基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)測試研究

孟寒松

（深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司 設(shè)備管理部，深圳 518038）

基于通信的列車運(yùn)行控制（CBTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的分布式控制系統(tǒng)，主要用于輔助列車運(yùn)行和駕駛、保護(hù)和輔助乘客、保障行車安全，并為城市軌道交通的發(fā)展提供技術(shù)支持。CBTC系統(tǒng)主要由列車自動(dòng)監(jiān)督、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、車載/地面列車自動(dòng)防護(hù)和數(shù)據(jù)通信等子系統(tǒng)構(gòu)成，其系統(tǒng)場景繁多，功能龐大。CBTC系統(tǒng)作為一種能夠滿足軌道交通高速度、高密度要求的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)確保列車行車安全和高效運(yùn)營有著至關(guān)重要的作用。對(duì)CBTC系統(tǒng)的軟硬件及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試，能夠從一定程度上保證系統(tǒng)的安全和質(zhì)量。

我國城市軌道交通行業(yè)CBTC系統(tǒng)主要供應(yīng)商開發(fā)的自有測試平臺(tái)可以滿足自有CBTC設(shè)備研發(fā)過程中的基礎(chǔ)性測試，但無法開展具有公信力和可信度的公開和通用性測試。第三方測試的目的在于幫助CBTC供應(yīng)商找出其研發(fā)的產(chǎn)品可能影響系統(tǒng)安全和運(yùn)營的問題。測試機(jī)構(gòu)獨(dú)立于CBTC供應(yīng)商，因此，其測試結(jié)果更具有公信力。綜上，第三方測試在測試目的、內(nèi)容、社會(huì)影響力等方面都與CBTC供應(yīng)商自身的測試有較大不同，在城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行有公信力的第三方測試尤為必要[1]。

1 測試平臺(tái)

1.1 平臺(tái)概述

CBTC測試平臺(tái)用來測試CBTC系統(tǒng)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)條款要求，主要由測試系統(tǒng)、適配系統(tǒng)和外圍設(shè)備模擬系統(tǒng)組成。其中，測試系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備的功能測試；適配系統(tǒng)用來轉(zhuǎn)換CBTC各廠家的通信接口；外圍設(shè)備模擬系統(tǒng)用來提供測試系統(tǒng)的外部運(yùn)行環(huán)境。CBTC測試平臺(tái)集成了測試案例對(duì)應(yīng)的運(yùn)行場景、功能點(diǎn)、測試需求、案例內(nèi)容、測試步驟、測試結(jié)果等元素，其目的在于使各CBTC廠家能夠根據(jù)國家規(guī)定的技術(shù)規(guī)范要求完成CBTC系統(tǒng)功能的開發(fā)。

1.2 測試流程

CBTC系統(tǒng)的測試流程分為測試準(zhǔn)備和測試進(jìn)程2部分，如圖1所示。

圖1 CBTC測試平臺(tái)測試流程

1.2.1 測試準(zhǔn)備

在測試準(zhǔn)備階段，測試人員為設(shè)備的接口進(jìn)行連接和確認(rèn)工作，包括測試平臺(tái)與被測設(shè)備的接口連接、測試平臺(tái)與被測設(shè)備各接口通信狀態(tài)的確認(rèn)，并基于測試需求的符合性對(duì)各接口的響應(yīng)和延時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。各通信接口均確認(rèn)完畢后，根據(jù)測試規(guī)范，確定被測設(shè)備的功能點(diǎn)，基于功能點(diǎn)提取測試需求，根據(jù)測試需求編寫測試案例，從而形成測試案例的數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 測試進(jìn)程

在測試進(jìn)程階段，需明確測試任務(wù)，根據(jù)測試任務(wù)要達(dá)到的目的選取數(shù)據(jù)庫中的測試案例，通過運(yùn)行測試案例中的初始化步驟完成測試系統(tǒng)的初始化。測試系統(tǒng)完成初始化后，即可驅(qū)動(dòng)測試案例的運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后，測試人員需要確認(rèn)測試系統(tǒng)是否接入了被測設(shè)備，如已接入，在運(yùn)行環(huán)境中設(shè)置并運(yùn)行腳本，直到測試結(jié)束；如尚未接入，則按CBTC測試平臺(tái)的提示接入被測設(shè)備，重新對(duì)被測設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)。測試結(jié)束后，測試平臺(tái)會(huì)自動(dòng)對(duì)比測試案例的預(yù)期結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況，以核查測試結(jié)果的正確性，并得出該項(xiàng)測試是否通過的結(jié)論[2]。

1.3 測試案例開發(fā)

測試案例是測試的核心，CBTC系統(tǒng)的測試案例是指列車在特定的控制等級(jí)下設(shè)計(jì)的案例，需保證每個(gè)功能特征都有專屬的等級(jí)模式屬性。為保證功能特征的完備性和合理性，需要在特征需求中找到能夠覆蓋它的測試案例，且每個(gè)需求都來自于系統(tǒng)需求規(guī)范[3]。

