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        高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)發(fā)展新思路

        2021-08-13 12:31:22禹志陽陳曉明霍黎明
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2021年3期
        關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng)車載測試

        禹志陽,陳曉明,霍黎明

        (1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 通信信號研究所,北京 100081;2.大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116024)

        0 引言

        高速鐵路信號系統(tǒng)是一個龐大的分布式交互系統(tǒng),設(shè)備與接口眾多,系統(tǒng)功能需求復(fù)雜,安全要求苛刻。聯(lián)調(diào)聯(lián)試是在信號系統(tǒng)集成測試完成后,采用綜合檢測車或測試動車組,在動態(tài)條件下對系統(tǒng)的功能及接口關(guān)系進行測試、調(diào)整和優(yōu)化的過程,是信號系統(tǒng)開通運營前的最后一個測試驗證環(huán)節(jié),意義非常重大。

        在充分結(jié)合我國鐵路建設(shè)和運營管理特點的基礎(chǔ)上,歷經(jīng)10余年的大規(guī)模高速鐵路建設(shè),我國高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)體系已初步建成,包括標準體系、測試案例庫、測試流程和方法等。截至2020年底,已累計完成了超過3.8萬km新建高速鐵路信號系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作,聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中發(fā)現(xiàn)并解決了因工程質(zhì)量導(dǎo)致的諸多問題,也暴露出了我國列控系統(tǒng)在功能需求、系統(tǒng)接口及互聯(lián)互通等方面的不足,通過及時整治或優(yōu)化,為我國列控系統(tǒng)的不斷完善、高速鐵路的安全可靠運營提供了有力支持。

        1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)現(xiàn)狀

        信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試定位于系統(tǒng)測試和動態(tài)檢測,是基于動態(tài)、大系統(tǒng)和真實場景條件下的功能測試。作為信號系統(tǒng)全生命周期中的一個階段,聯(lián)調(diào)聯(lián)試與信號系統(tǒng)單元測試、安裝調(diào)試、集成測試等有機結(jié)合,各有側(cè)重又互為支撐,并具有以下特點。

        1.1 “實車實景”測試

        信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試采用運營單位在用的動車組進行測試,最真實地反映了新開通線路對車載設(shè)備的適應(yīng)性。試驗過程中車載設(shè)備嚴格按線路允許速度等地面信息自動生成目標距離速度曲線監(jiān)控列車運行,地面信號設(shè)備全部為真實設(shè)備,列控工程數(shù)據(jù)配置均為擬開通的數(shù)據(jù)版本;測試場景除了現(xiàn)場運營過程中最基本或使用頻率最高的場景,還包括系統(tǒng)運用過程中一些常見的故障場景,最大程度地貼近實車實景測試要求。

        1.2 完善的測試案例庫

        信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試是對系統(tǒng)功能的測試,按照國際通用做法,2009年原鐵道部制定頒布了《客運專線CTCS-3級測試案例》,將系統(tǒng)功能需求按最小單元劃分為470個測試案例;2020年在此基礎(chǔ)上進行了補充完善,測試案例達到了1 055個;信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試以頒布的測試案例為基礎(chǔ),按照測地面設(shè)備、現(xiàn)場可實施等原則進行選取。

        1.3 統(tǒng)型與兼容性測試

        實現(xiàn)不同廠家、不同型號信號設(shè)備的統(tǒng)型是技術(shù)發(fā)展的目標,但由于不同廠家對規(guī)范理解存在偏差以及設(shè)計理念、設(shè)備構(gòu)造型式的不同,實現(xiàn)完全統(tǒng)型需要一個長期的過程;信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中安排了多種型號車載設(shè)備的兼容性測試,并針對不同廠家、不同型號設(shè)備的差異設(shè)計相應(yīng)的場景。

        1.4 大系統(tǒng)級的功能測試

        聯(lián)調(diào)聯(lián)試側(cè)重于對系統(tǒng)的測試,信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試通過功能和場景測試,不但驗證信號系統(tǒng)內(nèi)部的各項功能,同時驗證信號系統(tǒng)與牽引供電、站場、通信、防災(zāi)、運輸調(diào)度等多個專業(yè)接口關(guān)系、數(shù)據(jù)配置以及整體設(shè)計的匹配性和一致性。

        2 聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)難點分析

        雖然信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試成效顯著,但隨著我國高速鐵路規(guī)模日漸增大,新建線引入樞紐改造越來越復(fù)雜,其存在的不足和弊端愈來愈凸顯,主要難點表現(xiàn)在以下幾個方面。

