謝再盛

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

車載系統(tǒng)是列控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，不同車載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)列車狀態(tài)監(jiān)控、列車運(yùn)行控制、車地實(shí)時(shí)通信等多種功能。車載系統(tǒng)以車載主機(jī)為核心，通過多種I/O、通信單元、人機(jī)界面和外圍傳感器共同構(gòu)成車載系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

由于車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同系統(tǒng)測試方法、硬件組成和接口定義也不盡相同，所以一般搭建測試環(huán)境都比較復(fù)雜。而且，由于測試環(huán)境屬于針對(duì)車載系統(tǒng)的定制開發(fā)，環(huán)境通用性較差，無法同時(shí)支持多種系統(tǒng)的測試任務(wù)，無形中增加了搭建成本。

本文從車載測試環(huán)境搭建需求出發(fā)，針對(duì)地鐵CBTC系統(tǒng)、國鐵CTCS-2及CTCS-3系統(tǒng)、歐洲ETCS-2系統(tǒng)中車載運(yùn)行控制子系統(tǒng)的測試及仿真運(yùn)行需要，開發(fā)通用車載接口仿真系統(tǒng)。通過業(yè)務(wù)劃分將車載接口仿真系統(tǒng)劃分為信息管理、邏輯控制、接口硬件3部分。其中信息管理用于測試任務(wù)編輯、下達(dá)和執(zhí)行管理；邏輯控制用于適配不同車載系統(tǒng)軟硬件接口邏輯；接口硬件用于統(tǒng)一管理、調(diào)用測試資源。

車載接口仿真系統(tǒng)針對(duì)不同車載系統(tǒng)測試任務(wù)，實(shí)時(shí)提供車載系統(tǒng)所需的模擬I/O信號(hào)、速傳脈沖信號(hào)、車輛傳感器信號(hào)、CAN通信、MVB通信、應(yīng)答器報(bào)文信號(hào)等，通過接收分析車載系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出，完成車載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行指標(biāo)測試，能夠支持多種車載運(yùn)行環(huán)境模擬。

1 系統(tǒng)概述

為了滿足車載接口仿真系統(tǒng)的通用適配性和測試多樣性，將車載接口仿真系統(tǒng)進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，劃分為信息管理層、運(yùn)行邏輯層、接口執(zhí)行層3個(gè)組成部分。

信息管理層用于下發(fā)測試腳本，收集測試數(shù)據(jù)和系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行管理和測試數(shù)據(jù)分析。

運(yùn)行邏輯層用于仿真系統(tǒng)測試邏輯實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部基于不同列控系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)的運(yùn)行場景匹配。

接口執(zhí)行層由能夠模擬車載系統(tǒng)外部接口對(duì)象的各類硬件組成，通過接收模型運(yùn)行機(jī)下發(fā)的運(yùn)行命令，控制各硬件資源提供車載系統(tǒng)運(yùn)行接口條件，采集車載系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載接口仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of onboard interface simulation system

2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)劃分，信息管理層和運(yùn)行邏輯層分別由信息服務(wù)器和模型運(yùn)行機(jī)組成，系統(tǒng)功能主要由軟件功能實(shí)現(xiàn)。接口執(zhí)行層由接口管理平臺(tái)組成，因?yàn)橹苯雍蛙囕d接口匹配，所以包含硬件測試資源和軟件驅(qū)動(dòng)接口。

信息服務(wù)器和模型運(yùn)行機(jī)均由通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，接口管理平臺(tái)由一臺(tái)基于通用總線的測試主機(jī)和其他外圍設(shè)備構(gòu)成。

信息服務(wù)器軟件采用B/S服務(wù)器設(shè)計(jì)，包含前端交互部分、腳本數(shù)據(jù)庫部分和數(shù)據(jù)分析部分。

模型運(yùn)行機(jī)軟件采用事件型多進(jìn)程架構(gòu)，包含列車運(yùn)動(dòng)模型、運(yùn)行線路模型、車輛通信協(xié)議模型和車輛I/O接口模型。

接口管理平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件由主機(jī)單元、適配接口單元、可控應(yīng)答器、波形發(fā)生器、GSM-R模擬機(jī)、司控交互顯示屏和電源等7部分組成。其中主機(jī)單元采用通用總線工業(yè)主機(jī)，包含機(jī)箱、CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡。

機(jī)箱：安裝CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡等功能板卡。

CPU卡：安裝于機(jī)箱內(nèi)，運(yùn)行接口管理平臺(tái)程序，接收模型運(yùn)行機(jī)的命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)箱中各板卡輸出和采集信號(hào)，并將車載設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)反饋模型上位機(jī)。CPU卡包含USB、以太網(wǎng)、VGA等外部接口，通過外部接口與電源、可控應(yīng)答器、波形發(fā)生器和GSM-R模擬機(jī)連接。

DI、DO卡：安裝于機(jī)箱內(nèi)，輸出ATP采集條件，采集ATP輸出狀態(tài)。

AIO卡：安裝于機(jī)箱內(nèi)，AO部分用于輸出電壓、電流信號(hào)，模擬列車傳感器信號(hào)提供給車載系統(tǒng)。AI部分采集電壓、電流信號(hào)，監(jiān)控列車模擬量輸出狀態(tài)。

