聯(lián)鎖WCU模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯金川

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

隨著我國城市化的發(fā)展，城市軌道交通面臨的運(yùn)營壓力與日俱增。西門子TrainGuard MT 系統(tǒng)(TGMT)是基于無線通信的移動閉塞系統(tǒng)，在高速度、小運(yùn)行間隔的環(huán)境下保證列車安全運(yùn)行，很好的解決了這個問題，已在北京、廣州等地成熟應(yīng)用。為支持軟件國產(chǎn)化， DS6-60 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與西門子TGMT 系統(tǒng)合作，在CBTC 模式下實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能，并保證在后備模式下獨(dú)立進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，保證列車運(yùn)行安全。由于與西門子聯(lián)鎖功能上的差異，為了適配西門子TGMT 系統(tǒng)，需要開發(fā)軌旁控制單元(WCU)模塊，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖與西門子信息交互，并保證模塊的獨(dú)立性。

1 系統(tǒng)介紹

本次合作首先用西安地鐵1 號線長樂坡站數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，信號系統(tǒng)由西門子TGMT 系統(tǒng)、中國通號的DS6-60 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1 所示。

其中TGMT 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車自動防護(hù)、列車自動運(yùn)行等功能；聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)路排列，控制信號機(jī)、區(qū)段、道岔、屏蔽門、防淹門等設(shè)備的動作，車列跟蹤等聯(lián)鎖功能；ATS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行的監(jiān)督和控制功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

聯(lián)鎖按ATS 指令排列進(jìn)路，并把進(jìn)路鎖閉等信息發(fā)送給TGMT 系統(tǒng)的地面設(shè)備WCU_ATP，WCU_ATP 根據(jù)聯(lián)鎖提供的信息及列車的位置情況計(jì)算移動授權(quán)并發(fā)送給車載。車載計(jì)算ATP 防護(hù)曲線，并根據(jù)此防護(hù)曲線進(jìn)行列車監(jiān)督和超速防護(hù)。WCU_ATP 把CBTC 列車接近、停準(zhǔn)停穩(wěn)、屏蔽門門控等信息傳遞給聯(lián)鎖并由聯(lián)鎖執(zhí)行。聯(lián)鎖可不依賴WCU_ATP 獨(dú)立工作，為CBTC 系統(tǒng)提供后備模式。

2 WCU模塊介紹

WCU 模塊是聯(lián)鎖系統(tǒng)適配TGMT 系統(tǒng)的應(yīng)用接口模塊，在應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)DS6-60 聯(lián)鎖與WCU_ATP 之間的信息交互。其中主要交互信號、道岔、邏輯區(qū)段、計(jì)軸區(qū)段、零散設(shè)備等設(shè)備信息，通過SAHARA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的高效、可靠傳輸。

WCU 模塊主要完成設(shè)備信息的接收、發(fā)送處理。每周期WCU 模塊接收WCU_ATP 發(fā)送的設(shè)備控制Override 信息，并對信息進(jìn)行校驗(yàn)、分類、解析，將解析后信息(列車接近、停穩(wěn)等)通過聯(lián)鎖內(nèi)部函數(shù)接口傳給相應(yīng)模塊進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算。每周期WCU 模塊檢查各個設(shè)備的狀態(tài)，若設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，則將此設(shè)備信息進(jìn)行組包，形成設(shè)備狀態(tài)State 信息，通過SAHARA 模塊發(fā)送給WCU_ATP，供WCU_ATP 進(jìn)行移動授權(quán)計(jì)算。系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流如圖2 所示。

3 WCU模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖2 系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Data flow between systems

WCU 模塊根據(jù)功能，分為初始化、接收處理、發(fā)送處理、雙機(jī)交換4 個部分，其中接收處理和發(fā)送處理是模塊的重點(diǎn)，而處理的核心是報(bào)文，以下依次闡述報(bào)文結(jié)構(gòu)、報(bào)文元素、接收模塊和發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.1 WCU報(bào)文結(jié)構(gòu)

