范 楷，冯浩楠，王俊高，王 鲲

（1.中国铁道科学研究院 铁道技术研修学院， 北京 100081；2.中国铁道科学研究院 通信信号研究所， 北京 100081）

计算机与通信信号

城轨系统中联锁仿真平台的设计和实现

范 楷1，2，冯浩楠2，王俊高2，王 鲲2

（1.中国铁道科学研究院 铁道技术研修学院， 北京 100081；2.中国铁道科学研究院 通信信号研究所， 北京 100081）

分析城市轨道对联锁新的需求，以面向对象的方法设计和实现了联锁仿真平台。该仿真平台采用RSSP-I协议解决通信中的干扰问题；不仅实现了铁路基本联锁功能，还实现了对屏蔽门的控制。基于CBTC仿真环境验证了仿真平台的有效性，为快速开发计算机联锁软件和验证新的联锁功能提供便捷的手段。

轨道交通；CBTC；计算机联锁；仿真环境

随着近年来无线通信技术的飞速发展，城市轨道交通的列车控制系统已经从基于轨道电路的列车控制系统发展为基于通信的列车控制系统（CBTC，Control Based on Train Communication）[1～4]。城市轨道交通的新需求对计算机联锁（CBI，Computer Based Interlocking）的功能提出了新的要求，除了具备传统联锁具有的排列进路、开放信号等基本功能外，增加了对屏蔽门控制等新的功能。

在开发 CBTC 系统中，为了早期发现系统错误以及节省开发研制成本，计算机仿真成为测试及验证系统的重要手段。完整的 CBTC 系统包括 CBI、区域控制中心系统（ZC，Zone Controller）、自动列车监督系统（ATS，Automatic Train Supervision）、车载控制系统（VOBC，Vehicle On-board Control Unit)和轨旁设备共同构成。CBTC 仿真平台模拟了各个系统的功能来实现对真实系统的验证。本文以北京地铁 7号线为例，重点研究了 CBI仿真平台的设计和实现，并在 CBTC 的虚拟仿真测试环境中进行了验证，提高了整个系统开发和测试的效率。

1 CBI联锁功能需求和仿真测试平台

1.1 联锁功能需求

CBI是以计算机为主要技术手段实现现场设备的联锁控制，其按照故障-安全、高可靠性的原则进行设计,保证行车安全，提高运输效率，改善劳动条件的需求。

CBI实时采集站场状态信息和其他设备的状态信息、人员的操作命令，在进行联锁逻辑运算后，给其他设备计算后的状态信息，同时输出控制命令对现场设备进行控制。城市轨道交通中的 CBI具备信号机控制、道岔控制、区段控制、进路控制、保护进路控制、屏蔽门的监督、紧急停车按钮的监督、防淹门控制和监督、场联控制、点式报文控制等功能。结合北京地铁 7号线，仿真平台中 CBI的详细功能需求如下。

1.1.1 进路管理功能

CBI确保列车运行进路的安全，其必须在规定的联锁条件和规定的时序下对进路、信号和道岔实行控制，确保进路上轨道区段、道岔、信号机之间的安全联锁。联锁仿真平台能够显示所有线路占用状态:区段空闲时为灰色光带，锁闭为白色光带，占用为红色光带，保护进路为黄色光带。

1.1.2 道岔管理功能

道岔能够单独操纵或随进路的排列而自动选动。道岔应设有位置表示，在仿真平台上，当道岔位于定位锁闭时表示绿色，当道岔位于反位锁闭时表示黄色。

1.1.3 信号管理功能

仿真平台中的信号机位置根据实际站场图进行布设。信号机采用黄、绿、红3种信息表示。绿色灯光:表示道岔已锁闭，并开通直向，准许列车按规定速度越过该架信号机；黄色灯光:表示道岔已锁闭，并开通侧向，准许列车按规定速度越过该架信号机；红色灯光:不准列车越过信号机；红色灯光+黄色灯光:表明开放引导信号，准许列车以不大于一个规定的速度（如 25 km/h）越过该架信号机并随时准备停车。

1.1.4 地铁屏蔽门控制

屏蔽门的监督和控制是城市轨道交通联锁的新特点。开启屏蔽门的过程为:当ATO自动发出或由司机手动发出开启车门命令后，VOBC 将给 CBI发送“开启左（右）侧屏蔽门”指令，CBI在检查相应的联锁条件后，如果满足开门情况，就向屏蔽门下达“开启左（右）侧屏蔽门”指令；关闭屏蔽门情况类似。

1.2 CBTC调试平台网络架构

CBTC仿真调试平台为验证联锁子系统的功能提供了测试环境。各子系统间接口关系如图1所示。各个子系统功能如下 :ATS实现人工指令下达功能 ；ZC 为 CBI提供逻辑区段状态，列车停稳，跨压等信息以及信号机强制点灯命令 ；CBI为 ZC 提供道岔位置和锁闭状态，区段运行方向，记轴区段占用等信息 ；相邻的 CBI提供为所在站的站场信息。VOBC为 CBI提供开启屏蔽门的命令信息，CBI返回屏蔽门状态信息。

图1 CBTC仿真系统各子系统间接口关系

2 联锁仿真平台设计及实现

2.1 系统模块设计

计算联锁系统 CBI包括通信子系统和逻辑子系统两个部分，如图2所示。

图2 计算机联锁系统架构及其与其他系统交互关系

计算机联锁子系统又可以细分成通信子系统和逻辑子系统。通信子系统主要完成 CBI系统与外围设备的交互，确保接收的数据能够无错的传递给逻辑子系统；逻辑子系统根据输入信息主要完成联锁运行并输出逻辑控制信息。

