魏国栋，袁 磊，付 强

（1.北京交通大学 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

计算机与通信信号

CBTC半实物仿真平台接口互联互通方案的研究

魏国栋1，袁 磊2，付 强1

（1.北京交通大学 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

本文提出一种基于分布式的接口互联互通解决方案，在实验室环境下成功搭建了一套融合不同供应商设备的CBTC最小系统，实现半实物仿真平台的搭建，满足各项性能指标要求。

CBTC ；互联互通；分布式；半实物仿真平台

随着城市轨道交通的发展，基于通信的列车运行控制系统（简称CBTC系统）得到了广泛应用。现阶段国内没有关于地铁信号设备的统一规范，虽然各大厂商供应的信号设备功能上基本一致，但每个厂家CBTC系统间各个子系统的接口协议却千差万别，无法实现互联。具体体现：CBTC系统中各设备之间的安全通信协议不同；CBTC系统中各设备之间的应用层报文内容以及交互流程不同。

采用CBTC半实物仿真平台进行仿真研究时，也希望利用不同供应商的设备搭建一套CBTC仿真最小系统来做相关测试对比。因此，研究并实现可以用于CBTC仿真系统各关键设备之间互联互通的方案有着实际的意义，同时对未来实现现场信号设备之间的互联互通具有借鉴作用。

1 CBTC系统半实物仿真平台

CBTC半实物仿真平台是在现场真实CBTC系统基础上，通过精简与不同线路相关的功能配置，并增加线路仿真、车辆仿真以及仿真设备搭建而成。在该半实物仿真平台中，各个真实设备可能来自于不同的生产厂家。因此，研究和实现各个真实设备间、仿真设备间以及真实设备与仿真设备间的接口互联互通方案是完成搭建该套半实物仿真平台的关键。

半实物仿真CBTC系统的真实设备包括一套车站设备、中心ATS设备及车载控制器VOBC；仿真设备包括仿真车站设备（仿真CI、仿真ZC）、仿真VOBC以及仿真轨旁，所有这些设备间的通信由数据通信系统连接。

半实物仿真CBTC的基本结构如图1所示。

2 接口互联互通方案研究

对于CBTC系统，ATS子系统、ZC子系统、CI子系统和VOBC子系统是其关键设备。而半实物仿真平台的接口互联互通则需要解决如何实现上述任意两个真实设备间以及与仿真ZC、仿真CI和仿真VOBC的数据通信。不同设备厂家提供了各自的真实设备、安全协议（采用动态链接库的方式）以及应用层接口说明文档，因此对接口互联互通方案的研究是搭建设备互联互通的必要前提和条件。

图1 CBTC半实物仿真平台结构图

接口互联互通方案的实现需在不改变已经固化硬件设备的基础上满足传输的正确性、安全性以及实时性。

2.1 基本结构

2.1.1 任意两个关键设备间的单向通信

设计思路为采用通信发起设备的安全协议接收通信发起设备数据，对数据进行转换后，采用通信接收设备安全协议将数据发送给通信接收设备，即完成了单向数据互通，如图2所示。

2.1.2 多个关键设备间的通信

对于多个设备互通其基本思路是将数据发送给互联互通解决方案，方案处理后发送给目标设备。互联互通方案需要满足4个要求：（1）能够接收到通信发起方数据；（2）接收到数据后，能对应用层数据进行转换；（3）能将转换后的数据发送出去；（4）设备及方案内程序不能有IP地址冲突。其设计思路如图3所示。

2.2 接口互联互通方案

图3 多个关键设备间通信示意图

2.2.1 基本方案

最基本的接口互联互通方案为每两个通信设备间单独开发一套通信接口软件，即针对任意两类设备（假设A类、B类以及C类设备为不同厂家生产的设备），专门设计一个接口程序（具有两类设备的安全协议以及数据转换接口）。

基本方案的实现思路如图4所示。

图4 基本方案示意图

按此方案进行接口互联互通，需要开发n(n-1)/2个程序。同时，为了进行设备的网络传输和程序的运行，需要配置大量的网卡以及服务器设备，从经济角度考虑，成本较高；对于软硬件的维护和更新来说，也是一项庞大的工作量，因此，该方案从理论上可行，但对于实际使用来说存在很多问题。

