城市軌道交通CBTC系統仿真實驗室設計

崔亦博, 焦怡博, 孫 旺, 王壯鋒

(1．中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081；2．北京交通大學 計算機與信息技術學院，北京 100044)

城市軌道交通CBTC系統仿真實驗室設計

崔亦博1, 焦怡博2, 孫 旺1, 王壯鋒1

(1．中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081；2．北京交通大學 計算機與信息技術學院，北京 100044)

設計了城市軌道交通CBTC系統仿真實驗室的建設方案。CBTC系統由諸多子系統構成，集成度高，硬件設備多。實驗室按照先搭建各子系統，最后整體集成的思路進行設計。實驗室各子系統可獨立進行仿真實驗，也可由各子系統配合完成整體實驗。通過合理規劃，在一間實驗室內完成了完整CBTC系統的仿真環境搭建。該方案保證了整個CBTC系統功能的完整性，將設備集成于同一實驗室也減少了占地面積，降低了實驗室建設成本，為類似實驗室的建設提供了參考。

城市軌道交通； 基于通信的列車控制； 仿真； 子系統； 集成

0 引 言

隨著中國城市化進程的加快，越來越多的城市將軌道交通建設作為未來的重要發展方向。至2016年末，國內城市軌道交通運營城市總數已超過29個[1]。基于通信的列車控制(Communication Based Train Control，CBTC)系統是當前城軌領域發展的熱點，相較于傳統的軌道交通信號系統，CBTC系統具有信息傳輸實時性高、行車間隔短、無線通信能力強等優勢。CBTC系統是安全苛求系統，應遵循故障導向安全的設計理念[2]。因此需通過最高等級的SIL-4安全認證，它是歐洲鐵路聯盟以IEC61508為基礎制定的執行標準[3]。EN50128:2011不僅將安全完整性等級SIL(Safety Integrity Level)劃分為4級，更規范了各等級下軟件的需求、設計、開發、測試、確認各階段的活動流程和具體要求[4]。要通過嚴苛的安全認證，便需要依靠完整的仿真環境對系統進行完備的測試。CBTC系統的硬件設備眾多，功能復雜，許多系統級的測試需各子系統協同參加才能完成。若將不同子系統分開安置于各實驗室，在協同測試時會產生諸多不便，因此有必要在同一實驗室內搭建一套完整的系統仿真環境，以提高實驗效率。

1 CBTC系統介紹

以中國鐵道科學研究院與廣州市地下鐵道總公司研制的MTC-I型CBTC系統為例，介紹系統的組成及功能。整個CBTC系統由以下子系統組成(系統總體結構見圖1)。

圖1 系統總體結構圖

(1) 列車自動防護(Automatic Train Protection，ATP)子系統，此子系統包括車載ATP設備(Vehicle On-Board Control Unit，VOBC)和軌旁區域控制器(Zone Controller，ZC)。ATP子系統負責監督列車的運行速度和列車狀態(包括列車車門、完整性、司機操作等信息)。它完成列車超速防護、控制前后列車間安全間隔、實現車門與站臺屏蔽門聯動等功能[5]。

(2) 列車自動監測(Automatic Train Supervision，ATS)子系統，由控制中心和車站本地控制設備組成。ATS子系統完成列車運行圖繪制、列車運行自動追蹤、進路自動控制等功能[6]。

(3) 列車自動運行(Automatic Train Operation，ATO)子系統，由車載設備組成。ATO子系統主要負責列車在有人輔助或無人狀況下的列車自動駕駛，它需在ATP子系統的監督下使用。ATO系統可自動完成列車的牽引、巡航、惰行、制動等功能，它減輕了司機的勞動強度，實現了列車運行過程中的電能的合理分配，在節能的同時保證了列車運行的平穩[7]。

(4) TYJL-III型計算機聯鎖(Computer Based Interlocking，CBI)子系統。CBI子系統以計算機為主要技術手段實現現場設備的聯鎖控制，如道岔、信號機等設備。

(5) 數據傳輸子系統(Data Communication System，DCS)，DCS子系統實現各設備之間的數據傳輸功能。

2 實驗室布局

CBTC系統仿真實驗室坐落于中國鐵道科學研究院通信信號創新基地二層，實驗室搭建了一整套CBTC系統仿真環境，在實驗室內即可對各子系統或整個系統進行仿真測試。實驗室主要被劃分為機柜區、工作站區、車載設備區、辦公區4個區域。

