張大威

張大威:中國鐵道科學(xué)研究院研究生部 鐵道部運(yùn)輸局電務(wù)部工程師 100081 北京

近年來，我國高鐵建設(shè)事業(yè)伴隨著世界范圍內(nèi)鐵路行業(yè)的復(fù)興而蓬勃發(fā)展，擁有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-2、CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于客運(yùn)專線建設(shè)中，為確保運(yùn)輸安全發(fā)揮著極其重要的作用。

在整個CTCS系統(tǒng)中，列控中心是具有中國特色的安全控制設(shè)備，它既是CTCS-2級列控系統(tǒng)地面信號設(shè)備的核心部分，也是CTCS-3級列控系統(tǒng)地面信號控制降級后最重要的后備系統(tǒng)，可根據(jù)聯(lián)鎖提供的軌道電路占用信息和進(jìn)路信息、CTC(或臨時限速服務(wù)器)提供的臨時限速信息以及站間安全通信信息等，通過編碼計(jì)算產(chǎn)生行車許可命令，利用有源應(yīng)答器發(fā)送應(yīng)答器報(bào)文、驅(qū)動ZPW-2000軌道電路發(fā)碼、控制區(qū)間信號機(jī)點(diǎn)燈，并通過軌道電路和應(yīng)答器將行車許可信息傳送給車載控制子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對列車的連續(xù)控制。

列控中心的安全性要求極高，按照國際功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508對安全性完整性等級的劃分方法，列控中心被定義為SIL-4級安全設(shè)備 (Safety Integrity Level)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)同屬最高的安全完整性等級。因此在開通運(yùn)營前對列控中心的測試和驗(yàn)證尤為重要，如何讓測試驗(yàn)證過程經(jīng)濟(jì)、高效、規(guī)范、完整，越來越為鐵路研發(fā)設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)和使用部門所關(guān)注。計(jì)算機(jī)仿真測試技術(shù)為解決上述問題提供了行之有效的手段。

1 仿真測試技術(shù)發(fā)展

1.1 國外鐵路仿真測試技術(shù)發(fā)展

國外鐵路部門對仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用十分重視，早在上世紀(jì)70年代，就開始利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對鐵路線路設(shè)計(jì)、運(yùn)輸組織方案進(jìn)行驗(yàn)證和評估，目前已開發(fā)出列車調(diào)度、列車運(yùn)行和站內(nèi)閉塞監(jiān)視等功能的仿真系統(tǒng)。

在路網(wǎng)能力仿真方面，英國Incontrol研究所和Railned等多個鐵路部門合作研究了Simone鐵路路網(wǎng)能力仿真系統(tǒng);SYSTRA公司開發(fā)了RAILSIM鐵路線路能力優(yōu)化仿真系統(tǒng);AEA-Technology RAIL公司開發(fā)了VAMPIRE輪軌關(guān)系仿真系統(tǒng)。

在歐洲列車控制系統(tǒng)ETCS領(lǐng)域，歐洲鐵路研究中心開發(fā)了ETCS仿真系統(tǒng)，能夠仿真ETCS等級0—2級的功能;在對無線閉塞中心RBC(Radio Block Centre)的測試中，P.di Tommaso運(yùn)用仿真方法制定出了列車與RBC數(shù)據(jù)通信異常情況下的測試案例，以此來驗(yàn)證RBC系統(tǒng)的安全性和可靠性。

在列控車載系統(tǒng)仿真方面，歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)ERTMS(European Rail Traffic Management System)的UNISIG工作組搭建了分布式交互仿真測試系統(tǒng)，利用場景發(fā)生器產(chǎn)生仿真場景和測試序列，通過這些仿真場景和測試序列加載各仿真測試節(jié)點(diǎn)、控制仿真測試過程并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，用模塊事件記錄器記錄仿真測試過程中各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的重要信息，用分析確認(rèn)模塊判斷信息的正確性并進(jìn)行分析;2004年，意大利佛羅倫薩大學(xué)為意大利列車控制系統(tǒng)SCMT開發(fā)出了硬件在環(huán)HIL(Hardware In the Loop)測試系統(tǒng)，它是一個基于仿真技術(shù)的ATP測試系統(tǒng)。

