基于CAN總線的CBTC仿真測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

葛新宇,黨建武

(1.蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué),蘭州 730070)

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，基于通信的列車控制CBTC(Communication Based Train Control)系統(tǒng)由于其高速度、高密度等特點已經(jīng)成為當(dāng)今軌道交通首選通信制式。CBTC系統(tǒng)核心部分通過軟件實現(xiàn)并采用模塊化設(shè)計，減少了系統(tǒng)硬件數(shù)量，方便了系統(tǒng)的維護，大大減少了維護費用。美國拉斯維加斯單軌電車是世界上第一條采用CBTC作為信號制式的城市軌道交通線路，自此CBTC系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于城市軌道交通中，在我國主要有廣州地鐵4號線、北京地鐵4號線、北京地鐵10號線及香港迪士尼專線等。但是在CBTC系統(tǒng)研發(fā)階段如何為正在研發(fā)的系統(tǒng)提供一個發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障排除故障的平臺，成為了制約系統(tǒng)研發(fā)的障礙。

由于為CBTC系統(tǒng)[1-3]提供真實的環(huán)境進行測試并不現(xiàn)實，因為要為系統(tǒng)提供真實的鐵路線路和列車，因此采用仿真測試的手段就顯得更加理想。CBTC仿真測試系統(tǒng)可在CBTC系統(tǒng)研發(fā)過程中使用模擬器為車載設(shè)備提供一個模擬真實的工作環(huán)境，為CBTC的研發(fā)提供在實驗室重現(xiàn)現(xiàn)場運營場景和進行故障分析的手段。在實現(xiàn)CBTC仿真測試系統(tǒng)時首先應(yīng)對列車運行環(huán)境進行建模，在建模過程中存在線路數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、信號數(shù)據(jù)等大量數(shù)據(jù)，如何有效地組織管理這些數(shù)據(jù)，仿真測試系統(tǒng)各個子系統(tǒng)應(yīng)該采用怎么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都直接影響模擬環(huán)境的真實性。

1 基于CAN總線的仿真測試系統(tǒng)

1.1 仿真測試系統(tǒng)簡介

仿真測試系統(tǒng)[4-6]為車載系統(tǒng)提供相關(guān)接口并通過車載通信總線DCS與車載設(shè)備進行通信。運用仿真手段模擬列車運營環(huán)境，可對列車運行中典型問題進行故障注入，并記錄測試結(jié)果，通過對測試結(jié)果的分析給出故障評定，為車載設(shè)備提供檢測故障的依據(jù)，它主要由以下子系統(tǒng)組成。

測試服務(wù)器——提供人機交互界面并根據(jù)速度模擬器計算的速度信息和距離信息，對列車進行位置跟蹤，協(xié)調(diào)各模擬器工作，向各模擬器發(fā)送測試條件，模擬列車在真實線路上的運行環(huán)境；實現(xiàn)車載系統(tǒng)功能測試管理，包括測試條件的生成，自動測試以及測試結(jié)果的驗證，輸出測試記錄等。

列車模擬器——模擬列車與車載設(shè)備的功能接口，提供列車兩端主控手柄、方向手柄、模式按鈕、ATO(列車自動駕駛)開始按鈕、確認(rèn)按鈕等駕駛臺操作信息；模擬列車開關(guān)量狀態(tài)：門狀態(tài)、門模式、完整性信息等列車狀態(tài)信息，同時顯示列車的狀態(tài)：ATO發(fā)車、AR(自動折返)提示、制動狀態(tài)、門開關(guān)命令等，綜合顯示列車的運行狀態(tài)信息；列車模擬器還把自身的工作狀態(tài)及接口數(shù)據(jù)反饋給測試服務(wù)器。

速度模擬器——速度模擬器根據(jù)列車模擬器發(fā)送來的牽引制動指令和方向手柄信息、ATO牽引制動指令和ATP(列車自動防護)輸出的EB(緊急制動)、NB(常用制動)信息和牽引切除指令，計算列車當(dāng)前應(yīng)有的速度和加速度；根據(jù)列車當(dāng)前的速度和加速度輸出相應(yīng)的TG脈沖信號和測速雷達(dá)速度信號給車載設(shè)備；并且可以根據(jù)測試服務(wù)器的測試指令模擬列車打滑空轉(zhuǎn)；同時將列車的速度和距離信息發(fā)送給測試服務(wù)器；速度模擬器可以同時提供頭尾車載設(shè)備的速度信號。

