列車(chē)控制仿真測(cè)試平臺(tái)中模擬臨時(shí)限速服務(wù)器研究

王 喆，郭艷軍

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

列車(chē)控制中心（以下簡(jiǎn)稱列控中心）是CTCS-2級(jí)列車(chē)控制系統(tǒng)地面設(shè)備的重要組成部分，是完成地面信息處理并向列車(chē)動(dòng)態(tài)傳送信息的關(guān)鍵信號(hào)設(shè)備，是高安全性、高可靠性要求的系統(tǒng)。它對(duì)站內(nèi)和區(qū)間軌道電路的載頻、低頻信息編碼，依據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)當(dāng)前的進(jìn)路狀態(tài)、臨時(shí)限速服務(wù)器（Temporary Speed Restrictions Server，以下簡(jiǎn)稱TSRS）下達(dá)的臨時(shí)限速命令和應(yīng)答器報(bào)文定義原則對(duì)應(yīng)答器用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)組幀和編碼，控制有源應(yīng)答器向車(chē)載子系統(tǒng)傳送信息，保證列控中心管轄內(nèi)列車(chē)的運(yùn)行安全[1]。因此，列控中心的安全性測(cè)試成為驗(yàn)證系統(tǒng)功能，確認(rèn)系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)需求，是否具有足夠安全性防護(hù)能力的重要手段。通過(guò)建立TSRS仿真，驗(yàn)證和檢測(cè)列控中心與其之間交互的安全性和正確性，是列車(chē)控制設(shè)備在投入運(yùn)營(yíng)前必須完成的室內(nèi)仿真測(cè)試的重要組成部分。

1 TSRS-TCC通信框架

TSRS與列控中心（TCC）之間采用以太網(wǎng)通信方式，使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）并采用信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)互連，確保信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。其安全通信體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

按照TSRS-TCC通信協(xié)議要求，列控中心要向TSRS定期發(fā)送閉塞分區(qū)狀態(tài)信息、應(yīng)答器方向信息，另外，根據(jù)TSRS的請(qǐng)求還需要發(fā)送當(dāng)前執(zhí)行的臨時(shí)限速信息以及臨時(shí)限速下達(dá)過(guò)程中反饋給TSRS的臨時(shí)限速錯(cuò)誤回執(zhí)；TSRS主要向列控中心發(fā)送周期時(shí)鐘信息、初始化命令和臨時(shí)限速命令等。

圖1 TSRS-TCC安全通信體系結(jié)構(gòu)

2 軟件模塊結(jié)構(gòu)

基于模塊功能高內(nèi)聚、低耦合的原則，TSRS仿真系統(tǒng)從功能角度可以劃分為3層：表示層、應(yīng)用層和通信層，如圖 2所示。

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

通信層在鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議的基礎(chǔ)上負(fù)責(zé)對(duì)外通信功能，對(duì)上層應(yīng)用屏蔽一切通信細(xì)節(jié)；應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理模擬TSRS的應(yīng)用邏輯，包括臨時(shí)限速下達(dá)、基于分界點(diǎn)的臨時(shí)限速測(cè)試用例生成、故障注入等；表示層負(fù)責(zé)將收到的列控中心數(shù)據(jù)用圖形或者表格的形式表現(xiàn)出來(lái)。

3 通信層設(shè)計(jì)

列控中心和TSRS的邏輯處理主機(jī)均采用二乘二取二的可靠性和安全性冗余結(jié)構(gòu)，其中列控中心的每系每個(gè)端口與TSRS兩系的對(duì)應(yīng)端口均建立通信連接，如圖 3所示，A、B兩網(wǎng)一共有8個(gè)通信通道，只要有一個(gè)通道能夠保持通信連接，列控中心與TSRS之間就能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖3 TSRS與TCC連接示意圖

TSRS仿真系統(tǒng)的通信層接收應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)方列控中心的主備系，其中只有模擬TSRS的主系向?qū)Ψ皆O(shè)備的主、備系發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，模擬備系不向?qū)Ψ皆O(shè)備發(fā)送任何數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)初始化模塊

