侯 磊 車(chē)惠軍 張 波 謝俊紅

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

ATP接口平臺(tái)是CTCS-3級(jí)列控仿真系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)ATP接口平臺(tái)，真實(shí)車(chē)載ATP實(shí)物設(shè)備被接入仿真系統(tǒng)，形成半實(shí)物仿真，實(shí)現(xiàn)在仿真系統(tǒng)環(huán)境下，與仿真模型、仿真環(huán)境之間的協(xié)同運(yùn)行工作。ATP接口平臺(tái)一方面將仿真系統(tǒng)模擬的邏輯激勵(lì)轉(zhuǎn)變?yōu)榕cATP實(shí)物接口完全一致的物理信號(hào)，施加于ATP實(shí)物；另一方面采集實(shí)物信號(hào)輸出，上傳仿真系統(tǒng)。因此，為了實(shí)時(shí)模擬運(yùn)行控制，滿(mǎn)足ATP實(shí)物測(cè)試和驗(yàn)證的需求，要求ATP接口平臺(tái)具備較高的實(shí)時(shí)性，能夠及時(shí)傳遞仿真系統(tǒng)與ATP系統(tǒng)之間的信號(hào)。本文將介紹在CTCS-3級(jí)列控仿真系統(tǒng)ATP接口平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)實(shí)時(shí)性的研究與實(shí)現(xiàn)方法。

2 ATP接口平臺(tái)實(shí)時(shí)性需求分析

2.1 ATP接口平臺(tái)方案

在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，實(shí)物接入的原則：保證所有的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。如果物理閉環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，就將此環(huán)節(jié)的輸入輸出接入實(shí)物接口平臺(tái)，而將該環(huán)節(jié)在仿真平臺(tái)上以虛擬模型的形式存在。

圖1是ATP實(shí)物通過(guò)ATP接口平臺(tái)接入仿真系統(tǒng)的連接圖。ATP接口平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)接口與仿真平臺(tái)連接，建立仿真平臺(tái)與ATP實(shí)物設(shè)備之間虛擬通道。在CTCS-3級(jí)列控仿真系統(tǒng)中，針對(duì)龐巴迪ATP， ATP接口平臺(tái)使用I/O輸入輸出接口（DI、DO）連接ATP的列車(chē)接口單元（TIU）和制動(dòng)接口單元（BIU）；使用脈沖輸出接口（PO）連接測(cè)速測(cè)距單元（SDU）；使用RS-232接口驅(qū)動(dòng)軌旁電子單元（LEU），實(shí)時(shí)寫(xiě)入有源應(yīng)答器，模擬軌道上不同的無(wú)源應(yīng)答器和有源應(yīng)答器，通過(guò)CAU連接ATP的點(diǎn)式信息接收模塊（BTM），或使用RS-232接口實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)CAU模擬器（CAUSim），模擬CAU信號(hào)，通過(guò)BTM，連接ATP的BTM；使用CAN總線(xiàn)接口驅(qū)動(dòng)軌道電路發(fā)碼盒ZPW-2000A，引出模擬載頻信號(hào)，連接ATP的連續(xù)信息接收模塊（STM）。

ATP接口平臺(tái)硬件以PowerPC微處理器和FPGA為核心，使用微處理器自帶通信接口，或通過(guò)總線(xiàn)外擴(kuò)，實(shí)現(xiàn)各種所需對(duì)外接口，包括以太網(wǎng)接口、I/O接口、PO接口、RS-232接口、CAN總線(xiàn)接口等。

ATP接口平臺(tái)接入仿真系統(tǒng)的功能流程如圖2所示，ATP接口平臺(tái)與仿真平臺(tái)通過(guò)特定協(xié)議通信，傳遞仿真系統(tǒng)與ATP實(shí)物雙向的所有信號(hào)數(shù)據(jù)，除了處理通信協(xié)議外，接口平臺(tái)還提供一些管理機(jī)制，滿(mǎn)足ATP實(shí)物接入的一些特殊需求，如系統(tǒng)監(jiān)控、故障注入、實(shí)時(shí)性管理等。