        2.1 測試廣度與有限測試的矛盾

        高速鐵路信號系統(tǒng)具有很高的集成度,功能需求和數(shù)據(jù)應(yīng)用復(fù)雜,再綜合考慮不同設(shè)備型號之間的差異性,以及各種測試案例的組合條件,測試量巨大。按照傳統(tǒng)的黑盒測試方法,盡可能窮盡所有的輸入輸出是不可實現(xiàn)的;對于引入運營線的現(xiàn)場測試,還要受運輸天窗點時間的限制,如何通過有限的現(xiàn)場測試,達到測試廣度的要求,確保信號系統(tǒng)的安全可靠運行成為聯(lián)調(diào)聯(lián)試面臨的最主要難點。

        2.2 測試深度與條件局限的矛盾

        近年來的聯(lián)調(diào)聯(lián)試經(jīng)驗表明,信號系統(tǒng)故障往往發(fā)生在多種條件疊加的情況下,這就對信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的質(zhì)量以及測試深度提出了要求。測試場景的設(shè)計應(yīng)結(jié)合測試案例的發(fā)生概率、發(fā)生頻次及組合關(guān)系,而由于現(xiàn)場條件的局限,相關(guān)的時機、時序和案例組合很難實現(xiàn)。因此,在信號系統(tǒng)安全功能需求越來越復(fù)雜的背景下,如何利用相關(guān)輔助測試技術(shù),提升測試深度是下一步測試技術(shù)發(fā)展必須考慮的問題。

        2.3 認知水平與高安全性的矛盾

        我國信號系統(tǒng)尚處于不斷發(fā)展和完善過程中,系統(tǒng)功能需求在不斷完善,安全邏輯也在不斷增強。由于信號系統(tǒng)的高安全性,聯(lián)調(diào)聯(lián)試人員對系統(tǒng)的安全架構(gòu)、安全處理邏輯以及應(yīng)用經(jīng)驗方面的認知非常重要,尤其是在場景設(shè)計方面,認知水平的深入需要一個長期過程。

        2.4 測試手段與海量數(shù)據(jù)的矛盾

        列控工程數(shù)據(jù)是列控系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ),其準確性和正確性至關(guān)重要,且數(shù)據(jù)量十分龐大;聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試方案編制過程中運用的測試案例非常多,聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中車載、聯(lián)鎖、列控、調(diào)度集中、集中監(jiān)測等設(shè)備實時產(chǎn)生的監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)更是海量。目前,現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析主要依靠人工手段,分析深度難以滿足高質(zhì)量的測試要求。

        3 聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)發(fā)展新思路

        目前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試方法,主要基于傳統(tǒng)黑盒測試理論,強調(diào)輸入和輸出,現(xiàn)場測試以聯(lián)鎖進路表為主要依據(jù),對其中的列車進路進行逐一測試,并結(jié)合進路條件設(shè)置若干個案例。此時,列車進路、地面信號、線路速度、軌道區(qū)段狀態(tài)等作為信號系統(tǒng)的輸入,車載設(shè)備的反應(yīng)作為系統(tǒng)的輸出,由于各種輸入之間的組合結(jié)果無窮多,且難以精確區(qū)分各種組合關(guān)系的權(quán)重和發(fā)生概率,測試缺乏針對性,現(xiàn)場測試工作量龐大但效果卻不太理想。也就是說,由于現(xiàn)場測試條件的不足,完全按照黑盒測試理論,現(xiàn)存弊端永遠無法消除,在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中,適度引進基于模型的測試方法、充分運用大數(shù)據(jù)和云平臺等新技術(shù)突出針對性十分必要。

        3.1 基于模型與形式化驗證的測試技術(shù)

        基于模型的測試是針對被測系統(tǒng)進行模型提取,并基于該模型自動生成測試用例以及運用于系統(tǒng)測試的過程。模型即被測系統(tǒng)的行為預(yù)期,將測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進行對比,來判斷系統(tǒng)需求的一致性[1]。測試過程及測試結(jié)果的對比通過可進行交互的測試平臺自動實現(xiàn),該方法能夠增強測試平臺的重用性和互操作性,具有更加完備、自動化率更高的優(yōu)點,在目前的高鐵列控系統(tǒng)測試中備受關(guān)注[2-3]。例如,佛羅倫薩大學(xué)通過使用數(shù)學(xué)模型與動力學(xué)方程模擬應(yīng)用場景,模擬了現(xiàn)場很難設(shè)置的特殊故障環(huán)境。

