CBTC 系統(tǒng)中三重時(shí)間戳的應(yīng)用研究

王 恒，吳敏東

城市軌道交通是大型城市主要的公共交通工具，隨著城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，線網(wǎng)化運(yùn)營(yíng)需求日益迫切。信號(hào)系統(tǒng)間互聯(lián)互通有利于實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，可進(jìn)一步提升乘客出行效率［1］。同時(shí)隨著國(guó)家都市圈市域軌道交通的發(fā)展，互聯(lián)互通的軌道交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)都市圈融合發(fā)展也具有重要意義，軌道交通互聯(lián)互通設(shè)計(jì)成為軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)特征之一［2］。而當(dāng)前城市軌道交通線路中，不同廠商基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）之間的通信接口、網(wǎng)絡(luò)方案等并不相同，難以實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行。

為了推動(dòng)線網(wǎng)互聯(lián)互通工作的開展，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《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)互通系統(tǒng)規(guī)范》，明確了互聯(lián)互通系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求、接口和報(bào)文規(guī)范等內(nèi)容，為不同信號(hào)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通提供了設(shè)計(jì)依據(jù)［3-4］；規(guī)范了系統(tǒng)間的安全通信協(xié)議，包括接口模式、安全通信協(xié)議和應(yīng)用信息3 個(gè)層次［5］，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｆ渲?，在安全通信協(xié)議中的三重時(shí)間戳設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提升互聯(lián)互通數(shù)據(jù)交互的可靠性和可用性，通過應(yīng)用信息校驗(yàn)可以解決數(shù)據(jù)是否有效及可用的問題。本文針對(duì)CBTC 互聯(lián)互通的應(yīng)用信息校驗(yàn)部分進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

1 三重時(shí)間戳定義

在《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)互通接口規(guī)范 第2 部分：CBTC 系統(tǒng)車地連續(xù)通信協(xié)議》中規(guī)定：區(qū)域控制器（ZC） 與車載控制單元（VOBC），以及VOBC 與聯(lián)鎖（CI）之間，每周期最多允許發(fā)送1 個(gè)通用消息包［6］，在該消息包中包含VOBC 與ZC、CI 之間交互信息時(shí)三重時(shí)間戳相關(guān)信息。三重時(shí)間戳在互聯(lián)互通報(bào)文中的定義見表1，具體示例見圖1。

表1 三重時(shí)間戳在互聯(lián)互通報(bào)文中的定義

圖1 三重時(shí)間戳示例

根據(jù)圖1，本機(jī)收到報(bào)文后，通過對(duì)時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)以下3種判斷邏輯。

1）對(duì)端邏輯處理延時(shí)判斷。通過（T1-T3），可以得出從對(duì)端收到報(bào)文到產(chǎn)生輸出所花費(fèi)的時(shí)間，據(jù)此可以判斷出“對(duì)端邏輯處理”是否延時(shí)。如果延遲超過閾值，則本機(jī)認(rèn)為該數(shù)據(jù)無效，丟棄數(shù)據(jù)并進(jìn)行異常處理。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸及對(duì)端邏輯處理延時(shí)判斷。通過（N1-T2），可以得出從本機(jī)發(fā)出報(bào)文到對(duì)端產(chǎn)生輸出，再到本機(jī)收到報(bào)文的時(shí)間。通過該時(shí)間可以判斷“對(duì)端邏輯處理+網(wǎng)絡(luò)傳輸”是否延時(shí)。如果延時(shí)超過閾值，則本機(jī)認(rèn)為該數(shù)據(jù)無效，丟棄數(shù)據(jù)并進(jìn)行異常處理。

3）對(duì)端與本機(jī)處理周期同步判斷。通過比較本機(jī)接收?qǐng)?bào)文（M1）中對(duì)端接收?qǐng)?bào)文時(shí)間T3和發(fā)送報(bào)文時(shí)間T1，以及本機(jī)接收該報(bào)文時(shí)間N1和發(fā)送報(bào)文時(shí)間N2，得出對(duì)端和本機(jī)周期時(shí)間差值，可以判斷收發(fā)兩端系統(tǒng)處理周期是否保持同步。

通過（ΔT1-ΔT2）與閾值比較，判斷對(duì)端與本機(jī)的周期是否保持同步，如果延遲超過閥值，則本機(jī)與對(duì)端周期同步有問題，進(jìn)行告警和異常處理。

2 三重時(shí)間戳應(yīng)用

在沒有三重時(shí)間戳的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)主要通過通信協(xié)議進(jìn)行防范，數(shù)據(jù)使用方對(duì)于對(duì)端邏輯處理是否延時(shí)無法進(jìn)行自主判斷和處理。使用三重時(shí)間戳設(shè)計(jì)后，數(shù)據(jù)使用方不僅可以判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸是否延時(shí)，而且還能判斷數(shù)據(jù)的邏輯處理是否延時(shí)，從而使數(shù)據(jù)使用方在應(yīng)用層能夠更精細(xì)化、更主動(dòng)地對(duì)延時(shí)場(chǎng)景進(jìn)行處理，并能及時(shí)執(zhí)行相關(guān)安全控制措施。

