張亞東，袁榆淞，饒 暢，郭 進

(1.西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 611756；2.重慶交通大學 交通運輸學院,重慶 400074)

CTCS-2級列控系統(tǒng)是基于軌道電路和點式信息設(shè)備傳輸行車許可的列車運行控制系統(tǒng)，由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成，其中車載設(shè)備是對列車速度進行防護的重要設(shè)備。為保障行車安全，車載設(shè)備在投入運營前必須進行一系列嚴格的測試。按照測試階段的不同，可分為實驗室仿真測試、現(xiàn)場測試、互聯(lián)互通測試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試等[1]。

車載設(shè)備的現(xiàn)場測試通常是一個動態(tài)、連續(xù)的過程，對應的測試案例數(shù)量龐大。為了縮短測試周期，提高測試效率，通常會將若干個測試案例按照一定原則有序串接形成測試序列連續(xù)執(zhí)行。近年來，國內(nèi)外研究人員圍繞測試序列的合理高效串接問題進行了大量研究。張勇等[2]基于圖論方法，以車載設(shè)備運行模式為框架，采用中國郵路問題的求解思路尋求測試序列的優(yōu)化串接方法。趙曉宇等[3]針對測試序列串接過程中的算法搜索死循環(huán)和狀態(tài)空間爆炸問題，提出了一種基于有色Petri網(wǎng)的測試序列生成方法。ZHENG等[4]為降低測試序列對于測試案例的重復覆蓋程度，提出了一種基于全路徑覆蓋的測試序列優(yōu)化選擇算法。

上述研究主要解決實驗室仿真測試階段的測試序列串接問題。與實驗室仿真測試不同，在現(xiàn)場測試階段，串接測試序列還需進一步考慮實際線路條件約束，從而確保測試案例在符合條件的線路區(qū)段得以執(zhí)行。合理估計測試案例的執(zhí)行距離，是串接現(xiàn)場測試序列的關(guān)鍵之一。現(xiàn)有估計測試案例執(zhí)行距離的相關(guān)研究主要依賴于人工經(jīng)驗，將現(xiàn)場測試案例的執(zhí)行距離粗略劃定為某個固定長度。袁磊等[5]選定線路上相鄰間距大于500 m的應答器組位置作為測試案例的布置點，從而將相鄰布置點的距離估計為測試案例的執(zhí)行距離。李彬[6]將線路上長度大于200 m的計軸區(qū)段劃定為測試區(qū)段用于布置測試案例，從而把測試區(qū)段的長度估計為測試案例的執(zhí)行距離。類似的還有李智[7]等提出的方法等。然而，現(xiàn)場測試案例的執(zhí)行距離受執(zhí)行步驟數(shù)量、操作類型、線路條件、列車運行模式、動力學狀態(tài)等多種因素影響，往往會發(fā)生動態(tài)變化?，F(xiàn)有方法未能充分考慮這些因素，因而容易出現(xiàn)執(zhí)行距離長度劃分不合理的情況，導致列車在測試過程中發(fā)生空跑，甚至無法在規(guī)定區(qū)段內(nèi)執(zhí)行完測試案例，進而造成測試中斷、測試過程能耗大、成本高等問題。

針對上述問題，本文提出一種基于列車動力學模型的現(xiàn)場測試案例執(zhí)行距離估算方法，通過建模描述列車在現(xiàn)場測試過程中的動力學狀態(tài)變化情況，采用列車動力學分析方法，綜合考慮線路條件、司機反應時間、操作類型等因素影響，計算列車在各動力學狀態(tài)下的運行速度、位置變化規(guī)律，近似估計列車執(zhí)行該測試案例的走行距離。然后基于實驗室測試平臺對案例進行測試執(zhí)行驗證，以對本文提出的方法進行檢驗。

