穆瑞琦

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

在動車組整車研制項目中，研制過程的風(fēng)險和不確定性難以捕獲，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為動車組的神經(jīng)中樞，關(guān)系到列車運行的安全和穩(wěn)定。因此，通過搭建有效的地面仿真平臺，在實驗室環(huán)境中全面測試列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計錯誤，在一定程度上加速模擬故障，定位故障原因，能夠有效地降低實車運行中的各種技術(shù)風(fēng)險和成本。

由于研發(fā)的多樣性，不同人員研發(fā)的模塊在集成后也會產(chǎn)生更多的約束。一個完整可行的仿真測試平臺能實現(xiàn)對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有效的各級驗證。根據(jù)需求快速更改相應(yīng)的仿真測試程序，配合列車網(wǎng)絡(luò)控制軟件的調(diào)試，從而提高整體項目的研發(fā)進度，減少研發(fā)周期。平臺運行的仿真程序軟件基于模塊化設(shè)計的理念，搭建系統(tǒng)架構(gòu)快速便捷，既可采用自頂向下的總體架構(gòu)設(shè)計，也可采用自底向上的功能實現(xiàn)。

1 仿真平臺的構(gòu)成

1.1 動車組的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以一種典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，動車組的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般采用符合IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)的TCN結(jié)構(gòu)［1］，即列車級和車輛級兩級總線式拓撲結(jié)構(gòu)。列車總線WTB用于連接各個車輛，進行列車級的過程控制；車輛總線MVB用于連接車輛內(nèi)的設(shè)備，進行車輛內(nèi)的通信控制和過程控制。WTB總線和MVB總線可以通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)發(fā)。一列8輛編組的動車組由2個牽引單元構(gòu)成，每個牽引單元為1個MVB網(wǎng)段（4個車輛），每個網(wǎng)段連接多個子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心部件是中央控制單元CCU和司機顯示屏HMI，其中CCU實現(xiàn)了整車的控制邏輯，HMI實現(xiàn)了司機的人機交互接口及故障診斷。被控的子系統(tǒng)通過MVB網(wǎng)絡(luò)接口或通過通用網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備數(shù)字量和模擬量輸入輸出連接到MVB網(wǎng)絡(luò)上［2］。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及設(shè)備示意圖

1.2 動車組網(wǎng)絡(luò)控制仿真平臺的結(jié)構(gòu)

針對不同車型和不同目的而搭建的網(wǎng)絡(luò)控制仿真試驗臺有所差別，這里采用一種動車組仿真的實現(xiàn)概述仿真平臺的基礎(chǔ)框架構(gòu)成。

考慮平臺的靈活性和經(jīng)濟性，結(jié)合純硬件仿真和純軟件仿真的優(yōu)缺點，仿真平臺采用半實物仿真的結(jié)構(gòu)［2］。除司機控制臺的控制手柄和按鈕外，實物設(shè)備還包括中央控制單元CCU、司機顯示屏HMI、輸入輸出設(shè)備、溫度采集設(shè)備等。由于場地限制和成本等原因，可用軟件仿真代替司機控制臺實物。而在仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的同時，預(yù)留與真實控制單元連接的各種硬線和網(wǎng)絡(luò)接口，使仿真系統(tǒng)能實現(xiàn)硬件在環(huán)的仿真功能，具備對單個子系統(tǒng)控制單元獨立測試的能力。

仿真平臺主要分為車載電氣控制柜、PLC開關(guān)控制柜、軟件仿真控制臺3大部分［2］。車載電氣控制柜由車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和輸入輸出IO連接的開關(guān)、繼電器等構(gòu)成的硬線控制回路構(gòu)成，與實車一樣，每節(jié)車輛對應(yīng)1個車輛電氣柜，如圖2所示。PLC開關(guān)控制柜主要實現(xiàn)仿真子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之間硬線接口的信號轉(zhuǎn)換，柜內(nèi)安裝PLC控制系統(tǒng)和110 V信號驅(qū)動繼電器，每2輛車的硬線接口集成在1個PLC電氣柜中，如圖3所示。此外，PLC柜安裝有指示燈和控制按鈕，顯示仿真子系統(tǒng)的一些重要的狀態(tài)信號，或?qū)⑹謩虞斎胄盘柾ㄟ^按鈕傳送到仿真系統(tǒng)中。軟件仿真控制臺主要負責(zé)智能子系統(tǒng)的功能模擬和仿真。按照牽引單元的分布分別在多臺仿真計算機上實現(xiàn)，每臺計算機對應(yīng)1個牽引單元。在仿真計算機上使用Control Build仿真軟件平臺實現(xiàn)對各受控子系統(tǒng)進行功能仿真，包括牽引、制動、輔助、空調(diào)、門等多個列車上的受控子系統(tǒng)。仿真控制臺通過以太網(wǎng)與PLC電氣柜通信，并通過計算機上集成MVB通訊網(wǎng)卡，實現(xiàn)仿真子系統(tǒng)與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的MVB網(wǎng)絡(luò)通訊［2］。