        基于模型的測試通常使用形式化驗證方法,形式化驗證是針對模型用數(shù)學(xué)語言來設(shè)定斷言,并尋找反例來證明斷言正確或者錯誤的測試方法。近10年來,形式化方法逐漸被引入高鐵列控系統(tǒng)的驗證與測試工作中。例如,使用基于有色Petri網(wǎng)、時間自動機、UML、EVENT-B和Prover等建模方法和建模語言,對列控系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖、ATP以及安全通信系統(tǒng)等進行分析驗證。建立模型的過程,是黑盒變白盒的過程,針對特定模型的特定功能,可以實現(xiàn)全覆蓋測試。

        3.2 基于仿真平臺的測試技術(shù)

        基于仿真平臺的測試技術(shù)采用仿真模擬設(shè)備與真實設(shè)備相結(jié)合的方式,以功能測試為重點,測試和驗證系統(tǒng)的基本功能。測試環(huán)境包括被測實物設(shè)備、仿真支撐平臺、仿真測試接口及人機界面等,通過計算機模擬線路、列車運行等條件,測試和驗證無線閉塞中心(RBC)、列控中心(TCC)等地面設(shè)備,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)配置、軟件設(shè)計等方面的缺陷。該技術(shù)可以縮短現(xiàn)場試驗周期,提高試驗效率[4]。

        歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)(ERTMS)的UNISIG工作組最早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、控制仿真測試過程并進行實時監(jiān)控。阿爾斯通、西門子、安薩爾多等歐洲信號廠商跟隨ERTMS共同發(fā)布了適用于ETCS-2車載設(shè)備的測試案例、測試序列、測試規(guī)范等相關(guān)技術(shù)文檔,并建立了適用于ETCS-2級車載設(shè)備的第三方仿真測試平臺與輔助工具,逐漸確立了行業(yè)標準。

        雖然我國針對CTCS-2、CTCS-3級列控系統(tǒng)以及列控中心、車載、計算機聯(lián)鎖等設(shè)備開展了仿真測試工作,但對于設(shè)備互聯(lián),主要關(guān)注各系統(tǒng)間正確交互以及傳遞信息的能力,缺乏全面的、綜合性的聯(lián)調(diào)聯(lián)試仿真測試平臺。因此,結(jié)合仿真工具、腳本語言以及虛擬環(huán)境搭建的仿真平臺可作為重要的聯(lián)調(diào)聯(lián)試補充手段。

        3.3 基于云平臺的遠程測試技術(shù)

        云平臺可最大程度地利用硬件平臺資源,整合多個操作系統(tǒng),并根據(jù)需求進行重新分割獨立運行,可構(gòu)建資源集中、共享和遠程互相調(diào)用的新服務(wù)器模式[5]。對于傳統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作中無法進行資源整合、高效管理和快速部署等問題,云平臺測試技術(shù)有望提出新的解決方案。

        云平臺的關(guān)鍵技術(shù)是資源虛擬化,可將多臺物理服務(wù)器的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)進行聚合管理,構(gòu)建高鐵仿真測試私有云[6],再使用虛擬化軟件的方法將其分割為多個虛擬云服務(wù)器,為聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的TCC仿真、RBC仿真、CBI仿真、TSRS仿真和線路仿真等提供獨立的測試環(huán)境并可進行分布式管理。

        基于云的遠程測試及分析系統(tǒng)主要由3部分組成:信號采集端、云服務(wù)器和遠程客戶端[7]。信號采集端負責(zé)將真實設(shè)備與測試儀器連接并進行數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)存儲和定期將收集數(shù)據(jù)推送到云服務(wù)器,然后調(diào)用獨立運行的虛擬機進行仿真測試。遠程客戶端可進行用戶界面管理,根據(jù)不同的測試需求進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置、測試環(huán)境配置、仿真文件管理等,實現(xiàn)自動化處理。在基于軟硬件的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中引入云技術(shù),利用并行自動測試系統(tǒng),通過組件進行測試任務(wù)分發(fā)并創(chuàng)建一個內(nèi)部數(shù)據(jù)庫,生成和存儲大量隨機測試用例,這樣可根據(jù)實際需求動態(tài)調(diào)整硬件和軟件資源[8]。

        3.4 基于大數(shù)據(jù)的融合輔助分析技術(shù)

        大數(shù)據(jù)融合輔助分析技術(shù)利用統(tǒng)計、分析、深度挖掘和人工智能等手段實現(xiàn)對高鐵固定設(shè)施、移動裝備、內(nèi)外部環(huán)境信息及相關(guān)測試數(shù)據(jù)的全面感知、融合分析和智能診斷[9]。大數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)可以實現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標準化、資源總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)資源分布及全生命周期的數(shù)據(jù)管理[10],實現(xiàn)各種監(jiān)測、檢測以及維護數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性整合,實現(xiàn)集中實時監(jiān)控以及故障自動定位功能,為聯(lián)調(diào)聯(lián)試場景設(shè)計、故障分析等提供數(shù)據(jù)支持[11]。

