冯浩楠 范 楷 段宏伟 唐凯林

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，100081，北京;2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，100081，北京//第一作者,助理研究员)

随着城市轨道交通规模的扩展，急需对网络进行整体化运行，以打破各线路之间的碎片化管理。信号系统作为城市轨道交通系统的重要载体，是确保整个运营体系安全、正确、效率运转的关键，也是城市轨道交通互联互通的关键因素之一[1]。因此,需要对城市轨道交通的信号系统进行统一规划，编制一种通用的协议实现城市轨道交通互联互通运转。

信号系统互联互通已成为城市轨道交通未来的发展趋势[2]。文献[3-4]对城市轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)系统的总体框架和系统设计原则进行了描述，给出了互联互通系统间的功能分配和定义;文献[5-6]给出了互联互通集成测试建议方案；文献[7-8]对于互联互通运营进行了研究；文献[9]对互联互通CBTC系统中ATS(列车自动监控)系统改造的优选方案进行了探讨。本文在分析CBTC系统内部子系统信息交互机制的基础上，总结信号系统互联互通的需求和特点，从信息流的角度分析系统间协议设计的机理，并对CBTC系统关键子系统间的互联互通协议内容进行了深入分析;最后,结合重庆轨道交通10号线互联互通示范工程项目的具体实例，验证了互联互通协议实施的可行性。

1 CBTC系统互联互通的特点

由于各个信号厂商的CBTC系统设计和实现方式存在差异，因此在互联互通时存在以下几个方面的挑战：

(1) 不同信号系统架构及数据设计模式差异大；

(2) 不同信号系统的接口和适配功能不同；

(3) 不同信号系统的硬件设备型号差异很大；

(4) 不同信号系统的功能分配和软件实现的差异大。

为克服上述问题并实现异构CBTC系统间的互联互通，互联互通协议在设计时应具备以下特点：

(1) 统一性:由于各信号系统设备及应用过程的限制特性，技术标准具备局限性，因此只能通过协议的要求实现统一；

(2) 多样性:协议应具备多样性的特点，以兼容目前一段时期内各地城市轨道交通快速发展的需求；

(3) 专业性:协议内容能够反映城市轨道交通设备供应商的CBTC系统中各个子系统的专业特点和要求；

(4) 系统性:协议的内容受到多种外部因素影响，需要在多个方面上得以体现，因而在信息的安排上不应杂乱无章，而应该系统规划；

(5) 扩展性:工程的需求千变万化，且因地制宜的需要会提出新的需求，因此应适当考虑工程信息的动态变化特点，通过友好的扩展部分解决此类问题。

(6) 安全性:信号系统具有SIL 4安全等级，能够保证传输信息的安全性和正确性，在故障模式下不能出现危险侧的行为。

2 CBTC互联互通协议架构研究

2.1 CBTC系统架构

CBTC系统由VOBC(车载控制器)、CI(计算机联锁)、ZC(区域控制器)和ATS等关键系统组成，通过DCS(数据通信系统)实现各个系统间的信息交互。系统组成及交互信息流如图1所示[10]。CI系统实时采集轨旁信号设备状态并发送给ZC和ATS系统,同时根据ATS系统命令控制道岔、信号机状态和办理进路，当VOBC在站台时，还需要接收处理从VOBC发送的开关站台屏蔽门的控制命令，并将站台屏蔽门的状态发送给VOBC。ZC系统根据列车位置、行进方向速度，以及CI提供的进路信息，为控区内的列车提供移动授权。ATS系统位于CBTC系统的上层，部署在控制中心和车站，提供列车监督、自动调度和时刻表调整等功能。VOBC根据线路速度和ZC提供的移动授权计算列车限速，同时提供自动驾驶、自动折返、自动开关门等功能。

图1 CBTC系统组成及交互信息流图

从信息交互流程可知，VOBC、CI、ZC和ATS等4个子信号系统间的信息交互构成了CBTC系统正常运行的首要条件。若异构CBTC系统中的4个子系统间在互联互通协议框架下实现了信息无缝传输和应用，搭载任意厂商VOBC的列车就可以在装配了其他厂商CBTC地面系统的线路上正常运行，实现跨线运营作业。