2.2 系统详细设计

在功能需求分析和系统结构确定后，对两个子系统进行详细设计。在通信子系统的设计中，重点是实现安全信息交互的功能，通过模拟仿真，验证安全通信协议的有效性；在逻辑子系统的设计中，重点是通过面向对象的设计思想，实现逻辑运算功能。

2.2.1 通信子系统

通信子系统的主要功能是实现联锁仿真平台与外界的信息交互。由于联锁子系统属于信号安全设备，它与其他信号安全设备之间必须进行安全通信，克服通信的不确定性。铁路上使用 RSSP-I安全通信协议克服通信中的威胁[5]，如表 1 所示，表中列举了通信中可能出现的威胁以及针对威胁协议所采取的安全措施。

表1 RSSP-I安全通信协议威胁、防御矩阵

2.2.2 逻辑子系统

使用面向对象的思想，借鉴铁路 6502 联锁模块化的设计思想，逻辑子系统设计了信号类，区段类，道岔类，绝缘类4个类；每个类的函数功能是通过模块来实现。逻辑子系统模块构成如图3所示。

图3 逻辑子系统模块构成图

针对城市轨道地铁中的屏蔽门控制问题，逻辑子系统处理流程如图4所示。

图4 屏蔽门控制通信流程图

3 仿真系统功能验证

为了验证联锁仿真平台的功能需求，基于CBTC仿真平台，以北京地铁7号线双河村站为例，进行了模拟仿真实验。仿真实验模拟列车2号车进入双河村站台的过程，此过程中涉及了列车进路的办理，道岔位置的表示和锁闭，信号开放，以及对屏蔽门控制等功能的测试项目。仿真过程如下:

（1） 当模拟列车 2 号车位于股道 21G 时，该计轴区段 21G 显示红色，表示有车占用。排列了从信号机F5到XC3的通过进路，道岔11位于定位且锁闭，道岔 9-7 位于反位锁闭。根据需求可知，道岔有反位表示时，信号机 F5 显示黄灯，XC3 防护的股道 3DG为保护区段，为黄色显示。此时，模拟列车2号车的 VOBC 不与双河村仿真联锁 CBI通信，因此显示状态为通信中断。如图5所示。

图5 列车未进站状态

（2） 当模拟列车 2 号车进入站 台 区 段 17G 时，VOBC 开始向模拟联锁 CBI发送查询命令 0x00，模拟联锁CBI向VOBC发送PSD的状态。此时站场状态及模拟平台通信状态如图6所示。

（3） 当 模拟列车 2 号 车在站台停稳后，VOBC 向 CBI发送“允许开启右侧屏蔽门”命令 0x55，CBI确认屏蔽门设备可开启后开启屏蔽门，模拟屏蔽门状态由灰色的 CLOSE变成了红色的 OPEN。此时站场状态及模拟平台通信状态如图7所示。

（4） 当 模拟列车 2 号 车关门离站时，列车的 VOBC 向 CBI发送“关闭屏蔽门”命令0xAA，模拟联锁系统 CBI监督屏蔽门状态，检查是否所有的 PSD 都“关闭并锁闭”，当所有 PSD 关闭且锁闭后，CBI将屏蔽门关闭并锁闭状态发送给VOBC，VOBC检查车门关闭并取消“允许开X侧车门”的命令，列车方可离开站台。此时站场状态及模拟平台通信状态如图8所示。

图6 列车进站未停稳状态

图7 列车进站停稳屏蔽门正常开启状态

图8 列车准备出站屏蔽门正常关闭状态

4 结束语

本文在分析城市轨道交通对联锁需求的基础上，结合北京地铁7号线工程，利用面向对象分析和建模的方法完成了联锁仿真平台的设计和实现。该平台除了具备普通城轨联锁基本功能外，还增添了针对地铁特有的屏蔽门控制功能。最后基于 CBTC 仿真平台检验了联锁仿真平台的正确性和可行性。该联锁仿真平台的实现为今后验证联锁软件不同的联锁逻辑功能提供了便利。

[1] 王 鲲，龙广钱，王俊高，于 潇 . 关于城市轨道交通 CBTC 计算机联锁子系统的研究 [J]. 现代城市轨道交通，2012（4）.

[2] 王 悉，唐 涛，黄友能 . 城市列控系统仿真平台中联锁站的设计和实现 [J]. 系统仿真学报，2006，18（12）：3407-3410.

[3] 崔宁宁，董 昱，周 洋 .计算机联锁系统仿真平台的研究[J].铁路计算机应用，2010（12）.

[4] 窦 伟 .计算机联锁系统在地铁（轻轨）车辆段的应用 [J].铁路计算机应用，2002（10）.

[5] 陈 臣 . 铁路信号 RSSP-1 安全通信协议在既有线站间安全信 息 传 输 中 的 应 用 研 究 [D]. 北 京 ：北 京 交 通 大 学 , 2013.

责任编辑 方 圆

Design and implementation of interlocking simulation platform for Urban Transit

FAN Kai1,2, FENG Haonan2, WANG Jungao2, WANG Kun2
( 1. Railway Technology Research College, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The new requirements of interlocking in Urban Transit were analyzed, the interlocking simulation platform was designed and implemented by the object-oriented method, which solved communication interference problem with the RSSP-I protocol, ful lled basic interlocking function, and controlled the action of PSD. The platform was veri ed in the CBTC simulation environment, which provided convenient way for developing rapidly interlocking software and validating new function.

Urban Transit; CBTC; control based interlocking; simulation environment

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）01-0036-04

2014-08-15

范 楷，在读硕士研究生；冯浩楠，助理研究员。