吳瓊 魯劍鋒 楊璘 白帥

近幾年隨著我國鐵路高速發(fā)展，鐵路運營里程快速增加，相應(yīng)的各種運營控制系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。

高速鐵路信號系統(tǒng)由列控中心（TCC）、聯(lián)鎖（CBI）、無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務(wù)器（TSRS）以及調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）等組成，其設(shè)備組成繁多，功能結(jié)構(gòu)和接口關(guān)系復(fù)雜，造成工程驗收階段復(fù)雜程度高、技術(shù)難度大、測試任務(wù)重［1-3］。

為進(jìn)一步加強(qiáng)和確保高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試仿真測試的質(zhì)量和安全，在前期研究基礎(chǔ)上，建立了高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試仿真測試平臺，對所有高鐵線路開通前進(jìn)行信號系統(tǒng)“全場景、全要素”仿真測試，發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，為高鐵線路工程驗收及開通提供重要保障［4］。

1 高速鐵路信號系統(tǒng)仿真測試平臺

高速鐵路信號系統(tǒng)仿真測試平臺（以下簡稱仿真測試平臺），適用于新建及改造高鐵線路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段的仿真測試，支持對不同廠家不同型號的TCC、RBC、TSRS設(shè)備的工程仿真測試，實現(xiàn)對信號系統(tǒng)地面核心列控設(shè)備的邏輯功能、接口關(guān)系、列控工程數(shù)據(jù)配置及相關(guān)場景下系統(tǒng)適應(yīng)性等的仿真測試，達(dá)到對現(xiàn)場工程進(jìn)行“實車、實線、實景”仿真測試的目標(biāo)。其總體架構(gòu)如圖1所示［5-12］，包括車載設(shè)備、地面設(shè)備、無線通信設(shè)備及仿真系統(tǒng)四部分。

車載設(shè)備、地面設(shè)備、無線通信設(shè)備均采用真實的工程現(xiàn)場設(shè)備，圖1中地面設(shè)備內(nèi)藍(lán)色部分為仿真測試平臺的測試對象，即工程實際使用的TCC、TSRS、RBC設(shè)備。

仿真系統(tǒng)是仿真測試平臺的核心，其作用是使仿真測試平臺中所有真實設(shè)備能夠在實驗室環(huán)境中最大限度模擬現(xiàn)場運行，為測試對象提供便利。仿真系統(tǒng)由線路仿真子系統(tǒng)、車載設(shè)備接口仿真子系統(tǒng)、地面設(shè)備接口仿真子系統(tǒng)、綜合測試子系統(tǒng)四部分組成。線路仿真子系統(tǒng)實現(xiàn)列車在仿真平臺線路條件下模擬運行；車載接口仿真子系統(tǒng)和地面接口仿真子系統(tǒng)提供車載和地面設(shè)備與仿真測試平臺間的接口，為車載設(shè)備和地面設(shè)備在仿真環(huán)境下的運行提供必要條件，同時監(jiān)控并采集車載和地面設(shè)備的運行狀態(tài)；綜合測試子系統(tǒng)實現(xiàn)測試人員與仿真平臺的人機(jī)交互、測試管理等。通過開發(fā)仿真系統(tǒng)，模擬列車運行，達(dá)到檢驗列控信號系統(tǒng)各設(shè)備功能和接口正確性的目的。

2 計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是高速鐵路信號系統(tǒng)基本組成部分，也是仿真測試平臺不可或缺的一部分［13-17］。

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過安全數(shù)據(jù)網(wǎng)與TCC、RBC、鄰站CBI等系統(tǒng)接口；通過上位機(jī)和維修機(jī)與人機(jī)、CTC等接口；通過繼電接口（也就是IO接口）與現(xiàn)場實際設(shè)備（如區(qū)段、道岔、信號機(jī)等）接口。計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接入仿真測試平臺后，需要仿真測試平臺也提供這些接口。

