毛瑞雷，楊麗麗，劉 雨，張 怡

隨著京張高鐵的開通和運營,我國自主研制的高鐵ATO系統(tǒng)正式應(yīng)用于實際線路,有效降低了司機駕駛強度,提高了列車運行的準點率,增加了列車運營的靈活性。為驗證高鐵ATO系統(tǒng)對各種線路條件的適應(yīng)性,需在新線路開通前先進行實驗室環(huán)境下的試驗和測試［1］。因此,構(gòu)建一個能夠靈活擴展的面向高鐵ATO的仿真平臺（以下簡稱“仿真平臺”）,依據(jù)各種需求實現(xiàn)對ATO相關(guān)功能和性能的快速仿真調(diào)試,對高鐵ATO系統(tǒng)的良好應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

目前,仿真測試平臺的構(gòu)建大多是基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)通信協(xié)議UDP或TCP技術(shù),開發(fā)過程中需完成仿真平臺中各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸格式的定義、數(shù)據(jù)傳輸錯誤的處理,以及數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)組包等多項工作,導致平臺開發(fā)的耦合性強、工作量大且可擴展性差,效率較低。文獻［2］提出了基于DCOM的列控車載仿真測試平臺方案,對底層通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議細節(jié)進行良好屏蔽,使得開發(fā)人員能夠集中精力開發(fā)應(yīng)用程序,但跨平臺性能受限,開發(fā)平臺模塊程序設(shè)計語言的選擇有一定的局限性；文獻［3］和文獻［4］提出了基于面向服務(wù)體系架構(gòu)（Service Oriented Architecture,SOA）的仿真平臺構(gòu)建方法,側(cè)重服務(wù)的封裝、重用及服務(wù)之間的互操作性,增強了體系結(jié)構(gòu)的松耦合性,但模型使用開放性過高、沒有明確管理機制的傳統(tǒng)Web服務(wù),導致模型互操作性弱；文獻［5］提出基于.NET Remoting技術(shù)構(gòu)建CTCS2+ATO列控車載子系統(tǒng)的培訓平臺,在一定程度上屏蔽了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議細節(jié),減輕了代碼工作量,但需要完成一定的配置工作（例如通道注冊、請求對象、創(chuàng)建代理等過程）,增大了平臺開發(fā)周期中的調(diào)試工作量；文獻［6］提出基于HLA構(gòu)建CTCS-3級列控仿真系統(tǒng),可以支持采用不同方法和技術(shù)開發(fā)的聯(lián)邦成員快速地接入仿真系統(tǒng),提高了其可擴展性,但HLA體系結(jié)構(gòu)龐大復雜、構(gòu)建難度較大,且使用成本高昂。

為了提升仿真平臺的靈活性,并融合上述各類仿真平臺的優(yōu)點,本文提出基于互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis技術(shù),使仿真平臺能夠在兼容各類編程語言的基礎(chǔ)上,降低平臺間各模塊的耦合度,提高平臺的可擴展性、可裁剪性和模塊的可重用性。

1 Redis技術(shù)功能及架構(gòu)

遠程字典服務(wù)（Remote Dictionary Server,Redis）是一個開源的使用ANSIC語言編寫、支持網(wǎng)絡(luò)、可基于內(nèi)存亦可持久化的日志型、Key-Value數(shù)據(jù)庫,可提供多種語言的API。同時,Redis技術(shù)支持鍵值對（Key-value）、散列（Hash）、列表（List）等多種數(shù)據(jù)存儲類型,支持內(nèi)存數(shù)據(jù)持久化,且提供了RDB快照和AOF日志2種持久化策略,其內(nèi)存緩存型數(shù)據(jù)庫可以存儲重要數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)低延遲讀取,相應(yīng)地提高了應(yīng)用程序的訪問性能。針對目前流行的編程語言,包括Java、C#、C/C++、PHP、Python、JavaScript等,Redis均提供了相關(guān)的實現(xiàn)版本,且支持多種操作系統(tǒng)的應(yīng)用,具有良好的平臺無關(guān)性。基于Redis技術(shù)的仿真平臺架構(gòu)示意見圖1。

圖1 基于Redis技術(shù)的仿真平臺架構(gòu)示意

2 仿真平臺方案設(shè)計

高鐵ATO系統(tǒng)是在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上,車載設(shè)置ATO單元實現(xiàn)自動駕駛控制；地面設(shè)置專用精確定位應(yīng)答器,實現(xiàn)精確定位；通過GPRS通信實現(xiàn)站臺門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運行調(diào)整計劃處理［8］。

仿真測試平臺主要包括真實設(shè)備、真實設(shè)備仿真支撐、仿真測試管理及顯示模塊和Redis數(shù)據(jù)庫4部分,整體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 高鐵ATO仿真平臺整體結(jié)構(gòu)

2.1 真實設(shè)備部分

真實設(shè)備部分主要包括含ATO和ATP功能的真實車載設(shè)備,以及含ATO功能的真實TSRS設(shè)備,各部分功能如下。

1）真實車載設(shè)備ATP：①實現(xiàn)既有C3和C2等級的相關(guān)控車功能,并負責列車安全防護；②新增與ATO相關(guān)的開門允許命令、判斷ATO是否有效以及停準、停穩(wěn)等功能。