2.2 互联互通协议框架

互联互通包含两层含义：“联”指系统间物理连接和信息传输，为可靠的“通”做基础；“通”具体指异构CBTC系统应用层信息之间的可靠交互，信息能够被接收系统识别并有效利用。根据设备类型性能及其通信特点，可将图1中各个系统之间的通信关系分为以下四种类型：

(1) I类型系统交互:包括VOBC-ZC,VOBC-ATS,VOBC-CI。

(2) II类型系统交互:包括ZC-ZC,CI-CI。

(3) III类型系统交互:包括ATS-ATS。

(4) IV类型系统交互:包括VOBC-LEU(轨旁电子单元)。

根据通信过程中出现的问题，上述系统间交互的核心问题涉及接口方式、通信体系结构、接口数据描述和应用信息的定义等四类问题。

2.2.1 接口方式

I、II、III类型的物理接口都采用冗余网络进行通信, 网络拓扑结构采用A网-A网、B网-B网两个链路方式。其连接方式如图2所示。此种方式下，任何一个单网的故障都不会对系统的正常使用产生影响。

图2 双网冗余连接图

VI类型的物理接口应满足如下要求：地面有源应答器通过LEU进行编码，有源应答器与LEU间采用专用电缆连接；车载应答器天线与BTM(应答器传输单元)通过专用馈缆连接。

2.2.2 通信体系结构

通信体系结构涉及通信模型、通信机制两个方面。

2.2.2.1 通信模型

I、II类型接口采用的通信模型如图3所示。在安全通信协议层，I类型系统间通信使用RSSP-II通信协议，II类型系统间通信采用RSSP-I通信协议,以实现安全功能。

注:UDP为用户数据包协议;IP为互联网协议

ATS不是SIL 4的安全设备，III类型系统中没有使用安全通信协议，其通信模型如图4所示。

VI类型通信模型为：地面应答器与车载应答器天线间的信息传输接口(也称接口A)、应答器编码与解码应满足《应答器传输系统技术条件》的要求。

2.2.2.2 通信机制

I类型系统通信方式:仅能由VOBC发起安全

注:TCP为传输控制协议

连接的建立过程；ZC/ATS/CI与VOBC采用周期发送和消息触发的方式进行通信；通信双方均采用大端字节序进行数据传输；ZC/ATS/CI与VOBC均应对接收的应用信息进行判断和逻辑运算。

II类型系统通信方式:相邻ZC/CI间通信应采用周期发送的方式；通信双方均采用大端字节序进行数据传输。

III类型系统通信方式: 相邻ATS间通信应采用周期与非周期发送的方式；通信双方均采用大端字节序进行数据传输。

IV类型系统通信方式:车载天线单元将发射磁场为应答器提供能量(下行链路)，当天线单元位于接触区内时，应答器接收此能量，建立工作电源，并发送数据报文(上行链路)。

2.2.3 接口数据描述

2.2.3.1 消息报文组成方式

为扩展应用消息容量，I、II、III类型系统间每个周期交互的信息组成通用信息包进行传输，每个通用信息包又由多个应用层信息包组成。如图5所示,第k个通用信息包包括n个应用层信息包。

2.2.3.2 应用层信息包

I和II类型系统间通信，每周期最多允许发送1个通用消息包，通用消息包中包含ZC/ATS/CI与VOBC之间传输的各条应用信息。每个通用消息包总长不得超过1 000字节。通用信息包字段包括：接口信息类型、发送方标识信息、接收方标识信息、数据版本校验信息、时间戳、协议版本号、应用层数据长度和应用层信息。

III类型系统(ATS系统)间通信的通用信息包中包含ATS间传输的各条应用信息。每个通用消息包总长不得超过65 000字节，包括多个应用信息包。ATS的通用信息包包括：帧头、双网序列号、接口信息类型、发送方标识信息、接收方标识信息、数据版本校验信息、时间戳、协议版本号、应用层信息包个数、应用层数据长度和应用数据字段信息等。