1 車載設(shè)備現(xiàn)場測試過程

車載設(shè)備的現(xiàn)場測試通常以相關(guān)技術(shù)規(guī)范為依據(jù)[8]，通過安排列車在現(xiàn)場實際線路上運行，對車載設(shè)備應答器信息接收、動態(tài)曲線計算、速度監(jiān)控、最限制速度曲線計算等功能特性進行測試，覆蓋站內(nèi)接發(fā)車、區(qū)間追蹤、自動過分相、模式轉(zhuǎn)換等運營場景?，F(xiàn)場測試案例可由專家經(jīng)驗[9]或軟件測試理論方法[10]構(gòu)造得到，通常具備一定的執(zhí)行距離，測試人員通過人機界面(DMI)、記錄單元(JRU)等接口觀察測試過程中車載設(shè)備的狀態(tài)變化和預期輸出。

測試案例1：“在完全監(jiān)控模式下，列車接收到【CTCS-5】絕對停車信息包，應觸發(fā)緊急制動直至停車”。

如圖1所示，測試案例1開始執(zhí)行時，列車以速度vA處于A點，DMI圖標顯示當前模式為“完全”；列車保持勻速前行，到達B點，此時列車速度vB=vA，車載設(shè)備接收并解析地面應答器發(fā)送的【CTCS-5】絕對停車信息，DMI速度指針及環(huán)形光帶顯示為紅色，并驗證輸出緊急制動；列車在緊急制動狀態(tài)下降速運行，直至在C點處停車，此時列車速度vC=0；DMI給出允許緩解語音提示后，測試人員按壓緩解按鈕，緩解制動，至此測試案例1執(zhí)行結(jié)束，列車運行至下一條測試案例的執(zhí)行范圍內(nèi)。

圖1 現(xiàn)場測試過程舉例1

由圖1可見，該測試案例的實際執(zhí)行距離為AC段。然而，如果對測試案例的預估執(zhí)行距離出現(xiàn)較大偏差，比如執(zhí)行距離被預估為AD段，則會造成列車在CD段的空跑，由此將帶來測試成本升高、測試效率降低等問題。反之，若實際執(zhí)行距離大于了預估的執(zhí)行距離，且測試序列串接時對案例執(zhí)行距離的誤差余量選取不合理，則可能造成當前測試案例的執(zhí)行范圍侵占到下一條測試案例的執(zhí)行范圍，直接導致下一條測試案例無法在規(guī)定的線路條件下執(zhí)行，進而導致現(xiàn)場測試序列發(fā)生中斷。因此，合理估計測試案例的實際執(zhí)行距離，不僅有助于縮短測試過程中列車的空跑距離，而且可以避免發(fā)生測試中斷，從而有利于高效合理地串接現(xiàn)場測試序列，降低現(xiàn)場測試能耗和成本，提高測試效率。

2 測試過程狀態(tài)模型

測試案例的執(zhí)行距離與案例的執(zhí)行步驟數(shù)量、操作類型、線路條件等密切相關(guān)，且不同測試案例的執(zhí)行步驟往往具有較大的差異，這給直接計算測試案例的執(zhí)行距離帶來了巨大困難。然而，本文注意到列車的動力學狀態(tài)變化是貫穿整個測試執(zhí)行過程最顯著的特征，也是影響測試案例執(zhí)行距離的關(guān)鍵內(nèi)在因素。因此，本文從該特征入手，提出以列車動力學狀態(tài)作為紐帶，對不同測試案例的執(zhí)行過程進行統(tǒng)一、抽象化的描述，從而為估算測試案例的執(zhí)行距離提供依據(jù)。

2.1 模型構(gòu)建

由于列車執(zhí)行現(xiàn)場測試案例是一個連續(xù)且動態(tài)的運行過程，因此本文把列車在執(zhí)行測試案例過程中所有可能出現(xiàn)的動力學狀態(tài)抽象為點的集合，狀態(tài)之間的變化關(guān)系抽象為邊的集合，從而構(gòu)建出車載設(shè)備測試過程的有向圖模型G=(S,E)。其中，S為列車運行狀態(tài)的頂點集合，S={S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7}；E為列車運行狀態(tài)變化關(guān)系的有向弧集合，E={e1,e2,…,e31}；測試案例的執(zhí)行過程則是有向圖模型G中頂點S0到頂點S7的某一條路徑。車載設(shè)備測試案例執(zhí)行過程的有向圖模型見圖2，圖2中各頂點變量的含義見表1。