1.2 中國鐵路仿真測試技術(shù)發(fā)展

我國鐵路系統(tǒng)仿真測試工作起步較晚，起初主要是針對列車調(diào)度算法等具體問題的仿真。隨著大規(guī)模客專建設(shè)和CTCS系統(tǒng)全面投入使用，對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真測試變得越來越迫切。由于在列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施方面沒有太多成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，而列控系統(tǒng)實(shí)施過程中有很多問題需要研究，如設(shè)計(jì)方案優(yōu)化問題、系統(tǒng)適應(yīng)性問題、技術(shù)條件可行性問題等，都需要在事前進(jìn)行研究分析，如果僅僅通過現(xiàn)場試驗(yàn)來做事后修改，不但浪費(fèi)人力物力、影響運(yùn)輸生產(chǎn)，而且有很多問題受現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制無法得到及時發(fā)現(xiàn)和解決。換言之，即使在設(shè)備開通前進(jìn)行過嚴(yán)格的測試，但在投入使用后仍可能還會出現(xiàn)某些問題。這就促使有關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)單位和科研院所考慮運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的方式替代現(xiàn)場試驗(yàn)，通過仿真現(xiàn)場很難人工設(shè)置的各種故障和情況，對列控中心的功能邏輯等進(jìn)行驗(yàn)證。

北京交通大學(xué)軌道交通控制與國家安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自2005年起，開始建設(shè)軌道交通控制與安全綜合試驗(yàn)平臺，包括CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真測試平臺、GSM-R網(wǎng)絡(luò)平臺和行車指揮平臺;針對列控系統(tǒng)的仿真研究，以西南交通大學(xué)交通控制實(shí)驗(yàn)室、北京交通大學(xué)軌道交通與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、同濟(jì)大學(xué)、蘭州交通大學(xué)和中國鐵道科學(xué)研究院等科研院校和研究部門為代表，所做的工作包括系統(tǒng)原型開發(fā)、控制算法和城軌列控建模仿真、列控中心等地面列控設(shè)備和車載ATP仿真測試研究等;中國鐵道科學(xué)研究院研究建立了基于列控系統(tǒng)功能測試的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測試過程的自動判斷和統(tǒng)計(jì)，提出可能的故障原因和故障對策。國內(nèi)列控中心仿真模型所使用的大多是面向?qū)ο缶幊痰挠?jì)算機(jī)語言，具體來說，開發(fā)環(huán)境主要有VC++、C++Builder等。

2 列控中心仿真的核心問題

在建立列控中心仿真系統(tǒng)之前，首先要構(gòu)造一個盡可能與原系統(tǒng)相匹配和反映真實(shí)情況的模型，模型本身應(yīng)便于模擬系統(tǒng)的各種行為。同時，為使仿真系統(tǒng)可以滿足評價(jià)、分析、測試等性能，系統(tǒng)還要能隨時反映各子系統(tǒng)或功能模塊之間的動態(tài)特性，記錄當(dāng)前的各種狀態(tài)和彼此關(guān)系，以便獲取各種參數(shù)。因此，列控中心仿真的核心問題首先是仿真模型的建立，其次是仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

3 列控中心仿真系統(tǒng)功能需求

列控中心仿真系統(tǒng)主要是依據(jù)列控中心的技術(shù)規(guī)范、接口協(xié)議、系統(tǒng)功能需求、設(shè)備配置等進(jìn)行仿真，做到與列控中心的功能相一致，一般包括地面軌道電路編碼、區(qū)間信號機(jī)點(diǎn)燈、有源應(yīng)答器報(bào)文生成與臨時限速處理、區(qū)間方向控制、接口通信等。列控中心仿真系統(tǒng)根據(jù)不同的外部設(shè)備配置，應(yīng)能夠?qū)ο到y(tǒng)功能進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。雖然中繼站和無配線車站列控中心不具備與聯(lián)鎖相關(guān)的功能，沒有站內(nèi)軌道電路編碼和方向控制功能、區(qū)間運(yùn)行方向和閉塞控制功能等，但所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)車站列控中心仿真系統(tǒng)應(yīng)該涵蓋列控中心的所有功能，對于中繼站和無配線車站，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的功能屏蔽。