2）真實車載設(shè)備ATO：①通過GPRS無線通信接收地面TSRS發(fā)送的線路數(shù)據(jù)、車門狀態(tài)等,并向TSRS發(fā)送ATO運行狀態(tài)信息；②接收TSRS轉(zhuǎn)發(fā)CTC的運行計劃；③實現(xiàn)列車自動駕駛、自動開關(guān)車門及車門/站臺門聯(lián)動等功能。

3）真實TSRS設(shè)備：TSRS設(shè)備在既有功能的基礎(chǔ)上,增加站臺門門控信息管理,站臺門命令/狀態(tài)的轉(zhuǎn)發(fā),運行計劃的處理和轉(zhuǎn)發(fā),站間數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用、發(fā)送等功能。

2.2 真實設(shè)備仿真支撐部分

真實設(shè)備仿真支撐部分主要由真實車載支撐仿真環(huán)境（包括列車接口仿真模塊、仿真RBC模塊、列車仿真駕駛模塊、軌道電路仿真模塊及應(yīng)答器仿真模塊）和真實地面TSRS設(shè)備支撐仿真環(huán)境（包括CTC仿真器和TCC仿真器）組成,每個仿真模塊的主要功能如下。

1）列車接口仿真模塊：①通過MVB板卡,實現(xiàn)與真實車載設(shè)備ATO單元的信息交互,包括向ATO單元發(fā)送車輛編組、是否允許ATO控車等信息,并接收ATO單元發(fā)送的牽引和制動等級、隧道位置等信息［9］；②通過繼電器板卡,實現(xiàn)與真實車載設(shè)備的開關(guān)量交互,包括駕駛臺、方向、牽引制動手柄、常用制動、緊急制動、開門/關(guān)門、開門允許等命令；③從列車仿真駕駛模塊實時接收列車走行距離信息,用于輸出相關(guān)信息或命令；④將列車接口狀態(tài)信息發(fā)送給列車仿真駕駛模塊,供列車仿真駕駛模塊控車使用。

2）仿真RBC模塊：①從仿真測試管理及顯示模塊接收測試腳本等信息；②從列車仿真駕駛模塊實時接收列車走行距離信息,并判斷是否滿足觸發(fā)條件,如果滿足,則將相應(yīng)的消息通過無線發(fā)送給車載設(shè)備。

3）列車仿真駕駛模塊：①在自動駕駛狀態(tài)下,實時獲取列車接口仿真模塊采集的ATO單元牽引和制動命令,并結(jié)合動力學仿真模型,自動生成相應(yīng)的速度信息,實時發(fā)送給真實車載設(shè)備；②在非自動駕駛狀態(tài)下,根據(jù)操作人員的手動操作命令,完成仿真車的駕駛操作；③能夠根據(jù)測試需要配置不同動車組的模型；④能夠執(zhí)行駕駛臺激活、休眠、ATO啟用、緊急制動故障設(shè)置等其他操作,并通過列車接口仿真模塊發(fā)送給真實車載設(shè)備。

4）軌道電路仿真模塊：①從列車仿真駕駛模塊實時獲取列車位置信息,并在滿足發(fā)送軌道電路碼的條件下,控制軌道電路發(fā)碼盒發(fā)送對應(yīng)碼序信息；②當站臺門系統(tǒng)正常關(guān)閉且成功鎖閉后,控制軌道電路發(fā)碼盒給出允許碼；③在列車自動駕駛過程中,當TCC仿真器在站臺門防護過程中檢測到站臺門系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時,控制對應(yīng)股道給出“H”碼。

5）應(yīng)答器仿真模塊：①從列車仿真駕駛模塊實時獲取列車位置信息,在滿足發(fā)送應(yīng)答器報文的條件下,將報文內(nèi)容及時發(fā)送到車載設(shè)備；②為了實現(xiàn)自動駕駛功能,在原有應(yīng)答器基礎(chǔ)上新增了股道精確定位應(yīng)答器和TSRS切換應(yīng)答器［10］。

6）CTC仿真器：①通過安全協(xié)議與真實TSRS設(shè)備進行運行計劃相關(guān)數(shù)據(jù)的交互,包括周期性向車載設(shè)備發(fā)送對應(yīng)站間的運行計劃信息和根據(jù)列車運行車次號、運行時分、系統(tǒng)工作模式等信息,實時管理在線列車；②從仿真測試管理及顯示模塊接收測試腳本等信息,實現(xiàn)計劃提前、計劃延后及錯誤計劃等操作；③從列車仿真駕駛模塊實時獲取列車位置信息,并完成計劃的發(fā)送。

7）TCC仿真器：①通過安全協(xié)議與真實TSRS設(shè)備進行站臺門命令及狀態(tài)數(shù)據(jù)的交互；②從仿真測試管理及顯示模塊接收測試腳本等信息,實現(xiàn)車門/站臺門聯(lián)動成功或失敗的操作。

