基于DTECS的通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制仿真測(cè)試系統(tǒng)

鐘盛++吳昌友++湯長春++賀曉梅++張森

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲 412001；2.湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 412000）

摘 要：基于DTECS的通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)列車分布式網(wǎng)絡(luò)通信和控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的仿真測(cè)試系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、硬件及軟件實(shí)現(xiàn)等。該仿真測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及搭建主要是為了達(dá)到對(duì)地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、試驗(yàn)室驗(yàn)證和在產(chǎn)品交付后出現(xiàn)問題時(shí)對(duì)故障進(jìn)行再現(xiàn)分析的目的。

關(guān)鍵詞：DTECS；地鐵；網(wǎng)絡(luò)控制；仿真測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U285.4+7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.010

近年來，我們已經(jīng)逐步建設(shè)了相關(guān)地鐵車型的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）的仿真測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)試與調(diào)試任務(wù)由原來的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試前移到現(xiàn)在的試驗(yàn)室測(cè)試，但在測(cè)試過程中，仍然存在以下問題：被測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的外圍系統(tǒng)缺乏/不完善，通信協(xié)議管理通用性差，自動(dòng)化測(cè)試程度低，測(cè)試用例無法自動(dòng)生成，測(cè)試數(shù)據(jù)/結(jié)果無法長期保存，不能形成測(cè)試報(bào)告。

以上的這些問題是在地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測(cè)試過程中限制其進(jìn)度和成本的主要問題，造成更多的人員參與，給列車網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試帶來了很多不確定因素。在長時(shí)間的測(cè)試過程中，重復(fù)性的工作對(duì)測(cè)試人員的精力、判斷力以及對(duì)測(cè)試的時(shí)間進(jìn)度和成本開支都帶來了極大的影響。因此需要開發(fā)新的通用的地鐵仿真測(cè)試系統(tǒng)彌補(bǔ)以上不足，降低測(cè)試人員的工作強(qiáng)度，提高測(cè)試效率，降低測(cè)試的成本。

1 仿真測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試系統(tǒng)是從開發(fā)人員和測(cè)試人員的使用角度出發(fā)，能夠輔助進(jìn)行系統(tǒng)方案驗(yàn)證、調(diào)試環(huán)境構(gòu)建、子系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、設(shè)計(jì)驗(yàn)證及測(cè)試、故障注入重現(xiàn)等功能而開發(fā)的具有實(shí)物和軟件虛擬設(shè)備共存的半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件由被測(cè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)、顯示與

控制終端、串口服務(wù)器、IO測(cè)試機(jī)箱、以太網(wǎng)交換機(jī)、司機(jī)操縱臺(tái)等組成。其總體結(jié)構(gòu)描述見圖1.

1.2 被測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 被測(cè)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用DTECS（Distribute Train Electric Control System）系統(tǒng)。DTECS系統(tǒng)是株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司開發(fā)的基于TCN協(xié)議的分布式列車網(wǎng)絡(luò)通訊與控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為車輛控制級(jí)和列車控制級(jí)兩級(jí)。車輛控制級(jí)總線采用MVB多功能車輛總線?？梢赃x用中繼模塊REP作為列車級(jí)總線和車輛級(jí)總線的網(wǎng)關(guān)，采用EMD介質(zhì)的MVB多功能車輛總線實(shí)現(xiàn)列車級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸，也可以選用MVB與WTB通訊接口模塊GWM作為列車級(jí)總線和車輛級(jí)總線的網(wǎng)關(guān)，采用WTB雙絞式列車總線實(shí)現(xiàn)列車級(jí)的數(shù)據(jù)傳遞。

地鐵車輛按照不同的功能與硬件配置分為2種車型，即帶司機(jī)室的拖車Tc車和動(dòng)車M車。不同車型由數(shù)量不同的車輛控制模塊VCMe、事件記錄模塊ERMe、中繼器REP、數(shù)字量輸入輸出模塊DXMe、數(shù)字量輸入模塊DIMe、模擬量輸入輸出模塊AXMe、人機(jī)接口單元HMI和必要的總線終端器構(gòu)成。圖2為北京地鐵14號(hào)線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用4動(dòng)2拖的編組形式。