圖2 車載設(shè)備測試案例執(zhí)行過程的有向圖模型

表1 模型中頂點變量的含義

對于測試案例1，根據(jù)列車的動力學狀態(tài)變化情況，列車分別依次經(jīng)歷了巡航狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)和停車狀態(tài)，其測試執(zhí)行過程的有向圖路徑可以表示為S0→S2→S5→S6→S7。注意，本文將S0、S7兩個狀態(tài)定義為標志測試案例開始執(zhí)行和執(zhí)行結(jié)束的抽象狀態(tài)，對應的走行距離規(guī)定為0。此外，執(zhí)行測試案例的不同步驟可能造成列車動力學狀態(tài)反復發(fā)生多次變化，因此路徑中的頂點可能會重復出現(xiàn)。例如在某次測試中，列車分別依次經(jīng)歷了巡航狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)、停車狀態(tài)、牽引狀態(tài)、巡航狀態(tài)和牽引狀態(tài)，其有向圖路徑表示為S0→S2→S5→S6→S1→S2→S1→S7，此時頂點S1、S2各重復出現(xiàn)2次。

測試過程模型刻畫的是不同測試案例執(zhí)行過程中的列車動力學狀態(tài)宏觀演變情況，而測試案例之間的微觀差異，如執(zhí)行步驟與數(shù)量、操作類型、所需線路條件等，將在后續(xù)計算案例的執(zhí)行距離時做進一步考慮。

2.2 相關(guān)定義

規(guī)定列車在兩個相鄰動力學狀態(tài)變化中，后一狀態(tài)的入口速度等于前一狀態(tài)的出口速度。

在測試案例的某些執(zhí)行步驟中，通常會明確地或隱含地給出列車運行的部分距離，這些給定的距離將會影響到測試案例的執(zhí)行距離估算，相關(guān)定義和說明如下。

定義4固有距離：測試案例執(zhí)行步驟中明確給出的運行距離，記作Lg。按照距離的直觀性可分為顯式固有距離和隱式固有距離。

定義5顯式固有距離：測試案例執(zhí)行步驟中以數(shù)值的形式直接給出的距離信息，記作Lgx。例如測試案例步驟中描述了“列車運行50 m后，收到應答器報文”，那么Lgx=50 m。

定義6隱式固有距離：測試案例執(zhí)行步驟中未以數(shù)值形式給出距離長度，但是可以根據(jù)涉及到的特殊運營場景，查閱車輛參數(shù)或線路數(shù)據(jù)等確定的運行距離，包括車長、分相區(qū)長度、等級轉(zhuǎn)換中預告點與執(zhí)行點之間的距離等，記作Lgy。

測試案例2：“列車以速度100 km/h運行，200 m后運行至應答器組A處，接收到【ETCS-5】應答器鏈接包，給出下一個被鏈接的應答器組編號為2，列車運行到下一被鏈接的應答器組B，讀取應答器編號為3，與鏈接信息不符，車載執(zhí)行鏈接反應輸出緊急制動”。

3 測試案例執(zhí)行距離估算方法

3.1 方法框架

輸入：車輛參數(shù)、線路數(shù)據(jù)、測試執(zhí)行過程的有向圖路徑P、測試案例執(zhí)行步驟、固有距離Lg。

輸出：測試案例執(zhí)行距離L。

開始

初始化L←0

for(intk=2 to ∣P∣-1) 執(zhí)行

continue

else

end if

end for

L←L+Lg

returnL

結(jié)束

該方法主要包括如下步驟：

Step1獲取車輛參數(shù)(包括車長、車重、牽引特性曲線、目標制動減速度等)和測試區(qū)段的線路數(shù)據(jù)(包括線路坡度、曲線半徑、線路限速、特殊區(qū)段位置等)，并根據(jù)測試執(zhí)行步驟構(gòu)建測試執(zhí)行過程的有向圖路徑P。