圖2 車輛電氣控制柜

圖3 PLC開關(guān)電氣柜

1.3 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實物仿真平臺的功能

仿真平臺滿足高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)試驗的需要，實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、控制電路、控制邏輯等關(guān)鍵技術(shù)和控制工作流程的仿真試驗、功能驗證、安全性評估、特定故障工況復(fù)現(xiàn)分析和對策輔助支持功能，并提供開放接口支持與其他實物子系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)試驗，最終使半實物仿真系統(tǒng)成為有效的高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備性能測試和分析平臺，并可用于司機操作人員培訓(xùn)。

2 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真軟件詳解

2.1 仿真程序總體結(jié)構(gòu)

以一列8輛車編組的仿真軟件為例介紹仿真軟件基礎(chǔ)構(gòu)成。在仿真軟件控制臺上，列車網(wǎng)絡(luò)控制軟件的子系統(tǒng)仿真程序主要運行在仿真計算機的Control Build軟件平臺上，用以輔助調(diào)試及驗證網(wǎng)絡(luò)控制程序。整個仿真系統(tǒng)按照整體應(yīng)用結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用庫（Applications）、細化庫（Specific Li?braries）、標(biāo)準(zhǔn)庫（Standard Libraries）3部分。

（1）應(yīng)用庫常見模塊

在應(yīng)用庫中建立頂層架構(gòu)文件，仿真開發(fā)程序頂層根據(jù)動車組牽引單元可以劃分為1車～4車和5車～8車2個部分。其主要功能為進行模型架構(gòu)搭建。其中包括：Assembly Model組合組件，通過調(diào)用庫中的模塊對列車功能進行整體搭建和組合；Scenario場景環(huán)境，對環(huán)境參數(shù)進行快速配置；Variable List變量列表，對變量進行實時監(jiān)控；Syn?optic動畫組件，快速連接人機交互動畫作為仿真的輸入信號等。從而在頂層完成設(shè)置場景，操作臺動畫界面，變量檢測界面，環(huán)境配置界面等功能。

（2）細化庫常見模塊

細化庫中包括按照車廂劃分的1車～8車，由于1車和8車、2車和7車、3車和6車的對稱性而對相同模塊進行模塊復(fù)用，并根據(jù)不同列車型號進行相應(yīng)更改。

常用的子系統(tǒng)模塊按照功能劃分，模擬相應(yīng)子系統(tǒng)動作并為邏輯接口傳遞變量信號。為建立子系統(tǒng)模塊，按照列車功能可大致分為：牽引系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)，輔助供電系統(tǒng)，門控系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)，旅客信息系統(tǒng)等［3］。針對復(fù)雜子系統(tǒng)的控制邏輯會進行單獨的模型設(shè)計，其具有的控制功能會與下層的執(zhí)行機構(gòu)模型的反饋信號相互連接。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計既有利于仿真過程中各個子系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)，各個系統(tǒng)的調(diào)試測試，也可以在仿真平臺接入真實控制子系統(tǒng)時，方便快速地實現(xiàn)仿真模塊的裁剪。

通常在不具備足夠電氣設(shè)備和線路的半實物仿真平臺上，按照車輛電氣圖的結(jié)構(gòu)劃分，配合每個車的電路建立對應(yīng)的低壓電氣圖，并根據(jù)真實線路連接信息盡量完整復(fù)原，以便通過仿真計算機實現(xiàn)子系統(tǒng)信號與半實物平臺信號的交互。利用低壓電器元件模型以實物電路為基礎(chǔ)繪制低壓電器圖，低壓電器圖和復(fù)雜元件模型按照不同的功能分解為若干個功能組，再以功能組為基礎(chǔ)元素構(gòu)建車廂模型，最終將列車模型組合成整車模型。