其中，人機(jī)接口由計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)完成，上位機(jī)人機(jī)交互功能已經(jīng)非常完善并且已經(jīng)有了統(tǒng)一的規(guī)范要求［18-22］；CTC接口以及安全數(shù)據(jù)網(wǎng)接口采用真實計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，仿真測試平臺地面設(shè)備中真實的CTC、TCC、RBC等設(shè)備按照現(xiàn)場實際配置完成與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口。這些接口既提高了仿真測試平臺的搭建效率，同時也最大限度地提高了測試的真實性和針對性。

圖1 仿真測試平臺總體架構(gòu)圖

IO接口包括采集接口和驅(qū)動接口。采集接口是指現(xiàn)場實際設(shè)備通過采集電路將設(shè)備狀態(tài)反映成對應(yīng)采集繼電器的吸起落下狀態(tài)，計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過獲取采集繼電器狀態(tài)獲得設(shè)備狀態(tài)，并將其作為聯(lián)鎖邏輯的輸入信息；驅(qū)動接口是指計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)將聯(lián)鎖邏輯的輸出命令通過對應(yīng)驅(qū)動繼電器來激活對應(yīng)設(shè)備的動作電路，從而驅(qū)動設(shè)備完成指定動作。IO接口由于設(shè)備數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜、場地要求極高，實驗室環(huán)境下不具備全部采用真實接口的條件，因此IO接口是計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接入仿真測試平臺面臨的最大問題。

為此研發(fā)了仿真測試平臺專用IO接口仿真，用軟件通信的方式實現(xiàn)與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的繼電接口功能，以確保仿真測試平臺中計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備正常運行，同時降低仿真測試平臺的實現(xiàn)成本。

3 IO接口仿真需求分析

IO接口仿真主要接收并處理來自聯(lián)鎖系統(tǒng)的驅(qū)動信息，同時為聯(lián)鎖系統(tǒng)提供模擬的現(xiàn)場設(shè)備采集信息。為方便測試，IO接口仿真應(yīng)具備友好的人機(jī)接口功能。IO接口仿真功能需求示意見圖2。

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心功能是依據(jù)現(xiàn)場實際設(shè)備的繼電器表示信息，進(jìn)行安全聯(lián)鎖邏輯運算后，輸出相應(yīng)設(shè)備的繼電器驅(qū)動信息，以控制相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)或動作，如控制道岔定反位，控制信號機(jī)開放關(guān)閉等。因此IO接口仿真的主要功能就是模擬現(xiàn)場設(shè)備動作并為計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)提供模擬的繼電器采集信息。如圖4所示，IO接口仿真需要處理的采集信息來源主要有3個。

1）根據(jù)收到的來自聯(lián)鎖系統(tǒng)的驅(qū)動信息來處理對應(yīng)的采集信息。如聯(lián)鎖系統(tǒng)排列進(jìn)路時，對某個道岔的DCJ（定位操縱繼電器）和SFJ（鎖閉防護(hù)繼電器）有驅(qū)動信息，IO接口仿真自動處理該道岔的DBJ（定位表示繼電器）采集狀態(tài)為吸起狀態(tài)。

2）測試人員通過鼠標(biāo)等方式人為改變設(shè)備繼電器的采集狀態(tài)。如通過鼠標(biāo)點擊區(qū)段的方式設(shè)置區(qū)段GJ（軌道繼電器）的吸起落下狀態(tài)（也就是區(qū)段的出清占用狀態(tài)）。

3）接收來自仿真測試平臺線路仿真子系統(tǒng)的模擬列車區(qū)段占用信息，設(shè)置相應(yīng)區(qū)段GJ的吸起落下狀態(tài)。

IO接口仿真的人機(jī)接口功能主要指IO接口仿真能夠根據(jù)來自聯(lián)鎖系統(tǒng)的站場設(shè)備狀態(tài)信息，采用圖形化方式顯示設(shè)備狀態(tài)，同時能夠接受用戶的操作并做出反饋。

