CBTC半實(shí)物仿真平臺(tái)接口互聯(lián)互通方案的研究

魏國(guó)棟，袁 磊，付 強(qiáng)

（1.北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

計(jì)算機(jī)與通信信號(hào)

CBTC半實(shí)物仿真平臺(tái)接口互聯(lián)互通方案的研究

魏國(guó)棟1，袁 磊2，付 強(qiáng)1

（1.北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

本文提出一種基于分布式的接口互聯(lián)互通解決方案，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下成功搭建了一套融合不同供應(yīng)商設(shè)備的CBTC最小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真平臺(tái)的搭建，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

CBTC ；互聯(lián)互通；分布式；半實(shí)物仿真平臺(tái)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)CBTC系統(tǒng)）得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)沒(méi)有關(guān)于地鐵信號(hào)設(shè)備的統(tǒng)一規(guī)范，雖然各大廠商供應(yīng)的信號(hào)設(shè)備功能上基本一致，但每個(gè)廠家CBTC系統(tǒng)間各個(gè)子系統(tǒng)的接口協(xié)議卻千差萬(wàn)別，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。具體體現(xiàn)：CBTC系統(tǒng)中各設(shè)備之間的安全通信協(xié)議不同；CBTC系統(tǒng)中各設(shè)備之間的應(yīng)用層報(bào)文內(nèi)容以及交互流程不同。

采用CBTC半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真研究時(shí)，也希望利用不同供應(yīng)商的設(shè)備搭建一套CBTC仿真最小系統(tǒng)來(lái)做相關(guān)測(cè)試對(duì)比。因此，研究并實(shí)現(xiàn)可以用于CBTC仿真系統(tǒng)各關(guān)鍵設(shè)備之間互聯(lián)互通的方案有著實(shí)際的意義，同時(shí)對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備之間的互聯(lián)互通具有借鑒作用。

1 CBTC系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)

CBTC半實(shí)物仿真平臺(tái)是在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)精簡(jiǎn)與不同線路相關(guān)的功能配置，并增加線路仿真、車(chē)輛仿真以及仿真設(shè)備搭建而成。在該半實(shí)物仿真平臺(tái)中，各個(gè)真實(shí)設(shè)備可能來(lái)自于不同的生產(chǎn)廠家。因此，研究和實(shí)現(xiàn)各個(gè)真實(shí)設(shè)備間、仿真設(shè)備間以及真實(shí)設(shè)備與仿真設(shè)備間的接口互聯(lián)互通方案是完成搭建該套半實(shí)物仿真平臺(tái)的關(guān)鍵。

半實(shí)物仿真CBTC系統(tǒng)的真實(shí)設(shè)備包括一套車(chē)站設(shè)備、中心ATS設(shè)備及車(chē)載控制器VOBC；仿真設(shè)備包括仿真車(chē)站設(shè)備（仿真CI、仿真ZC）、仿真VOBC以及仿真軌旁，所有這些設(shè)備間的通信由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)連接。

半實(shí)物仿真CBTC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 接口互聯(lián)互通方案研究

對(duì)于CBTC系統(tǒng)，ATS子系統(tǒng)、ZC子系統(tǒng)、CI子系統(tǒng)和VOBC子系統(tǒng)是其關(guān)鍵設(shè)備。而半實(shí)物仿真平臺(tái)的接口互聯(lián)互通則需要解決如何實(shí)現(xiàn)上述任意兩個(gè)真實(shí)設(shè)備間以及與仿真ZC、仿真CI和仿真VOBC的數(shù)據(jù)通信。不同設(shè)備廠家提供了各自的真實(shí)設(shè)備、安全協(xié)議（采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式）以及應(yīng)用層接口說(shuō)明文檔，因此對(duì)接口互聯(lián)互通方案的研究是搭建設(shè)備互聯(lián)互通的必要前提和條件。

圖1 CBTC半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

接口互聯(lián)互通方案的實(shí)現(xiàn)需在不改變已經(jīng)固化硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上滿足傳輸?shù)恼_性、安全性以及實(shí)時(shí)性。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

2.1.1 任意兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備間的單向通信

設(shè)計(jì)思路為采用通信發(fā)起設(shè)備的安全協(xié)議接收通信發(fā)起設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，采用通信接收設(shè)備安全協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給通信接收設(shè)備，即完成了單向數(shù)據(jù)互通，如圖2所示。

