宋海鋒，袁 磊2，呂繼東，劉 雨

(1.北京交通大學(xué)軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044;2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044)

列車運行控制系統(tǒng)(簡稱列控系統(tǒng))是保證現(xiàn)代高速列車行車安全、提高運輸效率的核心[1]。CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備是列車控制系統(tǒng)的重要組成部分。隨著列車速度的提升，對列控系統(tǒng)車載設(shè)備各方面的要求也越來越高，因此在實際上線之前需要對其進行充分的測試。由于現(xiàn)場測試具有很大的不便性，所以車載設(shè)備在實驗室的仿真測試起到了重大作用。

列控系統(tǒng)車載設(shè)備仿真測試過程牽涉到很多信息細節(jié)，為了使測試更加直觀，將其中測試信息以圖形顯示界面的方式呈現(xiàn)出來，在提高仿真逼真度的同時也提高了測試效率；然而如何合理地組織相關(guān)信息，在有限的顯示界面中能夠就技術(shù)人員關(guān)心的問題最大限度提供細節(jié)，為此，本文將多分率建模的思想應(yīng)用到顯示界面的設(shè)計中，并通過LabView進行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果證明了該方法的可行性。

1 多分辨模型概述

人類對問題的認知思維方式多種多樣，從不同的視角、不同的關(guān)心程度來分析和處理問題是一種常見的思維方式，尤其在處理較為復(fù)雜的問題時尤為重要。隨著現(xiàn)在系統(tǒng)的不斷擴大，仿真在系統(tǒng)測試過程中起著無可替代的作用，根據(jù)對系統(tǒng)中問題的關(guān)心程度不同，建立與之對應(yīng)的不同分辨率模型，并將各個不同的分辨率模型相互關(guān)聯(lián)起來進行仿真研究是復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真未來發(fā)展的一種趨勢[2]。

因此，多分辨率建模的思想在20世紀末成為建模與仿真領(lǐng)域的研究熱點，成為今后復(fù)雜系統(tǒng)中分布式交互仿真的重點內(nèi)容之一。美國國家科學(xué)研究委員會認為多分辨率建模是現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)所面臨的最基本的挑戰(zhàn)之一[2]。

在多分辨率建模研究過程中，建模方法是重點之一。到目前為止，國內(nèi)外提出的一些多分辨率建模方法主要有聚合解聚法、視點選擇法、多分辨率實休法、IHVR 法等[3-4]。

多分辨率在本文中的定義為：在建模、仿真過程中，以信息交互的細節(jié)層次不同為準(zhǔn)則，對列控系統(tǒng)車載測試平臺顯示界面建立多分辨率模型，這些不同分辨率的模型相互作用、協(xié)調(diào)運行來完成顯示界面的仿真與測試工作，以達到提高仿真逼真度和提高測試效率的目的。

2 CTCS-3列控系統(tǒng)車載測試平臺圖形顯示界面設(shè)計的提出

在列控系統(tǒng)車載平臺測試中，是以測試序列的形式來對車載設(shè)備進行測試，車載設(shè)備本身就是一個實物的控制設(shè)備，而測試序列只是以數(shù)據(jù)庫形式存在[5]，這就使得在測試過程中不能直觀地看到現(xiàn)在車載設(shè)備是在什么情況下工作的。例如，現(xiàn)在列車的速度、制動方式、所處區(qū)間等都不能單純地從車載設(shè)備上顯示出來；而現(xiàn)有的一些信息顯示方式依舊是以文本顯示為主體，不夠形象地展示列車、站場、線路的信息，不能完整地給用戶提供一個友好的人機交互界面。

因此，為了使測試更加直觀，有一個完整的圖形顯示界面是必須的，此界面除了可以完成以往信息顯示的全部工作外，還能提供動態(tài)的動畫顯示，支持序列測試的實時在線進行和回放測試等功能。

3 多分辨率建模在圖形顯示界面設(shè)計中的應(yīng)用

圖形顯示界面對整個過程中的信息交互和整體流程都有涉獵，如何組織這些信息，更加有效地呈現(xiàn)給測試者，是整個系統(tǒng)開發(fā)首要解決的問題。根據(jù)CTCS-3級列車控制系統(tǒng)車載測試平臺的整體構(gòu)架，以及圖形顯示界面在整個測試過程中的作用，結(jié)合多分辨建模進行以下系統(tǒng)級分析。