系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)配置文件來(lái)初始化系統(tǒng)狀態(tài)。仿真系統(tǒng)配置文件主要包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置文件，文件中定義了列控中心編號(hào)、臨時(shí)限速服務(wù)器編號(hào)，列控中心主備機(jī)的IP地址和端口號(hào)、TSRS主備機(jī)IP地址和端口號(hào)、故障安全現(xiàn)場(chǎng)總線FSFB安全協(xié)議通信參數(shù)等信息。系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)讀取網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，然后將參數(shù)傳遞給通信層并對(duì)通信層和應(yīng)用層的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行初始化。

4.2 臨時(shí)限速手動(dòng)執(zhí)行模塊

本系統(tǒng)最重要的功能就是能夠?qū)α锌刂行南逻_(dá)臨時(shí)限速。臨時(shí)限速手動(dòng)執(zhí)行模塊接收用戶輸入的臨時(shí)限速參數(shù)信息，包括臨時(shí)限速所在線路號(hào)、臨時(shí)限速速度值、起點(diǎn)公里標(biāo)、終點(diǎn)公里標(biāo)、長(zhǎng)鏈信息、里程標(biāo)系覆蓋標(biāo)志以及公里標(biāo)系標(biāo)識(shí)等，按照通信協(xié)議組成應(yīng)用數(shù)據(jù)包交給通信層下達(dá)給指定的列控中心設(shè)備。該模塊接收用戶的一次輸入并執(zhí)行一條臨時(shí)限速命令，可以通過(guò)表示層的臨時(shí)限速信息窗口或者錯(cuò)誤回執(zhí)窗口獲得臨時(shí)限速執(zhí)行的情況。該模塊適合對(duì)特定的臨時(shí)限速單步執(zhí)行并觀察相應(yīng)結(jié)果，從而達(dá)到對(duì)列控中心臨時(shí)限速處理模塊進(jìn)行調(diào)試的目的。

4.3 臨時(shí)限速自動(dòng)執(zhí)行模塊

臨時(shí)限速手動(dòng)執(zhí)行功能模塊一次只能執(zhí)行用戶輸入的一條臨時(shí)限速信息，而臨時(shí)限速自動(dòng)執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)對(duì)列控中心臨時(shí)限速功能模塊響應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間、大批量、任意點(diǎn)臨時(shí)限速處理能力進(jìn)行壓力和全覆蓋測(cè)試。因此，臨時(shí)限速自動(dòng)執(zhí)行模塊需要用戶提供整個(gè)測(cè)試區(qū)的起點(diǎn)、終點(diǎn)公里標(biāo)，單條臨時(shí)限速的長(zhǎng)度、同時(shí)執(zhí)行的臨時(shí)限速個(gè)數(shù)（按照協(xié)議一般不超過(guò)3條）、臨時(shí)限速距離間隔以及下達(dá)限速命令的時(shí)間間隔信息，圖 4為自動(dòng)下達(dá)臨時(shí)限速示意圖。

圖4 自動(dòng)下達(dá)臨時(shí)限速示意圖

臨時(shí)限速自動(dòng)執(zhí)行模塊會(huì)根據(jù)用戶提供的測(cè)試參數(shù)自動(dòng)下達(dá)、取消臨時(shí)限速，每條臨時(shí)限速的執(zhí)行情況都會(huì)被存儲(chǔ)到結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中，以方便在結(jié)束測(cè)試后測(cè)試人員對(duì)結(jié)果進(jìn)行核對(duì)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)列控中心系統(tǒng)錯(cuò)誤。當(dāng)臨時(shí)限速距離間隔和臨時(shí)限速區(qū)長(zhǎng)度都設(shè)置為1 m時(shí)，該模塊功能能夠遍歷所要測(cè)試區(qū)域的每1 m長(zhǎng)度，從而做到對(duì)整個(gè)測(cè)試區(qū)的完全覆蓋測(cè)試。

4.4 基于分界點(diǎn)的測(cè)試用例生成模塊

4.4.1 影響應(yīng)答器報(bào)文的臨時(shí)限速分界點(diǎn)