2.1.2 多個(gè)關(guān)鍵設(shè)備間的通信

對(duì)于多個(gè)設(shè)備互通其基本思路是將數(shù)據(jù)發(fā)送給互聯(lián)互通解決方案，方案處理后發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備?；ヂ?lián)互通方案需要滿足4個(gè)要求：（1）能夠接收到通信發(fā)起方數(shù)據(jù)；（2）接收到數(shù)據(jù)后，能對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；（3）能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；（4）設(shè)備及方案內(nèi)程序不能有IP地址沖突。其設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

2.2 接口互聯(lián)互通方案

圖3 多個(gè)關(guān)鍵設(shè)備間通信示意圖

2.2.1 基本方案

最基本的接口互聯(lián)互通方案為每?jī)蓚€(gè)通信設(shè)備間單獨(dú)開(kāi)發(fā)一套通信接口軟件，即針對(duì)任意兩類(lèi)設(shè)備（假設(shè)A類(lèi)、B類(lèi)以及C類(lèi)設(shè)備為不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備），專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)接口程序（具有兩類(lèi)設(shè)備的安全協(xié)議以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口）。

基本方案的實(shí)現(xiàn)思路如圖4所示。

圖4 基本方案示意圖

按此方案進(jìn)行接口互聯(lián)互通，需要開(kāi)發(fā)n(n-1)/2個(gè)程序。同時(shí)，為了進(jìn)行設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)傳輸和程序的運(yùn)行，需要配置大量的網(wǎng)卡以及服務(wù)器設(shè)備，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，成本較高；對(duì)于軟硬件的維護(hù)和更新來(lái)說(shuō)，也是一項(xiàng)龐大的工作量，因此，該方案從理論上可行，但對(duì)于實(shí)際使用來(lái)說(shuō)存在很多問(wèn)題。

2.2.2 集中接收集中處理方案

將數(shù)據(jù)接口和通信接口分離，并且分別合并通信接口的程序和數(shù)據(jù)接口的程序，如圖5所示。

此方案僅需開(kāi)發(fā)2個(gè)程序，從設(shè)備角度來(lái)說(shuō)，只需要數(shù)量極少的硬件設(shè)備。但由于各供應(yīng)商所提供設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)IP地址已經(jīng)固化無(wú)法更改，因此，該方案可能存在網(wǎng)絡(luò)IP重復(fù)的情況。由于所有通信接口都與一個(gè)程序通信，該方案無(wú)法解決網(wǎng)絡(luò)沖突的情況。

2.2.3 分散接收集中處理方案

針對(duì)集中接收集中處理方案中存在的網(wǎng)絡(luò)IP地址沖突問(wèn)題，將同一個(gè)設(shè)備廠家的通信接口合并，不同設(shè)備廠家的通信接口采用不同的通道；而對(duì)于數(shù)據(jù)接口則所有設(shè)備廠家進(jìn)行統(tǒng)一合并和處理，如圖6所示。

圖5 集中接收集中處理通信示意圖

圖6 分散接收集中處理方案示意圖

此方案需開(kāi)發(fā)n+1個(gè)程序，假設(shè)一個(gè)服務(wù)器只放置一個(gè)程序，則需要的服務(wù)器為n+1個(gè)，所需的網(wǎng)卡為2n+1個(gè)?？梢詫⑼ㄐ沤涌诘臋C(jī)器采用雙網(wǎng)卡作為網(wǎng)關(guān)，物理分隔硬件設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，即將所有與A類(lèi)設(shè)備相連的接口機(jī)器接入一個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)，所有與B類(lèi)設(shè)備相連的接口機(jī)器接入一個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4 方案對(duì)比

3種接口互聯(lián)互通的方案對(duì)比如表1所示。

表1 3種接口互聯(lián)互通方案對(duì)比

通過(guò)上述3種方案的比較和分析，本文最終選擇分散接收集中處理的方案進(jìn)行接口互聯(lián)互通詳細(xì)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.3 分散接收集中處理方案分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)分散性

分散性接收帶來(lái)的最大好處是，通信接口可以與真實(shí)設(shè)備放置在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，即物理上可以放置在同一個(gè)地方，對(duì)于車(chē)載VOBC來(lái)說(shuō)，車(chē)載VOBC數(shù)據(jù)立刻被互聯(lián)互通接口接收，通過(guò)地面設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接口中心，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到相應(yīng)目標(biāo)設(shè)備，此時(shí)數(shù)據(jù)層已經(jīng)處理好，采用目標(biāo)設(shè)備安全協(xié)議發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備即可。