1.2.2 試驗(yàn)環(huán)境搭建

為了滿足更多地鐵車型的仿真、測(cè)試及擴(kuò)展需要，測(cè)試臺(tái)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照6動(dòng)2拖的編組原型設(shè)計(jì)，采用八節(jié)編組的方式，每節(jié)編組使用一個(gè)機(jī)柜，其MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備按地鐵網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目應(yīng)用估計(jì)的最大數(shù)目來配置，每節(jié)車廂的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其對(duì)應(yīng)的陪試設(shè)備（比如IO測(cè)試機(jī)箱、串口服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)）均安裝在各自的機(jī)柜中，各機(jī)柜之間只存在重聯(lián)通訊線和供電電源線的連接。這樣的設(shè)計(jì)能使每個(gè)機(jī)柜都能獨(dú)立形成一節(jié)車廂的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的真實(shí)電氣環(huán)境，通過重聯(lián)插座的連接、延長線連接插座的配置和各個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的供電可以構(gòu)成與整車車載1∶1的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境。

1.3 陪測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 IO測(cè)試機(jī)箱設(shè)計(jì)

每個(gè)機(jī)柜配置一個(gè)陪試的IO測(cè)試機(jī)箱，IO測(cè)試機(jī)箱提供與被測(cè)TCMS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)Remote IO設(shè)備相對(duì)應(yīng)數(shù)量的模擬和數(shù)字信號(hào)的輸入輸出。

每個(gè)機(jī)柜最大數(shù)量的IO配置如下：

數(shù)字量輸出接口 96路（110 VDC）

數(shù)字量輸入接口 32路（110 VDC）

模擬量輸入接口 12路（0～10 V）

12路（0～20 mA）

模擬量輸出接口 12路（0～10 V）

12路（4～20 mA）

1.3.2 司機(jī)操縱臺(tái)

司機(jī)操縱臺(tái)由與裝車一致的司控器、手柄、開關(guān)、按紐、儀表等組成，并構(gòu)建與車載環(huán)境一致的電氣線路，以更貼進(jìn)真實(shí)的操縱環(huán)境。它通過以下2種方式接入到仿真測(cè)試臺(tái)：①硬線信號(hào)直接通過連接器轉(zhuǎn)接到被測(cè)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中；②硬線信號(hào)通過采集執(zhí)行單元處理后，將數(shù)據(jù)打包以通訊的方式接入到顯示與控制群組計(jì)算機(jī)。

1.3.3 串口服務(wù)器

串口服務(wù)器將IO測(cè)試機(jī)箱的RS422通訊接口、RCM模塊的RS485/RS232通訊接口、網(wǎng)卡板的RS232通訊接口以及GWM/VCM/ERM模塊的串行調(diào)試通訊接口集合統(tǒng)一集中連接至以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)以下3種功能：①仿真計(jì)算機(jī)模擬與被測(cè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的對(duì)象（比如牽引、制動(dòng)、空調(diào)等）通過以太網(wǎng)、串口服務(wù)器、MVB通訊接口設(shè)備與被測(cè)系統(tǒng)的CCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；②開發(fā)人員用開發(fā)PC機(jī)通過WiFi或直接連入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，集中對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的CCU設(shè)備進(jìn)行串口調(diào)試、維護(hù)更新程序；③串口服務(wù)器配合以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)集中控制各個(gè)機(jī)柜的IO測(cè)試機(jī)箱。

1.3.4 以太網(wǎng)交換機(jī)

通過以太網(wǎng)交換機(jī)將串口服務(wù)器、各個(gè)帶有以太網(wǎng)接口的模塊等連接起來，以便于PC機(jī)統(tǒng)一控制、管理、監(jiān)視各以太網(wǎng)設(shè)備，并可通過單點(diǎn)對(duì)整車的以太網(wǎng)接口設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、軟件升級(jí)及故障數(shù)據(jù)下載等。

通過多個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，串口服務(wù)器、直流程控電源和帶以太網(wǎng)接口的被測(cè)模塊均接入進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、控制。

1.3.5 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)功能：①測(cè)試總控網(wǎng)絡(luò)和機(jī)車網(wǎng)絡(luò)之間的上下行數(shù)據(jù)交互，測(cè)試總控網(wǎng)絡(luò)采用DDS（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）中間件，機(jī)車網(wǎng)絡(luò)采用UDP，因此上下行數(shù)據(jù)交互主要實(shí)現(xiàn)DDS與UDP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；②各仿真模型的運(yùn)行，包括輪軌系統(tǒng)模型、制動(dòng)與風(fēng)源模型、車載電氣模型、牽引/輔助變流器模型、信號(hào)及線路模型、PIS/EDCU/HVAC/CCTV模型等。這2個(gè)功能要求實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。

