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        地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試方案優(yōu)化

        2018-01-21 18:13:04崔海剛
        城市軌道交通研究 2018年1期
        關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng)機柜子系統(tǒng)

        李 葉 崔海剛

        (卡斯柯信號有限公司,200070,上?!蔚谝蛔髡?,工程師)

        1 地鐵信號系統(tǒng)簡介

        地鐵信號系統(tǒng)在為城市軌道交通系統(tǒng)提供充足、準時的交通運輸服務(wù)及信息的同時,也確保了乘客和設(shè)備的安全。目前,市場上大多采用基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)作為地鐵信號系統(tǒng),如圖1所示。圖1中,列車自動監(jiān)控(ATS)子系統(tǒng)負責地鐵時刻表管理以及監(jiān)控線路信號和列車運營狀態(tài);列車自動控制(ATC)子系統(tǒng)負責控制列車和軌旁區(qū)域,以優(yōu)化列車的運營、防護列車的運行及保證乘客的安全。ATC子系統(tǒng)由車載ATP(列車自動防護)、車載ATO(列車自動運行)和軌旁ATC組成。計算機聯(lián)鎖(CI)子系統(tǒng)控制并操作軌旁設(shè)備,以形成并保護列車的安全進路。信號維護支持(MSS)子系統(tǒng)監(jiān)控信號設(shè)備狀態(tài),為信號系統(tǒng)提供維護。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(DCS)負責各子系統(tǒng)之間的信息傳輸,且每個子系統(tǒng)均與DCS相連。

        圖1 地鐵信號系統(tǒng)組成

        2 地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試

        2.1 室內(nèi)集成測試目的

        地鐵運輸涉及行車及旅客的生命安全,因此地鐵信號控制系統(tǒng)必須具備高度的安全性和可靠性。地鐵開通前必須對地鐵信號控制系統(tǒng)進行完整測試,及時消除可能存在的隱患。在整個地鐵信號系統(tǒng)應(yīng)用項目中,室內(nèi)集成測試在項目實施的生命周期模型中起著重要的作用。一方面,將現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的大部分測試提前到室內(nèi)進行,使得現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的效率得以提高,節(jié)約項目成本;另一方面,在室內(nèi)進行模擬列車運行測試并通過后,再發(fā)布到現(xiàn)場測試,為現(xiàn)場調(diào)試人員提供了安全保障。

        2.2 室內(nèi)集成測試流程

        地鐵信號系統(tǒng)作為一個大的集成系統(tǒng),為確保其安全穩(wěn)定運行,在交付運營前必須進行深入測試。室內(nèi)集成測試通常分為多個級別,如各子系統(tǒng)的測試、各子系統(tǒng)之間的集成和確認測試以及現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試。統(tǒng)計表明,后一級的測試與前一級的測試相比,發(fā)現(xiàn)和修復(fù)一個缺陷的平均成本要提高10倍。因此,室內(nèi)子系統(tǒng)和系統(tǒng)級的測試應(yīng)盡量完整覆蓋所需測試的功能,盡可能將較少的問題遺留到現(xiàn)場的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中,從而極大降低故障定位及缺陷修復(fù)的成本。

        圖2 地鐵信號系統(tǒng)項目流程圖

        地鐵信號系統(tǒng)項目流程如圖2所示。由圖2可知,項目合同中的通用功能可分配到通用信號系統(tǒng)中,由通用信號系統(tǒng)的需求、設(shè)計、開發(fā)以及系統(tǒng)測試完成。項目合同中需要特殊設(shè)計的部分由項目需求、設(shè)計、數(shù)據(jù)以及項目層面系統(tǒng)測試完成。

        圖2中的深色區(qū)域為系統(tǒng)集成和確認測試階段,主要包含系統(tǒng)集成和確認測試、系統(tǒng)點對點測試及系統(tǒng)測試。此階段是將地鐵信號發(fā)布至現(xiàn)場的最后一個室內(nèi)把關(guān)環(huán)節(jié),因此對于項目實施具有重要意義。

        3 地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試方案

        地鐵信號系統(tǒng)需要正常運行,必須與其他相關(guān)設(shè)備相連接進行信息交互。在室內(nèi)進行測試,無法使用真實的軌旁信號設(shè)備以及地鐵車輛,因此需要搭建地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成仿真測試平臺。該平臺亦稱為工廠集成確認測試平臺(FIVP)。本文基于此平臺對室內(nèi)集成測試方案進行設(shè)計實施。