結(jié)構(gòu)分散性同樣可以保證整套系統(tǒng)沒(méi)有IP端口沖突。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，對(duì)于某類(lèi)設(shè)備，由于是同一個(gè)廠家生產(chǎn)，因此，其固化的IP端口保證沒(méi)有沖突的IP端口；而通信接口采用雙網(wǎng)卡作為網(wǎng)關(guān)物理隔開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，即真實(shí)設(shè)備與通信接口之間網(wǎng)絡(luò)唯一性，而通信接口與數(shù)據(jù)接口之間網(wǎng)絡(luò)自己配置，也可以保證唯一性，即所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不會(huì)有沖突。

2.3.2 消息接收與發(fā)送

供應(yīng)商提供的安全協(xié)議皆為封裝后的UDP協(xié)議，周期發(fā)送至通信接口，通信接口接收后，采用統(tǒng)一安全協(xié)議，立即發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備接口，目標(biāo)設(shè)備收到后放入隊(duì)列內(nèi)，等待目標(biāo)設(shè)備安全協(xié)議周期到達(dá)立即發(fā)送。

對(duì)于接受通信發(fā)起方設(shè)備和發(fā)送給通信接收設(shè)備，采用供應(yīng)商提供dll，只能周期收發(fā)。對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的收發(fā)，采用集群技術(shù)，均衡負(fù)載的并行執(zhí)行接收、處理、發(fā)送過(guò)程。

2.3.3 通信實(shí)時(shí)性

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程為即發(fā)即收即處理，所以此部分處理為毫秒級(jí)，而對(duì)于周期接收與周期發(fā)送模塊，假設(shè)接收周期為a，發(fā)送周期為b，最壞可能產(chǎn)生a+b時(shí)間的延遲。而供應(yīng)商設(shè)備安全協(xié)議可以接收的周期為100 ms，最大延遲為200 ms，此時(shí)對(duì)CBTC系統(tǒng)正常工作是沒(méi)有太大影響。

2.3.4 通信安全性

在通信接口模塊采用供應(yīng)商安全協(xié)議，數(shù)據(jù)接口模塊采用自身的安全協(xié)議，保證數(shù)據(jù)在整個(gè)傳輸過(guò)程中都是安全的，即通信是安全的。

3 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

依托于北京地鐵公司的半實(shí)物仿真CBTC運(yùn)營(yíng)平臺(tái)項(xiàng)目，采用分散接收集中處理方案，成功組建了一套由不同供應(yīng)商提供的真實(shí)設(shè)備，以及配套仿真設(shè)備之間的互聯(lián)互通，滿足仿真CBTC運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究并提出了一種分布式的CBTC接口互聯(lián)互通解決方案，解決了接口在互聯(lián)互通過(guò)程中的諸多細(xì)節(jié)問(wèn)題，成功地將該解決方案應(yīng)用于搭建的半實(shí)物仿真CBTC運(yùn)營(yíng)平臺(tái)上。

該方案能夠解決CBTC系統(tǒng)設(shè)備級(jí)的互聯(lián)互通，同樣，對(duì)于若干條線路不同系統(tǒng)間的互聯(lián)互通具有推廣意義。

[1] 于 超，鄭生全，石文靜. 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通方案研究[J]. 鐵道通信信號(hào)，2010，46（1）：44-47.

[2] 郜春海. 基于通信的軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2007 （2）：7-10.

[3] 沖 蕾，馬子彥，楊明來(lái). CBTC系統(tǒng)與車(chē)輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)接口研究[J]. 城市軌道交通研究，2013，16（12）：64-66.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Interface interoperability of semi-physical simulation platform of CBTC

WEI Guodong1, YUAN Lei2, FU Qiang1
( 1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. National Key Laboratory of Rail Traffc Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

In this paper, a distributed interface interoperability solution was proposed, and a set of CBTC minimum system was successfully constructed in the laboratory environment, and the construction of the semi physical simulation platform could meet the requirements of the performance index.

CBTC; interoperability; distributed; semi physical simulation platform

U284.48∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0036-04

2014-12-30

北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目（YETP0580）。

魏國(guó)棟，研究實(shí)習(xí)員；袁 磊，講師。