2.2 仿真延時(shí)分析和實(shí)時(shí)性需求

仿真平臺(tái)通過(guò)ATP接口平臺(tái)間接控制ATP實(shí)物，但是接口平臺(tái)的引入也必將增加兩者信號(hào)傳遞的延時(shí)，降低仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。如圖3所示為仿真平臺(tái)通過(guò)接口平臺(tái)，與ATP實(shí)物進(jìn)行信號(hào)傳遞的延時(shí)分析圖。由圖3可得，當(dāng)仿真系統(tǒng)接收ATP實(shí)物輸出信號(hào)時(shí)，信號(hào)傳遞經(jīng)歷4段延時(shí)：首先，接口平臺(tái)探測(cè)到ATP輸出信號(hào)，要經(jīng)過(guò)延時(shí)T1，完成信號(hào)采集、分析、協(xié)議包裝的過(guò)程后，才能通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給仿真平臺(tái)；其次，數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的發(fā)送、路由和接收過(guò)程中會(huì)引入延時(shí)T2；當(dāng)數(shù)據(jù)被仿真平臺(tái)通信處理軟件接收后，需要經(jīng)歷協(xié)議解析、分析和反饋的過(guò)程，引入延時(shí)T3；最終數(shù)據(jù)被送到仿真平臺(tái)的模型，模型處理過(guò)程中仍存在延時(shí)T4。當(dāng)仿真系統(tǒng)向ATP實(shí)物輸出信號(hào)時(shí)，同樣會(huì)經(jīng)歷類(lèi)似的4段延時(shí)，在此不一一闡述。

為了充分真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，滿(mǎn)足實(shí)物測(cè)試和驗(yàn)證的需求，要求盡量減少仿真系統(tǒng)中各段延時(shí)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)通信通過(guò)交換機(jī)和路由配置，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，減少以太網(wǎng)傳輸過(guò)程中的延時(shí)；仿真平臺(tái)模型和通信軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用更高性能服務(wù)器和優(yōu)化軟件架構(gòu)的方法減少延時(shí)。接口平臺(tái)是仿真系統(tǒng)的重要一環(huán)，為了減少接口平臺(tái)帶來(lái)的延時(shí)，要求接口平臺(tái)具備較高實(shí)時(shí)性，此外，還需要針對(duì)有特別需求的信號(hào)傳遞，進(jìn)行特別處理。

ATP接口平臺(tái)針對(duì)ATP的TIU單元、BIU單元、SDU單元和STM單元的數(shù)據(jù)輸入或輸出，均是簡(jiǎn)單的信號(hào)傳遞，通過(guò)提高接口平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，可以減小這些信號(hào)傳遞過(guò)程中的延時(shí)，優(yōu)化仿真效果。而對(duì)于BTM接口的應(yīng)答器報(bào)文傳遞，除了提高接口平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，還需要采用特定機(jī)制，精確應(yīng)答器報(bào)文傳遞的時(shí)機(jī)。

3 平臺(tái)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)內(nèi)部延時(shí)分析

ATP接口平臺(tái)傳遞信號(hào)時(shí)引入的延時(shí)，可以進(jìn)一步細(xì)化，如圖4所示。信號(hào)從仿真平臺(tái)向ATP實(shí)物傳遞或反向傳遞產(chǎn)生的延時(shí)，均可在接口平臺(tái)內(nèi)部細(xì)化為4段。以仿真平臺(tái)向ATP實(shí)物傳遞信號(hào)為例，以太網(wǎng)接口接收數(shù)據(jù)的過(guò)程包括網(wǎng)卡芯片接收物理信號(hào)、以太網(wǎng)接收中斷響應(yīng)和微處理器讀取網(wǎng)卡芯片數(shù)據(jù)，存在延時(shí)t1；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等待任務(wù)進(jìn)程處理，存在任務(wù)切換延時(shí)t2；任務(wù)進(jìn)程對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、分析和反饋，產(chǎn)生延時(shí)t3；最后數(shù)據(jù)通過(guò)特定接口輸出至ATP實(shí)物接口，也需要延時(shí)t4。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)產(chǎn)生的延時(shí)t1和t8由以太網(wǎng)波特率和微處理器處理能力決定，ATP接口平臺(tái)與交換機(jī)之間使用100 Mbit/s以太網(wǎng)，因此延時(shí)主要由微處理器處理能力決定；任務(wù)處理延時(shí)t3和t7由待處理的任務(wù)量和微處理器處理能力確定，在待處理任務(wù)確定的情況下，延時(shí)主要由微處理器處理能力決定；ATP接口輸入輸出產(chǎn)生的延時(shí)t4和t5主要由接口類(lèi)型決定，接口平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的接口都已確定，延時(shí)t4和t5固定；任務(wù)切換延時(shí)t3和t7主要由接口平臺(tái)所選用的操作系統(tǒng)決定，不同操作系統(tǒng)的任務(wù)切換延時(shí)差別很大。