        3.1 室內(nèi)集成測試現(xiàn)有方案

        3.1.1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,SIB表示仿真集成平臺,該平臺主要模擬車站信號設(shè)備(包括隔斷門、信號機、道岔及軌道等)、車輛、天線、信標以及編碼里程計,并與CC(車載控制器)、軌旁ATC和CI子系統(tǒng)進行信息交互。

        圖3 地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試平臺結(jié)構(gòu)

        本測試系統(tǒng)所使用的信號子系統(tǒng)設(shè)備包括CI設(shè)備、本地ATS設(shè)備、現(xiàn)地工作站(HMI)設(shè)備、中心調(diào)度臺(GPC)設(shè)備、維護診斷終端(SDM)、中央ATS設(shè)備、區(qū)域控制器(ZC)設(shè)備、線路控制器(LC)及CC等。該平臺所有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)配置均與現(xiàn)場一致。

        3.1.2 測試平臺硬件結(jié)構(gòu)

        FIVP由SIB與真實被測系統(tǒng)共同構(gòu)成。其中,SIB硬件結(jié)構(gòu)由真實列車SIB、Remote I/O SIB(聯(lián)鎖輸入/輸出仿真)和sim SIB(運算仿真平臺)3部分組成。

        (1)真實列車SIB:在該平臺中,信號系統(tǒng)的CC安裝在地鐵列車上(2個車頭各安裝1個)。與CC接口的設(shè)備包括駕駛臺及繼電器、編碼里程計、信標天線、串口網(wǎng)絡(luò)、模擬量輸出等。真實列車機柜內(nèi)包含128位離散RX卡、128位離散TX卡、編碼里程計和天線卡、PMC(外設(shè)部件互聯(lián)標準夾層卡)及其他板卡等。

        (2)Remote I/O SIB:在實際應(yīng)用中,聯(lián)鎖機柜的輸入變量采集板卡和輸出變量驅(qū)動板卡需要與繼電器機柜連接。繼電器處理的信號有:信號機、道岔轉(zhuǎn)轍機、計軸、站臺屏蔽門、防淹門、LEU(軌旁電子單元)、IBP(應(yīng)急后備操作盤)等。

        (3)sim SIB:主要由RTFE(實時前端運算設(shè)備)、RTS(實時監(jiān)控設(shè)備)、SC(控制臺計算機)、GCMC(主配置管理控制臺)、I/O boards(輸入/輸出板)、Conditioning rack(輸入/輸出機籠)以及 IRIGB synchronization(串行時間同步)等設(shè)備組成。

        FIVP通過以太網(wǎng)將以上設(shè)備連接在一起,其數(shù)量可配。sim SIB使用了1個真實列車機柜實現(xiàn)了以上設(shè)備與CC接口的I/O boards信號的模擬。SIB通過Remote I/O機柜模擬聯(lián)鎖碼位的輸入/輸出。Remote I/O機柜包含128位離散RX卡和128位離散TX卡。真實列車機柜和Remote I/O機柜處理以上所有的變量信息,再作為一個同步節(jié)點將所有信息同步到整個平臺網(wǎng)絡(luò)中。

        目前,卡斯柯Urbalis 888地鐵信號系統(tǒng)中,sim SIB使用了4塊用于運算的RTFE(實時前段計算設(shè)備),該平臺通過I/O boards與Conditioning rack相連,并通過IRIG-B synchronization進行時鐘同步;另外,該平臺還包括4個SC和1個RTS(亦稱GCMC),以上設(shè)備可用于查看和操作變量。sim SIB通過內(nèi)部的同步機制將各個子設(shè)備的狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)實時同步,一個RTFE設(shè)備可以獲取其他RTFE上的模型變量,也可以修改模型變量并實時同步給其他設(shè)備。在SC和GCMC設(shè)備上也有實時運行的應(yīng)用程序和應(yīng)用腳本,可以獲取RTFE上的變量狀態(tài),也可以修改相應(yīng)的變量狀態(tài)。SIB在以上3部分的協(xié)同下完成了地鐵軌旁設(shè)備、真實車輛接口的模擬以及相關(guān)運算。因此,地鐵信號系統(tǒng)與SIB協(xié)同即可模擬真實地鐵運行場景。