地面軌道電路編碼，根據(jù)列車進(jìn)路和軌道區(qū)段狀態(tài)等信息，進(jìn)行站內(nèi)和區(qū)間軌道電路的載頻、低頻信息編碼。實(shí)現(xiàn)對軌道區(qū)段狀態(tài)的識別并對軌道電路分路不良、進(jìn)出站信號機(jī)異常關(guān)閉、站內(nèi)軌道電路故障等情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

區(qū)間信號機(jī)點(diǎn)燈，根據(jù)區(qū)間閉塞分區(qū)占用情況，完成對區(qū)間通過信號機(jī)的點(diǎn)燈控制。

臨時限速處理與有源應(yīng)答器報(bào)文生成，根據(jù)列車進(jìn)路信息、臨時限速設(shè)置信息和應(yīng)答器報(bào)文定義原則，實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器報(bào)文的實(shí)時組幀、編碼、校驗(yàn)，判斷和發(fā)送信號降級信息，并向相關(guān)的LEU發(fā)送報(bào)文。

區(qū)間方向控制，根據(jù)聯(lián)鎖改方命令、區(qū)間閉塞分區(qū)空閑狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)間運(yùn)行方向的控制。

通信接口，按照接口通信協(xié)議的要求，接收列控中心各通信接口的信息，經(jīng)內(nèi)部相關(guān)模塊處理后發(fā)送到通信接口，再輸出到外圍設(shè)備。

4 幾種仿真測試實(shí)例

4.1 基于著色Petri網(wǎng) (Colored Petri Net)的建模與仿真

Petri網(wǎng)建模方法是形式化建模方法的一種，是一種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和圖形描述、分析工具，具有圖形結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的直觀意義。對于并發(fā)、異步、分布、并行、不確定性或隨機(jī)性的信息處理構(gòu)造Petri網(wǎng)模型并進(jìn)行分析，就可以得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為方面的信息，從而對系統(tǒng)進(jìn)行客觀的評價(jià)和改進(jìn)。

同濟(jì)大學(xué)在2008年提出了基于著色Petri網(wǎng)的安全構(gòu)件模型及相應(yīng)的構(gòu)件組裝算法。北京交通大學(xué)根據(jù)列控系統(tǒng)功能需求，利用著色Petri網(wǎng)建立功能處理模型，用著色Petri網(wǎng)建模工具CPN-TOOLS建立相應(yīng)的仿真模型，并利用狀態(tài)空間工具分析系統(tǒng)功能的完整性和邏輯正確性，用C++Builder程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能處理軟件，生成信息實(shí)時監(jiān)控界面，監(jiān)控信息正確接收和運(yùn)行，滿足列控仿真系統(tǒng)平臺的實(shí)現(xiàn)需求。

例如:列控中心系統(tǒng)頂層CPN模型如圖1所示，它包含 CBI、TCI、CTC、LEU和 TCC 5個替代變遷，分別標(biāo)識與列控中心信息交互子系統(tǒng)在列控系統(tǒng)中的邏輯位置，各子系統(tǒng)與列控中心間交互的信息傳遞用相應(yīng)的庫所予以設(shè)定。列控中心與各設(shè)備間的交互庫所含義如表1所示。

圖1 列控中心系統(tǒng)頂層CPN模型

表1 列控中心系統(tǒng)層輸入輸出庫所表

通過層次化的建模技術(shù)，分別建立系統(tǒng)層、處理層和功能層3層模型，使軟件系統(tǒng)功能過程更加直觀和具體。除上面所描述的系統(tǒng)頂層外，列控中心系統(tǒng)處理層、軌道電路占用信息處理層、臨時限速命令處理層、臨時限速功能層、進(jìn)路報(bào)文處理層、進(jìn)路報(bào)文功能層、應(yīng)答器報(bào)文處理子網(wǎng)等均可依此建模。

在此基礎(chǔ)上，利用CPN-TOOLS狀態(tài)空間工具對模型的有界性 (確認(rèn)庫所資源不會無限增大而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行終止)和活性 (確認(rèn)系統(tǒng)沒有死循環(huán)和死節(jié)點(diǎn)，每個狀態(tài)都是良好狀態(tài))等性質(zhì)進(jìn)行分析，驗(yàn)證軌道電路占用信息報(bào)文處理層模型和進(jìn)路報(bào)文功能層功能的正確性，利用“狀態(tài)轉(zhuǎn)移查詢”確認(rèn)系統(tǒng)對進(jìn)路報(bào)文的處理，最終完成對功能層模型的確認(rèn)工作，獲得可靠的模型依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)從功能需求到列控中心系統(tǒng)功能模型化的建模過程。

