王 偉 張建明

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100044)

1 研究背景

隨著通信技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，城市軌道交通的信號(hào)制式也得到了很大的發(fā)展，CBTC技術(shù)(communication-based train control，基于通信的列車控制)作為一種能夠適應(yīng)高速度、高密度的軌道交通發(fā)展要求的先進(jìn)的信號(hào)制式，已經(jīng)成為了當(dāng)前城市軌道交通中的首選信號(hào)制式［1］。北京交通大學(xué)研發(fā)的CBTC系統(tǒng)雖然打破了國外的技術(shù)壟斷，但如何提高開通質(zhì)量和保證開通進(jìn)度，是需要進(jìn)一步研究的大問題。

一般來講，信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通建設(shè)過程中的后期工程，如果能夠在軌道交通建設(shè)的前期或中期啟動(dòng)相關(guān)CBTC系統(tǒng)功能測(cè)試，就可以大大縮短信號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)周期。CBTC系統(tǒng)包括多個(gè)子系統(tǒng)，需要采用很多新技術(shù)，全部都進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，需要對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，并確保系統(tǒng)集成后功能的完整性。在實(shí)驗(yàn)室搭建CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試環(huán)境對(duì)即將上線運(yùn)行的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于縮短CBTC系統(tǒng)的建設(shè)周期、提高系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。另外，對(duì)列車控制系統(tǒng)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是非常困難的，因?yàn)樾枰木薮蟮娜肆?、物力、?cái)力，并且具有一定的安全隱患。因此，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建一套仿真測(cè)試平臺(tái)來進(jìn)行CBTC系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證是非常必要的。

2 最小系統(tǒng)原理和方法

1)確定測(cè)試需求。構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)時(shí)，必須明確測(cè)試平臺(tái)要完成的測(cè)試需求都有哪些(見圖1)。測(cè)試需求應(yīng)當(dāng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的功能需求規(guī)范來完成，在完成測(cè)試需求時(shí)可以不對(duì)預(yù)期結(jié)果作要求，但是必須明確將來要進(jìn)行的測(cè)試內(nèi)容。

2)根據(jù)測(cè)試需求確定設(shè)備需求。對(duì)于每一條測(cè)試需求，應(yīng)當(dāng)明確所需要的測(cè)試環(huán)境是什么。例如，進(jìn)行車載定位測(cè)試時(shí)對(duì)設(shè)備的要求與進(jìn)行區(qū)域控制器移動(dòng)授權(quán)測(cè)試時(shí)對(duì)設(shè)備的要求肯定是不一樣的，因此必須明確每條測(cè)試需求所對(duì)應(yīng)的設(shè)備需求。在填寫時(shí)，可以參考表1的要求來填寫。

圖1 確定測(cè)試需求

表1 測(cè)試需求對(duì)應(yīng)設(shè)備需求

3)提取最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)原則上是要進(jìn)行的所有測(cè)試需求的所要求設(shè)備的并集。從表1中可以看到:對(duì)于TR1，在測(cè)試時(shí)需要使用設(shè)備A和D;對(duì)于TR2，需要使用設(shè)備B和D。如果要進(jìn)行TR1和TR2的測(cè)試，所構(gòu)建的測(cè)試平臺(tái)只需要包含設(shè)備A、B、D。當(dāng)然，在某些特殊的情況下，如果構(gòu)建實(shí)際設(shè)備的成本遠(yuǎn)高于在現(xiàn)場(chǎng)或者其他環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試成本，則可以適當(dāng)考慮將該部分測(cè)試需求從期望的測(cè)試需求中轉(zhuǎn)換到其他環(huán)境下的測(cè)試需求中。

4)構(gòu)建與最小系統(tǒng)適配的仿真設(shè)備。在完成最小系統(tǒng)的模型后，必須保證最小系統(tǒng)與仿真設(shè)備間的接口都是真實(shí)的，這樣才可以確保測(cè)試平臺(tái)測(cè)試的正確性和可信性。在確定仿真模型時(shí)，可以采用模型抽象、模型表示、模型組織的思路，完成仿真模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(見圖2)。