        3.1.3 測試平臺軟件結(jié)構(gòu)

        在以上FIVP硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,測試平臺通過模擬設(shè)備的形式處理聯(lián)鎖和CC的輸入輸出。其中,SD(模擬設(shè)備分配)定義了測試平臺中所有的模擬設(shè)備,如信號機、軌旁信標、道岔轉(zhuǎn)轍機、計軸、站臺屏蔽門、緊急停車按鈕及車輛等;ICD(接口定義)針對每一類設(shè)備定義了其所包含的輸入/輸出變量碼位及碼位的類型;Association File(針腳文件)定義了具體碼位在測試平臺中的具體針腳;Lua腳本(腳本編寫)負責編寫碼位的邏輯,即模擬具體設(shè)備處理變量的邏輯,如車輛電路邏輯、信號機點燈邏輯、站臺屏蔽門開關(guān)門邏輯及編碼里程計速度變化邏輯等,其涉及的邏輯較通用。此外,亦可使用動態(tài)庫文件進行批量處理。

        3.1.4 測試內(nèi)容

        地鐵信號系統(tǒng)FIVP的測試內(nèi)容包括:

        (1)系統(tǒng)集成和確認測試。在通用信號系統(tǒng)發(fā)布之前,需進行系統(tǒng)集成和確認測試。本測試可確保各子系統(tǒng)之間各接口協(xié)議的正確性,以及各子系統(tǒng)集成后的系統(tǒng)功能、性能及冗余性均滿足通用系統(tǒng)需求。

        (2)系統(tǒng)點對點測試。本測試可確保項目各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口的正確性。測試內(nèi)容包括ATS-CI、ATS-LC、ATS-ZC、CC-CI、ZC-CI以及MSS-ATS、MSS-ATC、MSS-CI等。根據(jù)系統(tǒng)點對點測試規(guī)程,通過觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)碼位的發(fā)送條件來測試相應(yīng)的接口數(shù)據(jù)。

        (3)系統(tǒng)測試。本測試主要使用項目特定配置對系統(tǒng)的基本功能以及與配置相關(guān)的功能進行測試,確保在項目特定配置下系統(tǒng)可以滿足功能、性能以及冗余要求。系統(tǒng)測試內(nèi)容包括項目配置的CBTC進路、后備模式進路、折返、扣車和跳停等一系列功能的遍歷測試,以及部分降級測試和項目特殊功能測試,如帶通信的后備模式、測試站臺屏蔽門和緊急停車按鈕的特殊處理等。

        以上所有的測試內(nèi)容均可以覆蓋現(xiàn)場調(diào)試內(nèi)容的70%。既有數(shù)據(jù)和軟件內(nèi)存在的問題需在現(xiàn)場實際調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)。測試一個簡單的碼位通常需要多名工作人員在列車上、車站設(shè)備室、中心調(diào)度工作室進行通力合作、反復(fù)檢查才能夠確認。在室內(nèi)執(zhí)行的系統(tǒng)測試一方面可以減少人力成本,另一方面可以縮短測試所需時間,同時測試中發(fā)現(xiàn)的問題在室內(nèi)即可得到解決,也保證了現(xiàn)場調(diào)試的安全。

        3.2 室內(nèi)集成測試優(yōu)化方案

        現(xiàn)有室內(nèi)集成測試平臺及方案雖可以滿足室內(nèi)功能測試要求,但隨著近年來項目的增多以及測試平臺的需求增加,測試平臺需要多臺硬件機柜搭建組成,因此一方面需要巨大成本,另一方面對空間的要求亦日益增大。另外,測試平臺一次僅能測試兩個聯(lián)鎖集中站,對于每個都有十幾個聯(lián)鎖區(qū)的項目而言,每次更換測試平臺的軟硬件環(huán)境將花費大量時間,同時由于缺乏相鄰的聯(lián)鎖區(qū)環(huán)境,大部分測試場景無法執(zhí)行,導(dǎo)致測試場景單一、測試效率不高。因此,針對測試平臺的虛擬化改進亟待解決。