Step4所得結(jié)果與固有距離Lg相加，輸出測試案例執(zhí)行距離。

3.2 距離計算

表2中：a牽n為第n步牽引加速度，m/s2；vn為第n步速度，m/s；dn為第n步的位置，m；Δt為單位時間步長，設(shè)置為0.5 s；t2為列車在巡航狀態(tài)下的運行時間；L分相區(qū)為線路數(shù)據(jù)提供的分相區(qū)長度，m；L斷為列車斷開主閘時距離分相區(qū)起點的距離，m；L合為列車駛出分相區(qū)后到合上主閘的走行距離，一般取值為130 m；t斷為輸出過分相命令信號時車頭距分相區(qū)起點的時間,一般取值為10 s；v觸為列車觸發(fā)制動的速度，m/s；t空為列車空走時間，s；v緩為允許緩解速度，m/s；a制n為第n步常用制動加速度，m/s2。

表2 不同狀態(tài)下測試執(zhí)行距離計算方法

對于巡航時間t2，通過分析具體的測試步驟可知，t2主要取決于測試過程中測試人員人工操作設(shè)備、觀察或記錄所花費的時間。本文根據(jù)現(xiàn)場測試過程的操作步驟及其復雜度依托列控車載設(shè)備測試平臺[11]進行了多次模擬試驗，將不同類型的操作步驟及其所花費時間進行了統(tǒng)計分析，見表3。

對于追加的補償距離，在人控優(yōu)先方式下，觸發(fā)常用制動后，從DMI給出允許緩解指示到司機按壓緩解按鈕，再到車載設(shè)備取消制動，這一過程存在延時，使得列車在常規(guī)制動狀態(tài)的出口速度低于規(guī)定的允許緩解速度，故需再加上補償距離才能計算得到列車在該狀態(tài)的測試執(zhí)行距離。進行計算時，延時可由表3確定為4.5 s，并以允許緩解速度作為初速度，采用分段迭代法進行制動計算，所得的列車運行距離增量即為補償距離，速度即為出口速度。

表3 測試人員的操作類型及其期望花費時間

4 試驗驗證

4.1 算例分析

以過分相場景類中的F510000-TC01案例作為示例，對本文方法進行應用驗證。其中F510000代表功能特征號為510000(過分相功能)，TC01代表測試案例編號為01。車輛參數(shù)選用8節(jié)車輛編組的CRH2型列車參數(shù)，并假設(shè)列車處于平直無坡道的線路上運行。

測試目標：列車接收到應答器過分相預告信息，驗證車載設(shè)備實現(xiàn)自動過分相控制。F510000-TC01的主要測試步驟見表4。

表4 F510000-TC01主要測試步驟

如圖3所示，列車在A點處開始執(zhí)行測試案例，測試人員驗證DMI顯示當前模式為“完全”，調(diào)整列車速度vA=100 km/h；列車運行L1(200 m)后，到達B點，列車收到【ETCS-68】包，測試人員檢驗DMI輸出分相區(qū)預告圖標，TIU輸出過分相選擇信號；列車繼續(xù)運行L2到達C點，此時車頭距分相區(qū)起點約10 s，測試人員驗證DMI輸出兩遍“前方過分相”語音提示,TIU輸出過分相命令信號，列車斷開主閘，進入惰行狀態(tài)；保持列車自動過分相，列車駛出分相區(qū)后一定距離到達F點，測試人員驗證TIU撤銷過分相命令信號，列車合上主閘，恢復牽引，進入巡航狀態(tài)；列車繼續(xù)向前運行至G點(距離分相區(qū)終點約600 m)，測試人員檢查TIU停止輸出過分相選擇信號及JRU相關(guān)信息包的記錄，在驗證過程中，列車繼續(xù)向前運行距離L4，到達H點，測試案例執(zhí)行結(jié)束。

