站,其由真實設備構成，具體包括一套中心ATS設備、VOBC設備和車站設備(真實CI、真實ZC)；其余站采用仿真設備，包括仿真車站設備(仿真CI、仿真ZC)、仿真VOBC以及仿真軌旁設備，設備間的通信均采用有線物理連接。由于涉及大量真實設備與仿真設備的通信，并且通信的安全協議和應用層接口要求是多樣性的，因此測試平臺采用了分散接收、集中處理的方法進行接口互聯互通詳細方案實現[6]。系統間通信各層的具體實現方式見表2。測試平臺為CBTC互聯互通信號系統的驗證和工程化實施提供了測試保障。

表2 CBTC互聯互通系統測試平臺通信層實現方式

4 結語

城市軌道交通信號系統的互聯互通是未來的發展趨勢，其應用涉及到眾多廠商設備的信息安全交互和管理，是一項挑戰性的研究工作。為了實現異構CBTC系統互聯互通，本文基于信息流分析了互聯互通協議的架構和實現細節。重慶軌道交通互聯互通示范工程的開展和實施,為其他城市的軌道交通建設提供了堅實的技術參考依據和豐富的工程經驗，推動了CBTC系統互聯互通技術的不斷發展。