2 軟件架構(gòu)

2.1 測(cè)試總控系統(tǒng)

測(cè)試總控系統(tǒng)測(cè)試過程的總控管理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試過程的統(tǒng)一調(diào)度管理。測(cè)試總控系統(tǒng)各軟件提供了與用戶交互的UI界面和提供操作服務(wù)。

測(cè)試總控軟系統(tǒng)各軟件基于Java/Eclipse RCP 插件技術(shù)開發(fā)，使用EMF搭建系統(tǒng)陣模型，使用SWT/JFace 界面風(fēng)格。Eclipse RCP是一項(xiàng)位于Eclipse平臺(tái)核心的功能，包括對(duì)可移動(dòng)以及可疊加的窗口組件（編輯器和視圖）、菜單、工具欄、按鈕、表格、樹形結(jié)構(gòu)等的支持。SWT，即“Standard Widget Toolkit”，它是一個(gè)Java平臺(tái)下開放源碼的Native GUI組件庫，也是Eclipse平臺(tái)的UI組件之一。從功能上來說，SWT與AWT/SWING是基本等價(jià)的。SWT以方便、有效的方式提供了便攜式的（即Write Once，Run Away）帶有本地操作系統(tǒng)觀感的UI組件。Eclipse平臺(tái)的界面就是基于SWT開發(fā)而成的。在SWT之上，Eclipse提供了更為敏捷的界面控件JFace。它不僅提供了更加高效的API，而且在數(shù)據(jù)綁定方面具備強(qiáng)大的功能特點(diǎn)。

2.2 虛擬司機(jī)操縱臺(tái)

實(shí)物司機(jī)控制臺(tái)提供真實(shí)的司機(jī)操縱器、微機(jī)顯示器、開關(guān)、按鈕等司機(jī)操作部件，通過硬線或以太網(wǎng)的方式與仿真測(cè)試臺(tái)連接。

測(cè)試總控系統(tǒng)包含與之相對(duì)應(yīng)的虛擬司機(jī)操縱臺(tái)軟件，能同步顯示實(shí)物司機(jī)操縱臺(tái)的信息，實(shí)物司機(jī)操縱臺(tái)的操作優(yōu)先級(jí)高于虛擬司機(jī)操縱臺(tái)，即當(dāng)實(shí)物司機(jī)操縱臺(tái)激活后，虛擬司機(jī)操縱不能進(jìn)行任何操作動(dòng)作，但能同步顯示實(shí)物司機(jī)操縱臺(tái)的狀態(tài)。虛擬司機(jī)操縱臺(tái)軟件界面如圖3所示。

2.3 被測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)對(duì)象仿真

與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的對(duì)象如下所列，仿真測(cè)試臺(tái)需要通過仿真的形式模擬其功能，為被測(cè)系統(tǒng)提供一個(gè)模擬的外部環(huán)境：①牽引/輔助變流器仿真。包括DCU控制、水循環(huán)系統(tǒng)、接觸器控制、牽引電機(jī)模型等功能。該仿真模型提供整列地鐵車輛6個(gè)TCU和24個(gè)牽引電機(jī)模型。通過以太網(wǎng)分別與各車的網(wǎng)卡板通信。牽引/輔助變流器仿真模型軟件界面如圖4所示。②制動(dòng)及風(fēng)源仿真。包括BCU控制、空氣管路原理、電磁閥控制、空氣制動(dòng)原理等功能。該仿真模型提供整列地鐵車輛制動(dòng)及風(fēng)源系統(tǒng)的模型。通過以太網(wǎng)與各車的網(wǎng)卡板通信。③輪軌仿真。根據(jù)線路、氣候等數(shù)據(jù)計(jì)算車輪與軌道間的關(guān)系參數(shù)，用于修正牽引變流器仿真模型的實(shí)際牽引力、實(shí)際速度等參數(shù)的結(jié)果。④信號(hào)及線路仿真。包括ATP和ATO的功能，并能結(jié)合線路數(shù)據(jù)進(jìn)行線路計(jì)算，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛中的自動(dòng)駕駛的功能。⑤車載電氣仿真。模擬與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的繼電器、接觸器、自動(dòng)開關(guān)、壓力開關(guān)等設(shè)備的工作原理，建立虛擬的車輛電氣系統(tǒng)。⑥智能裝置仿真。模擬PIS、EDCU、HVAC和CCTV等智能設(shè)備的工作原理。