（3）標(biāo)準(zhǔn)庫常見模塊

標(biāo)準(zhǔn)庫中建立了低壓電器元件的模型庫。針對不同類型的二極管、開關(guān)、繼電器、電阻等，建立了不同的基礎(chǔ)元件模型。對于復(fù)雜的電氣部件模型，如傳感器、電源、電機、繼電器、接觸器、定時器等，建立了可以直接調(diào)用的模塊。對于較為復(fù)雜的大型電器元件可以采用符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的語言如結(jié)構(gòu)化文本ST，順序功能圖，梯形圖，功能塊圖或C語言等能夠描述復(fù)雜邏輯的語言自行設(shè)計建模。

2.2 主要仿真子系統(tǒng)實現(xiàn)功能

仿真軟件對于各個受控子系統(tǒng)進行功能仿真，主要模擬動車組各個子系統(tǒng)的功能。主要模塊架構(gòu)如圖4所示。

圖4 8輛編組列車仿真模型示意圖

高壓子系統(tǒng)模型主要仿真列車高壓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的功能，包括緊急斷開環(huán)節(jié)、牽引單元中間直流環(huán)節(jié)、車頂高壓線路隔離開關(guān)、受電弓、主斷路器、CCU接收的硬線信號等，并實現(xiàn)其主要功能。牽引子系統(tǒng)模型主要仿真牽引系統(tǒng)主電路、主變壓器、牽引變流器、電機模型、TCU牽引控制、TCU電制控制、MVB交互功能、故障與診斷系統(tǒng)等。輔助供電子系統(tǒng)仿真模型主要仿真輔助供電子系統(tǒng)、輔助變流器、電池充電機、440 V交流負載、110 V負載的管理。制動系統(tǒng)模型主要仿真各級BCU最大空氣制動力及電制動力的計算、各級BCU關(guān)于空氣制動力及電制動力設(shè)定值的計算、BCU對電制動力和空氣制動力的分配、緊急制動的控制、常用制動的控制、停放制動施加與緩解的控制、制動系統(tǒng)與自動速度控制ASC之間的關(guān)系設(shè)計、制動子系統(tǒng)的外圍接口、列車動力學(xué)模型。車門控制子系統(tǒng)模型主要仿真中心車門控制系統(tǒng)、高級車門控制、司機控制和故障與診斷系統(tǒng)。空調(diào)控制子系統(tǒng)模型仿真空調(diào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)供電、空調(diào)的控制模式。照明子系統(tǒng)仿真內(nèi)部照明、燈控單元、外部照明?；馂?zāi)報警子系統(tǒng)主要模擬火災(zāi)響應(yīng)及系統(tǒng)診斷，包括讀取火災(zāi)報警信號、火災(zāi)報警系統(tǒng)測試信號、斷開火災(zāi)報警環(huán)、聲光報警信息、關(guān)閉火災(zāi)車廂的空調(diào)系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)故障報告、旁路火災(zāi)報警系統(tǒng)、旁路火災(zāi)報警環(huán)等。

2.3 主要仿真子系統(tǒng)實現(xiàn)方法

對于子系統(tǒng)和功能組件之間關(guān)系的書寫采用多種搭建方式組合完成。例如：門控系統(tǒng)狀態(tài)模擬采用梯形圖，門控系統(tǒng)采用邏輯的功能圖建立，門的執(zhí)行機構(gòu)控制邏輯采用Assembly Model組合組件對底層與或非邏輯模塊進行邏輯組成。模型中主要功能組件，例如輔助系統(tǒng)模型、受電弓模型、制動控制算法等可采用ST語言進行實現(xiàn)；牽引控制器TCU算法模擬可采用C代碼書寫。各種建模語言與圖形編程方式可以根據(jù)實際需求靈活變換，在模塊化架構(gòu)下可以快捷方便的進行復(fù)用和重構(gòu)。為了方便數(shù)據(jù)傳輸，建立了數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，供開發(fā)人員快速調(diào)用。