圖3 測試案例執(zhí)行過程分析

4.2 有效性評估

為進一步驗證本文方法的有效性，采用隨機抽樣方法，以技術(shù)規(guī)范所定義的功能特征為劃分，從現(xiàn)場測試案例庫中選取測試案例進行執(zhí)行距離估算。所選取的測試案例涵蓋了應答器報文接收、動態(tài)速度曲線計算、速度監(jiān)控、速度與距離計算、最限制速度曲線計算、軌道電路信息接收和使用等規(guī)定的功能特征，覆蓋列車自動過分相、等級轉(zhuǎn)換、模式轉(zhuǎn)換、調(diào)車作業(yè)等規(guī)定的運營場景。本文采用實驗室車載測試平臺對所選測試案例進行實際執(zhí)行和對比分析。其中，線路條件取坡度為0‰的平直軌道，線路限速為200 km/h，車輛參數(shù)為CRH2型動車組標準參數(shù)[12]。本文方法估算的距離與實際執(zhí)行距離對照情況見表5。

表5 本文方法估算的距離與實際執(zhí)行距離對照情況 m

從表5可以看出，以實際執(zhí)行距離作為參考標準，本文估算結(jié)果與實際執(zhí)行距離之間的誤差絕對值控制在了50 m以內(nèi)，體現(xiàn)出本文所提方法具備有效性。在此基礎(chǔ)上，本文從方法的估計誤差粒度入手，與現(xiàn)場測試的各種最不利指標進行比對，從而對本文方法的有效性進行進一步分析。

具體地，現(xiàn)場測試通常涉及到長度/距離等特征的元素包括軌道區(qū)段長度、列車長度、列車緊急制動和常用制動距離等，取本文實驗相同的CRH2型動車組標準參數(shù)，按現(xiàn)場測試的最不利條件[13]，以列車最限制速度40 km/h、線路坡度為上坡35‰對現(xiàn)場特征元素涉及的長度/距離等進行分析計算，本方法的估計誤差粒度與各特征元素的長度/距離比較見表6。

表6 本方法的估計誤差粒度與各種特征元素的長度/距離比較

分析表6可知，站內(nèi)軌道區(qū)段長度是最嚴苛的現(xiàn)場測試特征元素，取值為60 m。在進行現(xiàn)場測試序列串接過程中，為保證測試的連續(xù)性，通常會預留一定距離作為誤差余量的閾值。而本方法的估計誤差粒度小于站內(nèi)軌道區(qū)段長度(占比約83.33%)，意味著本文方法產(chǎn)生的結(jié)果誤差控制在了最嚴苛特征元素的取值范圍內(nèi)，為合理選取誤差余量的閾值提供了依據(jù)，從而有利于在現(xiàn)場測試序列串接中控制其他變量因素(例如壓縮列車空跑距離)，提高測試效率。

5 結(jié)論

本文圍繞列控系統(tǒng)車載設(shè)備現(xiàn)場測試案例的執(zhí)行距離估計問題，提出一種基于列車動力學模型的現(xiàn)場測試案例執(zhí)行距離估算方法。從動力學的角度對現(xiàn)場測試案例的執(zhí)行過程進行建模，將復雜的測試案例執(zhí)行步驟抽象為有向圖路徑，采用動力學分析計算得到案例的執(zhí)行距離。在平直軌道、線路限速為200 km/h的試驗工況下，本方法對現(xiàn)場測試案例的執(zhí)行距離估計誤差絕對值在50 m以內(nèi)，表明了本方法具備有效性，顯著提升了現(xiàn)場測試案例執(zhí)行距離估算精度，為后續(xù)合理高效串接現(xiàn)場測試序列提供了有力的依據(jù)。