人們從長(zhǎng)期的測(cè)試工作經(jīng)驗(yàn)得知，大量的錯(cuò)誤是發(fā)生在輸入或輸出范圍的邊界上，而不是在輸入范圍的內(nèi)部，因此針對(duì)各種邊界情況設(shè)計(jì)測(cè)試用例，可以查出更多的錯(cuò)誤。臨時(shí)限速自動(dòng)執(zhí)行模塊雖然能夠?qū)α锌刂行墓茌牱秶鷥?nèi)的數(shù)據(jù)配置起到全覆蓋測(cè)試的作用，但是缺乏針對(duì)應(yīng)答器報(bào)文選擇影響較大的臨時(shí)限速關(guān)鍵分界點(diǎn)的測(cè)試功能。以某標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站下行線為例，當(dāng)排列了往下行線正向的側(cè)線發(fā)車(chē)進(jìn)路后，若臨時(shí)限速分別下達(dá)在進(jìn)路上、正向L1（85 km/h制動(dòng)到45 km/h的距離）范圍內(nèi)、正向L2（線路當(dāng)前方向最高允許速度制動(dòng)到45 km/h的距離）范圍內(nèi)或者管轄范圍以外時(shí)，對(duì)于側(cè)線發(fā)出應(yīng)答器中報(bào)文的臨時(shí)限速有效長(zhǎng)度、臨時(shí)限速速度值以及應(yīng)答器到臨時(shí)限速的距離等字段取值有非常大的影響。對(duì)于CTCS-2級(jí)列控中心，按照?qǐng)?bào)文定義規(guī)則，在排定指定進(jìn)路的情況下，綜合考慮線路正向反向、正線側(cè)線等因素，對(duì)列控中心報(bào)文生成影響較大的臨時(shí)限速分界點(diǎn)如圖 5所示。

基于上述分界點(diǎn)，可以在分界點(diǎn)前后以及跨相應(yīng)分界點(diǎn)處分別下達(dá)不同的臨時(shí)限速，然后核對(duì)相應(yīng)應(yīng)答器的報(bào)文來(lái)驗(yàn)證列控中心對(duì)上述關(guān)鍵區(qū)域報(bào)文生成功能的正確性。

4.4.2 參數(shù)化分界點(diǎn)的測(cè)試用例生成方法

基于參數(shù)化分界點(diǎn)的測(cè)試用例生成方法，支持測(cè)試人員自定義測(cè)試用例模板，并且能結(jié)合用例模板和本站分界點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成當(dāng)前車(chē)站的測(cè)試用例。

本方法將用例模板和分界點(diǎn)數(shù)據(jù)分離，用例模板中以參數(shù)的形式表示分界點(diǎn)數(shù)據(jù)；而分界點(diǎn)數(shù)據(jù)表中包含了當(dāng)前測(cè)試車(chē)站的相關(guān)分界點(diǎn)名稱（如表 1中定義）以及對(duì)應(yīng)的公里標(biāo)數(shù)值。

表 1 分界點(diǎn)參數(shù)定義

圖5 臨時(shí)限速特殊點(diǎn)示意圖

自定義測(cè)試用例模板是基于XML編寫(xiě)的腳本，腳本示例如下：

腳本中可以定義測(cè)試用例所在的分類(lèi)并且最大支持3級(jí)分類(lèi)，分別用標(biāo)簽、、表示。2級(jí)分類(lèi)標(biāo)簽中還可以定義線路號(hào)、上下行和正向反向等信息；第3級(jí)分類(lèi)就是具體的測(cè)試用例模板，其包括測(cè)試用例名稱和起點(diǎn)、終點(diǎn)公里標(biāo)信息。這里的起點(diǎn)、終點(diǎn)公里標(biāo)都是用表 1中分界點(diǎn)名稱來(lái)描述的，不涉及到具體的公里標(biāo)數(shù)值，因此通過(guò)這種方式定義的用例模板可以適用于任何車(chē)站。

為了能夠生成更加靈活的測(cè)試用例，還可以在標(biāo)簽的公里標(biāo)名稱后添加必要的加減運(yùn)算，比如“+1”，“-1”，“+n”，“-n”等，其含義如表 2所示。

表 2 公里標(biāo)運(yùn)算符定義

此處的“1”還可以替換為任意的常數(shù)值，內(nèi)方和外方指的是以當(dāng)前車(chē)站站內(nèi)區(qū)域?yàn)橹行?，遠(yuǎn)離該區(qū)域定義為外方，接近該區(qū)域定義為內(nèi)方。例如，“start="WayinSignal+n”表示臨時(shí)限速起點(diǎn)位于進(jìn)站口信號(hào)機(jī)外方任意（隨機(jī)數(shù)）距離；“end="FwdL1-10”表示臨時(shí)限速終點(diǎn)位于線路正向L1分界點(diǎn)內(nèi)方10 m處。