圖2 仿真模型開發(fā)

3 最小系統(tǒng)的應(yīng)用

對(duì)于分布式仿真測(cè)試平臺(tái)，圖3是一種典型的架構(gòu)，其中實(shí)際設(shè)備作為被測(cè)對(duì)象。在構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)時(shí)，應(yīng)當(dāng)把被測(cè)對(duì)象做成最小系統(tǒng)，這對(duì)于縮減平臺(tái)構(gòu)建成本和提高測(cè)試效率是非常有幫助的。

1)確定測(cè)試需求。車載控制器的功能主要有列車精確定位、監(jiān)控列車速度、管理屏蔽門、管理折返、管理ZC切換等。

2)根據(jù)測(cè)試需求確定設(shè)備需求。測(cè)試需求對(duì)應(yīng)有設(shè)備需求，如表2所示。

表2 VOBC測(cè)試平臺(tái)測(cè)試需求對(duì)應(yīng)的設(shè)備需求

圖3 典型的基于最小系統(tǒng)的仿真測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

3)提取最小系統(tǒng)。從表2可以看出，如果要完成其中所列出的測(cè)試需求，最小系統(tǒng)只需要包含本端VOBC(車載控制器)、對(duì)端VOBC、查詢應(yīng)答器系統(tǒng)、無線DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))。

開展港口碼頭船舶污染物接收處置能力建設(shè)首先需要明確“船舶污染物接收處置能力”的內(nèi)涵和組成，這是船舶污染物接收處置能力建設(shè)開展的前提。

4)構(gòu)建與最小系統(tǒng)適配的仿真設(shè)備。由于VOBC與ZC(區(qū)域控制器)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、速度傳感器等均有直接接口，為了構(gòu)建完整的VOBC測(cè)試平臺(tái)，需要進(jìn)行仿真ZC、仿真CI、仿真速度傳感器的開發(fā)，并通過與實(shí)際設(shè)備的調(diào)試進(jìn)行不斷的優(yōu)化。圖4是實(shí)際應(yīng)用的車載控制子系統(tǒng)的仿真測(cè)試平臺(tái)。

4 亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)

亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)是基于最小系統(tǒng)建立的綜合仿真測(cè)試平臺(tái)，提供了可視化的線路和列車運(yùn)行環(huán)境，設(shè)定了與軌旁設(shè)備、車載設(shè)備以及地-車通信之間的透明接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目前城市軌道交通領(lǐng)域中點(diǎn)式、連續(xù)式以及點(diǎn)-連式列車運(yùn)行控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的仿真，同時(shí)能夠完成列車運(yùn)行控制系統(tǒng)核心設(shè)備的功能測(cè)試。

4.1 仿真測(cè)試平臺(tái)的需求

1)可以進(jìn)行國產(chǎn)自主研發(fā)的車載控制器(VOBC)子系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證，要求功能均可以進(jìn)行測(cè)試，接口完全真實(shí)。

2)可以進(jìn)行國產(chǎn)自主研發(fā)的區(qū)域控制器(ZC)子系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證，要求功能均可以進(jìn)行測(cè)試，接口完全真實(shí)，并可以進(jìn)行部分的壓力測(cè)試。

3)可以進(jìn)行國產(chǎn)自主研發(fā)的CBTC核心設(shè)備間的集成測(cè)試。

4)可以進(jìn)行亦莊線工程項(xiàng)目的集成測(cè)試，包括協(xié)議測(cè)試和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試。

5)可以進(jìn)行亦莊線工程項(xiàng)目中的確認(rèn)測(cè)試，包括點(diǎn)式ATP(列車自動(dòng)防護(hù))部分、點(diǎn)式ATO(列車自動(dòng)駕駛)部分、CBTC ATP部分、CBTC ATO部分以及多車部分，除與線路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相關(guān)的用例不做要求外，其余均可以進(jìn)行測(cè)試。