3.1 圖形顯示界面的功能與車載測試系統(tǒng)架構(gòu)

列控系統(tǒng)車載測試平臺圖像顯示界面的意義主要在于讓用戶可以不用了解復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫組成和數(shù)據(jù)傳輸方式，以及列控系統(tǒng)車載平臺的系統(tǒng)組成、車載設(shè)備的操作和分析，就可以清楚看到當(dāng)前測試序列的信息和車載設(shè)備的反應(yīng)。

CTCS-3級列控系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備由ZPW-2000系列軌道電路、應(yīng)答器與軌旁電子單元(line side electronic unit，LEU)、列控中心、無線閉塞中心、臨時限速服務(wù)器、GSM-R通信接口設(shè)備等組成；車載設(shè)備由車載安全計算機(vital computer,VC)、GSM-R無線通信單元、人機界面、軌道電路信息接收單元、應(yīng)答器信息傳輸模塊、記錄單元、列車接口單元等組成[5]。

車載測試系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 車載設(shè)備測試平臺結(jié)構(gòu)

該車載測試平臺圖形顯示界面在完善整個測試平臺系統(tǒng)的同時，使測試更加直觀明了地進行。它可以在測試中提供測試序列的選擇、回放、實時展示等功能選擇操作，在測試序列測試過程中實時顯示當(dāng)前列車上電狀況、駕駛臺激活與否，以及可以以動畫的形式顯示列車動態(tài)運行狀態(tài)。例如當(dāng)實際列車速度越高時，在顯示界面上可以直觀地看到動畫中的列車移動速度變化，其余的速度、控制等級、關(guān)鍵步驟描述等信息都可以直觀地在界面上顯示。其次，RBC管轄顯示、RBC電臺切換、MA信息更新、無線消息更新功能，區(qū)間站場圖占用顯示、應(yīng)答器的出現(xiàn)和應(yīng)答器ID等所有的序列信息，都可以完整地給用戶呈現(xiàn)出來。

3.2 系統(tǒng)的成員劃分

整個車載設(shè)備測試過程中牽涉到的部件和元素十分復(fù)雜，在顯示界面中要一一將其包含在內(nèi)，因此需要對其進行相應(yīng)的分類，整體成員劃分如圖2所示。

圖2 不同分辨率成員劃分

在一個模型里，高、低分辨率對象的劃分是相對而言的。為了方便對列控系統(tǒng)車載設(shè)備的研究，對CTCS-3級列控系統(tǒng)車載測試平臺的組成部分進行高、低分辨率成員的劃分。在對CTCS-3級列控系統(tǒng)車載測試平臺基本結(jié)構(gòu)了解的基礎(chǔ)上，應(yīng)用部分分布式劃分成員的方法，針對CTCS-3級列控系統(tǒng)車載測試平臺的獨特性，可以對CTCS-3級系統(tǒng)有個整體的成員劃分。低分辨率的對象在一個成員中實現(xiàn)，與之對應(yīng)的所有高分辨率的對象在另一個成員中實現(xiàn)。這樣對列控系統(tǒng)整體采用一致的成員劃分方式，既保證了模型的可重用，又方便模型的擴展。

3.3 系統(tǒng)的多分辨率實現(xiàn)

整個圖形顯示界面主要分為5部分，文本信息顯示部分、功能選擇部分、RBC消息交互部分、列車動畫顯示部分以及站場圖顯示部分。針對測試過程中，對列車、車載設(shè)備、地面設(shè)備以及車地信息交互過程的側(cè)重點和細節(jié)層次的不同，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，對圖像顯示界面建立基于多分辨率模型設(shè)計的框架。