2.4 通信協(xié)議管理

為了滿足數(shù)據(jù)格式的多樣性和變化性需要，采用通信協(xié)議管理軟件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一的管理和配置。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)其核心為數(shù)據(jù)，而測(cè)試系統(tǒng)都需要遵循機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。作為系統(tǒng)的核心，對(duì)通信協(xié)議的處理方式直接影響測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、通用性和易用性。機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通過Excel管理，通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)都具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如一條數(shù)據(jù)中包含多個(gè)數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)格式包含嵌套的情況，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)的流向也是復(fù)雜的，并且在不同的測(cè)試任務(wù)中，數(shù)據(jù)格式也是變化的。

2.5 自動(dòng)化測(cè)試

為了盡量減少測(cè)試過程的人工操作，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試功能。自動(dòng)化測(cè)試軟件集開發(fā)、測(cè)試序列的編輯與執(zhí)行為一體，提供了測(cè)試指令的編輯和管理、測(cè)試序列的編輯與管理、測(cè)試序列的執(zhí)行與調(diào)試、測(cè)試結(jié)果判讀及報(bào)告自動(dòng)生成等功能；并提供了測(cè)試庫，用于仿效測(cè)試過程中的人工測(cè)試步驟，包括各類測(cè)試指令。自動(dòng)化測(cè)試軟件界面如圖5所示。

2.6 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的主要功能有以下2個(gè)：①在測(cè)試過程中，數(shù)據(jù)服務(wù)器將所有的測(cè)試指令和數(shù)據(jù)都存入到數(shù)據(jù)庫中。由于測(cè)試過程中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量很大，因此數(shù)據(jù)庫需要具有較高的性能，能

從網(wǎng)絡(luò)中訂閱數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。②車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)能夠通過有線/無線的方式錄入到數(shù)據(jù)中心中，任何一個(gè)測(cè)試平臺(tái)均可從數(shù)據(jù)中心中調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)視和離線分析。

2.7 測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測(cè)試過程中，由于測(cè)試模塊很多，包括實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試軟件、測(cè)試監(jiān)控軟件、測(cè)試分析軟件、被測(cè)系統(tǒng)等，這些功能模塊如果出現(xiàn)了異常，將導(dǎo)致測(cè)試異常。所以測(cè)試平臺(tái)需要提供了集中式的監(jiān)控環(huán)境，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能夠及時(shí)反映各試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

2.8 配置管理

仿真平臺(tái)應(yīng)能管理所有的配置文件，提供統(tǒng)一的配置文件編輯環(huán)境，用戶能夠在各軟件上同步或更新配置庫中的配置文件。

在配置庫中，每個(gè)工程都有獨(dú)立的文件夾，內(nèi)部包含了一整套配置文件。在測(cè)試編輯階段，各軟件都需要通過配置庫，同步或更新一個(gè)工程下的配置文件，每個(gè)軟件都只能在配置庫中訪問2個(gè)子文件夾。其中，一個(gè)是通信協(xié)議配置文件夾，同步系統(tǒng)通信配置文件，且該文件只讀；另一個(gè)是與自己相關(guān)的文件夾，同步各自的配置文件，各軟件在加載配置文件后，可以編輯、修改和保存。在完成修改后，各軟件能夠?qū)ε渲脦熘械奈募M(jìn)行更新。每個(gè)軟件在編輯過程中可以打開多個(gè)工程，加載不同的配置文件，并進(jìn)行復(fù)制、粘貼、修改等操作。

3 結(jié)束語

開發(fā)出更貼進(jìn)真實(shí)運(yùn)行狀況的試驗(yàn)室仿真環(huán)境和全面、高效的測(cè)試環(huán)境，能夠有效地降低地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在產(chǎn)品全生命周期過程中的研發(fā)成本、維護(hù)成本、檢修成本、調(diào)試成本及其他無形成本?；贒TECS的通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試系統(tǒng)可為該領(lǐng)域的研發(fā)、制造、售后提供全面的支持和提高產(chǎn)品在該領(lǐng)域的影響力及產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉俊，邱偉明，何紅成.120 km/h地鐵列車網(wǎng)絡(luò)控制與診斷系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（06）.

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作者簡(jiǎn)介：鐘盛（1982—），男，工程師，從事列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)工作。

〔編輯：劉曉芳〕

文章編號(hào)：2095-6835（2016）23-0013-03