2.1 機柜區

完整的CBTC系統硬件設備包含眾多機柜，實際現場會將機柜設置于控制中心、車站設備室等地[8]。在實驗室中為了便于操作和布線，將所有子系統機柜集中擺放于機柜區，如圖2所示。機柜區后方墻壁設置安全電源，各機柜可就近獲取供電。機柜集中放置也方便實驗人員對機柜進行維護操作，例如有分屬不同機柜的多塊板卡需要更換時，若機柜放置于不同實驗室，會給操作人員帶來一定麻煩。此區域擺放ATS、ZC、聯鎖子系統的機柜，用以模擬控制中心、車站設備室等地的環境。此區域機柜是整個CBTC仿真系統的核心，道旁聯鎖設備的控制、列車移動授權的計算和轉發都由這些機柜完成。機柜自身含一套維護用KVM液晶套件，采用穩定的Windows Server操作系統，可在此對機柜軟件進行升級、維護、用戶登錄等操作。機柜的運算結果主要由工作站進行顯示輸出，實際現場中工作站一般設置于控制中心或車站的調度室，而機柜設置于設備室，兩者通過專用網絡連接[9]。在實驗室仿真中，將工作站區域設置于機柜區旁，便于運算信息的輸出顯示。

圖2 機柜區

2.2 工作站區

工作站區模擬控制中心或車站調度室的工作站，實現列車進路排列、列車運行狀態監督、運行圖繪制等功能，如圖3所示。工作站區由電腦主機、顯示屏、鍵盤鼠標等輸入設備組成，此區域設置于機柜區前，通過線纜與機柜連接，獲取機柜運算結果并輸出顯示。工作站相當于實驗人員與機柜等核心硬件系統的人機接口，它將輸入指令傳輸給后方機柜，并將后方機柜的運算結果輸出。在此區域，實驗人員根據實驗目的進行排列進路、異常情況下軌道占用、扣車、跳停等操作，并在顯示屏上監督列車的運行位置、速度、移動授權延伸等狀態。將工作站區設置于機柜區前，相較于跨實驗室傳輸數據節省了線纜長度，也有助于實驗及培訓人員了解仿真軟件與硬件機柜的數據流關系。

圖3 工作站區

2.3 車載設備區

車載設備區由駕駛臺及車載設備分機組成，模擬地鐵列車上司機室的設備，如圖4所示。地鐵列車在車頭、車尾兩端各有一套駕駛臺和車載設備分機，由于實驗室需仿真列車自動折返、駕駛臺換端等操作，故需配備兩套駕駛臺及分機設備。車載設備區設置于工作站區對面，這樣設計可方便實驗人員操作。實驗人員在駕駛臺對仿真車進行加速、減速、列車控制模式切換時，需同時觀察工作站上列車狀態的變化，因此將車載設備區與工作站區對向設置大大地方便了實驗人員操作。實驗人員在駕駛臺完成操作后即可觀察工作站顯示器上的列車狀態，為車載設備與ATS等子系統的協同仿真提供了便利。

圖4 車載設備區

2.4 辦公區

辦公區設置于實驗室盡頭，由工作臺、主機、顯示器等設備構成，此區域不執行CBTC系統的實驗操作，不含有任何與CBTC系統有關的硬件設備。研發人員在此處進行軟件開發、實驗結果匯總、分析討論等工作。在實驗室內設置辦公區方便了實驗人員工作，在實驗出現問題、發現系統漏洞時也可直接與研發人員討論溝通。在研發人員對系統軟件做出修改后，也可直接將軟件更新于實驗室仿真設備，提高了工作效率。

3 仿真系統搭建策略

CBTC系統包含眾多子系統，數據交換多，邏輯復雜。在搭建CBTC仿真系統時，采用先子系統，后整個系統的搭建方式，如圖5所示。此種方式先實現各子系統內部的硬件連接及軟件功能實現，最后再通過子系統間的接口將整個系統集成起來。采用模塊化的搭建方式不僅避免了搭建過程中系統接口混亂的問題，還使得不同子系統的搭建工作得以并行實施。搭建策略借鑒了軟件集成測試中自底向上的集成思想，顯著提高了實驗室仿真環境的搭建效率[10]。在實驗室搭建之初，需根據實驗室布局設計將各硬件設備安置于相應區域內，然后各子系統針對各自需要的硬件設備分開搭建仿真環境。當子系統內部仿真環境搭建完畢后，需對子系統進行功能性測試，子系統功能全部實現后才可進行整個系統的集成工作。通過由子系統至整個系統的一步步集成工作，排除了子系統內部錯誤對整個系統的影響，模塊化的思路在日后的維護、檢修工作中也便于錯誤快速定位。