ATP接口平臺(tái)以Freescale公司PowerPC微處理器MPC5200B為核心，MPC5200B的處理能力可達(dá)885 MIPS（百萬(wàn)條指令/秒），而且擁有豐富外設(shè)接口，用于ATP接口平臺(tái)設(shè)計(jì)，功能足夠強(qiáng)大。根據(jù)上述分析，當(dāng)選定平臺(tái)核心處理器，確定工作任務(wù)之后，ATP接口平臺(tái)內(nèi)部延時(shí)主要由選用的操作系統(tǒng)決定，為了減小接口平臺(tái)在整個(gè)仿真系統(tǒng)中帶來(lái)的延時(shí)，需要選擇合適的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以提高平臺(tái)的實(shí)時(shí)性能。

3.2 操作系統(tǒng)選擇

目前主流的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要包括uC/OS，eCOS，Vxworks，以及實(shí)時(shí)Linux(包括RTlinux、Xenomai等 )。

uC/OS和eCOS是內(nèi)核相對(duì)簡(jiǎn)潔的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度機(jī)制相對(duì)于Vxworks和實(shí)時(shí)Linux較為簡(jiǎn)單，可以提供很好的實(shí)時(shí)性。但是uC/OS和eCOS對(duì)TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)的支持不夠完備，往往需要第三方代碼的支持，增加了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的難度。Vxworks不公開(kāi)源代碼，如果使用Vxworks，需要與風(fēng)河公司(Windriver)合作，由其進(jìn)行內(nèi)核移植和底層開(kāi)發(fā)，不利于接口平臺(tái)的后續(xù)調(diào)整與擴(kuò)展。

實(shí)時(shí)Linux是在通用Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁的方式，滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)者實(shí)時(shí)性的需求。相對(duì)于Linux操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)Linux的實(shí)時(shí)性得到了大幅提高。此外，實(shí)時(shí)Linux保留Linux操作系統(tǒng)對(duì)TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)等的支持，應(yīng)用代碼開(kāi)發(fā)與Linux下幾乎完全兼容。并且實(shí)時(shí)Linux為開(kāi)放源代碼，方便接口平臺(tái)的后續(xù)調(diào)整與擴(kuò)展。

綜合考慮，ATP接口平臺(tái)選用實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)Xenomai作為應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。

4 事件調(diào)度機(jī)制

4.1 機(jī)制設(shè)計(jì)背景

應(yīng)答器報(bào)文激活是ATP接口平臺(tái)需要進(jìn)行特殊處理的接口任務(wù)。

ATP設(shè)備通過(guò)BTM接收軌旁應(yīng)答器報(bào)文數(shù)據(jù)，應(yīng)答器報(bào)文為ATP提供多種信息，包括線(xiàn)路信息、公里標(biāo)等。ATP使用應(yīng)答器定位當(dāng)前位置，并由SDU根據(jù)采集到的速度脈沖信號(hào)，不斷刷新位置信息。當(dāng)列車(chē)到達(dá)下一個(gè)應(yīng)答器處時(shí)，ATP設(shè)備接收應(yīng)答器報(bào)文，并判斷接收位置是否與預(yù)期位置相符。如果接收位置與預(yù)期位置在一定誤差范圍內(nèi)，ATP認(rèn)為接收成功；否則，認(rèn)為應(yīng)答器報(bào)文接收錯(cuò)誤。接收位置與預(yù)期位置的誤差范圍一般為十米量級(jí)，在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中，如果列車(chē)以最高速度350 km/h運(yùn)行，相當(dāng)于列車(chē)100 ms內(nèi)的位移，因此要求在仿真系統(tǒng)中，應(yīng)答器報(bào)文激活的時(shí)間精度須低于100 ms。

在仿真系統(tǒng)中，仿真平臺(tái)模型的運(yùn)行環(huán)境為非實(shí)時(shí)系統(tǒng)服務(wù)器，而且以太網(wǎng)并不是硬實(shí)時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)，因此總體來(lái)看，仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為軟實(shí)時(shí)，無(wú)法保證每次應(yīng)答器報(bào)文激活的時(shí)間精度必然低于100 ms。