無線報文生成器——模擬無線功能接口，根據(jù)測試服務(wù)器報文條件，生成相應(yīng)的無線報文發(fā)送給車載子系統(tǒng)，并接收車載設(shè)備的輸出信息，解析并反饋給測試服務(wù)器。無線報文生成器可以支持頭尾車載設(shè)備的同時工作。

應(yīng)答器報文生成器——模擬應(yīng)答器功能接口，根據(jù)測試服務(wù)器報文條件，生成相應(yīng)的應(yīng)答器報文發(fā)送給車載子系統(tǒng)。應(yīng)答器報文生成器可以支持頭尾車載設(shè)備的同時工作。

對端模擬器——模擬列車另一端車載設(shè)備，提供頭尾車載設(shè)備通信接口模擬功能。

數(shù)據(jù)管理服務(wù)器——對整個系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)進行組織管理，并存儲由測試服務(wù)器生成的測試結(jié)果。

測試總線——用于各個子系統(tǒng)間通信。

各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 CBTC仿真測試系統(tǒng)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

1.2 仿真測試系統(tǒng)簡單工作流程

本段以列車開始啟動并在運行過程中人為開啟列車左門為例對CBTC仿真測試系統(tǒng)工作過程進行簡單介紹[7]。當(dāng)CBTC仿真測試系統(tǒng)與車載建立通信后，可在列車模擬器子系統(tǒng)中插入鑰匙并開啟列車，同時觀察列車完整性、門狀態(tài)指示燈是否為綠燈，若為綠燈證明列車完整性與門狀態(tài)完好，按下確認(rèn)按鈕解除列車EB狀態(tài)，同時拉動方向和牽引手柄，此時列車開始啟動。當(dāng)列車運行經(jīng)過2個應(yīng)答器后測試服務(wù)器將追蹤到列車位置，并根據(jù)列車位置與線路情況驅(qū)動無線報文生成器向車載發(fā)送無線報文，無線報文中包含有移動授權(quán)信息(MA)。車載根據(jù)MA信息向MA終點運行，若此時測試人員通過人機交互界面將列車左門打開，車載ATP將控制列車緊急制動直至速度為零。若測試人員不做任何操作，在列車向MA終點運行的過程中車載未收到新的MA信息，那么車載ATO將會把列車停在MA終點，若接收到新的MA信息，那么車載ATO將會控制列車?yán)^續(xù)向新的MA終點運行。若在測試過程中出現(xiàn)任何一種預(yù)計結(jié)果以外的結(jié)果都將視為車載設(shè)備故障，并生成測試記錄，以便分析車載設(shè)備的故障問題，整個過程如圖2所示。

2 CAN總線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 CAN總線協(xié)議

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)CAN協(xié)議[8]只是在OSI七層模型中的鏈路層做出了規(guī)定，對物理層并沒有做出詳細(xì)的說明。在CAN協(xié)議中對鏈路層的規(guī)定表現(xiàn)在目標(biāo)層和傳輸層中，目標(biāo)層的功能包括：確認(rèn)要發(fā)送的信息，為應(yīng)用層提供接口；傳輸層功能包括：數(shù)據(jù)幀組織，總線仲裁，檢錯、錯誤報告、錯誤處理。ISO11898標(biāo)準(zhǔn)滿足CAN協(xié)議與仿真測試系統(tǒng)在傳輸速度的要求，因此仿真測試系統(tǒng)采用ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 CBTC仿真測試系統(tǒng)測試過程

圖3 CAN分層結(jié)構(gòu)

2.2 幀類型和幀格式

CAN總線中數(shù)據(jù)通信是基于消息的，所有的消息都是以固定的格式進行發(fā)送并在總線上進行廣播，這樣就保證了每個節(jié)點都可以收到消息以及消息的一致性，CAN總線定義了4種數(shù)據(jù)幀類型：數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀，過載幀。數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)的固定格式，遙控幀是請求發(fā)送單元發(fā)送數(shù)據(jù)的幀，錯誤幀是檢測節(jié)點的工作狀態(tài)的幀，過載幀是用于接收單元通知其尚未做好準(zhǔn)備的幀；圖4表示了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式。

起始城仲裁域控制域數(shù)據(jù)域CRC域應(yīng)答域結(jié)束

圖4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式

2.3 CAN總線的仲裁機制和校驗措施

CAN總線是多主控總線結(jié)構(gòu)[9]，每一個節(jié)點都可以發(fā)送接收數(shù)據(jù)， CAN總線采用仲裁機制確定發(fā)送權(quán)歸屬于哪個節(jié)點。CAN總線的仲裁機制是在當(dāng)多個節(jié)點進行發(fā)送時通過對其仲裁段顯性電平(值0)出現(xiàn)的次數(shù)進行比較，顯性電平最多的節(jié)點獲得當(dāng)前發(fā)送權(quán)，其他節(jié)點將失去發(fā)送權(quán)轉(zhuǎn)為接受數(shù)據(jù)，同時失去發(fā)送權(quán)的節(jié)點可在當(dāng)前發(fā)送完畢之后繼續(xù)進行仲裁以獲得發(fā)送權(quán)，CAN總線的仲裁機制保證了信息的完整性同時節(jié)省了時間。

