基于最小系統(tǒng)的CBTC仿真測試平臺

王 偉 張建明

(北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044)

1 研究背景

隨著通信技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，城市軌道交通的信號制式也得到了很大的發(fā)展，CBTC技術(shù)(communication-based train control，基于通信的列車控制)作為一種能夠適應(yīng)高速度、高密度的軌道交通發(fā)展要求的先進的信號制式，已經(jīng)成為了當前城市軌道交通中的首選信號制式［1］。北京交通大學研發(fā)的CBTC系統(tǒng)雖然打破了國外的技術(shù)壟斷，但如何提高開通質(zhì)量和保證開通進度，是需要進一步研究的大問題。

一般來講，信號系統(tǒng)是軌道交通建設(shè)過程中的后期工程，如果能夠在軌道交通建設(shè)的前期或中期啟動相關(guān)CBTC系統(tǒng)功能測試，就可以大大縮短信號系統(tǒng)的建設(shè)周期。CBTC系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，需要采用很多新技術(shù)，全部都進行現(xiàn)場試驗是不現(xiàn)實的，需要對各個子系統(tǒng)的功能進行驗證，并確保系統(tǒng)集成后功能的完整性。在實驗室搭建CBTC仿真測試平臺，通過實驗室仿真測試環(huán)境對即將上線運行的信號設(shè)備進行測試，對于縮短CBTC系統(tǒng)的建設(shè)周期、提高系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。另外，對列車控制系統(tǒng)進行，現(xiàn)場測試是非常困難的，因為需要消耗巨大的人力、物力、財力，并且具有一定的安全隱患。因此，在實驗室內(nèi)搭建一套仿真測試平臺來進行CBTC系統(tǒng)的測試驗證是非常必要的。

2 最小系統(tǒng)原理和方法

1)確定測試需求。構(gòu)建測試平臺時，必須明確測試平臺要完成的測試需求都有哪些(見圖1)。測試需求應(yīng)當根據(jù)被測對象的功能需求規(guī)范來完成，在完成測試需求時可以不對預(yù)期結(jié)果作要求，但是必須明確將來要進行的測試內(nèi)容。

2)根據(jù)測試需求確定設(shè)備需求。對于每一條測試需求，應(yīng)當明確所需要的測試環(huán)境是什么。例如，進行車載定位測試時對設(shè)備的要求與進行區(qū)域控制器移動授權(quán)測試時對設(shè)備的要求肯定是不一樣的，因此必須明確每條測試需求所對應(yīng)的設(shè)備需求。在填寫時，可以參考表1的要求來填寫。

圖1 確定測試需求

表1 測試需求對應(yīng)設(shè)備需求

3)提取最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)原則上是要進行的所有測試需求的所要求設(shè)備的并集。從表1中可以看到:對于TR1，在測試時需要使用設(shè)備A和D;對于TR2，需要使用設(shè)備B和D。如果要進行TR1和TR2的測試，所構(gòu)建的測試平臺只需要包含設(shè)備A、B、D。當然，在某些特殊的情況下，如果構(gòu)建實際設(shè)備的成本遠高于在現(xiàn)場或者其他環(huán)境下進行測試的測試成本，則可以適當考慮將該部分測試需求從期望的測試需求中轉(zhuǎn)換到其他環(huán)境下的測試需求中。

4)構(gòu)建與最小系統(tǒng)適配的仿真設(shè)備。在完成最小系統(tǒng)的模型后，必須保證最小系統(tǒng)與仿真設(shè)備間的接口都是真實的，這樣才可以確保測試平臺測試的正確性和可信性。在確定仿真模型時，可以采用模型抽象、模型表示、模型組織的思路，完成仿真模型的設(shè)計與實現(xiàn)(見圖2)。

圖2 仿真模型開發(fā)

3 最小系統(tǒng)的應(yīng)用

對于分布式仿真測試平臺，圖3是一種典型的架構(gòu)，其中實際設(shè)備作為被測對象。在構(gòu)建測試平臺時，應(yīng)當把被測對象做成最小系統(tǒng)，這對于縮減平臺構(gòu)建成本和提高測試效率是非常有幫助的。

1)確定測試需求。車載控制器的功能主要有列車精確定位、監(jiān)控列車速度、管理屏蔽門、管理折返、管理ZC切換等。

2)根據(jù)測試需求確定設(shè)備需求。測試需求對應(yīng)有設(shè)備需求，如表2所示。

表2 VOBC測試平臺測試需求對應(yīng)的設(shè)備需求

圖3 典型的基于最小系統(tǒng)的仿真測試平臺架構(gòu)

3)提取最小系統(tǒng)。從表2可以看出，如果要完成其中所列出的測試需求，最小系統(tǒng)只需要包含本端VOBC(車載控制器)、對端VOBC、查詢應(yīng)答器系統(tǒng)、無線DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))。

開展港口碼頭船舶污染物接收處置能力建設(shè)首先需要明確“船舶污染物接收處置能力”的內(nèi)涵和組成，這是船舶污染物接收處置能力建設(shè)開展的前提。

4)構(gòu)建與最小系統(tǒng)適配的仿真設(shè)備。由于VOBC與ZC(區(qū)域控制器)、CI(計算機聯(lián)鎖)、速度傳感器等均有直接接口，為了構(gòu)建完整的VOBC測試平臺，需要進行仿真ZC、仿真CI、仿真速度傳感器的開發(fā)，并通過與實際設(shè)備的調(diào)試進行不斷的優(yōu)化。圖4是實際應(yīng)用的車載控制子系統(tǒng)的仿真測試平臺。