4 IO接口仿真方案設(shè)計

4.1 基本功能設(shè)計

根據(jù)IO接口仿真需求分析，IO接口仿真功能設(shè)計主要包括以下4個方面：一是與聯(lián)鎖系統(tǒng)交互信息設(shè)計；二是與線路仿真子系統(tǒng)交互信息設(shè)計；三是人機(jī)交互設(shè)計；四是采集驅(qū)動繼電器關(guān)聯(lián)關(guān)系設(shè)計。仿真功能設(shè)計總體示意見圖3。

IO接口仿真設(shè)計I_Array和O_Array 2個數(shù)組用于與聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息交互。這2個數(shù)組保存了IO接口仿真與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)約定好的采集和驅(qū)動繼電器的排列順序。計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)按照O_Array定義的驅(qū)動繼電器順序向IO接口仿真輸出驅(qū)動信息，IO接口仿真接收并處理該信息后，按照I_Array定義的采集繼電器順序向計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送模擬采集信息，從而實現(xiàn)IO接口仿真與聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口。

圖2 IO接口仿真功能需求示意圖

圖3 IO接口仿真設(shè)計示意圖

IO接口仿真設(shè)計Sec_Array數(shù)組用于與線路仿真子系統(tǒng)的信息交互。該數(shù)組保存了IO接口仿真與線路仿真子系統(tǒng)約定好的軌道區(qū)段的排列順序。線路仿真子系統(tǒng)按照Sec_Array定義的軌道區(qū)段順序向IO接口仿真輸出軌道區(qū)段的占用信息，IO接口仿真接收該信息后設(shè)置I_Array數(shù)組中對應(yīng)軌道繼電器的狀態(tài)，從而實現(xiàn)IO接口仿真與線路仿真子系統(tǒng)的接口。

IO接口仿真以圖形界面方式向測試人員輸出站場設(shè)備狀態(tài)信息，測試人員通過鼠標(biāo)等方式可人為修改部分設(shè)備的狀態(tài)，IO接口仿真根據(jù)修改后的設(shè)備狀態(tài)設(shè)置I_Array數(shù)組中對應(yīng)繼電器狀態(tài)，從而實現(xiàn)IO接口仿真的人機(jī)接口。

IO接口仿真依據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的驅(qū)動信息自動設(shè)置對應(yīng)采集繼電器的狀態(tài)信息。為此IO接口仿真需依據(jù)站場實際繼電邏輯，設(shè)計采集/驅(qū)動繼電器關(guān)聯(lián)關(guān)系信息表，示意圖如圖4所示。

圖4 采集驅(qū)動繼電器關(guān)聯(lián)關(guān)系設(shè)計示意圖

圖4 中每一行代表一個采集繼電器與其他繼電器邏輯上的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中等號最左側(cè)代表采集繼電器的名稱，等號最后側(cè)代表當(dāng)前關(guān)聯(lián)關(guān)系的類型。類型1～4的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系設(shè)計如下。

1）類型1表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有驅(qū)動繼電器吸起時吸起，在第二個等號后面的所有驅(qū)動繼電器吸起時落下。如圖3中，1_3DBJ（1/3號道岔定位表示繼電器）在1_3DCJ（1/3號道岔定位操縱繼電器）和1_3SFJ（1/3號道岔鎖閉防護(hù)繼電器）吸起時吸起，在1_3FCJ（1/3號道岔反位操縱繼電器）和1_3SFJ（1/3號道岔鎖閉防護(hù)繼電器）吸起時落下。

2）類型2表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有采集繼電器落下時吸起。如圖3中，1_3DFH（1/3號道岔定反后繼電器）在1_3DBJ和1_3FBJ都落下時吸起。

3）類型3表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有驅(qū)動繼電器吸起時吸起。如圖3中，I_D1DXJ（D1調(diào)車信號采集繼電器）在O_D1DXJ（D1調(diào)車信號驅(qū)動繼電器）吸起時吸起。

4）類型4表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有驅(qū)動繼電器落下時吸起。以圖4為例，它的含義是1023GFSJH（1023G發(fā)車鎖閉繼電器后接點）在1023GFSJ（1023G發(fā)車鎖閉繼電器）落下時吸起。