CRC校驗可以保證CAN節(jié)點中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，并且CRC校驗實現(xiàn)簡單，檢錯能力強。因此在仿真測試系統(tǒng)中采用CRC-16保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

2.4 CAN總線設(shè)計

CAN總線[10]的設(shè)計包括：CAN收發(fā)器用來對數(shù)據(jù)鏈路層進行組幀和物理層比特流的生成；微控制器用來對接口邏輯、數(shù)據(jù)緩沖、濾波、位流處理、錯誤管理邏輯等邏輯進行統(tǒng)一管理；CAN協(xié)議控制器完成CAN協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容。CAN總線的設(shè)計如圖5所示。DS80C390芯片集成了微控制器與CAN協(xié)議控制器，采用這樣的芯片不僅提高了系統(tǒng)的集成度，還節(jié)省了空間降低了成本。

圖5 CBTC仿真測試系統(tǒng)CAN總線連接

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織(圖6)

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

仿真測試系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)[11]。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括線路數(shù)據(jù)、列車參數(shù)數(shù)據(jù)等這種在系統(tǒng)中固定不變的數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)運行中隨之改變的數(shù)據(jù)，例如人機交互信息等。

靜態(tài)數(shù)據(jù)庫用來對列車運行環(huán)境以及車輛信息進行初始化配置。如軌道線路的初始化(閉塞區(qū)間ID、區(qū)間長度、坡度等)、列車初始化(列車載重、列車阻力、機車牽引力模式)、信號的初始化(道岔、信號機、計軸)。

圖6 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

動態(tài)數(shù)據(jù)主要包括模擬量實時數(shù)據(jù)，開關(guān)量實時數(shù)據(jù)和派生量實時數(shù)據(jù)，如在列車模擬器中模擬列車駕駛臺的開關(guān)按鈕(開左門、關(guān)左門、ATO啟動、模式升、模式降等)。動態(tài)數(shù)據(jù)的更新是通過在測試服務(wù)器中人機交互界面的相關(guān)操作與測試服務(wù)器內(nèi)部邏輯進行更新變化。

3.2 基于對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

運用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法[12]，將每一個要素對象化。以每一個分區(qū)為基本對象將其抽象為一個節(jié)點，線路上所有的位置信息用<分區(qū)，偏移量>的相對坐標(biāo)表示，可以將多個節(jié)點通過樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將每個節(jié)點進行有機的結(jié)合，來表示一條完整的線路。每個對象具有獨立的性能數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)， 如分區(qū)ID、長度、正反接分區(qū)ID等， 這些數(shù)據(jù)只能由與線路有關(guān)的事件享用。圖7列出了仿真測試系統(tǒng)的對象標(biāo)示。

圖7 仿真測試系統(tǒng)的對象標(biāo)示

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

仿真測試系統(tǒng)中線路數(shù)據(jù)全部來自于工程圖紙，DBMS采用SQL Server 2005關(guān)系數(shù)據(jù)庫。仿真測試系統(tǒng)需要將分離出來的對象用SQL語言進行表示，具體內(nèi)容包括：將屬性映射成列；在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)繼承；將類映射成表；映射關(guān)聯(lián)、聚合以及組合。

將抽象出的對象映射成SQL中的表有很多方式，一個類可以對應(yīng)于一張表；也可以對應(yīng)于多張表；還可以幾個類組合成一張表，有時候一個類的一個屬性也可以對應(yīng)于一張單獨的表等。

當(dāng)一個類是獨立的、沒有任何繼承關(guān)系，又與其他類無相同的屬性信息，就可以將它簡單地與一個數(shù)據(jù)庫表進行一一對應(yīng)，并在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置PRIMART KEY約束，保證數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性。例如列車參數(shù)類，如圖8所示。

圖8 列車參數(shù)映射關(guān)系

當(dāng)一個類的某一屬性在多個對象中具有相同的屬性時，例如信號機，在線路參數(shù)中主要包含位置<分區(qū)，偏移量>屬性，同時在動態(tài)數(shù)據(jù)中還要包含信號機的狀態(tài)屬性，因此信號機對象映射為2個列表，此時添加表的PRIMART KEY作為FOREIGN KEY引入到原數(shù)據(jù)庫中，使這2個表聯(lián)系起來，這樣可以避免數(shù)據(jù)冗余。