在城市軌道交通CBTC 信號(hào)系統(tǒng)中，車載VOBC 系統(tǒng)與軌旁ZC 系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通接口設(shè)計(jì)尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，車地?zé)o線通信接口需要按照互聯(lián)互通中VOBC-ZC 接口協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］。車載VOBC 與ZC 之間通過傳輸列車位置、移動(dòng)授權(quán)、運(yùn)行狀態(tài)等信息［8］，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行間隔防護(hù)和速度防護(hù)，而這些邏輯處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)將影響列車的安全運(yùn)行。下面以網(wǎng)絡(luò)傳輸及對(duì)端邏輯處理延時(shí)判斷為例，對(duì)車載VOBC 與軌旁ZC 之間傳遞報(bào)文的邏輯處理關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 三重時(shí)間戳交互設(shè)計(jì)

在ZC 與車載VOBC 交互報(bào)文中，選擇列車位置報(bào)文和移動(dòng)授權(quán)（Movement Authority，MA）報(bào)文進(jìn)行三重時(shí)間戳設(shè)計(jì)，主要交互內(nèi)容如下。

1）車載VOBC 根據(jù)測(cè)速測(cè)距信息計(jì)算列車位置，并周期性地向軌旁ZC 發(fā)送列車位置、列車模式等信息［9］。

2）ZC 根據(jù)列車位置、行進(jìn)方向，以及聯(lián)鎖CI 提供的進(jìn)路等信息，為控區(qū)內(nèi)的列車提供移動(dòng)授權(quán)［10］，車載VOBC 使用該信息進(jìn)行速度防護(hù)計(jì)算。

通過報(bào)文交互，車載VOBC 可以判斷接收的MA 報(bào)文是基于哪個(gè)周期的“列車位置信息”，從而可以判斷出MA 報(bào)文的有效性。車載VOBC 與ZC之間位置信息和MA信息交互見圖2。

圖2 車載VOBC與ZC之間位置信息和MA信息交互

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證

以某工程項(xiàng)目中的三重時(shí)間戳應(yīng)用為例，車載VOBC 的處理周期為100 ms，ZC 的處理周期為200 ms，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間為50～100 ms，通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間和邏輯處理周期，車地正常交互時(shí)間差為600～700 ms?？紤]到列車運(yùn)行速度、運(yùn)行間隔和安全防護(hù)距離等因素，車載VOBC 允許周期差為30 個(gè)周期，即交互延時(shí)閾值為3 s。當(dāng)超過閾值，車載VOBC 將自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，導(dǎo)向運(yùn)行安全防護(hù)。

在實(shí)驗(yàn)室CBTC 測(cè)試環(huán)境（見圖3）中，仿真驗(yàn)證三重時(shí)間戳功能。測(cè)試環(huán)境包括1 套真實(shí)的車載VOBC 系統(tǒng)（含車載ATP、ATO 和車載TAU）、1 套ZC 系統(tǒng)、1 套聯(lián)鎖CI 系統(tǒng)和1 套中央ATS 系統(tǒng)，并采用LTE 無線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)車地之間的通信。為模擬網(wǎng)絡(luò)延時(shí)異常，在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)故障模擬器，進(jìn)行特定報(bào)文延時(shí)模擬。

圖3 實(shí)驗(yàn)室CBTC測(cè)試環(huán)境

設(shè)計(jì)ZC 與車載VOBC 系統(tǒng)之間三重時(shí)間戳交互測(cè)試用例，包括網(wǎng)絡(luò)通信與邏輯處理均正常、網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)、邏輯處理延時(shí)，以及網(wǎng)絡(luò)通信和邏輯處理均異常等。在網(wǎng)絡(luò)通信與邏輯處理均正常的測(cè)試用例中，預(yù)期結(jié)果為系統(tǒng)正常運(yùn)行，不會(huì)輸出告警和制動(dòng)；在網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)、邏輯處理延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信和邏輯處理均異常的測(cè)試用例中，預(yù)期結(jié)果為出現(xiàn)1.5 s以上的延時(shí)，將輸出告警，超過3 s則輸出緊急制動(dòng)。相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 軌旁ZC與車載VOBC交互報(bào)文中的時(shí)間戳應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2 可知，在網(wǎng)絡(luò)通信與邏輯處理均正常的場(chǎng)景下，車載當(dāng)前周期與計(jì)算MA采用的列車位置報(bào)文的周期差為7，則數(shù)據(jù)延遲時(shí)間為700 ms，在延時(shí)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，該MA 數(shù)據(jù)可用，車載VOBC控制列車正常運(yùn)行；在邏輯處理和網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)的情況下，車載當(dāng)前周期與計(jì)算MA采用的列車位置報(bào)文的周期差為17，則進(jìn)行告警提示；在網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)的異常場(chǎng)景下，車載當(dāng)前周期與計(jì)算MA采用的列車位置報(bào)文的周期差為31，則數(shù)據(jù)延遲時(shí)間為3 100 ms，不在延時(shí)允許范圍內(nèi)，該MA 數(shù)據(jù)不可用，車載VOBC輸出緊急制動(dòng)導(dǎo)向安全。

3 結(jié)束語

對(duì)CBTC 互聯(lián)互通中的三重時(shí)間戳提出3 種設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，并結(jié)合車載VOBC 與軌旁ZC 之間的報(bào)文交互，以網(wǎng)絡(luò)傳輸及對(duì)端邏輯處理延時(shí)判斷為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。為多線路不同信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通數(shù)據(jù)安全交互及數(shù)據(jù)有效性的判斷檢查，給出了具體的設(shè)計(jì)思路和方法。