IO接口仿真按照以上設(shè)計提前對I_Array中各個采集繼電器動作關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計，從而實現(xiàn)各采集繼電器狀態(tài)的自動處理。

4.2 擴(kuò)展功能設(shè)計

IO接口仿真基本功能設(shè)計完成了計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)繼電接口功能的仿真設(shè)計，結(jié)合仿真測試平臺提供的其他實際接口，計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接入高速鐵路信號系統(tǒng)仿真測試平臺條件已經(jīng)具備。為更好地配合仿真測試平臺，在IO接口仿真基本功能設(shè)計基礎(chǔ)上，對IO接口仿真功能進(jìn)行擴(kuò)展。

4.2.1 故障注入設(shè)計

在上述設(shè)計的基礎(chǔ)上，如果人為改變這種自動處理的邏輯，使采集繼電器狀態(tài)不再自動按設(shè)計的邏輯進(jìn)行動作，即可模擬采集繼電器的故障狀態(tài)。

為同時兼顧正常測試功能和故障注入測試功能，在IO接口仿真設(shè)計時為每個采集繼電器增加“自動控制”和“人工控制”的操作選項。正常測試時，所有采集繼電器處于“自動控制”狀態(tài)，采集繼電器狀態(tài)按照預(yù)先設(shè)計的關(guān)聯(lián)關(guān)系自動處理；故障注入測試時，將相關(guān)采集繼電器調(diào)整為“人工控制”狀態(tài)，其狀態(tài)完全由測試人員手動控制，從而為仿真測試平臺故障測試提供條件。

例如當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)驅(qū)動某個信號的LXJ（列車信號繼電器）時，測試人員人為控制該信號的LXJ采集繼電器處于落下狀態(tài)，即可測試系統(tǒng)在“信號不能開放”時的反應(yīng)；而當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)沒有驅(qū)動信號的LXJ，測試人員人為控制該信號LXJ采集繼電器吸起時，即可測試系統(tǒng)在“無驅(qū)開放”時的反應(yīng)。通過對不同采集繼電器在不同時機(jī)的人工控制，可以組合出多種故障狀態(tài)，從而為仿真測試平臺提供更豐富的測試場景和案例。

4.2.2 自動測試設(shè)計

IO接口仿真通過設(shè)置區(qū)段占用可以模擬列車運行。IO接口仿真功能設(shè)計時，通過設(shè)置定時器，定時設(shè)置區(qū)段的占用及出清狀態(tài)，可以模擬列車在車站內(nèi)自動運行。

IO接口仿真需要根據(jù)道岔定反位狀態(tài)及站場線路拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)計好各個區(qū)段的鏈接關(guān)系，待進(jìn)路始端信號開放后，從進(jìn)路外方區(qū)段開始，按照區(qū)段鏈接關(guān)系依次占用，順序出清，從而模擬列車按進(jìn)路方向自動運行。

這樣，仿真測試平臺就可以通過CTC系統(tǒng)自動排列進(jìn)路，結(jié)合IO接口仿真模擬列車自動運行，省去人為地逐個區(qū)段占用、出清，為仿真測試平臺自動測試提供了有利條件。

5 結(jié)束語

本文在對高速鐵路信號系統(tǒng)仿真測試平臺框架分析基礎(chǔ)上，重點研究計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接入仿真測試平臺的實施方案。通過對計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口分析，提出了開發(fā)IO接口仿真的需求。通過對該仿真的需求分析、方案設(shè)計研究，完成了計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接入高速鐵路信號系統(tǒng)仿真測試平臺的方案設(shè)計。它的實現(xiàn)大大推進(jìn)了仿真測試平臺的研發(fā)進(jìn)度，為高速鐵路信號系統(tǒng)的驗收測試提供了條件和便利。同時本文還擴(kuò)展了IO接口仿真的部分功能，引入了故障注入和自動測試的部分設(shè)計，為IO接口仿真后續(xù)的功能擴(kuò)展提供了思路和借鑒。