城市軌道交通CBTC 系統互聯互通測試平臺的設計與實現*

萬勇兵 王大慶

（上海申通地鐵集團有限公司技術中心，201103，上海∥第一作者，高級工程師）

隨著中國城市軌道交通協會（以下簡稱“協會”）組織編寫的有關CBTC（基于通信的列車控制）系統互聯互通系列標準的發布和實施，國內互聯互通型CBTC 系統建設如火如荼的開展［1］。作為國家示范工程項目，重慶首次在軌道交通4、5、10 號線和環線上實現了互聯互通。這意味著，在今后的城市軌道交通建設中，必然要求在規劃城市軌道交通網絡時，滿足互聯互通要求。然而CBTC 系統屬于復雜巨系統，即使各廠商依據相同的標準，但因各自理解和自身設計的不同，導致在產品的具體實現上存在一定差異。因此，如何驗證不同廠商的系統是否符合互聯互通規范要求，成為產品研制和應用推廣的工程技術難題［2］。

本文依據協會發布的系列標準，設計開發了一套CBTC 系統互聯互通測試平臺，在實現與被測系統閉環的半實物仿真條件下，可為跨廠商的互聯互通型CBTC 系統及其所包含的子系統提供功能、性能和接口的交叉測試驗證。

1 互聯互通定義和架構

1.1 互聯互通定義

城市軌道交通的互聯互通是指裝備不同信號廠家車載設備的列車可以在裝備不同信號廠家軌旁設備的一條軌道交通線路內或多條軌道交通線路上無縫互通安全可靠運營［3］。

從國內外城市軌道交通互聯互通研究現狀來看，目前實現互聯互通主要有4 種處理方式：①A家車載設備在B 家CBTC 線路上運行；②A 家軌旁設備作為B 家線路的延伸段設備組成完整的工程線路；③A 家的ATS（列車自動監控）可以控制B 家線路并指揮B 家車載設備運行；④線路間ATS 的互聯互通。

1.2 系統功能

根據文獻［3］給出的定義，互聯互通型CBTC系統主要由ATS 子系統、CBTC 軌旁設備（含ZC（區域控制器）等）、CBTC 車載設備（含ATP（列車自動防護）、ATO（列車自動運行）等子系統）、CI（計算機聯鎖）和DCS（數據傳輸子系統）等組成。

如下圖1 所示，與傳統CBTC 相比，互聯互通型CBTC 系統物理接口和功能接口中增加了列車與鄰線地面設備間的接口，以及各線間地面設備間的接口。

圖1 互聯互通型CBTC 系統架構圖

2 互聯互通測試平臺需求分析

2.1 CBTC 互聯互通測試需求

系統測試是確保不同廠商產品及系統符合標準規范，驗證其實現互聯互通的重要環節。根據CBTC系統互聯互通測試生命周期劃分，將測試驗證活動分為產品供應商測試、第三方實驗室室內測試和試驗線測試三個階段［4-5］。

對CBTC 系統互聯互通進行驗證應根據功能分配進行測試需求的劃分，即可測需求和不可測需求。其中，對可測需求，應借助互聯互通系統集成實驗室驗證平臺，采用黑盒測試的方法對系統及其各子系統進行測試驗證。驗證的內容包括系統功能需求、接口內容、車載電子地圖和車-地通信協議等。本文重點關注第二階段室內測試驗證。

2.2 互聯互通測試平臺需求

對于室內測試驗證，由不同廠商的軌旁設備、不同廠商的車載設備與測試平臺構成閉環運行環境。通過仿真列車進行本線、跨線、其他互聯互通線路運行，來驗證CBTC 系統互聯互通功能。

因此，搭建CBTC 系統互聯互通測試平臺，應能模擬線路上各基礎設備（如信號機、道岔、區段、應答器、站臺門、緊急停車按鈕等）、仿真列車（包括車輛仿真器、車載VOBC（車載控制器）仿真軟件、虛擬駕駛臺等），以及與被測系統相關聯的其它外部子系統，構建與CBTC 系統實際運營場景一致的半實物仿真環境，提供系統互聯互通功能、性能和接口測試條件［6］。

3 測試平臺設計

3.1 互聯互通測試平臺功能設計

針對互聯互通測試平臺需求，本文設計的CBTC 系統互聯互通測試平臺（結構框圖見2）主要由被測CBTC 系統、CBTC 組件仿真器、接口仿真器、線路設備仿真器和車輛（群）仿真器5 大模塊組成，各模塊的功能如表1 所示。

3.2 互聯互通測試平臺接口設計

為實現測試平臺各仿真器與被測系統無縫對接，各系統設備之間的接口設計是測試平臺實現的關鍵技術難點［7］。通過分析信號與車輛、站臺門等外部系統的接口需求，結合不同廠商CBTC 系統的特點，對CBTC 互聯互通測試平臺接口進行設計［8］。從圖2 可見，測試平臺主要接口包括：