        基于海量歷史數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)的高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)平臺主要由數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)分析等平臺構(gòu)成。一般采取由數(shù)據(jù)倉庫、MPP和Hadoop構(gòu)成的復(fù)合架構(gòu)技術(shù),主要負責(zé)數(shù)據(jù)加工與分析、長周期歷史數(shù)據(jù)存儲與深度分析以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲、批處理與探索挖掘分析[12],從而滿足聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的數(shù)據(jù)分析需求。該技術(shù)需要實現(xiàn)HDFS、HBase、Redis和MySQL等數(shù)據(jù)庫在存儲框架中的融合,并通過無損數(shù)據(jù)壓縮與快速數(shù)據(jù)還原來提高數(shù)據(jù)利用效率[13]。

        4 新技術(shù)應(yīng)用解決方案

        按照中國國家鐵路集團有限公司對聯(lián)調(diào)聯(lián)試的新要求,中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基于云平臺架構(gòu)、仿真測試技術(shù)以及形式化測試理論的仿真測試平臺建設(shè)已初具規(guī)模,并結(jié)合京張、徐連等高鐵項目進行了演練測試,各項功能得到了很好的驗證。

        4.1 平臺總體架構(gòu)設(shè)計

        仿真測試平臺由車載設(shè)備、地面設(shè)備、無線通信設(shè)備和仿真系統(tǒng)4部分組成(見圖1)。其中,仿真系統(tǒng)是整個仿真測試平臺的核心,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)組成。線路仿真子系統(tǒng)用于實現(xiàn)列車在仿真平臺線路條件下的模擬運行;車載設(shè)備接口仿真子系統(tǒng)和地面設(shè)備接口仿真子系統(tǒng)用于提供車載和地面設(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,并實時監(jiān)控和采集車載和地面設(shè)備的運行狀態(tài);綜合測試子系統(tǒng)用于實現(xiàn)測試人員與仿真平臺的人機交互、數(shù)據(jù)配置、測試管理和自動測試等,全部仿真環(huán)境基于云平臺架構(gòu)進行開發(fā)。

        圖1 仿真測試平臺總體架構(gòu)

        4.2 云平臺技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

        虛擬化云平臺為運行在虛擬機上的軟件如線路仿真系統(tǒng)、接口仿真軟件、工程化仿真器、數(shù)據(jù)庫等提供基礎(chǔ)運行環(huán)境。

        虛擬化云平臺采用超融合架構(gòu)虛擬化平臺,將多臺物理服務(wù)器的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲進行聚合管理,可以橫向/縱向擴展,形成統(tǒng)一的資源池,具有高安全性、高靈活性和高可擴展性的特點。平臺通過資源池為各測試環(huán)境分配使用的虛擬機,其平臺架構(gòu)見圖2。

        圖2 虛擬化云平臺架構(gòu)

        4.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

        系統(tǒng)采用半實物半仿真的形式,模擬現(xiàn)場實際線路環(huán)境,可實現(xiàn)對列控系統(tǒng)功能、列控數(shù)據(jù)和接口的動態(tài)仿真測試。為適應(yīng)工程測試的需要,仿真平臺開發(fā)了測試環(huán)境快速切換、數(shù)據(jù)快速配置以及基于場景的自動測試等功能,利用虛擬云服務(wù)器平臺,建立了測試案例庫和場景庫,可實現(xiàn)基于模型的案例自動測試。并開發(fā)了測試流程全覆蓋的管理系統(tǒng),實現(xiàn)對測試需求、測試案例、測試場景、測試記錄等配置項的全過程管理和問題追蹤。

        通過配置京張、徐連等項目實際數(shù)據(jù)進行驗證,系統(tǒng)各項基本功能達到設(shè)計預(yù)期,基于大數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)、云平臺架構(gòu)、仿真測試技術(shù)以及形式化驗證的仿真測試系統(tǒng)初具雛形,與現(xiàn)場聯(lián)調(diào)聯(lián)試相比,測試手段更加豐富,測試效率大大提升,測試覆蓋度得到有效提高。

        5 結(jié)束語

        我國高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試方法與技術(shù)雖已日漸成熟,為新建高速鐵路的開通與運營提供了有力保障與支持。但仍需充分認識聯(lián)調(diào)聯(lián)試面臨的諸多挑戰(zhàn),主動引入新的技術(shù)與理念,發(fā)展和完善聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試技術(shù),積極建設(shè)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的工程仿真測試中心,助力高鐵信號測試技術(shù)快速發(fā)展。

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