軌道交通基于最小系統(tǒng)的測試仿真試驗(yàn)平臺(tái)研究

丁樹奎

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037）

0 引言

城市軌道交通是涉及土建、機(jī)械、電氣、電子、通信及大型裝備制造等領(lǐng)域的技術(shù)密集型系統(tǒng)，其技術(shù)裝備的水平反映了國家的產(chǎn)業(yè)技術(shù)和管理水平。國內(nèi)城市軌道交通的系統(tǒng)或設(shè)備創(chuàng)新通常是采用經(jīng)評(píng)審鑒定和單元設(shè)備試驗(yàn)室測試后就直接上線應(yīng)用的方式，在現(xiàn)場安裝、調(diào)試出現(xiàn)問題后再進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，不僅延長了開發(fā)周期，還可能存在較大安全和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。如何使系統(tǒng)包括產(chǎn)品在工程應(yīng)用之前確保功能的完整性、性能的穩(wěn)定性、接口的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)的安全性及可用性等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)階段和工程應(yīng)用階段的無縫銜接，成為國產(chǎn)化技術(shù)創(chuàng)新過程中亟待解決的問題。

根據(jù)系統(tǒng)工程學(xué)的半實(shí)物仿真理論，北京軌道交通亦莊線信號(hào)示范工程和AFC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)優(yōu)化等項(xiàng)目在建設(shè)過程中建立了基于最小系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)，其可在室內(nèi)完成絕大部分測試用例的執(zhí)行與驗(yàn)證，有效把握住系統(tǒng)的研發(fā)、工程實(shí)施及系統(tǒng)運(yùn)行三個(gè)階段的順利過渡，保證了工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度。本文在此基礎(chǔ)上，提出城市軌道交通基于最小系統(tǒng)的測試仿真試驗(yàn)平臺(tái)，以系統(tǒng)工程的視角為城市軌道交通系統(tǒng)提供安全、可靠的技術(shù)保證。

1 半實(shí)物仿真和基于最小系統(tǒng)的仿真

1.1 半實(shí)物仿真

系統(tǒng)仿真的高真實(shí)性、高性能價(jià)格比和可實(shí)施性一直是開展仿真工作所追求的。半實(shí)物仿真是工程領(lǐng)域內(nèi)一種應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)仿真回路中接入一些實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，因而更接近實(shí)際情況。

半實(shí)物仿真系統(tǒng)一般由仿真設(shè)備、參試設(shè)備、參試軟件、各種接口設(shè)備、仿真控制臺(tái)和支持服務(wù)系統(tǒng)等六個(gè)部分組成，如圖1所示：

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)連接關(guān)系示意圖

1.2 基于最小系統(tǒng)的仿真

基于最小系統(tǒng)的仿真（以下簡稱最小系統(tǒng)）是以半實(shí)物仿真技術(shù)為理論基礎(chǔ)搭建的，卻是另外一種半實(shí)物仿真，是在實(shí)物基礎(chǔ)上接入輔助的仿真設(shè)備構(gòu)成仿真系統(tǒng)?；咀龇ㄊ侵苯舆\(yùn)用真實(shí)系統(tǒng)的核心設(shè)備和典型設(shè)備作為仿真系統(tǒng)的基本組建元素，采用功能接口可擴(kuò)展和增量式的整體架構(gòu)，可直接運(yùn)行真實(shí)系統(tǒng)軟件，能為測試真實(shí)系統(tǒng)所必備的系統(tǒng)性安全功能提供真實(shí)的環(huán)境，應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)、測試、驗(yàn)證等全生命周期。

所謂“最小系統(tǒng)”，既可以理解為真實(shí)系統(tǒng)在滿足必備的系統(tǒng)性安全功能要求下的最小化，又可以理解為在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中設(shè)備及軟件實(shí)物程度的最大化。

基于最小系統(tǒng)的仿真正逐步成為現(xiàn)代城市軌道交通裝備上線應(yīng)用前的必要步驟，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1）能夠最大限度地驗(yàn)證必備的系統(tǒng)性安全功能；