系統(tǒng)將自定義測(cè)試用例模板腳本和數(shù)據(jù)（分界點(diǎn)公里標(biāo)）腳本做關(guān)聯(lián)后，生成同具體車(chē)站相關(guān)的測(cè)試用例集合并以列表的形式顯示在系統(tǒng)中供用戶測(cè)試。通過(guò)該方法可以使得測(cè)試用例模板適用于絕大多數(shù)車(chē)站，對(duì)每個(gè)車(chē)站進(jìn)行測(cè)試之前只需要填寫(xiě)分界點(diǎn)公里標(biāo)表格即可，將測(cè)試人員的工作量降到了最小并提高了正確性。另外，如果需要添加新的測(cè)試用例類(lèi)型，只需要更改模板重新生成數(shù)據(jù)就可以更新所有待測(cè)試車(chē)站的測(cè)試用例，極大地提高了工作效率。

4.5 故障注入模塊

故障注入模塊用于模擬通信過(guò)程中各種可能出現(xiàn)的故障，以驗(yàn)證列控中心系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)通信故障的情況下對(duì)臨時(shí)限速的處理機(jī)制。

故障注入的類(lèi)型包括：通信中斷模擬（針對(duì)系統(tǒng)的8個(gè)通信信道，可以指定中斷其中任意一條或多條信道）、TSRS倒機(jī)模擬、通信周期異常、中斷時(shí)鐘包發(fā)送、通信包長(zhǎng)度異常等故障類(lèi)型。這些故障類(lèi)型可以逐個(gè)模擬也可以并發(fā)出現(xiàn)，從全面的角度來(lái)驗(yàn)證列控中心的安全性和可靠性。

5 表示層設(shè)計(jì)

5.1 協(xié)議信息交互模塊

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)與測(cè)試人員之間交互的窗口，負(fù)責(zé)將通信層和應(yīng)用層傳過(guò)來(lái)的各種協(xié)議數(shù)據(jù)以良好的用戶界面表示出來(lái)，方便測(cè)試人員及時(shí)觀察各種數(shù)據(jù)的變化；另外，還要提供信息采集界面供用戶輸入所要下達(dá)的臨時(shí)限速信息和自動(dòng)執(zhí)行臨時(shí)限速的參數(shù)信息等，并將這些信息交給應(yīng)用邏輯層處理并發(fā)送執(zhí)行。

5.2 通信狀態(tài)顯示模塊

通信狀態(tài)顯示模塊能夠顯示本地TSRS的A機(jī)和B機(jī)的IP地址綁定狀態(tài)、本地主備用信息，以及被測(cè)列控中心的A機(jī)、B機(jī)主備用狀態(tài)和通信通道狀態(tài)等。狀態(tài)結(jié)果用狀態(tài)圖的形式表示，綠色矩形表示主控機(jī)，黃色矩形表示備用機(jī)，紅色矩形表示離線或通信中斷狀態(tài)；另外，綠色線條表示通信正常，紅色線條表示通信中斷，系統(tǒng)界面如圖 6所示。該模塊提供了最直觀的方式，可以實(shí)時(shí)觀察通信狀態(tài)從而方便測(cè)試的進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在Visual Studio 2008環(huán)境下采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，自動(dòng)下達(dá)臨時(shí)限速的結(jié)果，采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)方式存儲(chǔ)。

該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在龍巖-漳州CTCS-2級(jí)高速鐵路列控中心調(diào)試和驗(yàn)證過(guò)程中，提高了測(cè)試效率，降低了測(cè)試成本。下一步工作將重點(diǎn)建立應(yīng)答器報(bào)文預(yù)期結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，并完善報(bào)文自動(dòng)核對(duì)功能，使得系統(tǒng)更加智能化，為以后的通用性仿真測(cè)試大平臺(tái)的研究奠定基礎(chǔ)。

圖6 系統(tǒng)界面圖

[1] 石 坤，穆建成，葉 峰. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的列控中心報(bào)

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