WCU 報(bào)文通過SAHARA 協(xié)議傳輸，一個SAHARA 包可以包含若干WCU 報(bào)文。而每個WCU 報(bào)文包含報(bào)文長度、通信頭、報(bào)文頭、報(bào)文值，如圖3 所示。報(bào)文長度是可變的，根據(jù)參數(shù)的個數(shù)決定，最大38 Byte；通信頭是為匹配WCU_ATP與聯(lián)鎖系統(tǒng)而配置的固定值，根據(jù)工程不同設(shè)置不同；報(bào)文頭包含報(bào)文發(fā)送方、接收方設(shè)備的類型與索引，用于匹配、索引各設(shè)備；報(bào)文值包含報(bào)文類型（聯(lián)鎖收、聯(lián)鎖發(fā)）、參數(shù)個數(shù)和參數(shù)值（一個參數(shù)對應(yīng)一個參數(shù)值），而報(bào)文的核心即這些參數(shù)值，每個參數(shù)值用1 Byte 儲存報(bào)文元素的基本信息。

圖3 WCU報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig.3 WCU telegram structure

3.2 報(bào)文元素

WCU 報(bào)文元素包括信號、道岔、交叉、邏輯區(qū)段、計(jì)軸區(qū)段、零散設(shè)備6 類。聯(lián)鎖將每個元素的狀態(tài)信息按位組合形成參數(shù)值發(fā)送給WCU_ATP，WCU_ATP 將每個元素的命令信息按位組合形成參數(shù)值發(fā)送給聯(lián)鎖，如圖4 所示。

圖4 WCU報(bào)文元素Fig.4 WCU telegram elements

3.3 接收處理模塊

接收處理是報(bào)文接收、校驗(yàn)、解析、處理的過程。當(dāng)SAHARA 通道上存在應(yīng)用數(shù)據(jù)時，響應(yīng)SAHARA 接收函數(shù)接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)設(shè)備類型進(jìn)行分類，記錄各個設(shè)備的參數(shù)值，并解析參數(shù)值，調(diào)用相應(yīng)接口函數(shù)進(jìn)行聯(lián)鎖處理。當(dāng)聯(lián)鎖與WCU_ATP 初始連接時，系統(tǒng)處于聯(lián)鎖控制的后備模式，直到完全接收到WCU_ATP發(fā)送的所有設(shè)備信息，轉(zhuǎn)為CBTC 模式。

對于信號元素，解析參數(shù)值，獲取AT 接近、UT 接近、停準(zhǔn)停穩(wěn)、停車保證、接近鎖閉信息，轉(zhuǎn)換成聯(lián)鎖識別的格式，下發(fā)到相應(yīng)接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對信號、進(jìn)路的控制。

對于道岔元素、交叉元素、邏輯區(qū)段元素，解析參數(shù)值，獲取道岔、交叉、邏輯區(qū)段占用信息，轉(zhuǎn)換成聯(lián)鎖識別的格式，根據(jù)道岔、交叉找到其所對應(yīng)的區(qū)段，設(shè)置對應(yīng)區(qū)段占用情況，下發(fā)到相應(yīng)接口函數(shù)。

對于零散設(shè)備元素，解析參數(shù)值，獲取屏蔽門的開關(guān)門信息、無人折返開關(guān)、閃爍信息，轉(zhuǎn)換成聯(lián)鎖識別的格式，下發(fā)到相應(yīng)接口函數(shù)，驅(qū)動繼電器動作。

3.4 發(fā)送處理模塊

發(fā)送處理是判斷狀態(tài)變化、組包、發(fā)送的過程。當(dāng)SAHARA 通道連接正常，遍歷所有設(shè)備，記錄本周期的設(shè)備狀態(tài)，與上周期比較，若發(fā)生變化，則將本周期設(shè)備狀態(tài)組包發(fā)送給WCU_ATP 進(jìn)行處理。

對于信號元素，將信號顯示、信號可用（信號被進(jìn)路鎖閉）、信號為保護(hù)區(qū)段信號信息根據(jù)格式按位組合成一個字節(jié)的參數(shù)值，并記錄此參數(shù)值。