4 亦莊線仿真測試平臺

亦莊線仿真測試平臺是基于最小系統(tǒng)建立的綜合仿真測試平臺，提供了可視化的線路和列車運行環(huán)境，設(shè)定了與軌旁設(shè)備、車載設(shè)備以及地-車通信之間的透明接口，實現(xiàn)了對目前城市軌道交通領(lǐng)域中點式、連續(xù)式以及點-連式列車運行控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的仿真，同時能夠完成列車運行控制系統(tǒng)核心設(shè)備的功能測試。

4.1 仿真測試平臺的需求

1)可以進行國產(chǎn)自主研發(fā)的車載控制器(VOBC)子系統(tǒng)的測試和驗證，要求功能均可以進行測試，接口完全真實。

2)可以進行國產(chǎn)自主研發(fā)的區(qū)域控制器(ZC)子系統(tǒng)的測試和驗證，要求功能均可以進行測試，接口完全真實，并可以進行部分的壓力測試。

3)可以進行國產(chǎn)自主研發(fā)的CBTC核心設(shè)備間的集成測試。

4)可以進行亦莊線工程項目的集成測試，包括協(xié)議測試和點對點測試。

5)可以進行亦莊線工程項目中的確認測試，包括點式ATP(列車自動防護)部分、點式ATO(列車自動駕駛)部分、CBTC ATP部分、CBTC ATO部分以及多車部分，除與線路數(shù)據(jù)的準確性相關(guān)的用例不做要求外，其余均可以進行測試。

簡言之，亦莊線仿真測試平臺是亦莊線現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)，需要滿足全生命周期的測試過程覆蓋。

圖4 應(yīng)用最小系統(tǒng)的車載控制器測試平臺

圖5 亦莊線仿真測試平臺架構(gòu)

4.2 仿真測試平臺的架構(gòu)

亦莊線仿真測試平臺主要由控制中心、實際車站、仿真車站、仿真測試環(huán)境、車輛模型及車載設(shè)備、軌旁設(shè)備6大區(qū)域組成(見圖5)。由于已經(jīng)保證VOBC子系統(tǒng)(車載ATP/ATO系統(tǒng))、地面ATP設(shè)備在實驗室內(nèi)與現(xiàn)場的接口和邏輯保持完全一致，所以通過此平臺測試完畢的設(shè)備，可以不經(jīng)任何修改，直接應(yīng)用于現(xiàn)場。在圖6中，虛線內(nèi)描述的是亦莊線仿真測試平臺中的最小系統(tǒng)。

在構(gòu)建仿真測試平臺時，提取信號系統(tǒng)中的核心設(shè)備和典型設(shè)備作為最小系統(tǒng)的雛形，選取功能和接口全覆蓋的最小子集作為最小系統(tǒng)的首選模型，采用功能接口全部預(yù)留和增量式的整體架構(gòu)，搭建實驗室最小系統(tǒng)(見圖6)，包括2套車載控制器、1套真實CI、1套真實區(qū)域控制器、1套真實數(shù)據(jù)存儲單元、1套真實車站ATS和1套真實中心ATS。另外，為了提高測試人員在測試過程中的沉浸感，進而實現(xiàn)可視化測試的目的，該平臺也配置了三維視景仿真系統(tǒng)作為支撐。

圖6 測試平臺最小系統(tǒng)

圖7 亦莊線仿真測試平臺的功能

4.3 仿真測試平臺的功能

在亦莊線CBTC仿真測試平臺中，涵蓋了所有與信號系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備或者組件，確保了所有狀態(tài)都是可觀和可控的，可以實現(xiàn)信號系統(tǒng)的全功能仿真(見圖7)。平臺采用樁模塊的思路，實現(xiàn)不同目的仿真測試平臺的轉(zhuǎn)換，通過進行不同的軟件和數(shù)據(jù)配置，CBTC系統(tǒng)集成仿真與測試平臺可以實現(xiàn)全線所有線路的仿真測試和單一集中站實際設(shè)備的集成測試與系統(tǒng)測試。

如果將亦莊線仿真測試平臺中的設(shè)備配置為與現(xiàn)場完全一致的軟件和數(shù)據(jù)，就可以為現(xiàn)場出現(xiàn)的問題提供一個室內(nèi)問題復(fù)現(xiàn)和分析的平臺，大大提高解決問題的效率。

5 結(jié)語

覆蓋最小系統(tǒng)模型的仿真測試平臺可以作為科研階段的成果驗證平臺，也可以作為工程階段的系統(tǒng)設(shè)計檢驗平臺、軟件測試平臺，還可以作為運行階段的狀態(tài)分析平臺。同樣，在現(xiàn)場也需要選取最小系統(tǒng)(如采用3站2區(qū)間樣板段)作為初期動車調(diào)試的測試和驗證平臺。通過針對最小系統(tǒng)的測試，可以大大提高工程質(zhì)量，加快工程進度。

總之，CBTC系統(tǒng)是一個龐大的分布式控制系統(tǒng)。針對大系統(tǒng)建設(shè)和調(diào)試的特點，應(yīng)當有針對性地選擇最小系統(tǒng)并構(gòu)建測試平臺;通過在這個測試平臺上進行硬件最小化、功能最大化的測試驗證，從而實現(xiàn)縮短建設(shè)周期、提高開通質(zhì)量的目標。

［1］郜春海.基于通信的軌道交通列車運行控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007(2):7-10.

［2］王偉.CBTC測試平臺關(guān)鍵問題研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

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［5］徐田華.概率模型檢驗的研究及其在列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.北京:北京交通大學，2008.

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［7］鮑紅杰.計算機聯(lián)鎖軟件測試平臺關(guān)鍵技術(shù)的研究與設(shè)計［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2006.