基于HLA的CTCS-3列控系統(tǒng)仿真管理器研究

李 博，王俊峰

(北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044)

CTCS-3中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（以下簡稱C3列控系統(tǒng)）是基于GSM-R鐵路無線通信系統(tǒng)，并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。隨著我國鐵路的高速發(fā)展，C3列控系統(tǒng)已經(jīng)成為中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）的發(fā)展方向[1～2]。

以前搭建的C3列控系統(tǒng)仿真平臺大部分是直接在以TCP/IP為底層通信平臺的基礎(chǔ)上搭建而成，整個(gè)系統(tǒng)過于分散，不利于仿真平臺統(tǒng)一管理和記錄各個(gè)模塊間的信息交互。不利于研究C3列控系統(tǒng)中各模塊間如何協(xié)調(diào)和高效工作。因此，建立相應(yīng)的C3列控系統(tǒng)模型并在實(shí)驗(yàn)室仿真平臺下對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和評估具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文主要介紹基于HLA/RTI底層通信平臺的C3列控系統(tǒng)分布交互式仿真結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)解決仿真管理器數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的問題。

1 高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）

1.1 高層體系結(jié)構(gòu)簡介

高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture, HLA）是一種新型的分布式仿真框架[2]。在基于HLA的仿真系統(tǒng)中，聯(lián)邦（Federation）是指用于達(dá)到某一特定仿真目的的分布式仿真系統(tǒng)，它由若干個(gè)相互作用的聯(lián)邦成員（或簡稱成員）構(gòu)成。所有參與聯(lián)邦運(yùn)行的應(yīng)用程序都可以稱為聯(lián)邦成員。

在C3列控系統(tǒng)仿真平臺中，C3列控系統(tǒng)便是作為聯(lián)邦而存在。車載設(shè)備、軌旁電子單元、列控中心、無線閉塞中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、GSM-R通信接口設(shè)備等作為C3列控系統(tǒng)組成模塊而統(tǒng)一稱為仿真設(shè)備模塊；仿真管理器、線路數(shù)據(jù)庫、驗(yàn)證分析模塊作為仿真平臺輔助工具而統(tǒng)一稱為仿真管理子系統(tǒng)。仿真設(shè)備模塊和仿真管理子系統(tǒng)都是C3列控系統(tǒng)聯(lián)邦下的聯(lián)邦成員，如圖1。運(yùn)行支撐環(huán)境（RTI：Run-time Infrastructure）是HLA接口規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)，是HLA仿真應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，其功能類似于分布式操作系統(tǒng)。它主要提供底層通信傳輸服務(wù)，是C3列控系統(tǒng)中各個(gè)聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)交互的通道。

圖1 基于HLA的CTCS-3列控系統(tǒng)仿真聯(lián)邦結(jié)構(gòu)圖

1.2 將HLA運(yùn)用于C3列控系統(tǒng)仿真平臺中的優(yōu)勢

C3列控系統(tǒng)仿真平臺是以某鐵路線為背景的分布式半實(shí)物仿真系統(tǒng)。全線設(shè)有21個(gè)車站，每個(gè)車站需要1臺列控中心模擬器，1臺CTC分機(jī)模擬器，1臺聯(lián)鎖模擬器。7臺無線閉塞中心（RBC）管理全線的行車許可，4臺多車模擬器模擬全線的列車，1臺軌旁模擬器模擬全線的線路信息，1臺GSM-R模擬器模擬GSM-R信息傳輸通道以及1臺CTC總機(jī)負(fù)責(zé)全線的列車調(diào)度和運(yùn)行計(jì)劃的下達(dá)。不考慮真實(shí)設(shè)備，單是純虛擬的仿真節(jié)點(diǎn)就達(dá)到了77個(gè)，所以整個(gè)仿真平臺面臨的最大問題便是統(tǒng)一管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)（即聯(lián)邦成員）以及如何處理好各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交互的問題。采用基于HLA/RTI這樣一個(gè)高效的底層通信平臺可以很好地解決這些問題。

1.2.1 便于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的統(tǒng)一管理

基于HLA/RTI的仿真平臺具有更好的互操作性和可復(fù)用性。利用RTI發(fā)布訂購機(jī)制，C3系統(tǒng)中的各聯(lián)邦成員間的互操作變得更加便利。例如：CTC分機(jī)需要給聯(lián)鎖發(fā)送進(jìn)路請求信息，CTC分機(jī)“發(fā)布”這一信息，聯(lián)鎖“訂購”這一信息便可以建立數(shù)據(jù)通路。仿真管理器這一聯(lián)邦成員需要監(jiān)控和管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流，它若需要獲取這一信息，只需要再“訂購”這一信息，就可以獲取該數(shù)據(jù)。所以仿真管理器只需要根據(jù)實(shí)際需求訂購它需要的信息，便可以通過RTI直接獲取，同時(shí)它也可以發(fā)布控制交互類信息給其他節(jié)點(diǎn)，所以便于實(shí)現(xiàn)對整個(gè)仿真平臺的統(tǒng)一管理。而且隨著列車和車站數(shù)量的增加，還可以增加聯(lián)邦成員的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)C3列控系統(tǒng)模塊的即插即用，易于系統(tǒng)的集成。