對于道岔元素、交叉元素，將道岔/交叉位置、道岔/交叉方向，道岔側(cè)防、道岔/交叉可用性（被進(jìn)路鎖閉）信息根據(jù)格式按位組合成一個字節(jié)的參數(shù)值，并記錄此參數(shù)值。其中聯(lián)鎖與WCU_ATP 的道岔/交叉位置、方向定義不同，需要轉(zhuǎn)換。

對于邏輯區(qū)段元素，將區(qū)段方向、區(qū)段可用性（區(qū)段被進(jìn)路鎖閉）信息根據(jù)格式按位組合成一個字節(jié)的參數(shù)值，并記錄此參數(shù)值。對于計(jì)軸區(qū)段元素，將計(jì)軸區(qū)段占用情況按位組合成一個字節(jié)的參數(shù)值，并記錄。

對于零散設(shè)備元素，將屏蔽門、無人折返、緊急停車、防淹門等狀態(tài)信息，各自按位組合成一個字節(jié)的參數(shù)值，并記錄。

將記錄的參數(shù)值與上周期比較，若發(fā)生變化，將本周期參數(shù)值按照報(bào)文結(jié)構(gòu)進(jìn)行組包，存入緩存區(qū)，每周期結(jié)束時，通過SAHARA 模塊發(fā)送給WCU_ATP 處理。

4 WCU模塊測試

針對WCU 模塊的接口功能的測試，在實(shí)驗(yàn)室搭建測試環(huán)境，由DS6-60 聯(lián)鎖系統(tǒng)、TGMT 系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5 所示。聯(lián)鎖與WCU_ATP 通過以太網(wǎng)連接，聯(lián)鎖與控顯通過Arcnet 連接。控顯應(yīng)用控顯模擬一體化程序，模擬設(shè)備采集信息，TGMT系統(tǒng)模擬列車運(yùn)行。增加一臺PC 外設(shè)，應(yīng)用WireShark 軟件抓包獲取系統(tǒng)間傳遞的報(bào)文信息，用于分析報(bào)文、校驗(yàn)結(jié)果。

圖5 測試環(huán)境Fig.5 Testing environment

設(shè)備信息發(fā)送測試：通過排列進(jìn)路、轉(zhuǎn)換道岔、模擬采集，設(shè)置信號、道岔、區(qū)段、零散設(shè)備的狀態(tài)信息，與WCU_ATP 接收的信息比較，檢查設(shè)備的狀態(tài)信息是否正確發(fā)送給WCU_ATP；同時也采用植入錯誤的方法（例如信號降級等），檢查設(shè)備狀態(tài)信息是否正確發(fā)送。

設(shè)備信息接收測試：聯(lián)鎖排列進(jìn)路后，TGMT模擬列車在進(jìn)路上走行，檢查信號是否根據(jù)收到的接近、停穩(wěn)等信息而正確顯示；檢查區(qū)段是否根據(jù)收到的占用信息而正確顯示；檢查屏蔽門是否根據(jù)收到的開關(guān)門信息而正確顯示等。

通信測試：采用植入錯誤的方法，重啟交換機(jī)、拔掉網(wǎng)線、重啟系統(tǒng)等，檢查WCU 模塊是否在斷開連接時切換到聯(lián)鎖控制的備用模式，重新連接后，是否切換到CBTC 控制模式。

5 結(jié)束語

本文介紹了DS6-60 聯(lián)鎖與TGMT 合作的CBTC 系統(tǒng)，闡述WCU 模塊在此系統(tǒng)中的作用和處理流程，研究WCU 報(bào)文結(jié)構(gòu)、報(bào)文元素，實(shí)現(xiàn)報(bào)文接收處理和發(fā)送處理功能，并用真實(shí)系統(tǒng)與模擬環(huán)境對模塊進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖與TGMT 的信息交互，保證了WCU 模塊的獨(dú)立性、有效性。