CBTC 系统中三重时间戳的应用研究

王 恒，吴敏东

城市轨道交通是大型城市主要的公共交通工具，随着城市轨道交通建设和运营规模的不断扩大，线网化运营需求日益迫切。信号系统间互联互通有利于实现城市轨道交通的网络化运营，可进一步提升乘客出行效率［1］。同时随着国家都市圈市域轨道交通的发展，互联互通的轨道交通网络对都市圈融合发展也具有重要意义，轨道交通互联互通设计成为轨道交通网络化运营的重要技术特征之一［2］。而当前城市轨道交通线路中，不同厂商基于通信的列车运行控制系统（CBTC）之间的通信接口、网络方案等并不相同，难以实现跨线运行。

为了推动线网互联互通工作的开展，中国城市轨道交通协会发布了《城市轨道交通 基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通系统规范》，明确了互联互通系统架构、功能需求、接口和报文规范等内容，为不同信号系统之间实现互联互通提供了设计依据［3-4］；规范了系统间的安全通信协议，包括接口模式、安全通信协议和应用信息3 个层次［5］，以保障数据传输的安全性。其中，在安全通信协议中的三重时间戳设计可进一步提升互联互通数据交互的可靠性和可用性，通过应用信息校验可以解决数据是否有效及可用的问题。本文针对CBTC 互联互通的应用信息校验部分进行分析和设计。

1 三重时间戳定义

在《城市轨道交通 基于通信的列车运行控制系统（CBTC） 互联互通接口规范 第2 部分：CBTC 系统车地连续通信协议》中规定：区域控制器（ZC） 与车载控制单元（VOBC），以及VOBC 与联锁（CI）之间，每周期最多允许发送1 个通用消息包［6］，在该消息包中包含VOBC 与ZC、CI 之间交互信息时三重时间戳相关信息。三重时间戳在互联互通报文中的定义见表1，具体示例见图1。

表1 三重时间戳在互联互通报文中的定义

图1 三重时间戳示例

根据图1，本机收到报文后，通过对时间戳进行计算，可以实现以下3种判断逻辑。

1）对端逻辑处理延时判断。通过（T1-T3），可以得出从对端收到报文到产生输出所花费的时间，据此可以判断出“对端逻辑处理”是否延时。如果延迟超过阈值，则本机认为该数据无效，丢弃数据并进行异常处理。

2）网络传输及对端逻辑处理延时判断。通过（N1-T2），可以得出从本机发出报文到对端产生输出，再到本机收到报文的时间。通过该时间可以判断“对端逻辑处理+网络传输”是否延时。如果延时超过阈值，则本机认为该数据无效，丢弃数据并进行异常处理。

3）对端与本机处理周期同步判断。通过比较本机接收报文（M1）中对端接收报文时间T3和发送报文时间T1，以及本机接收该报文时间N1和发送报文时间N2，得出对端和本机周期时间差值，可以判断收发两端系统处理周期是否保持同步。

通过（ΔT1-ΔT2）与阈值比较，判断对端与本机的周期是否保持同步，如果延迟超过阀值，则本机与对端周期同步有问题，进行告警和异常处理。

2 三重时间戳应用

在没有三重时间戳的系统中，网络传输延时主要通过通信协议进行防范，数据使用方对于对端逻辑处理是否延时无法进行自主判断和处理。使用三重时间戳设计后，数据使用方不仅可以判断网络传输是否延时，而且还能判断数据的逻辑处理是否延时，从而使数据使用方在应用层能够更精细化、更主动地对延时场景进行处理，并能及时执行相关安全控制措施。

在城市轨道交通CBTC 信号系统中，车载VOBC 系统与轨旁ZC 系统之间的互联互通接口设计尤为重要。为了实现互联互通，车地无线通信接口需要按照互联互通中VOBC-ZC 接口协议进行设计［7］。车载VOBC 与ZC 之间通过传输列车位置、移动授权、运行状态等信息［8］，实现列车运行间隔防护和速度防护，而这些逻辑处理和数据传输的延时将影响列车的安全运行。下面以网络传输及对端逻辑处理延时判断为例，对车载VOBC 与轨旁ZC 之间传递报文的逻辑处理关系进行系统设计。

2.1 三重时间戳交互设计

在ZC 与车载VOBC 交互报文中，选择列车位置报文和移动授权（Movement Authority，MA）报文进行三重时间戳设计，主要交互内容如下。

1）车载VOBC 根据测速测距信息计算列车位置，并周期性地向轨旁ZC 发送列车位置、列车模式等信息［9］。

2）ZC 根据列车位置、行进方向，以及联锁CI 提供的进路等信息，为控区内的列车提供移动授权［10］，车载VOBC 使用该信息进行速度防护计算。

通过报文交互，车载VOBC 可以判断接收的MA 报文是基于哪个周期的“列车位置信息”，从而可以判断出MA 报文的有效性。车载VOBC 与ZC之间位置信息和MA信息交互见图2。

图2 车载VOBC与ZC之间位置信息和MA信息交互

2.2 数据测试验证

以某工程项目中的三重时间戳应用为例，车载VOBC 的处理周期为100 ms，ZC 的处理周期为200 ms，网络传输时间为50～100 ms，通过计算网络传输时间和逻辑处理周期，车地正常交互时间差为600～700 ms。考虑到列车运行速度、运行间隔和安全防护距离等因素，车载VOBC 允许周期差为30 个周期，即交互延时阈值为3 s。当超过阈值，车载VOBC 将自动施加紧急制动，导向运行安全防护。

在实验室CBTC 测试环境（见图3）中，仿真验证三重时间戳功能。测试环境包括1 套真实的车载VOBC 系统（含车载ATP、ATO 和车载TAU）、1 套ZC 系统、1 套联锁CI 系统和1 套中央ATS 系统，并采用LTE 无线通信设备实现车地之间的通信。为模拟网络延时异常，在无线网络系统中增加网络故障模拟器，进行特定报文延时模拟。

图3 实验室CBTC测试环境

设计ZC 与车载VOBC 系统之间三重时间戳交互测试用例，包括网络通信与逻辑处理均正常、网络通信延时、逻辑处理延时，以及网络通信和逻辑处理均异常等。在网络通信与逻辑处理均正常的测试用例中，预期结果为系统正常运行，不会输出告警和制动；在网络通信延时、逻辑处理延时、网络通信和逻辑处理均异常的测试用例中，预期结果为出现1.5 s以上的延时，将输出告警，超过3 s则输出紧急制动。相关测试数据见表2。

表2 轨旁ZC与车载VOBC交互报文中的时间戳应用测试数据

由表2 可知，在网络通信与逻辑处理均正常的场景下，车载当前周期与计算MA采用的列车位置报文的周期差为7，则数据延迟时间为700 ms，在延时设计范围内，该MA 数据可用，车载VOBC控制列车正常运行；在逻辑处理和网络波动的情况下，车载当前周期与计算MA采用的列车位置报文的周期差为17，则进行告警提示；在网络通信延时的异常场景下，车载当前周期与计算MA采用的列车位置报文的周期差为31，则数据延迟时间为3 100 ms，不在延时允许范围内，该MA 数据不可用，车载VOBC输出紧急制动导向安全。

3 结束语

对CBTC 互联互通中的三重时间戳提出3 种设计应用方法，并结合车载VOBC 与轨旁ZC 之间的报文交互，以网络传输及对端逻辑处理延时判断为例进行了实验室验证。为多线路不同信号系统互联互通数据安全交互及数据有效性的判断检查，给出了具体的设计思路和方法。