本測試平臺(tái)對(duì)測試案例的開發(fā)，主要包括以下步驟。

（1）根據(jù)系統(tǒng)需求規(guī)范，提取測試點(diǎn)，如：某種狀態(tài)下的速度限制，系統(tǒng)對(duì)某信號(hào)的響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間等。

（2）根據(jù)測試點(diǎn)及其要求，設(shè)計(jì)測試中所需出現(xiàn)的場景（狀態(tài)），如：CBTC控制級(jí)別或點(diǎn)式控制級(jí)別，測試點(diǎn)中車載系統(tǒng)所處模式、行車速度等。

（3）根據(jù)系統(tǒng)需求規(guī)范，設(shè)計(jì)測試規(guī)則（判斷標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)），從而完成測試案例的開發(fā)。

2 測試驗(yàn)證實(shí)例

區(qū)域控制器（ZC，Zone Controller）是CBTC系統(tǒng)車地信息處理的樞紐，根據(jù)列車匯報(bào)的位置信息及聯(lián)鎖排列的進(jìn)路和軌道占用信息，為其控制范圍內(nèi)的列車計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)（MA，Movement Authority），確保列車的運(yùn)行安全。因此ZC是CBTC系統(tǒng)的重要設(shè)備。通常情況下CBTC系統(tǒng)運(yùn)行的線路上會(huì)有多個(gè)ZC，每個(gè)ZC有一定的控制范圍。列車從一個(gè)ZC控制范圍運(yùn)行到另一個(gè)ZC控制范圍時(shí)，需要由列車和2個(gè)ZC共同配合完成ZC移交流程。場景是對(duì)列車運(yùn)行過程中CBTC系統(tǒng)及其子系統(tǒng)工作方式的簡要描述。在CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，ZC移交是其中一個(gè)典型場景，因此本文以ZC移交場景測試對(duì)CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證[4]。

2.1 ZC移交場景和信息交互

列車在跨ZC的運(yùn)行過程中，ZC移交功能的實(shí)現(xiàn)包括觸發(fā)移交、越過邊界點(diǎn)和移交注銷，如圖2所示。圖2中，P表示停車點(diǎn)，H表示MA終點(diǎn)的位置。

圖2 ZC移交示意

2.1.1 觸發(fā)移交

在列車正常運(yùn)行過程中，移交ZC為列車計(jì)算的MA1到達(dá)ZC管轄范圍邊界時(shí)，移交ZC將檢查ZC移交的條件。當(dāng)移交ZC確認(rèn)列車滿足切換條件后，將開始與接管ZC進(jìn)行信息交互，向接管ZC發(fā)送即將切換的列車的運(yùn)行信息和為其生成的MA1信息，并接收由接管ZC為該列車生成的允許列車在接管ZC范圍內(nèi)運(yùn)行的MA2，移交ZC將MA1和MA2進(jìn)行處理后生成整體的MA發(fā)送給車載控制單元（VOBC，Vehicle Onboard Controller）使用。

2.1.2 越過邊界點(diǎn)

VOBC按照移交ZC的MA運(yùn)行，直到列車車頭越過ZC邊界點(diǎn)時(shí)，VOBC開始與接管ZC通信，向接管ZC發(fā)送列車位置并申請(qǐng)MA，同時(shí)保留與移交ZC的通信信息。VOBC與接管ZC注冊(cè)成功并收到其生成的完整MA信息后，VOBC開始受接管ZC的控制。

2.1.3 移交注銷

VOBC按照接管ZC的MA運(yùn)行，當(dāng)列車車尾越過ZC邊界后，VOBC與移交ZC注銷，釋放在移交ZC范圍內(nèi)占用的資源。

在列車跨越ZC邊界運(yùn)行的整個(gè)過程中，為保證列車能不降級(jí)或減速安全交接，移交ZC與接管ZC及列車之間存在著復(fù)雜的信息交互，詳細(xì)信息交互過程如圖3所示[5]。

圖3 ZC移交場景信息交互

2.2 ZC移交測試

2.2.1 測試需求

為實(shí)現(xiàn)并滿足城市軌道交通互聯(lián)互通的需要，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)制定了T/CAMET 04012.1-2018《城市軌道交通 基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通測試規(guī)范 第1部分：CBTC測試及驗(yàn)證》[6]（簡稱：《測試規(guī)范》）。根據(jù)“測試規(guī)范”的定義，ZC移交場景的功能點(diǎn)為：VOBC應(yīng)同時(shí)與移交、接管線路的ZC設(shè)備建立通信，并根據(jù)列車是否越過移交邊界選用移交/接管線路的ZC設(shè)備發(fā)送的MA[7]。

測試功能為，兩條連續(xù)式列車控制級(jí)別線路間應(yīng)設(shè)置移交邊界和移交重疊區(qū)，列車進(jìn)入移交重疊區(qū)后，VOBC應(yīng)同時(shí)與移交、接管線路的ZC設(shè)備建立通信，并根據(jù)列車是否越過移交邊界選擇采用移交/接管線路的ZC設(shè)備發(fā)送的MA；移交、接管線路的ZC設(shè)備間應(yīng)互傳線路狀態(tài)、列車位置等信息，并向VOBC發(fā)送MA信息，其對(duì)應(yīng)的測試功能需求分為兩部分。