在完成仿真模型的建立和驗(yàn)證后，參照模型的體系架構(gòu)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，在計(jì)算機(jī)操作平臺上使用 C++Builder編程語言實(shí)現(xiàn)列控中心系統(tǒng)仿真器軟件的設(shè)計(jì)，并通過集成測試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等步驟逐步提高仿真器軟件的質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完善。

4.2 基于SED_TSL腳本技術(shù)的仿真測試

SED_TSL(Scenario-Event Driven Test Script Language)是一種基于場景—事件驅(qū)動的測試腳本語言。SED_TSL定義的測試腳本以被測系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營場景為基礎(chǔ)，將運(yùn)營場景定義為相應(yīng)的測試場景，在測試場景中以測試序列的模式，對相關(guān)測試用例進(jìn)行序列化，通過定義外部仿真測試環(huán)境將測試用例加載到被測系統(tǒng)中，完成安全性測試，同時也可以通過定義故障場景，完成各種安全防護(hù)機(jī)制測試。

SED_TSL的核心語法庫分為3層，如圖2所示，即基礎(chǔ)語言包、測試描述語言包和用戶開發(fā)包。

基于核心語法庫，標(biāo)準(zhǔn)的SED_TSL測試腳本結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為測試主控單元模塊腳本和測試執(zhí)行單元模塊腳本2層。在測試主控單元模塊腳本中，主要定義當(dāng)前測試控制邏輯和當(dāng)前仿真測試環(huán)境配置;測試執(zhí)行單元模塊腳本中，主要定義當(dāng)前測試中具體的執(zhí)行測試內(nèi)容。

圖2 SED_TSL的核心語法庫

SED_TSL仿真測試環(huán)境架構(gòu)主要包括測試控制中心、測試引擎、仿真環(huán)境接口適配器集、被測列控中心外部仿真測試環(huán)境共4個部分。其中，測試控制中心主要完成測試用例生成、測試序列生成、測試場景生成、可執(zhí)行測試腳本生成、測試進(jìn)程實(shí)時監(jiān)控及測試結(jié)果智能分析;測試引擎主要完成測試腳本解析、執(zhí)行、控制、仿真驅(qū)動命令生成、注入、測試結(jié)果采集、判定與存儲及測試執(zhí)行流程管理控制;仿真環(huán)境接口適配器集主要用于處理測試引擎與被測列控中心外部仿真環(huán)境之間的消息通信和過程調(diào)用;被測列控中心外部仿真環(huán)境主要承擔(dān)仿真被測列控中心的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，所有的仿真對象以插件方式集成構(gòu)成外部仿真測試環(huán)境。

基于SED_TSL的測試腳本技術(shù)可以滿足對安全苛求軟件測試的特殊要求，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真測試。它所建立的測試場景、測試用例庫和測試序列庫，可以對列控中心軟件系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中可能出現(xiàn)的運(yùn)營場景進(jìn)行各類測試用例和測試序列，并且執(zhí)行效率較高。

4.3 數(shù)據(jù)初始化通用性仿真

圖3 基于SED_TSL的測試腳本架構(gòu)圖

列控中心仿真軟件一般都存在通用性不足的問題:一是未能完全實(shí)現(xiàn)站內(nèi)側(cè)線行車和換線行車功能仿真;二是在處理設(shè)計(jì)部門提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表的時候，不能自動生成信息實(shí)例，而是需要手工編輯配置文件，這樣做不但費(fèi)時費(fèi)力，而且極易出現(xiàn)錯誤。