2）能夠有效地檢驗(yàn)設(shè)備及軟件是否完整符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

3）能夠在最短時(shí)間內(nèi)根據(jù)實(shí)際運(yùn)營需求對(duì)設(shè)備及軟件功能進(jìn)行優(yōu)化。

基于最小系統(tǒng)的仿真成本有所提高，但具有較高的性能價(jià)格比。以北京市軌道交通AFC新城線系統(tǒng)接入組網(wǎng)為例，通過最小系統(tǒng)仿真測試，確保了即將上線應(yīng)用的設(shè)備及軟件約80%的測試在最小系統(tǒng)中完成，且通過“測試-改進(jìn)-再測試-再改進(jìn)”的回歸測試模式，測試通過率達(dá)到100%，如表1所示，通過三輪測試，每個(gè)測試單元的測試通過率均達(dá)到運(yùn)營指標(biāo)要求，為上線應(yīng)用提供了可靠的安全保障。

基于最小系統(tǒng)的仿真具有較強(qiáng)的可實(shí)施性。它既可以在某個(gè)線路復(fù)雜的專業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用如亦莊等線的信號(hào)系統(tǒng)，也可以在面向全網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)專業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用如北京AFC系統(tǒng)，還可以面向軌道交通各專業(yè)跨專業(yè)搭建仿真平臺(tái)如北京地鐵6號(hào)線的綜合監(jiān)控與信號(hào)專業(yè)的最小系統(tǒng)。

2 基于最小系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)的功能定位

基于最小系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)的功能定位應(yīng)覆蓋從設(shè)計(jì)研發(fā)到正式運(yùn)行的全過程。

2.1 設(shè)計(jì)研發(fā)階段研發(fā)目標(biāo)成果和成果驗(yàn)證平臺(tái)

最小系統(tǒng)采用實(shí)際設(shè)備替代仿真設(shè)備與整個(gè)仿真環(huán)境結(jié)合，可以快速地驗(yàn)證新產(chǎn)品的功能和性能，為產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)集成奠定基礎(chǔ)；它可以形象地向用戶展示系統(tǒng)的原理和功能，并通過不同專業(yè)的專家對(duì)此平臺(tái)應(yīng)用的建議，完善整體需求以及功能。

最小系統(tǒng)提供完整規(guī)范的測試方案與檢測儀器，可以通過實(shí)際設(shè)備和仿真設(shè)備的不同組合實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)的測試平臺(tái)，使系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和軟件的功能得到驗(yàn)證。

2.2 工程實(shí)施階段的檢驗(yàn)與測試平臺(tái)

最小系統(tǒng)脫離硬件環(huán)境的約束，結(jié)合仿真函數(shù)庫和模型庫，可以迅速對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行原型實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證整體解決方案的可用性，可以在工程早期發(fā)現(xiàn)一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)，提高整體解決方案的可用性。通過進(jìn)行故障注入，可以驗(yàn)證整體解決方案中極端情況下的處理能力。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行階段的狀態(tài)分析平臺(tái)

在最小系統(tǒng)的仿真測試環(huán)境下，通過使用真實(shí)設(shè)備保證現(xiàn)場與試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)備一致，在該平臺(tái)幾乎可以完全仿真現(xiàn)場遇到的情況，可以把實(shí)際設(shè)備配置成不同的車站設(shè)備，以復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，進(jìn)而對(duì)運(yùn)行階段產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析，尋找解決方案，提高解決問題的效率。

3 基于最小系統(tǒng)的線路仿真試驗(yàn)平臺(tái)

表1 2010年底北京開通的部分新線路AFC系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)

軌道交通包含多個(gè)子系統(tǒng)，各專業(yè)之間接口較多，為使接口得到更真實(shí)的仿真，仿真平臺(tái)應(yīng)用效率更高。根據(jù)各子系統(tǒng)的終端設(shè)備執(zhí)行設(shè)備差異較大，但各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中心設(shè)備方面具有較強(qiáng)相似性的特點(diǎn)，搭建基于最小系統(tǒng)的線路仿真平臺(tái)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