簡言之，亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)是亦莊線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)，需要滿足全生命周期的測(cè)試過程覆蓋。

圖4 應(yīng)用最小系統(tǒng)的車載控制器測(cè)試平臺(tái)

圖5 亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

4.2 仿真測(cè)試平臺(tái)的架構(gòu)

亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)主要由控制中心、實(shí)際車站、仿真車站、仿真測(cè)試環(huán)境、車輛模型及車載設(shè)備、軌旁設(shè)備6大區(qū)域組成(見圖5)。由于已經(jīng)保證VOBC子系統(tǒng)(車載ATP/ATO系統(tǒng))、地面ATP設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)的接口和邏輯保持完全一致，所以通過此平臺(tái)測(cè)試完畢的設(shè)備，可以不經(jīng)任何修改，直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。在圖6中，虛線內(nèi)描述的是亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)中的最小系統(tǒng)。

在構(gòu)建仿真測(cè)試平臺(tái)時(shí)，提取信號(hào)系統(tǒng)中的核心設(shè)備和典型設(shè)備作為最小系統(tǒng)的雛形，選取功能和接口全覆蓋的最小子集作為最小系統(tǒng)的首選模型，采用功能接口全部預(yù)留和增量式的整體架構(gòu)，搭建實(shí)驗(yàn)室最小系統(tǒng)(見圖6)，包括2套車載控制器、1套真實(shí)CI、1套真實(shí)區(qū)域控制器、1套真實(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、1套真實(shí)車站ATS和1套真實(shí)中心ATS。另外，為了提高測(cè)試人員在測(cè)試過程中的沉浸感，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可視化測(cè)試的目的，該平臺(tái)也配置了三維視景仿真系統(tǒng)作為支撐。

圖6 測(cè)試平臺(tái)最小系統(tǒng)

圖7 亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)的功能

4.3 仿真測(cè)試平臺(tái)的功能

在亦莊線CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)中，涵蓋了所有與信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備或者組件，確保了所有狀態(tài)都是可觀和可控的，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的全功能仿真(見圖7)。平臺(tái)采用樁模塊的思路，實(shí)現(xiàn)不同目的仿真測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)換，通過進(jìn)行不同的軟件和數(shù)據(jù)配置，CBTC系統(tǒng)集成仿真與測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)全線所有線路的仿真測(cè)試和單一集中站實(shí)際設(shè)備的集成測(cè)試與系統(tǒng)測(cè)試。

如果將亦莊線仿真測(cè)試平臺(tái)中的設(shè)備配置為與現(xiàn)場(chǎng)完全一致的軟件和數(shù)據(jù)，就可以為現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題提供一個(gè)室內(nèi)問題復(fù)現(xiàn)和分析的平臺(tái)，大大提高解決問題的效率。

5 結(jié)語

覆蓋最小系統(tǒng)模型的仿真測(cè)試平臺(tái)可以作為科研階段的成果驗(yàn)證平臺(tái)，也可以作為工程階段的系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)平臺(tái)、軟件測(cè)試平臺(tái)，還可以作為運(yùn)行階段的狀態(tài)分析平臺(tái)。同樣，在現(xiàn)場(chǎng)也需要選取最小系統(tǒng)(如采用3站2區(qū)間樣板段)作為初期動(dòng)車調(diào)試的測(cè)試和驗(yàn)證平臺(tái)。通過針對(duì)最小系統(tǒng)的測(cè)試，可以大大提高工程質(zhì)量，加快工程進(jìn)度。

總之，CBTC系統(tǒng)是一個(gè)龐大的分布式控制系統(tǒng)。針對(duì)大系統(tǒng)建設(shè)和調(diào)試的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地選擇最小系統(tǒng)并構(gòu)建測(cè)試平臺(tái);通過在這個(gè)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行硬件最小化、功能最大化的測(cè)試驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)縮短建設(shè)周期、提高開通質(zhì)量的目標(biāo)。

［1］郜春海.基于通信的軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007(2):7-10.

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