2.4 主要仿真場景實現(xiàn)方法

各個子系統(tǒng)通過輸入輸出變量同低壓電氣模型進行交互。當(dāng)仿真模型運行時，數(shù)字信息通過通訊程序，經(jīng)由MVB網(wǎng)卡發(fā)送給列車中央控制單元，模擬信息通過采集設(shè)備發(fā)送給中央控制單元；中央控制單元的控制信號通過MVB網(wǎng)卡經(jīng)由通訊程序發(fā)送給仿真程序，設(shè)置列車各種工況的模擬。

對于實現(xiàn)整車電氣線路設(shè)計驗證的低壓電氣圖，按功能組分布與真實描述整車硬線布局的電路圖一一對應(yīng)，例如，其輸入輸出可以操作相應(yīng)的開關(guān)繼電器動作并向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)回傳對應(yīng)的變量反饋值。通過電氣圖進行線路查找，為仿真故障排查場景提供了方便的手段。完成新型動車組的整車電氣線路設(shè)計后，在仿真系統(tǒng)中對整車電氣線路進行仿真模擬，利用PLC電氣控制柜實現(xiàn)整車電氣線路仿真和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的接口，通過分析驗證列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及各個受控子系統(tǒng)的功能驗證整車電氣線路的設(shè)計。

2.5 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真軟件的主要特點

試驗臺仿真軟件所有模型之間的層次和關(guān)系、各模型內(nèi)的部件與子系統(tǒng)模型之間的層次和關(guān)系在仿真系統(tǒng)軟件中清晰且易于管理，各個模塊之間的輸入輸出易于查找，仿真過程、仿真庫、仿真資源統(tǒng)一管理的功能。仿真測試工程管理功能全面，具有整體軟件結(jié)構(gòu)清晰，功能組件分配明確，導(dǎo)航及幫助文檔查找方便。且操作界面為窗口形式，可以進行圖形化編程，操作簡單，編程快速。

仿真模型能夠清晰反映輸入輸出電氣參數(shù)在子系統(tǒng)、子系統(tǒng)部件、傳統(tǒng)電路中的變化過程和機理，能夠完成子系統(tǒng)、子系統(tǒng)部件及控制系統(tǒng)運行所需各組成部分的內(nèi)部工作過程的、輸入輸出量的、控制邏輯的以及外部特性的動態(tài)仿真。各系統(tǒng)模型之間，模型內(nèi)部子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)部件之間的所有輸入輸出及實時參數(shù)變化與真實運行系統(tǒng)相符。各系統(tǒng)模型及內(nèi)部各個子系統(tǒng)、部件模型，可根據(jù)外部接口需要通過更改相應(yīng)參數(shù)而達到要求。同時，在仿真過程中，通過預(yù)先定義和在線定義的方式可實時查看網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中各變量和仿真系統(tǒng)中各變量的值。

模塊化的設(shè)計方式可以實現(xiàn)場景快速準(zhǔn)確的搭建。比如，在子系統(tǒng)功能測試和驗證場景中，快速替換修改過的軟件模塊。對于集成系統(tǒng)的場景測試，部分仿真程序可以被硬件實物進行等效替換，例如故障開關(guān)在真實的測試場景中根據(jù)實際情況進行開關(guān)配置。

3 結(jié)論

為了快速測試高速列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，搭建了相應(yīng)的半實物仿真平臺后，采用了基于模塊化設(shè)計的動車組整車驗證仿真程序，為仿真平臺提供技術(shù)支持和仿真驗證。平臺可以服務(wù)于列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、驗證、調(diào)試及后期維護等各個階段，開發(fā)驗證列車控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議、故障診斷邏輯，測試分析設(shè)備和系統(tǒng)性能，并支持網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作。其中，基于模塊化設(shè)計的動車組整車驗證仿真程序能夠逼真地模擬實際列車模型，并在完整的仿真環(huán)境中，對列車控制系統(tǒng)，特別是中央控制單元CCU的控制邏輯進行功能驗證，從而實現(xiàn)在現(xiàn)場安裝調(diào)試之前校驗測試整個系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并校正絕大多數(shù)設(shè)計錯誤和問題，并大大縮短現(xiàn)場安裝調(diào)試的時間。