為了保證應(yīng)答器報(bào)文激活精度，提出事件調(diào)度機(jī)制。事件調(diào)度機(jī)制主要依賴(lài)于“仿真時(shí)間同步”和“事件調(diào)度”兩個(gè)概念。“仿真時(shí)間”是虛擬仿真系統(tǒng)的時(shí)間，在物理上，是仿真服務(wù)器的本地時(shí)間，“仿真時(shí)間同步”是為了實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)與“仿真時(shí)間”同步而進(jìn)行的時(shí)鐘同步措施；“事件”是改變對(duì)象狀態(tài)的一次動(dòng)作，每個(gè)事件包含一個(gè)仿真時(shí)間戳及完成該事件對(duì)應(yīng)的方法指針，在應(yīng)答器報(bào)文激活的過(guò)程中，一次應(yīng)答器報(bào)文激活即是一次“事件”?！笆录{(diào)度”就是對(duì)仿真系統(tǒng)中產(chǎn)生的事件按仿真時(shí)間的先后進(jìn)行排序，然后按順序觸發(fā)。

4.2 事件調(diào)度

針對(duì)應(yīng)答器報(bào)文激活，事件調(diào)度具體實(shí)現(xiàn)如下：仿真系統(tǒng)為ATP接口平臺(tái)提供添加仿真時(shí)間戳的信息包，包括列車(chē)速度、加速度、位置等，用于計(jì)算應(yīng)答器報(bào)文激活時(shí)刻，ATP接口平臺(tái)收到所有信息包之后，根據(jù)不同時(shí)刻的列車(chē)速度、加速度、位置等信息，和下一個(gè)應(yīng)答器的位置，計(jì)算激活應(yīng)答器報(bào)文的仿真時(shí)間，并按時(shí)激活。

4.3 仿真時(shí)間同步

為了使ATP接口平臺(tái)能夠按照仿真時(shí)間進(jìn)行“事件調(diào)度”，需要進(jìn)行仿真時(shí)間同步。

ATP檢查報(bào)文位置誤差時(shí)，實(shí)際上是比較兩個(gè)應(yīng)答器之間的額定距離（應(yīng)答器報(bào)文指示的兩個(gè)應(yīng)答器之間的距離）與接收距離（實(shí)際接收到兩次應(yīng)答器報(bào)文時(shí)的位置之差）之間的差距，兩個(gè)應(yīng)答器之間的額定距離是固定的，根據(jù)仿真系統(tǒng)的列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的設(shè)計(jì)原則，如果應(yīng)答器報(bào)文激活嚴(yán)格按照動(dòng)力學(xué)模型的仿真進(jìn)行，接收距離應(yīng)與額定距離一致，實(shí)際上之所以產(chǎn)生誤差，主要原因在于單次應(yīng)答器報(bào)文激活時(shí)機(jī)的時(shí)間精度不高，導(dǎo)致ATP接口平臺(tái)兩次應(yīng)答器報(bào)文激活之間的時(shí)間間隔差過(guò)大，產(chǎn)生接收距離誤差。

根據(jù)上述分析，接口平臺(tái)與仿真系統(tǒng)之間的時(shí)間同步，重點(diǎn)不是時(shí)間精確一致，而是兩者時(shí)間進(jìn)度一致，以保證兩次應(yīng)答器報(bào)文激活之間的時(shí)間間隔比較精確。

4.4 機(jī)制總結(jié)

采用事件調(diào)度機(jī)制進(jìn)行激活應(yīng)答器報(bào)文操作，應(yīng)答器報(bào)文激活的時(shí)間誤差主要由ATP接口平臺(tái)內(nèi)部操作系統(tǒng)任務(wù)切換延時(shí)和“單次調(diào)整最大值”決定，通過(guò)調(diào)整同步間隔，可以將應(yīng)答器報(bào)文激活的精度控制在10 ms量級(jí)，滿(mǎn)足應(yīng)答器報(bào)文激活的實(shí)時(shí)性需求。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)分析在CTCS-3級(jí)列控仿真系統(tǒng)中ATP實(shí)物設(shè)備接入仿真平臺(tái)面臨的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，并對(duì)ATP接口平臺(tái)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行詳細(xì)研究與分析，針對(duì)ATP接口平臺(tái)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題給出解決方案。本文提出的實(shí)時(shí)性解決方案不局限于CTCS-3級(jí)列控仿真系統(tǒng)中的ATP接口平臺(tái)，對(duì)其他實(shí)物設(shè)備接入仿真系統(tǒng)也有一定借鑒意義。

[1] ERTMS/ETCS System Requiems Specification [S].

[2] ERTMS ETCS functional requirement specification [S].