IV类型系统间通信的消息包采用830位长报文结构，用户信息包中不足的比特位以1补齐，包括帧标志、用户信息包和信息结束位。

2.2.4 应用信息

2.2.4.1 I类型系统间通信应用信息

ZC-VOBC系统间应用信息包括：列车控制信息帧、应用层注册/注销响应帧、ZC主动注销请求帧、特殊控制报文帧、ZC城市自定义帧、ZC厂商自定义帧、列车位置信息帧、应用层注册/注销请求帧、VOBC城市自定义帧、VOBC厂商自定义帧。

ATS-VOBC系统间应用信息包括：ATS心跳信息帧、ATO(列车自动运行)命令信息帧、ATS城市自定义帧、ATS厂商自定义帧、ATO状态信息帧、列车信息帧、车载设备报警信息帧、车载设备日检状态信息帧、VOBC城市自定义帧、VOBC厂商自定义帧。

CI-VOBC系统间应用信息包括：VOBC控制信息帧、CI状态信息帧、VOBC心跳帧、CI心跳帧、VOBC城市自定义帧、CI城市自定义帧、VOBC厂商自定义帧、CI厂商自定义帧、VOBC注销请求帧、CI注销回复帧。

2.2.4.2 II类型系统间通信应用信息

ZC-ZC系统间应用信息包括：道岔状态信息帧、物理区段状态信息帧、移交状态信息帧、移交列车信息帧、城市自定义帧、厂商自定义帧、站场信息延时帧、轨道区段列车排序信息帧。

CI-CI系统间应用信息包括：道岔状态信息帧、物理区段状态信息帧、逻辑区段状态信息帧、信号机状态信息帧、站台门状态信息帧、紧急关闭按钮状态信息帧、照查状态信息帧、防淹门信息帧、上电锁闭状态信息帧、临时限速信息帧、城市自定义信息帧、厂商自定义信息帧。

2.2.4.3 III类型系统间通信应用信息

ATS-ATS系统间应用信息包括：站场显示信息帧、列车信息帧、列车运行调整信息帧、列车接入站跳停命令信息帧、列车接入站跳停回执信息帧、ATS城市自定义信息帧、ATS厂商自定义信息帧。

2.2.4.4 IV类型系统间通信应用信息

VOBC-LEU间应用信息包括：当应答器为无源应答器时，应用信息包为地图版本信息帧；当为有源应答器时，正常报文发送的信息包包括地图版本信息帧、公共信息帧、厂商自定义信息帧和城市自定义信息帧。

3 互联互通协议实现

3.1 重庆轨道交通互联互通示范工程

重庆轨道交通互联互通示范工程的4条运营线为环线、5号线、10号线和4号线，分别由4家国内自主CBTC系统信号厂商承担实施。4条线路及CBTC系统集成厂商的信息如表1所示。

3.2 互联互通测试平台

为了验证互联互通协议的可行性，4家厂商提供了各自的全套CBTC设备和仿真设备，在重庆龙凤溪实验室搭建了CBTC互联互通系统测试平台。4家CBTC系统联接图如图6所示。集成测试环境包括被测设备和仿真设备两大部分。每条线选取一个集中设备站,其由真实设备构成，具体包括一套中心ATS设备、VOBC设备和车站设备(真实CI、真实ZC)；其余站采用仿真设备，包括仿真车站设备(仿真CI、仿真ZC)、仿真VOBC以及仿真轨旁设备，设备间的通信均采用有线物理连接。由于涉及大量真实设备与仿真设备的通信，并且通信的安全协议和应用层接口要求是多样性的，因此测试平台采用了分散接收、集中处理的方法进行接口互联互通详细方案实现[6]。系统间通信各层的具体实现方式见表2。测试平台为CBTC互联互通信号系统的验证和工程化实施提供了测试保障。

表2 CBTC互联互通系统测试平台通信层实现方式

4 结语

城市轨道交通信号系统的互联互通是未来的发展趋势，其应用涉及到众多厂商设备的信息安全交互和管理，是一项挑战性的研究工作。为了实现异构CBTC系统互联互通，本文基于信息流分析了互联互通协议的架构和实现细节。重庆轨道交通互联互通示范工程的开展和实施,为其他城市的轨道交通建设提供了坚实的技术参考依据和丰富的工程经验，推动了CBTC系统互联互通技术的不断发展。