2.2.2 集中接收集中处理方案

将数据接口和通信接口分离，并且分别合并通信接口的程序和数据接口的程序，如图5所示。

此方案仅需开发2个程序，从设备角度来说，只需要数量极少的硬件设备。但由于各供应商所提供设备的网络IP地址已经固化无法更改，因此，该方案可能存在网络IP重复的情况。由于所有通信接口都与一个程序通信，该方案无法解决网络冲突的情况。

2.2.3 分散接收集中处理方案

针对集中接收集中处理方案中存在的网络IP地址冲突问题，将同一个设备厂家的通信接口合并，不同设备厂家的通信接口采用不同的通道；而对于数据接口则所有设备厂家进行统一合并和处理，如图6所示。

图5 集中接收集中处理通信示意图

图6 分散接收集中处理方案示意图

此方案需开发n+1个程序，假设一个服务器只放置一个程序，则需要的服务器为n+1个，所需的网卡为2n+1个。可以将通信接口的机器采用双网卡作为网关，物理分隔硬件设备网络，即将所有与A类设备相连的接口机器接入一个交换网络，所有与B类设备相连的接口机器接入一个交换网络。

2.2.4 方案对比

3种接口互联互通的方案对比如表1所示。

表1 3种接口互联互通方案对比

通过上述3种方案的比较和分析，本文最终选择分散接收集中处理的方案进行接口互联互通详细方案的设计与实现。

2.3 分散接收集中处理方案分析

2.3.1 结构分散性

分散性接收带来的最大好处是，通信接口可以与真实设备放置在同一个网络内部，即物理上可以放置在同一个地方，对于车载VOBC来说，车载VOBC数据立刻被互联互通接口接收，通过地面设备传输到数据接口中心，数据转换后，发送到相应目标设备，此时数据层已经处理好，采用目标设备安全协议发送给目标设备即可。

结构分散性同样可以保证整套系统没有IP端口冲突。由系统结构可知，对于某类设备，由于是同一个厂家生产，因此，其固化的IP端口保证没有冲突的IP端口；而通信接口采用双网卡作为网关物理隔开网络，即真实设备与通信接口之间网络唯一性，而通信接口与数据接口之间网络自己配置，也可以保证唯一性，即所有网络内不会有冲突。

2.3.2 消息接收与发送

供应商提供的安全协议皆为封装后的UDP协议，周期发送至通信接口，通信接口接收后，采用统一安全协议，立即发送到目标设备接口，目标设备收到后放入队列内，等待目标设备安全协议周期到达立即发送。

对于接受通信发起方设备和发送给通信接收设备，采用供应商提供dll，只能周期收发。对于数据转换的收发，采用集群技术，均衡负载的并行执行接收、处理、发送过程。

2.3.3 通信实时性

数据转换过程为即发即收即处理，所以此部分处理为毫秒级，而对于周期接收与周期发送模块，假设接收周期为a，发送周期为b，最坏可能产生a+b时间的延迟。而供应商设备安全协议可以接收的周期为100 ms，最大延迟为200 ms，此时对CBTC系统正常工作是没有太大影响。

2.3.4 通信安全性

在通信接口模块采用供应商安全协议，数据接口模块采用自身的安全协议，保证数据在整个传输过程中都是安全的，即通信是安全的。

3 实现与验证

依托于北京地铁公司的半实物仿真CBTC运营平台项目，采用分散接收集中处理方案，成功组建了一套由不同供应商提供的真实设备，以及配套仿真设备之间的互联互通，满足仿真CBTC运营平台的需求。

4 结束语

本文研究并提出了一种分布式的CBTC接口互联互通解决方案，解决了接口在互联互通过程中的诸多细节问题，成功地将该解决方案应用于搭建的半实物仿真CBTC运营平台上。

该方案能够解决CBTC系统设备级的互联互通，同样，对于若干条线路不同系统间的互联互通具有推广意义。

[1] 于 超，郑生全，石文静. 城市轨道交通CBTC系统互联互通方案研究[J]. 铁道通信信号，2010，46（1）：44-47.

[2] 郜春海. 基于通信的轨道交通列车运行控制系统[J]. 现代城市轨道交通, 2007 （2）：7-10.

[3] 冲 蕾，马子彦，杨明来. CBTC系统与车辆段联锁系统接口研究[J]. 城市轨道交通研究，2013，16（12）：64-66.

责任编辑 陈 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

北京高等学校青年英才计划项目（YETP0580）。

魏国栋，研究实习员；袁 磊，讲师。