MVB通信板卡：安裝于機(jī)箱內(nèi)，模擬車輛和車載系統(tǒng)之間MVB通信。

CAN通信板卡：安裝于機(jī)箱內(nèi)，模擬車輛和車載系統(tǒng)之間CAN通信。

Serial通信板卡：安裝于機(jī)箱內(nèi)，模擬車輛和車載設(shè)備之間RS-422/RS-485通信。

適配接口單元與車載系統(tǒng)的重載接口連接，將主機(jī)單元的數(shù)字I/O信號(hào)與車載接口的電平和邏輯關(guān)系進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，針對(duì)不同車輛接口調(diào)整對(duì)應(yīng)電平和連接關(guān)系。同時(shí)，適配接口單元內(nèi)含速度轉(zhuǎn)接板，用于發(fā)送PWM信號(hào)，提供車載系統(tǒng)速傳脈沖信息。

（可控應(yīng)答器：通過CPU板卡USB接口控制，發(fā)送報(bào)文信號(hào)，提供車載設(shè)備應(yīng)答器報(bào)文信息。）

（波形發(fā)生器：通過CPU板卡USB接口控制，發(fā)送FSK信號(hào)，提供車載設(shè)備軌道電路信號(hào)。）

GSM-R模擬機(jī)：通過CPU板卡以太網(wǎng)接口控制，發(fā)送GSM-R無線信號(hào)，提供車載設(shè)備GSM-R無線數(shù)據(jù)。

司控交互顯示屏通過主機(jī)單元控制，可針對(duì)不同車輛的司控要求，提供加減速和I/O的軟件界面控制。

電源：通過CPU板卡USB接口控制，輸出可控電壓和電流，提供車載系統(tǒng)的運(yùn)行供電和適配接口單元內(nèi)的接口供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載接口仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of onboard interface simulation system

3 業(yè)務(wù)流程

3.1 信息管理層

測試人員根據(jù)車載測試對(duì)象，編制測試腳本，并將腳本儲(chǔ)存在腳本數(shù)據(jù)庫內(nèi)。測試時(shí)，測試人員選取適宜的測試腳本，載入測試軟件內(nèi)。

測試軟件按照以太網(wǎng)協(xié)議將腳本信息依次發(fā)送至模型運(yùn)行機(jī)。測試軟件實(shí)時(shí)記錄并分析模型運(yùn)行機(jī)和接口管理平臺(tái)上傳的測試執(zhí)行狀態(tài)和測試結(jié)果數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)進(jìn)行結(jié)果評(píng)判。測試軟件周期處理模型運(yùn)行機(jī)和接口管理平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)健康狀態(tài)。

3.2 運(yùn)行邏輯層

模型運(yùn)行機(jī)接收到信息管理層下發(fā)的腳本信息后，模型軟件根據(jù)腳本內(nèi)容調(diào)用車載接口模型、車輛運(yùn)動(dòng)模型和測試線路參數(shù)，并按照協(xié)議封裝通信數(shù)據(jù)，將含有通信數(shù)據(jù)的腳本信息轉(zhuǎn)化為命令序列，周期發(fā)送至接口管理平臺(tái)。

模型運(yùn)行機(jī)周期性接收接口管理平臺(tái)反饋的執(zhí)行狀態(tài)和上行通信數(shù)據(jù)。模型運(yùn)行機(jī)判斷接口管理平臺(tái)反饋的執(zhí)行狀態(tài)，確認(rèn)其接收和執(zhí)行完整性，并進(jìn)行命令中斷、命令等待、命令重發(fā)等決策處理。模型運(yùn)行機(jī)將接口管理平臺(tái)的上行數(shù)據(jù)，通過協(xié)議進(jìn)行解構(gòu)，將應(yīng)答數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為命令序列返回接口管理平臺(tái)，將結(jié)果特征值發(fā)送至信息管理層。

3.3 接口執(zhí)行層

接口管理平臺(tái)通過主機(jī)單元實(shí)時(shí)調(diào)用各硬件資源，按照隊(duì)列的方式依次執(zhí)行命令序列。

接口管理平臺(tái)將車載系統(tǒng)返回的通信數(shù)據(jù)和接口狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳至信息管理層和運(yùn)行邏輯層。接口管理平臺(tái)將命令執(zhí)行狀態(tài)和平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)周期上傳至信息管理層和運(yùn)行邏輯層。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）車載接口仿真環(huán)境中測試腳本、運(yùn)行邏輯、硬件接口3部分相互獨(dú)立，修改任意部分不會(huì)造成其他部分的連帶修改。

2）車載接口仿真環(huán)境中通過信息服務(wù)器將測試腳本分離出來，便于測試業(yè)務(wù)的搭建和修改。

3）車載接口仿真環(huán)境中通過模型運(yùn)行機(jī)將測試邏輯和數(shù)據(jù)模型分離出來，便于測試邏輯的適配修改。

4）車載接口仿真環(huán)境中接口管理平臺(tái)基于通用總線主機(jī)，方便各硬件資源擴(kuò)展。

5 總結(jié)

車載接口仿真系統(tǒng)通過頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套用于實(shí)現(xiàn)車載運(yùn)行測試的通用類真實(shí)仿真環(huán)境。該系統(tǒng)通過在信息管理層實(shí)現(xiàn)腳本管理技術(shù)，在運(yùn)行邏輯層實(shí)現(xiàn)模型、協(xié)議和邏輯封裝技術(shù)，在接口執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)硬件模塊和接口匹配技術(shù)，理論上能夠滿足一套仿真系統(tǒng)支持多套車載系統(tǒng)，一套仿真系統(tǒng)滿足各種測試任務(wù)的要求。該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于深度自主化實(shí)驗(yàn)室和工廠車載系統(tǒng)測試環(huán)境，為測試效率提升和測試成本控制提供有力的支撐。