圖5 仿真系統搭建策略圖

4 人才培養

城市軌道交通產業的快速發展，對專業技術人才的培養提出了更高要求[11]。據預計，短期內軌道交通專業人才供需比例為1∶4[12]。在人才培養上，實驗室采取與搭建策略相反的“自頂向下”的路線，先讓學員對整個CBTC系統有個宏觀認識，在了解各子系統間工作原理及數據流交換后，再深入學習各子系統內部的軟硬件功能。整個系統的所有設備都被集成于同一實驗室中，也有利于學員對全系統有清晰認識。教學上采用先理論，后練習，最后參與實驗的方式。在學員學習之初通過閱讀系統需求及接口設計等文檔，先對系統有個理論上的認識。然后學員在實驗技術人員的指導下學習仿真軟件的使用，仿真軟件可在單獨計算機上實現進路排列、列車狀態追蹤、運行圖繪制等功能，且與實驗室及實際線路中所用軟件操作一致。通過在仿真軟件上的反復練習，熟練學員的實驗操作技術，也讓學員對系統功能有了更加直觀認識。學員對系統及仿真軟件有了一定基礎后，在實驗室仿真環境下先復現以往的實驗，熟悉實驗室設備及操作流程后才可進入真正項目的實驗。

城市軌道交通人才培養的傳統方式是理論教學與實習分別進行，導致學生參加工作后發現實際項目與實習并不一致[13-14]。CBTC系統仿真實驗室依托實際項目，為學員提供了真實仿真環境和項目經歷。實驗室所做實驗對實際線路的開通、維護都有重要意義，與傳統理論教學相比具有更高的實用價值，也使得實驗人員對實際線路中的設備、運營情況等有真實認識，為軌道交通事業培養更多具有項目經歷的人才。

5 實驗室建設成效

CBTC系統仿真實驗室建成后，承擔了多個重大項目的測試驗證任務。實驗室擁有一整套CBTC系統設備，可實現系統的全部功能,能夠真實復現實際線路中出現的問題。在SIL-4等級的安全認證過程中，實驗室進行了大量的系統測試和仿真實驗。實驗室落成1年多以來，已先后完成長沙中低速磁浮項目和廣州七號線一期工程信號系統的仿真實驗，上述兩條線路在2016年均已開通運營，證明實驗室的系統仿真效果經受住了實際線路運營的考驗。

實驗室搭建的MTC-I型CBTC系統，是我國首套擁有完全自主知識產權的CBTC系統[15]。此系統打破了國外壟斷，填補了國產化CBTC系統實際線路應用空白。實驗室在MTC-I型CBTC系統的研發過程中提供了許多實驗支持，為系統研發做出了重要貢獻。

6 結 語

CBTC系統仿真實驗室在合理規劃下，在實驗室內完成了完整CBTC系統的搭建工作，節約了占地面積，提高了實驗的效率和協同性。實驗室在新線安全認證、現有線路維護和人才培養上發揮了重要作用，落成1年多以來未發生任何安全事故，圓滿完成了多項實驗任務。事實證明，CBTC系統仿真實驗室方案設計安全可靠，將整個CBTC系統集成于一間實驗室且功能齊全。與以往占有多間實驗室乃至多個樓層相比，減少了硬件設備數量，也更有利于實驗和教學的進行。該方案為空間緊張的大中院校、科研院所提供了解決問題的新思路，具有一定參考價值。

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Design of CBTC System Simulation Laboratory for Urban Rail Transit

CUIYibo1，JIAOYibo2，SUNWang1，WANGZhuangfeng1

(1． Signal &Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China； 2． School of Computer and Information Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

A construction scheme for urban rail transit CBTC system simulation laboratory was designed. The CBTC system consists of various subsystems, so it is highly integrated and has much equipment. According to the construction scheme, we built subsystems firstly and then integrated the whole system. Each subsystem can run the simulation experiment independently, and some experiments can also be completed by the whole system. Through reasonable planning, a complete CBTC system simulation environment was built in one laboratory. The scheme ensures the integrity of the whole CBTC system, and the integration of the equipment in the same laboratory also reduces the occupied area and reduces the cost of laboratory construction. It also provides reference for the similar laboratory construction.

urban rail transit; Communication Based Train Control(CBTC); simulation; subsystems; integration

2016-12-15

中國鐵道科學研究院基金課題(1451TH7302)資助

崔亦博(1992-)，男，河北石家莊人，碩士,研究實習員，主要研究方向：軌道交通信號系統測試驗證。

Tel.：18511548835；E-mail: cuiyibo@rails.cn

U 283;G 644

A

1006-7167(2017)05-0122-04