1）車輛仿真器（TrainSim）與VOBC 接口。二者間存在3 種接口：①采用繼電器構成的驅動采集電路；②通過以太網接口傳輸電平信號對應的表示值；③通過RS-485 傳輸TIMS（列車綜合管理系統）信息（若有）。TrainSim 通過車載接口中間件接收VOBC 發送的列車控制命令（見表2），并向VOBC發送駕駛臺控制、列車狀態等信息，經過信號轉換后，實現VOBC 控制。

圖2 互聯互通測試平臺系統結構框圖

表1 測試平臺各模塊功能表

表2 列車控制命令信息報文

2）線路仿真器（LineSim）與CI 接口。二者間存在2 種接口：①采用繼電器構成的驅動采集電路；②通過以太網接口傳輸線路中各設備的實際狀態。LineSim 通過軌旁接口中間件接收CI 發送的線路設備控制命令信息，并向CI 發送線路設備狀態信息（見表3），經過信號轉換后，實現CI 控制。

3）車輛仿真器與線路仿真器接口。二者間采用RJ-45 以太網接口連接，兩者之間的數據傳輸采用UDP/IP 方式通信。TrainSim 向LineSim 發送列車的當前位置信息（見表4），LineSim 向TrainSim 發送應答器報文信息，實現列車位置的校正，以及列車的運行軌跡的實時顯示。

表3 線路設備狀態報文

表4 列車位置信息報文

4 互聯互通測試平臺實現及應用

4.1 互聯互通測試平臺-車輛仿真器

車輛仿真器由車輛動力學仿真和駕駛臺仿真兩部分構成。

1） 車輛動力學仿真。如圖3 所示，實時顯示列車速度、加速度、門狀態、EB（緊急制動）狀態、列車完整性等信息；實時更新列位置信息，由軌道區段ID 和偏移量組成；通過接口板信息可查看TrainSim和VOBC 之間的信息交互。

2）駕駛臺仿真。如圖4 所示，用于模擬司機駕駛臺各項操作，主要通過駕駛模式、車門模式、車門控制、運行等級、方式方向手柄等選項，以及ATO發車、緊急停車、駕駛端激活等開關按鈕來實現。端A/B 分別代表列車的兩端駕駛室，指示燈亮（紅色）表示該端頭被激活。

圖3 車輛動力學仿真（部分）顯示圖

圖4 駕駛臺仿真（單端）顯示圖

4.2 互聯互通測試平臺-線路仿真器

線路仿真器用于模擬信號機、道岔、計軸、站臺門、軌道區段等線路設備的動作和狀態，實現對CBTC 系統線路設備的功能邏輯仿真，以及設備狀態和列車運行位置的實時性顯示（見圖5）、線路設備故障注入等，提供測試所需的各種列車運行工況。

在圖5 中，通過“故障注入”操作，可實現不同故障場景的測試。若在X10-X12 進路正常辦理，X10 信號開放后，向G06 區段注入“占用”故障，LineSim 上顯示該區段為被占用（顯示紅光帶），同時將區段占用信息發送給CI 設備，由CI 控制進路始端信號機X10 的顯示，LineSim 回采信號機的狀態后更新顯示。

4.3 平臺應用

在實驗室環境下，測試平臺利用上海軌道交通張江試驗線三站兩區間工程線路數據，對卡斯柯（A家）提供的iTRANVI 型CBTC 系統和電氣泰雷茲（B 家）提供的TST_CBTC-IOP 型CBTC 系統進行了室內互聯互通交叉測試，即分別驗證了：

1）A 家的車載CBTC 設備在B 家的軌旁CBTC 設備（含ATS）上無縫互通正常運行；

圖5 線路仿真器顯示圖

2）B 家的車載CBTC 設備在A 家的軌旁CBTC 設備（含ATS）上無縫互通正常運行。

依據文獻［6］和文獻［7］的要求，系統應測試項點60 項，其中點式部分18 項、CBTC 部分34 項、其它8 項（不在標準要求范圍內，如點式紅燈誤出發功能、停車保證功能等），除列車站后自動折返、多車追蹤等5 項因線路條件不支持外，其余互聯互通功能均測試通過。

可見，本文設計并實現的測試平臺具備CBTC系統互聯互通功能、接口和性能的測試驗證能力，可應用于軌道交通互聯互通型CBTC 系統產品測試和工程驗證。

5 結論

城市軌道交通互聯互通網絡化運營是大勢所趨，互聯互通CBTC 系統可提高線路和設備利用率，實現車輛、車輛基地等資源共享及分段建設和定制運行線路等目標。通過對系統架構、系統測試需求和測試驗證平臺功能要求的分析，在滿足互聯互通上位標準基礎上，結合地方CBTC 建設特點，設計并實現了CBTC 系統互聯互通測試平臺。該測試平臺可以切實解決城市軌道交通CBTC 系統互聯互通測試驗證的技術難題，并提供全場景、多工況的仿真方案。該測試平臺的建成應用，將對提高產品質量、縮短系統研發周期、降低項目建設成本等具有重大意義。