1.2.2 增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性

使用Socket通信，接入n臺聯(lián)邦成員，需要彼此建立的連接將會有n(n-1)/2個(gè)[3]。在本實(shí)例中，77個(gè)仿真設(shè)備節(jié)點(diǎn)加上3個(gè)仿真管理節(jié)點(diǎn)，共80個(gè)聯(lián)邦成員，在基于Socket通信的情況下，需要建立的連接數(shù)將是6 160個(gè)，整個(gè)系統(tǒng)的通信量將相當(dāng)龐大，如果軟件模塊設(shè)計(jì)不當(dāng)，極容易造成通信阻塞。而在基于HLA/RTI構(gòu)架的C3列控系統(tǒng)仿真平臺中，這80個(gè)聯(lián)邦成員之間只需要根據(jù)實(shí)際需要建立對應(yīng)的發(fā)布和訂購屬性，RTI底層通信平臺已經(jīng)幫我們解決了數(shù)據(jù)傳輸問題，可直接實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換，而且傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性很好。在實(shí)際的測試中發(fā)現(xiàn)， pRTI消息傳輸延遲不到1 ms。在負(fù)載量為400 byte的情況下，兩個(gè)聯(lián)邦成員之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t僅為3.2 ms[4]。

1.2.3 減少數(shù)據(jù)傳輸量

HLA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還提供數(shù)據(jù)過濾機(jī)制。各個(gè)聯(lián)邦成員有能力確定它們將產(chǎn)生什么信息，它們喜歡接收什么信息，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的類型（例如可靠的或快速的）等。采用HLA后，整個(gè)聯(lián)邦范圍內(nèi)所發(fā)送的數(shù)據(jù)量將明顯減少，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，因而可以給C3列控系統(tǒng)仿真平臺上添加更多的仿真節(jié)點(diǎn)，利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

此外，HLA/RTI通過提供通用的、相對獨(dú)立的支撐服務(wù)程序，將應(yīng)用層同底層支撐環(huán)境分離。即將具體的C3列控系統(tǒng)各仿真節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信3者分開，使各個(gè)仿真模塊相對獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)，可以加快仿真平臺的建設(shè)進(jìn)度。

2 基于HLA/RTI的仿真平臺整體構(gòu)架

基于HLA/RTI構(gòu)架的CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真平臺分為仿真管理子系統(tǒng)，仿真設(shè)備模塊與真實(shí)設(shè)備接口3大部分，每個(gè)部分按照功能和特征進(jìn)行模塊化的劃分，以實(shí)現(xiàn)分層和分批系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建，便于系統(tǒng)管理和繼承。這3個(gè)部分構(gòu)成了基于HLA/RTI的仿真支撐環(huán)境，為車載真實(shí)設(shè)備和真實(shí)RBC提供運(yùn)行測試環(huán)境，如圖2。

圖2 CTCS-3仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 仿真管理子系統(tǒng)

由線路數(shù)據(jù)庫，驗(yàn)證分析模塊及仿真管理器模塊3個(gè)聯(lián)邦成員構(gòu)成。它們是區(qū)分于真實(shí)的系統(tǒng)，但卻是仿真平臺中很重要的部分,負(fù)責(zé)管理整個(gè)仿真平臺，對仿真平臺的運(yùn)行進(jìn)行過程控制，驗(yàn)證分析等。

2.2 仿真設(shè)備模塊

由仿真RBC模塊、CTC總機(jī)模塊、CTC分機(jī)模塊、聯(lián)鎖模塊、列控中心（TCC）模塊、多車運(yùn)行模塊、軌旁模塊和仿真GSM-R模塊8種聯(lián)邦成員構(gòu)成。它們根據(jù)實(shí)際的方案和線路設(shè)置各自的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，接入到HLA/RTI環(huán)境中。

2.3 真實(shí)設(shè)備接口

由接口適配器聯(lián)邦成員構(gòu)成。通過設(shè)計(jì)接口適配器，一端滿足RTI接口，接入到HLA/RTI環(huán)境中，另一端滿足真實(shí)設(shè)備接口，與真實(shí)的被測設(shè)備連接，完成真實(shí)設(shè)備與仿真支撐環(huán)境的無縫接入及其之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)這個(gè)單元也是真實(shí)軟件平臺與仿真支持環(huán)境的接口，通過接口適配器完成真實(shí)軟件平臺與HLA/RTI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和接口轉(zhuǎn)換。

3 仿真管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著仿真節(jié)點(diǎn)的增加和仿真測試任務(wù)的加重，仿真測試過程需要一個(gè)規(guī)劃管理的角色，即仿真管理器。仿真管理器規(guī)劃仿真測試過程，管理各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)控制C3列控系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊執(zhí)行測試序列，為離線的數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析和系統(tǒng)評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