本設(shè)計中依據(jù)測試序列中主要關(guān)注的車載設(shè)備的通信和控制層面的信息，來對系統(tǒng)實現(xiàn)多分辨率的劃分。

例如，站場圖占用顯示，站場圖在一定程度上并不是車載設(shè)備測試過程中主要的測試參數(shù)，所以可以分別作為低分辨率對象來考慮；文本信息顯示的主要功能是提示當(dāng)前車載設(shè)備執(zhí)行的關(guān)鍵步驟，以文字的方式進行顯示，較站場圖部分分辨率要求要高一個層次，在設(shè)計中劃分為中分辨率對象；列車動畫顯示及RBC消息交互為車載設(shè)備測試中的重點內(nèi)容，涉及到車載設(shè)備與RBC的信息交互和車載設(shè)備控制反應(yīng)，因此劃分為高分辨率對象。

將整個系統(tǒng)劃分成為3種分辨率模型，其模型及應(yīng)用場合如圖3所示。

圖3 3種分辨率模型及功能

4 基于多分辨率建模的界面設(shè)計的具體實現(xiàn)

根據(jù)上述劃分，具體細節(jié)包括如下部分。

4.1 低分辨率模型設(shè)計

地面線路情況顯示在測試中的主要目的是顯示站名、股道、正線、道岔及線路編號，顯示進出站信號機燈位，但不顯示色燈的顏色。這些功能在一定程度上都是輔助測試工作，將其列為低分辨率模型設(shè)計的范疇，如圖4所示。

圖4 站場圖與區(qū)間占用

站場圖的顯示和切換，根據(jù)讀取列車現(xiàn)在所處的位置、車長以及區(qū)間長度和確定列車所在的區(qū)間。

當(dāng)列車初始上電啟動時，讀取所處區(qū)間或者站場的公里標(biāo)，作為列車起始公里標(biāo)；當(dāng)列車位置發(fā)生變化時，檢測車頭所處位置，從區(qū)間信息數(shù)據(jù)庫中讀取區(qū)間的具體信息，匹配區(qū)間占用位置去區(qū)間占用數(shù)。

線路信息數(shù)據(jù)庫為站場顯示和區(qū)間占用提供了數(shù)據(jù)信息，列車的位置信息由解析適配程序的速度消息中解析出來，共同完成區(qū)間占用顯示。

4.2 中分辨率模型設(shè)計

序列信息顯示(如圖5所示)用來顯示列車現(xiàn)在處于的狀態(tài)，以及關(guān)鍵步驟，較站場圖包含的信息量多，給測試者提供字面上的信息，劃分為中分辨率模型。主要包括以下部分，其部分子項和成員如圖6所示。

圖5 序列信息顯示

圖6 序列信息顯示部分子項和成員

行駛線路信息：描述列車當(dāng)前所處的運營狀況或運營場景，根據(jù)實際情況需要實時地進行信息刷新。

應(yīng)答器組信息：對當(dāng)前或者即將與列車進行通信的應(yīng)答器組進行描述，可顯示的內(nèi)容有應(yīng)答器組名稱、功能、應(yīng)答器個數(shù)。

關(guān)鍵步驟描述：當(dāng)測試平臺執(zhí)行到某一關(guān)鍵步驟時，展示界面的關(guān)鍵步驟描述框中即顯示出當(dāng)前正在執(zhí)行的關(guān)鍵步驟的描述信息，并在顯示數(shù)秒之后自動消失。同時，列車會對應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵步驟的操作，實時顯示動畫，如激活駕駛臺時列車車燈點亮等。

4.3 高分辨率模型設(shè)計

列車執(zhí)行序列情況所包含的列車相關(guān)響應(yīng)、軌旁相關(guān)和無線消息交互是整個測試過程中最關(guān)心的環(huán)節(jié)，需要將其中的每一個部分都在界面上顯示出來，提供詳細的測試信息供測試者參考，所以將其按照高分辨率模型進行設(shè)計。其部分子項和主要成員的關(guān)系如圖7所示。