（1）列車未越過移交邊界時(shí)的測試需求

列車進(jìn)入移交重疊區(qū)后，未越過移交邊界時(shí)，VOBC同時(shí)與移交、接管線路的ZC設(shè)備建立通信，此時(shí)列車采用移交線路的ZC設(shè)備發(fā)送的MA；移交、接管線路上的ZC設(shè)備互傳線路狀態(tài)、列車位置等信息，移交、接管線路的ZC設(shè)備均向列車發(fā)送MA。

（2）列車越過移交邊界時(shí)的測試需求

列車越過移交邊界后，VOBC斷開與移交線路的ZC設(shè)備的通信，只與接管線路的ZC設(shè)備通信，并采用其MA；移交線路的ZC設(shè)備不再向列車發(fā)送MA。

2.2.2 測試案例編寫

在明確測試需求的基礎(chǔ)上，編寫測試案例，主要內(nèi)容如表1和表2所示。

表1 列車未越過移交邊界的測試案例

表2 列車越過移交邊界的測試案例

2.2.3 測試案例運(yùn)行

根據(jù)2.1節(jié)的場景描述，在CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)上定義MA、列車位置、注銷申請(qǐng)、注銷確認(rèn)等信息。參考CBTC系統(tǒng)車地連續(xù)通信協(xié)議[8-9]，上述信息在測試平臺(tái)的定義如表3所示。

表3 ZC移交場景中信息名稱及其內(nèi)容

一個(gè)完整的ZC移交場景測試案例的測試步驟如下。

（1）列車未進(jìn)入移交ZC與接管ZC重疊區(qū)范圍，僅與移交ZC建立通信，移交流程未啟動(dòng)。列車只受移交ZC的控制，使用移交ZC發(fā)送的MA運(yùn)行。移交ZC開始向接管ZC發(fā)送列車的信息。

（2）列車的最大安全前端進(jìn)入重疊區(qū)范圍，僅與移交ZC建立通信，移交流程未啟動(dòng)。

（3）車的最大安全前端完全進(jìn)入重疊區(qū)范圍后，列車給移交ZC發(fā)送注冊(cè)申請(qǐng)，同時(shí)與移交ZC和接管ZC建立通信，此時(shí)MA終點(diǎn)尚未到達(dá)移交邊界，移交流程未啟動(dòng)。

（4）列車的MA終點(diǎn)到達(dá)移交邊界，移交流程啟動(dòng)。

（5）接管ZC收到移交ZC的移交狀態(tài)信息中包含列車的“列車移交”狀態(tài)，則接管ZC為列車計(jì)算MA，若MA可延伸進(jìn)入接管ZC的管轄范圍，接管ZC向移交ZC發(fā)送的“列車移交接管狀態(tài)”為“列車接管”，移交ZC將列車的MA延伸至接管ZC的管轄范圍，最遠(yuǎn)不能超過接管ZC的重疊區(qū)范圍，且不能越過接管ZC計(jì)算的MA終點(diǎn)。

（6）列車向前運(yùn)行，最大安全前端駛出移交ZC的管轄范圍，移交ZC和接管ZC互發(fā)列車的移交狀態(tài)信息和移交列車信息，并向列車發(fā)送MA。

（7）列車駛過移交邊界，完全駛出移交ZC的管轄范圍，列車給移交ZC發(fā)送注銷請(qǐng)求，斷開與移交ZC的通信。至此，列車完成控制權(quán)由移交ZC向接管ZC的切換。

測試案例的運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 測試案例運(yùn)行界面

在ZC的模擬界面上可以看到測試案例運(yùn)行過程中列車的信息，包括車輛編號(hào)、列車狀態(tài)、列車編號(hào)、授權(quán)狀態(tài)、運(yùn)行方向、運(yùn)行控制級(jí)別、駕駛模式、車頭位置、車尾位置、下一個(gè)區(qū)段等。車載模擬界面如圖5所示，ZC界面顯示的MA狀態(tài)如圖6所示。

圖5 車載模擬界面

圖6 ZC界面顯示的MA狀態(tài)

列車在接近移交ZC和接管ZC的邊界區(qū)域時(shí)，MA會(huì)縮短，如圖6（a）所示，因?yàn)榇藭r(shí)列車即將與移交ZC斷開通信，與接管ZC重新建立通信并接收新的MA。當(dāng)列車駛?cè)虢庸躗C管轄范圍內(nèi)后，收到接管ZC發(fā)送的MA，MA重新延伸到列車前方，如圖6（b）所示。從測試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的測試案例是合理的，在測試平臺(tái)上的運(yùn)行結(jié)果符合預(yù)期，證明了本文研究的測試方法的可行性。

3 結(jié)束語

本文提出的CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)，以測試規(guī)范為測試依據(jù)，研究了CBTC系統(tǒng)測試實(shí)現(xiàn)，并以ZC移交場景對(duì)CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，ZC移交場景測試結(jié)果符合預(yù)期，證明了CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)的有效性和可行性。