與仿真管理器相連的仿真測試節(jié)點(diǎn)主要有列控中心仿真器、RBC仿真器、聯(lián)鎖設(shè)備仿真器、CTC車站分機(jī)仿真器、車載設(shè)備仿真器、列車運(yùn)行仿真器等，如圖3。仿真管理器內(nèi)部分8大模塊，分別實(shí)現(xiàn)仿真節(jié)點(diǎn)識別、仿真節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步、仿真節(jié)點(diǎn)初始化配置、仿真過程監(jiān)測和控制等功能。

仿真管理器最突出的特點(diǎn)就是對整個(gè)仿真平臺中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的管理，集中控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)間交互的數(shù)據(jù)，這也是它的核心部分。本文接下來著重從這兩方面進(jìn)行論述。

3.1 仿真管理器對聯(lián)邦成員的管理

聯(lián)邦管理是指對一個(gè)聯(lián)邦執(zhí)行的創(chuàng)建、動態(tài)控制、修改和刪除等過程。聯(lián)邦執(zhí)行是指在聯(lián)邦（仿真系統(tǒng)）運(yùn)行過程中，RTI根據(jù)聯(lián)邦成員的請求，為實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦成員之間的互操作而創(chuàng)建的一個(gè)虛擬世界。

在C3列控系統(tǒng)仿真平臺中，仿真管理器完成對聯(lián)邦的管理。在初始狀態(tài)時(shí)，當(dāng)仿真管理器（聯(lián)邦成員）調(diào)用RTI的Create Federation Execution服務(wù)之后，聯(lián)邦執(zhí)行開始存在。但此時(shí)聯(lián)邦執(zhí)行中并沒有聯(lián)邦成員，直到仿真管理器（第1個(gè)聯(lián)邦成員）調(diào)用了Join Federation Execution服務(wù)之后，聯(lián)邦成員才加入到聯(lián)邦執(zhí)行中。隨后，仿真管理器根據(jù)實(shí)際需要遠(yuǎn)程控制CTC分機(jī)、聯(lián)鎖、TCC等聯(lián)邦成員加入到聯(lián)邦執(zhí)行中。當(dāng)仿真結(jié)束后，仿真管理器遠(yuǎn)程控制所有的聯(lián)邦成員退出聯(lián)邦執(zhí)行后，仿真管理器調(diào)用Destroy Federation Execution服務(wù)撤銷聯(lián)邦執(zhí)行。

圖3 仿真管理器組成模塊

聯(lián)邦執(zhí)行創(chuàng)建與撤銷的整個(gè)過程都是在RTI的支持下，由仿真管理器推動。在這個(gè)過程中，仿真管理器與RTI之間的關(guān)系和交互過程如圖4。圖中的細(xì)線箭頭表示在聯(lián)邦執(zhí)行的生命周期內(nèi)，仿真管理器和RTI之間的交互[5]。

圖4 仿真管理器和RTI之間的關(guān)系

3.2 仿真管理器中增加數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的策略[6]

仿真管理器需要實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)間的信息交換，所以各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)和仿真管理器有龐大的信息量，需要采用一些方法增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3.2.1 采用多線程的方法增加數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性

在HLA體系下，不同的進(jìn)程模式?jīng)Q定了C3列控系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)（聯(lián)邦成員）調(diào)用RTI的方式和RTI如何調(diào)用回調(diào)函數(shù)的方式。這也就決定了C3列控系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)和RTI如何分享CPU時(shí)間。在單線程模式下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在一個(gè)線程內(nèi)向RTI提出請求并調(diào)用tick()函數(shù)完成回調(diào)；在多線程模式下，系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以不調(diào)用tick()函數(shù)，RTI內(nèi)部自動進(jìn)行消息處理并完成回調(diào)，CPU時(shí)間得到充分利用，因而可以有效地改善網(wǎng)絡(luò)延遲，增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.2.2 采用設(shè)置各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)優(yōu)先級的方法，間接增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性

在實(shí)際的C3列控系統(tǒng)中，各個(gè)模塊在系統(tǒng)中的重要性是不同的。RBC和聯(lián)鎖設(shè)備是關(guān)系到列車“故障—安全”導(dǎo)向的關(guān)鍵設(shè)備，其中RBC更是C3列控系統(tǒng)區(qū)別于C2列控系統(tǒng)的重要設(shè)備，所以仿真管理器應(yīng)該優(yōu)先接受這些節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?。通過在應(yīng)用層面上改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級，間接解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問題。

4 結(jié)束語

本文研究了在基于HLA的分布交互式仿真體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用仿真管理器管理各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的方法。它具有模塊化程度高，數(shù)據(jù)交換效率高等優(yōu)點(diǎn)，大大方便了仿真過程的管理，為后期的系統(tǒng)方案驗(yàn)證和評估奠定了基礎(chǔ)。

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