城市軌道交通基于云的信號系統互聯互通測試平臺設計

劉正東，劉 歡，閆曉霞，吳 瓊

（1. 萊茵技術（上海）有限公司，上海 200072；2. 成都威奧暢通科技有限公司，成都 610100；3. 北京華鐵信息技術有限公司，北京 100010）

隨著城市規模的不斷擴大，地面交通的壓力也越來越大，軌道交通對于城市發展變得尤為重要[1]。目前，各城市內軌道交通不同線路的信號系統通常由不同供應商提供，因此，信號系統之間不能實現互聯互通，車載控制器之間也無法互聯互通[2]。基于此，文獻[3]中，提出需要建立一套全新的信號系統互聯互通標準，要求新開發的信號系統都采用統一的標準，但是對如何實現既有線路之間，以及既有線路與新線路之間的信號系統互聯互通的問題并未提出解決方案。

目前，國內外均已開展了城市軌道交通信號系統互聯互通的研究，如重慶在已開通的4條地鐵線路上均實現了信號系統互聯互通共線和跨線載客運營[4]。此外，已有廠家的信號系統實現了互聯互通相關功能，亟待進行測試和驗證。

在基于云的信號系統互聯互通投入使用前，為了驗證其可行性和可靠性，需要對其功能、性能進行全面測試，因此，本文設計了基于云的信號系統互聯互通的測試平臺（簡稱：BoC-iTP測試平臺）[5]，通過該測試平臺，可展示信號系統互聯互通運營場景的測試情況，為信號系統運營需求設計提供分析數據，為發現和修復潛在缺陷提供數據和記錄，提升信號系統的安全性和可靠性。

1 總體架構

BoC-iTP測試平臺主要由以下7部分組成：操作終端軟件、聯鎖邏輯軟件、車載控制軟件、現場設備控制器、接口轉換軟件、現場沙盤模型和現場仿真系統。

BoC-iTP測試平臺采用二乘二取二的安全架構，該架構運用雙CPU進行邏輯運算，并對結果進行一致性比較，二取二的設計可保證邏輯運算的正確性和安全性[6]。另外，為提高可靠性，采用冗余設計，即二乘，當主系出現故障后，可自動切換到備系，確保系統正常運行。BoC-iTP測試平臺架構如圖1所示。

圖1 BoC-iTP測試平臺架構

（1）操作終端軟件為BoC-iTP測試平臺提供顯示界面。

（2）聯鎖邏輯軟件依據計算機聯鎖系統的需求開發，用于對信號機、道岔、區段和其他外部設備的聯鎖關系進行運算。

（3）車載控制軟件通過無線發射裝置，控制沙盤上車輛的運行。

（4）由于不同廠家的信號系統需要進行互聯互通，那么接口協議的轉換是必不可少的。為了能夠解決各廠家接口協議的差異性問題，本文依據中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會提供的互聯互通需求、設計和接口規范標準，設計信號系統互聯互通接口轉換軟件。在接口轉換軟件的設計中將不同廠家的接口協議做成配置文件，接口轉換軟件通過讀取配置文件，實現不同廠家接口協議的轉換和適配[6]。

（5）現場設備控制器為自行研發設計的BoC-iTP測試平臺的硬件。該硬件采用高安全性和冗余性的二乘二取二架構[7]，根據故障導向安全的設計原則，使用二取二的輸出電路控制，并加載無線通信模塊，實現云端控制接口。

（6）現場沙盤模型由1∶87等比例縮小的信號機、道岔、軌道、按鈕和車輛組成，為BoC-iTP測試平臺提供現場設備實時運行的狀態，可依據沙盤模型設計圖搭建不同場景進行測試和展示。

（7）為提高測試現場的復雜性和完整性，可結合使用仿真系統模擬現場設備的實時狀態和故障植入等。

2 BoC-iTP測試平臺功能

BoC-iTP測試平臺具有基于通信的列車運行控制系統（CBTC, Communication Based Train Control System）和接口軟件間互聯互通的全部功能[8]。

（1）具備辦理進路、操縱軌旁設備、實時監控現場設備狀態等功能。

（2）實現聯鎖系統邏輯運算的功能，并將運算結果輸出給現場設備控制器，確保地面系統的安全運行。

（3）根據現場控制器發送的現場設備狀態，計算移動授權，實時控制列車前進、后退和停止。車載控制軟件集成了城市軌道交通自動控制系統、列車自動駕駛系統和區域控制器的完整功能[8]，實現對列車的運行控制和監督功能。

（4）實現與不同廠家的信號系統的兼容和互聯互通功能，并將轉換后可識別的數據轉發給外部不同廠家信號系統，內部的聯鎖邏輯軟件和車載控制器軟件用于操控沙盤模塊中的設備。

3 關鍵技術

操作終端軟件、聯鎖邏輯軟件、接口轉換軟件、車載控制軟件和現場仿真系統使用C語言編程實現，且采用了安全防御性編程技術和代碼檢錯技術[9]，以防止因系統性失效導致的功能失效。現場設備控制器采用了故障–安全設計原則，當系統發生故障時，BoC-iTP測試平臺的輸出會導向安全側，防止事故發生。下面將重點介紹接口轉換軟件和BoC-iTP測試平臺的硬件設計和實現。

3.1 接口轉換軟件

信號系統互聯互通接口轉換軟件開發采用了安全軟件編程技術，提高軟件代碼的質量，增強系統的安全性。本文采用以下4種編程安全技術完成接口轉換軟件設計。

3.1.1 模塊化技術

將軟件按照功能劃分為配置文件處理模塊、RSSP-I/II協議模塊、接收和解析數據模塊及發送數據模塊，以上4個功能模塊又繼續細分為小的模塊，小模塊間清晰定義輸入/輸出關系、變量及函數的調用關系，小模塊根據功能的復雜程度劃分函數，單個函數執行易于理解的功能，函數實現盡量減少函數圈復雜度，通過模塊化技術來限制軟件的復雜性和可維護性，提高接口轉換的易用性和可讀性。