通用性仿真克服了上述問題。系統(tǒng)在處理設(shè)計(jì)院提供的列車進(jìn)路數(shù)據(jù)表時，把每個進(jìn)路號下面的相關(guān)信息，包括應(yīng)答器編號、進(jìn)路、進(jìn)路類型、始端信號機(jī) (名稱/接近最高碼序)、終端信號機(jī)名稱、應(yīng)答器 (單元編號/鏈接距離)、道岔、線路速度 (速度/距離)、軌道區(qū)段 (長度/載頻/信號機(jī)類型/名稱)、災(zāi)害防護(hù)區(qū)段以及備注信息等存儲在一個特定的結(jié)構(gòu)動態(tài)數(shù)組里，對信息進(jìn)行重新整理，提取進(jìn)路上所有軌道區(qū)段的聯(lián)接關(guān)系且保留其他相關(guān)信息，為站內(nèi)編碼的邏輯關(guān)系提供依據(jù)。接下來，為軌道區(qū)段項(xiàng)設(shè)置專門的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，定義出區(qū)段名稱、低頻、載頻、占用狀態(tài)、方向信息、災(zāi)害信息、燈絲斷絲、轉(zhuǎn)頻標(biāo)志位等，經(jīng)過這樣處理后，整個站內(nèi)的信息就豐富而完整地保存了下來，列控中心可以對站內(nèi)所有區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配處理。在完成整個進(jìn)路數(shù)據(jù)表的初始化工作后，內(nèi)存中存儲的信息已經(jīng)成為程序運(yùn)行時可以直接調(diào)用的信息，無需手工編輯其他的配置文件，仿真系統(tǒng)可以完整地模擬側(cè)線接發(fā)車作業(yè)、換線作業(yè)、反方向運(yùn)行等狀態(tài)，大大提高了仿真的效率和準(zhǔn)確性。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 列控中心仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.4 基于安全可用性的仿真測試平臺

仿真測試平臺軟件構(gòu)造了六大模塊，即測試模擬條件模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、顯示模塊、報(bào)文反編譯模塊和測試控制模塊，如圖5所示。其中，模擬條件模塊，為列控中心提供所連接外圍設(shè)備的測試條件;數(shù)據(jù)接口模塊，實(shí)時接收列控中心不同物理通道發(fā)送出來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類存儲，同時負(fù)責(zé)對信息的正確性、時效性、次序性進(jìn)行檢查確認(rèn);數(shù)據(jù)庫模塊，存儲線路信息、記錄從列控中心接收的數(shù)據(jù)，并接受平臺其他模塊的訪問;報(bào)文反編譯模塊，從列控中心接收有源應(yīng)答器報(bào)文，首先進(jìn)行條件檢查，然后反編譯成列控工程數(shù)據(jù);測試控制模塊，對從列控中心接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯檢查，包括低頻碼序、點(diǎn)燈狀態(tài)等，對特殊情況進(jìn)行人工干預(yù);顯示模塊，訪問數(shù)據(jù)庫獲取輸入信息，實(shí)時顯示所有信號設(shè)備的狀態(tài)屬性。

圖5 測試平臺軟件結(jié)構(gòu)

基于對列控中心安全性和可用性的要求，利用測試平臺進(jìn)行4類測試，即功能測試、接口協(xié)議測試、冗余機(jī)制測試和故障-安全機(jī)制測試。其中，功能測試是最基本的測試環(huán)節(jié)，檢查列控中心所有功能是否均已實(shí)現(xiàn);接口協(xié)議測試，測試列控中心與外圍設(shè)備接口傳輸數(shù)據(jù)情況，驗(yàn)證接口數(shù)據(jù)的安全性和完整性;冗余機(jī)制測試，測試列控中心二乘二取二機(jī)制，側(cè)重于二系切換對安全性和功能性的影響;故障-安全機(jī)制測試，模擬可能發(fā)生的各種故障，測試列控中心的安全邏輯設(shè)計(jì)原則。

5 結(jié)束語

當(dāng)前既有的列控中心仿真系統(tǒng)在一定程度上能夠滿足仿真和測試的需要，但或多或少存在一些缺陷和不足。從事研發(fā)的單位都是從自身設(shè)備出發(fā)開展工作，缺乏彼此間的溝通協(xié)作，很多內(nèi)容屬于重復(fù)性研究，導(dǎo)致資金和人員浪費(fèi);有的仿真系統(tǒng)受條件限制，無法實(shí)現(xiàn)對有源應(yīng)答器報(bào)文、軌道電路低頻編碼等所有可能分支的遍歷，測試中很難對中間過程可能存在的問題及時獲取;有些仿真測試對人工依賴程度高，效率偏低，自動化程度有待提高，這些都是今后需要改進(jìn)的地方。

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