城市軌道交通CBTC系統歐標應答器仿真測試平臺設計與實現

陳寧寧，徐 杰，尹遜政

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

基于無線通信的列車自動控制系統（CBTC）作為城市軌道交通核心的安全控制子系統，其開發遵從實驗室驗證到實際線路驗證的研發流程。由于系統構成復雜，控制對象具有多目標、多模式、高速度等特點，研發前期階段需要面向系統需求，最大限度地采用軟件模擬仿真實際線路構建系統仿真試驗環境。

目前我國城市軌道交通CBTC系統普遍采用符合歐洲鐵路標準的應答器設備完成列車位置校準、降級模式下列車授權報文發送等功能。面向城市軌道交通基于通信的列車控制系統的系統集成測試要求，研發室內應答器子系統仿真測試軟件平臺對CBTC系統自主研發工作至關重要。

1 系統設計原理

CBTC列車控制系統包括地面設備和車載設備。地面設備如計算機聯鎖、軌旁ATP（列車自動防護-軌旁）、信號機、計軸、應答器等。車載設備如車載ATP（列車自動防護-車載）、BTM（應答器發送接收單元-車載）等。系統有3個控制等級：CTC（連續式列車控制級）、ITC（點式列車控制級）、ILC（聯鎖級列車控制級）。ILC是車載設備復位后的默認運行等級同時也是最低級的運行等級。ILC通過定位及移動授權的接收可以切換到相應的ITC或更高的CTC運行等級如圖1所示。

圖 1 CBTC系統控制級別轉換圖

ILC級別下的列車需要接收到兩個連續的固定應答器報文才能確定當前的位置及運行方向。列車位置的變化是通過累加車輪運轉圈數得到的。由于車輪磨損導致的車輪直徑誤差使長距離運行時列車位置計算存在不確定性。該不確定性的增長危及系統的安全性，因此，ITC與CTC級別下都需要應答器設備作為列車行駛位置的修正標準。在ITC級別下，應答器在計算機聯鎖系統控制下還承擔著移動授權的發送功能，因此應答器報文收發是3個控制級別的運行基礎，它的正確與否直接關系到列車控制的可靠性與安全性。

CBTC系統應答器相關設備的分布如圖2所示。

圖 2 CBTC系統設備分布圖

實際線路的應答器是按照系統設計部署在整條線路上的，按照報文控制方式，可分為固定應答器與可變應答器。固定應答器每隔一段距離安裝一個用于修正列車的運行位置信息。可變應答器根據其物理安裝位置，定義為主信號應答器和填充應答器。主信號應答器與信號燈關聯，可以發送信號機表示的進路信息。填充應答器則可以復示前方信號機關聯主信號應答器的報文。應答器及其它軌旁設備布局如圖3所示。

歐標應答器（Eurobalise）是依據ETCS（歐洲鐵路控制系統）標準規范開發而成的，廣泛應用于歐洲軌道交通信號系統中，近年來在我國高速鐵路和城市軌道交通中的應用也日益廣泛。歐標應答器在保證硬件通用性的前提下，內部存儲報文具有嚴格的結構定義，根據報文長度不同，劃分為長報文和短報文兩種方式。長報文共1 023 bit數據，其中有效報文830 bit，除去幀頭50 bit和幀結束包8 bit，用戶數據包共計772 bit。短報文共341 bit，其中有效報文210 bit，除去幀頭50 bit和幀結束包8 bit,用戶數據包共計152 bit。CBTC系統中通常使用長報文方式。

圖 3 軌旁應答器布置圖

由于應答器設備的重要性、位置相關性且CBTC系統軟件開發工作不可能始終在正式線路上進行，開發一套室內應答器仿真測試軟件勢在必行。應答器仿真測試平臺軟件功能主要包括信號機、道岔、應答器、BTM（車載應答器接收設備）。可以生成和發送相應的應答器報文。

2 功能需求及實現

固定應答器的通信過程是當行駛列車通過固定應答器上方時，車載BTM天線通過無線信號給固定應答器提供電能，固定應答器激活并發送存儲在內部的固定應答器報文。車載BTM天線接收報文并轉發給車載ATP。

可變應答器的通信過程是行駛列車接近可變應答器關聯的信號機時，聯鎖設備根據線路情況和列車位置為列車排列進路并發送LEU控制指令修改可變應答器內部報文。當行駛列車通過可變應答器上方時，可變應答器激活并發送存儲在內部的可變應答器報文。車載BTM天線接收報文并轉發給車載ATP。

CBTC系統歐標應答器仿真測試平臺由硬件和軟件組成。硬件主要包括一臺工業控制計算機以及相關的通信板塊。系統采用W indow s操作系統，軟件則由VC++開發，主要包括：計算機聯鎖接口模塊、車載ATP 接口模塊、人機接口模塊及應用邏輯模塊。軟件主要功能保證應答器及其相關信號機、道岔功能上的完全模擬。要求模擬軟件有與車載ATP及計算機聯鎖的通信接口，功能上確保應答器報文與實際相符，能夠準確的判定報文的發送時機。軟件接口及工作流程如圖4所示。

圖 4 應答器仿真測試平臺接口及工作流程圖

2.1 應答器報文與實際相符

應答器報文分為固定應答器報文及可變應答器報文。固定應答器報文在設備中永遠不變?？勺儜鹌鲌笪碾S關聯信號機的狀態而改變，包括紅燈報文、綠燈報文、滅燈報文、默認報文。軟件中用配置文件方式存儲固定與可變應答器報文，報文存儲結構方便利用信號機狀態、應答器名稱等搜索。

仿真軟件與車載ATP設備運行距離信息同源，可以根據道岔位置、信號機狀態推算出列車在線路地圖上的實際位置，同時不斷搜索該位置前方的應答器編號、并在配置文件中搜索出相應報文并發送給車載ATP。

2.2 支持多列車實時在線報文發送

實際運行過程是多輛列車同時在同一線路上運行。本軟件支持對多輛列車搜索其當前位置的前方應答器報文。

2.3 支持應答器故障測試

CBTC系統集成測試要求能對應答器故障情況進行測試。主要故障模式包括應答器丟失、內置應答器報文錯誤、應答器報文發送遲緩等。通過配置文件及界面選擇，本仿真測試軟件可以實現對上述異常情況的模擬。應答器列表界面如圖5所示。

2.4 支持手動進路排列與自動進路排列

圖5 應答器列表

CBTC系統集成測試環境中計算機聯鎖設備用于列車進路的排列，如道岔位置、信號機狀態等。但是車載設備的測試不能完全依賴于真實的計算機聯鎖設備，因此在應答器仿真測試軟件中添加與計算機聯鎖斷開狀態時對信號機狀態、道岔位置的手動選擇功能。信號機狀態包括紅燈、綠燈、黃燈、滅燈。道岔狀態包括定向、反向。

連接真實的計算機聯鎖設備，軟件可以實時從計算機聯鎖獲取當前的進路信息，動態更新本地信號機與道岔信息。自動進路排列更貼近于實際運行過程，測試效果更好。

3 結束語

城市軌道交通CBTC系統歐標應答器仿真測試平臺，可以使車載系統脫離軌旁測試環境的限制進行單獨測試，也可以將軌旁測試環境與車載測試環境無縫結合起來，實現整個CBTC系統的自動長時間室內壓力測試。它不僅滿足了mTC-I型CBTC系統研發過程中的開發與測試需求，而且借助其自身通用化設計、良好的軟件擴展性以及歐洲標準應答器在我國城市軌道交通、干線鐵路、高速鐵路的普遍應用，在未來可以在軌道交通信號系統自主化工作中發揮更大作用。

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