圖7 高分辨率部分子項和成員

列車動畫顯示包括列車狀態(tài)顯示、應(yīng)答器組信息顯示與解析、信號燈顯示與解析、列車運行狀態(tài)、RBC顯示與切換、MA更新及過分相顯示。

其中，列車狀態(tài)顯示主要顯示車載設(shè)備一系列操作后的反應(yīng)。列車狀態(tài)包括列車上電、斷電、常用制動與緊急制動、過分相等幾個方面，駕駛臺的開啟與關(guān)閉，以及受電弓的升降；文本描述方面包括列車車次號、等級、模式、速度、制動方式以及無線通信狀態(tài)；應(yīng)答器組信息包括應(yīng)答器的類別如為單組或多應(yīng)答器，同時解析NID_LRBG，將應(yīng)答器的內(nèi)容解析完畢后，傳遞給低中分辨率模型文本消息框進行顯示；信號燈顯示與解析為當(dāng)列車處在CTCS-2級時，在車尾顯示機車信號，如L5、HU等，處在CTCS-3級時不予顯示，機車信號設(shè)置為滿足列車在測試序列中遇到CTCS-3級與CTCS-2級之間轉(zhuǎn)換的功能測試列車在CTCS-2級下運行時，通過解析軌道電路碼，獲取色燈信號狀態(tài)燈；RBC顯示與切換包括RBC顯示當(dāng)前所管轄的列車ID、RBC編號，以及RBC切換時動態(tài)顯示；MA為車載提供的信息以消息和信息包的形式進行傳輸，車載解包后讀出消息中的內(nèi)容，引導(dǎo)列車行車。

無線消息交互為車載設(shè)備測試過程中一個重要部分，車地之間的消息傳輸是否正確直接關(guān)系著測試的結(jié)果，將RBC消息交互作為高分辨率模型來設(shè)計，符合實際的測試需求。

5 基于LabView虛擬儀器仿真實現(xiàn)

在完成系統(tǒng)級的多分辨率模型劃分后，要仿真實現(xiàn)上述的要求，考慮到整個系統(tǒng)邏輯關(guān)系十分復(fù)雜，界面元素豐富廣泛，如果使用普通的高級語言進行編程仿真，代碼工作量將會非常巨大，短時間內(nèi)很難完成系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試；而選用虛擬儀器的LabVIEW進行開發(fā)，將會大大縮短開發(fā)過程[6]，以形象的G語言的形式來完成邏輯關(guān)系的實現(xiàn)和界面元素的布局、控制，顯示界面的驅(qū)動程序等也將比普通的高級語言方便得多。

按照多分辨率建模的規(guī)劃，結(jié)合LabView自身特點，最終仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 整體界面仿真顯示

從仿真結(jié)果分析可以看出，根據(jù)多分辨率建模方法設(shè)計的圖形顯示界面，要點顯示清晰，可以準(zhǔn)確完備地分析仿真測試的結(jié)果。同時，可以看出多分辨率建模在CTCS-3級列控系統(tǒng)上應(yīng)用有著明顯的優(yōu)勢，既可簡化人們對CTCS-3級列控系統(tǒng)的理解，又利于研發(fā)人員對CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真與測試的進行，同時顯現(xiàn)出了所建模型的可重用性、互操作性等優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

本文重點研究了列控車載設(shè)備仿真與測試過程中需要關(guān)心內(nèi)容的整合過程，基于多分辨率建模的思想，對界面的需求進行規(guī)范深入的分析，研究了不同分辨率下建模的具體實現(xiàn)，從高、中、低3個分辨率層次將測試的重點內(nèi)容有機地結(jié)合起來，加快了開發(fā)進度的同時使得測試重點更加突出。LabView實際仿真實現(xiàn)的結(jié)果表明，本文所述方法很好地滿足了實際的測試需求。

[1]季學(xué)勝，唐濤. CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)綜合測試平臺研究[J]. 鐵道通信信號， 2007， 43(7): 1-3.

[2]劉寶宏，黃柯棣. 多分辨率建模的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16(6): 1150-1154.

[3]蔡伯根，劉大為，上官偉，等. 基于多分辨率建模方法的CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真技術(shù)[J]. 中國鐵道科學(xué)，2010， 31(4): 105-111.

[4]李小琴. 基于多分辨率建模的CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真技術(shù)初探[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2009.

[5]劉雨，唐濤，李開成，等. CTCS-3級列控車載設(shè)備實驗室互聯(lián)互通測試方法[J]. 鐵道通信信號，2011， 47(12): 4-7.

[6]劉勝. LabVIEW2009程序設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2010: 6-10.