由于映射方式很多，各種映射關(guān)系各不相同在此處就不做詳細(xì)敘述。

4 應(yīng)用

在CBTC仿真測試系統(tǒng)中，基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法組織數(shù)據(jù)庫，用<分區(qū)，偏移量>的相對坐標(biāo)表示位置信息可以獲得精確的位置信息和移動授權(quán)信息，從而實現(xiàn)移動閉塞的追蹤、折返、出入段的仿真。為CBTC車載系統(tǒng)提供一個真實的模擬環(huán)境及故障處理手段。

圖9 仿真測試系統(tǒng)運行圖

圖9所示是仿真測試系統(tǒng)運行站場圖，圖中線路中每一小段代表一個分區(qū)，矩形代表站臺，在站臺的左側(cè)有S(Skip)、H(Hold)字母是跳?？圮嚇?biāo)志，當(dāng)兩個字母都顯示時列車既不調(diào)停也不扣車，列車正常運行，當(dāng)只有一個字母時則代表列車將在此站跳停(S)或扣車(H)，在站臺與軌道之間的一條線代表屏蔽門的狀態(tài)。用三角號表示應(yīng)答器(只畫出了有源應(yīng)答器)，雙圓表示計軸設(shè)備，單圓表示信號機，并用矩形和四分之一圓的組合圖形表示列車，四分之一圓代表車頭方向，在列車的上方顯示列車速度以及運行模式等信息。線路上下方坐標(biāo)軸用以顯示列車在上行、下行線時的速度距離曲線。

以章節(jié)1.2仿真測試系統(tǒng)簡單工作流程所述過程為例，圖9(a)為列車正常運行，從下方坐標(biāo)軸中的速度距離曲線中看以看到，列車將運行到測試站三并在停在測試站三，在列車行進過程中人為打開車門時，車載ATP發(fā)現(xiàn)存在安全隱患使列車進入緊急制動狀態(tài)，直到列車速度為零并待人為確定無安全隱患時才可以重新啟動列車如圖9(b)所示。

5 結(jié)論

本文基于CBTC仿真測試系統(tǒng)，根據(jù)仿真的需求運用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法對數(shù)據(jù)庫進行設(shè)計，對現(xiàn)實車輛環(huán)境進行了抽象，對站場元素進行了精確描述。同時仿真測試系統(tǒng)采用CAN總線，通過仲裁機制和CRC校驗來保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，從而加大了數(shù)據(jù)庫和仿真測試系統(tǒng)的可靠、準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)的設(shè)計滿足了在實驗室重現(xiàn)現(xiàn)場運行的要求，為CBTC系統(tǒng)研發(fā)提供了一個排除故障的平臺。但是列車運行環(huán)境千變?nèi)f化，本系統(tǒng)僅提供了列車運行的理想環(huán)境，對于列車在雨雪天氣等惡劣環(huán)境下的運行并沒有考慮，在以后的研究中將對列車運行復(fù)雜多變的環(huán)境進行補充，增加系統(tǒng)的實用性。

[1] 辛驥，陳微.淺談基于CBTC的地鐵列車定位功能[J].鐵道通信信號，2008(9):4-6.

[2] 王偉，張建明.基于最小系統(tǒng)的CBTC仿真測試平臺[J].都市快軌交通，2011，24(4):33-36.

[3] 魯也傳，陳永生,郭玉臣.基于通信的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用，2009，29(S2):152-154.

[4] 王超.一種適用于CBTC仿真測試的校本研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010．

[5] 李亮，陳寧.CBTC軟件仿真輔助開發(fā)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].鐵道通信信號，2010，46 (S1):50-51.

[6] 王琰.基于通信的列車控制系統(tǒng)后備系統(tǒng)的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(6):133-134.

[7] 楊楊.基于故障注入的CBTC系統(tǒng)測試的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2009．

[8] 季特.車載通信解決方案剖析CAN總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)[J].電子測試，2005(10):34-36.

[9] 左希慶，李天真.基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化,2007(5):64-66.

[10] 張麗平，梁清華，周瑩.基于CAN總線的實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，30(2):84-86.

[11] 杜菡萏，焦萬立.基于有向圖的CBTC 仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計[J].鐵路計算機應(yīng)用，2012，21(1):49-51.

[12] 王成，唐濤.CBTC仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機仿真，2007，24(9):258-264.