3.1 基本硬件組成

硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，由基于最小系統(tǒng)方式選取的各專業(yè)終端設(shè)備單元、典型車站設(shè)備單元、參試系統(tǒng)的中心設(shè)備單元和輔助設(shè)備（串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信及仿真管理臺(tái)）四個(gè)部分組成。

圖2 軌道交通基于最小系統(tǒng)的線路仿真試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的仿真模型庫

有必要建立仿真模型庫，增強(qiáng)最小系統(tǒng)的通用性和可復(fù)用性。用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的仿真模塊具有良好的封裝性、可復(fù)用性及互操作性，使得大量的模塊可以存入庫中，為日后仿真時(shí)所復(fù)用。

下面以信號(hào)系統(tǒng)為例說明仿真模型庫的建立。

信號(hào)系統(tǒng)建模中的對(duì)象包括車站模型、軌旁設(shè)備模型、車載模型。信號(hào)系統(tǒng)的核心設(shè)備是車載控制器和區(qū)域控制器；典型設(shè)備是軌旁設(shè)備。測試中，使用車載ATP、ATO控制器實(shí)物替代原有的車載模型，即可使用最小信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車載控制器實(shí)物進(jìn)行測試；使用區(qū)域控制器實(shí)物代替原有區(qū)域控制器模型，即可使用最小信號(hào)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域控制器實(shí)物進(jìn)行測試。如果使用一套車載設(shè)備實(shí)物與完整的一套車站設(shè)備實(shí)物即可形成樣板段測試環(huán)境。

3.3 仿真管理軟件構(gòu)成

管理軟件是基于上述接口硬件之上，考慮到通用性以及操作的簡便性。同時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的是真實(shí)軟件與平臺(tái)的結(jié)合以及仿真建模中的事件建模。模型庫中包含了對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)實(shí)體的各種對(duì)象，還有離散事件仿真必要的仿真時(shí)鐘、時(shí)間推進(jìn)事件對(duì)象和運(yùn)動(dòng)推進(jìn)事件對(duì)象。仿真時(shí)鐘是模擬現(xiàn)實(shí)世界時(shí)間推進(jìn)的軟件對(duì)象，對(duì)象狀態(tài)只在事件發(fā)生的時(shí)間里改變。時(shí)間推進(jìn)事件對(duì)象對(duì)應(yīng)列車操作中的現(xiàn)實(shí)事件，如在信號(hào)系統(tǒng)的仿真中這些事件可以是列車停穩(wěn)、車門打開、車門關(guān)閉等, 車門打開時(shí)間事件的狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)推動(dòng)事件對(duì)象在信號(hào)系統(tǒng)的仿真中對(duì)應(yīng)列車運(yùn)行過程中的現(xiàn)實(shí)事件，如列車開始自動(dòng)駕駛、列車開始進(jìn)站剎車等，列車開始進(jìn)站剎車這一運(yùn)動(dòng)事件的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

通過對(duì)最小系統(tǒng)的論述表明，最小系統(tǒng)的應(yīng)用作為研發(fā)與工程結(jié)合的創(chuàng)新，使建立在其基礎(chǔ)上的測試仿真試驗(yàn)平臺(tái)發(fā)揮了更大作用，大大提高在線調(diào)試的工作效率及性能分析的可靠性，加快城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)程，為城市軌道交通產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起到良好的推動(dòng)作用。

[1] 汪應(yīng)洛. 系統(tǒng)工程學(xué)（第四版）[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2008.

[2] 郭齊勝, 董志明, 李亮, 曹軍海, 單家元. 系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

[3] 單家元, 孟秀云, 丁艷. 半實(shí)物仿真[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.

[4] 吳汶麟. 城市軌道交通信號(hào)與通信系統(tǒng)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2000.

[5] 丁樹奎. 城軌交通自主化CBTC技術(shù)與工程管理創(chuàng)新[J].現(xiàn)代城市軌道交通, 2011, 3: 1-4.