2.3 仿真測試管理及顯示部分

仿真測試管理及顯示部分主要實現(xiàn)仿真測試期間的測試腳本加載、測試過程控制,以及測試仿真過程的實時顯示功能。具體包括：①在測試執(zhí)行前,加載待執(zhí)行的測試序列腳本、線路數(shù)據(jù)環(huán)境,并將這些腳本信息發(fā)送給相關(guān)模塊；②在測試執(zhí)行期間,能夠執(zhí)行序列的終止、查看仿真模塊的數(shù)據(jù)執(zhí)行狀態(tài)等輔助操作；③可視化界面實時顯示列車當前速度、限速、加速度、運行功率、沖擊率、線路坡度、牽引等級、制動等級及腳本執(zhí)行情況等信息。

2.4 Redis數(shù)據(jù)庫部分

Redis數(shù)據(jù)庫主要實現(xiàn)以下2個功能：①專門用于存儲仿真和測試的靜態(tài)線路數(shù)據(jù)及測試腳本,仿真測試管理及顯示模塊在測試開始前,加載該腳本和線路數(shù)據(jù),隨后向各個仿真軟件發(fā)送相應(yīng)的腳本及線路數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)庫中存放了列車位置變量、速度變量、開關(guān)量變量、序列號變量等用于各個仿真軟件間信息交互的變量,這些變量通過靈活的鍵值將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中［7］,能夠支持并發(fā)的實時數(shù)據(jù)讀寫。

3 仿真平臺實現(xiàn)

在Windows軟件開發(fā)環(huán)境下,仿真平臺采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#和C++編程語言作為仿真模塊的主要開發(fā)語言。其中,仿真測試管理及顯示模塊、仿真列車接口、仿真RBC模塊、列車駕駛模塊、軌道電路仿真模塊及應(yīng)答器仿真模塊等采用C#編程語言開發(fā)；CTC仿真器和TCC仿真器采用C++編程語言開發(fā)?？偟拈_發(fā)流程如下。

第1階段：在仿真平臺開發(fā)初期,首先完成Redis數(shù)據(jù)庫的環(huán)境搭建,對Redis配置文件包含的配置項,結(jié)合實際需求進行相應(yīng)部署。配置文件中包含是否允許遠程訪問、是否開啟保護模式、是否設(shè)置密碼、Redis監(jiān)聽端口號等。

第2階段：確定仿真平臺各模塊定位、模塊間交互內(nèi)容及開發(fā)語言。

1）基于Redis技術(shù)的仿真平臺架構(gòu),將安裝Redis數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器作為服務(wù)端,真實設(shè)備支撐環(huán)境中的所有仿真模塊均設(shè)為客戶端,仿真測試管理及顯示模塊設(shè)為從服務(wù)器。

2）Redis數(shù)據(jù)庫中的交互變量數(shù)據(jù)需被多個外部模塊同時訪問,以實現(xiàn)仿真模塊間的數(shù)據(jù)交互。若有新增仿真模塊需讀取相關(guān)變量數(shù)據(jù),其他仿真模塊的功能及接口無需進行任何變動,提高了系統(tǒng)的可擴展性。

3）在平臺開發(fā)過程中,分別選用C#和C++開發(fā)語言,可實現(xiàn)同一仿真平臺下不同開發(fā)語言模塊的靈活接入。

第3階段：在Visual Studio 2016開發(fā)環(huán)境中,安裝Redis官方提供的面向具體編程語言的組件,用于Redis數(shù)據(jù)庫中交互變量數(shù)據(jù)的讀取或修改操作。以C#語言為例,需在開發(fā)環(huán)境的項目中引用Redis官網(wǎng)下載的“StackExchange.Redis”Nuget包組件,并在項目中添加RedisHelper類文件。

第4階段：基于上述Redis技術(shù)構(gòu)建的環(huán)境和變量數(shù)據(jù)庫,開發(fā)高鐵ATO仿真平臺中的各個軟件模塊,從而完成整個高鐵仿真ATO平臺的構(gòu)建工作。高鐵ATO仿真平臺實現(xiàn)架框見圖3。

圖3 基于Redis技術(shù)的高鐵ATO仿真平臺實現(xiàn)架構(gòu)

4 結(jié)論

本研究主要完成了基于Redis技術(shù)的高鐵ATO仿真平臺的設(shè)計和實現(xiàn),從仿真平臺架構(gòu)、系統(tǒng)功能需求、平臺架構(gòu)部署等角度,對仿真平臺的開發(fā)進行了介紹,并使用計算機編程語言和Redis技術(shù)實現(xiàn)了平臺關(guān)鍵功能模塊的開發(fā)。

通過對Redis技術(shù)在高鐵列控自動駕駛系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)中的應(yīng)用,探討了Redis技術(shù)在降低開發(fā)復雜度及提高仿真平臺可擴展性等方面的優(yōu)勢,為構(gòu)建性能更好的仿真平臺提供了一種新的技術(shù)思路。