        3.2.1 優(yōu)化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        虛擬化系統(tǒng)集成測試平臺將原先運行在板卡中的RTFE運行在工控機和虛擬機內(nèi),通過配置Vsphere(多虛擬機)管理系統(tǒng),將所需的虛擬機全部運行在同一臺服務(wù)器中。同時各個子系統(tǒng)的模擬亦都盡量實現(xiàn)虛擬化。虛擬化系統(tǒng)集成測試平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 虛擬測試平臺結(jié)構(gòu)

        (1)原有的CC不僅占用大量空間,同時需要一個真實列車機柜來處理CC的輸入/輸出碼位。虛擬化的CC使用Host(主機)技術(shù),將運行在Linux系統(tǒng)板卡中的ATP和ATO軟件運行在Windows XP虛擬機內(nèi),且將實體的DMI(人機界面)亦運行在Windows XP虛擬機的DMI模擬軟件中,同時通過平臺定義與Host CC通信的輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來處理CC與測試平臺輸入/輸出接口問題。

        (2)ZC/LC通過運行在虛擬機服務(wù)器中的Windows XP上的Host ZC/LC軟件調(diào)用項目的ZC/LC數(shù)據(jù),實現(xiàn)ZC/LC的模擬,以代替實際的2003機柜。

        (3)ATS設(shè)備可運行在虛擬機內(nèi),統(tǒng)一由vSphere服務(wù)器管理。

        (4)CI的虛擬化實現(xiàn)方式比較復(fù)雜,采用聯(lián)鎖子系統(tǒng)測試的CITB(CI測試平臺)技術(shù),即使用1塊VLE(聯(lián)鎖運算)板卡模擬整個聯(lián)鎖軟件的數(shù)據(jù)邏輯,用CITB上位機軟件處理與聯(lián)鎖下位機的輸入/輸出通信,同時開發(fā)了聯(lián)鎖上位機與測試平臺通信的接口協(xié)議,這樣CITB上位機就可以與測試平臺交互聯(lián)鎖的輸入輸出信息。由于CITB上位機軟件支持多站同時使用,故其在實際使用中可以搭建多個站的CITB環(huán)境。

        虛擬化系統(tǒng)集成測試平臺極大地節(jié)省了測試平臺的費用及所占用的空間,同時多站的測試環(huán)境亦可以節(jié)省搭建環(huán)境的時間。該測試平臺系統(tǒng)環(huán)境較齊全,可實現(xiàn)較多場景的測試,在豐富測試場景的同時亦可以提升測試效率。

        3.2.2 其他可優(yōu)化的測試內(nèi)容

        (1)點對點測試。ZC-CI、CC-CI等點對點測試可以在虛擬化測試平臺自動化執(zhí)行,通過日志的自動記錄和自動比對,實現(xiàn)大量點對點碼位的自動化測試,可以提升30%的效率。

        (2)系統(tǒng)測試。FIVP系統(tǒng)測試平臺引入了多站的虛擬聯(lián)鎖環(huán)境,大大提升了測試效率。在多站環(huán)境的支持下,完成首輪系統(tǒng)測試的時間比原來縮短了30%。同時自動進路觸發(fā)、計劃車及全線跳停等功能亦可在同一個場景下直接完成。

        4 結(jié)語

        本文介紹了目前地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試方案的硬件平臺以及測試內(nèi)容,并在此基礎(chǔ)上提出了虛擬測試平臺的優(yōu)化方案。FIVP測試平臺通過模擬軌旁設(shè)備和車載設(shè)備的碼位變量以及動作行為,補足了室內(nèi)信號系統(tǒng)測試缺少的設(shè)備,使得室內(nèi)的測試環(huán)境盡可能接近現(xiàn)場的真實環(huán)境,這樣室內(nèi)針對信號系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)的測試就能代替現(xiàn)場調(diào)試相當大一部分內(nèi)容。這套方案在已投入運營的地鐵線路上得到了驗證,大大減少了現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試的成本,為地鐵的高質(zhì)量、高效開通打下良好基礎(chǔ)。

        [1] 楊金讓.高速鐵路通信、信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案的探討[J].價值工程,2015(9):91.

        [2] 李啟翮.一種信號設(shè)備功能測試系統(tǒng)方案的研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2010(8):29.

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