3.1.2 防御性編程技術

對指令、數據和堆棧等空間的大小、指針有效性、數組和數值的邊界等進行防御性編程，防護非法值，并對相應的錯誤進行處理，確保接口轉換軟件有非預期的結果時能導向安全側輸出。在接收和解析數據模塊中，對接收數據的緩沖區進行溢出防護，對每個函數使用的指針進行判斷，當有緩沖區溢出或者非法指針時，將限定接口轉換軟件輸出，導向安全側并給出錯誤提示。

3.1.3 故障檢測與診斷技術

對接口轉換軟件代碼執行過程中的錯誤碼、關鍵信息、異常信息進行故障檢測與診斷，確保軟件正確運行。在配置文件處理模塊中，讀取文件時，對文件的格式進行判斷（循環冗余校核值的校驗、數據長度的校驗、對配置文件中設備狀態的校驗），當檢測到異常時，設置不同的故障碼，并進行記錄，對異常給出故障提示。

3.1.4 代碼檢錯技術

對允許錯誤編碼塊進行錯誤檢測與糾正，采用漢明碼、多項式代碼等方式，確保編碼的正確性。在配置文件處理模塊、接收和解析數據模塊都采用了多項式循環冗余校核的方式，保證接收數據的正確性。在軟件編碼中，對于二值變量，使用0x55和0xAA的賦值方式保證變量值的碼距，在使用該二值變量時，對非法值進行判斷，異常時，設置不同的故障碼，并進行記錄，對異常給出故障指示。

3.2 BoC-iTP測試平臺的硬件控制設計

BoC-iTP測試平臺的硬件控制平臺通過二乘二取二架構設計提高系統的高安全性和冗余性，根據計算機安全平臺的故障–安全設計原則，使用二取二的輸出電路控制，并加載無線通信模塊，實現云端控制接口。BoC-iTP硬件控制器架構如圖2所示。

圖2 BoC-iTP硬件控制架構

3.2.1 二取二輸出電路

硬件控制設計采用二取二輸出電路，為確保系統正確且安全輸出，兩路輸出電路需要進行比較，只有當兩路輸出一致時才會真正輸出。二取二輸出電路原理如圖3所示。

圖3 二取二輸出電路原理

（1）無線通信電路用于第1控制電路和第2控制電路與軌旁操作系統通信。為保證通信安全，主邏輯控制板與聯鎖邏輯軟件采用RSSP-I安全通信協議，可有效防護通信的7種威脅（重復、刪除、插入、重排序列、中斷、延遲、偽裝）。第1電源電路為第1控制電路提供工作電壓，第2電源電路為第2控制電路提供工作電壓，第3電源電路為無線通信電路提供工作電壓。

（2）第1、第2控制電路原理如圖4所示，電源芯片U1將接入的外部直流電源穩壓到3.3 V，為后續電路提供工作電壓。電容C1和電容C2對接入的外部電源進行濾波（電容C13和電容C14），電容C3對電源芯片U1的引腳2輸出的直流電壓3V3-MCU1進行濾波，從而提升輸出的直流電源3V3-MCU1的純凈度。

圖4 第1、第2控制電路原理

4 BoC-iTP測試平臺應用場景

依據BoC-iTP測試平臺的架構和測試場景設計要求，搭建完整的BoC-iTP測試平臺和沙盤模型，沙盤模型如圖5所示。

圖5 沙盤模型

沙盤模型設計3條不同設備供應商的軌道交通線路，3條軌道交通線路之間具備信號系統互聯互通運行條件[8]。圖5的沙盤模型完成對BoC-iTP測試平臺的信號系統互聯互通共線和跨線功能，以及聯鎖系統、區域控制器和車載列車自動控制系統的功能的測試。測試活動包括以下幾方面。

（1）通過操作終端軟件辦理列車進路、操縱道岔和取消進路等響應操作人員的調試命令。

（2）當聯鎖邏輯軟件接收到操作命令后，對命令進行解析，對聯鎖條件進行判斷，鎖閉進路和開放信號，并生成驅動命令，通過Wifi傳輸給現場控制器沙盤模型的設備。

（3）現場控制器與聯鎖邏輯軟件采用RSSP-I安全通信協議傳輸數據，以保證數據正確性和安全性。現場控制器驅動輸出電路，對沙盤模型中的信號機、道岔、區段等現場設備進行驅動，從而測試信號機是否開放、道岔是否轉動到定反位、區段是否為占用或出清狀態等。

（4）通過車載控制軟件可控制車輛運行，對車輛的前進、后退、加速和減速運行進行測試。

測試結果顯示，BoC-iTP測試平臺的基本功能運行正常，這說明基于云的信號系統互聯互通功能可以實現，該測試平臺可用于信號系統的測試。

在此基礎上，亦可結合現場仿真系統增加站場復雜度，對BoC-iTP測試平臺的功能進行完整測試，以便更有效證明BoC-iTP測試平臺的正確性。

5 結束語

BoC-iTP測試平臺不僅能為城市軌道交通信號系統功能、運營場景、教學研究提供實踐數據，還將進一步促進智慧地鐵的建設發展，為城市軌道交通的高質量、高安全性的發展提供了堅實基礎、有力支撐和有效的驗證。后續仍需要增加站場的復雜性，提高測試的自動化水平，為信號系統互聯互通全功能的現場測試提供試驗依據。