基于HLA的CBTC仿真測試系統(tǒng)研究與設計

劉 佳

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070 2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

作為新一代軌道交通的神經系統(tǒng)——CBTC信號系統(tǒng)的集成，其涉及專業(yè)多、技術性強、系統(tǒng)復雜，通常由多個操作人員協(xié)同完成操作，這對系統(tǒng)復雜接口集成測試及操作人員培訓提出了更高的要求。

高層體系結構（High Level Architecture, HLA）是一種先進的支持可重用、互操作的分布式交互仿真框架，能夠提供將構造仿真、虛擬仿真和實況仿真集成在一起，聯(lián)邦成員可互操作的綜合環(huán)境。CBTC仿真系統(tǒng)采用基于HLA作為仿真平臺框架，構建地理線路模型、列車動力學模型、軌旁設備模型仿真物理世界對應的實物場景，采用仿真代理技術、接口平臺技術將無差別可切換的接入車載ATP子系統(tǒng)、車載ATO子系統(tǒng)、ZC子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)或者它們的數(shù)字仿真模型。同時，構建車載模擬駕駛軟件、地面模擬操作軟件作為人機交互界面，從而實現(xiàn)了CBTC系統(tǒng)車載和地面信號設備互聯(lián)達到動態(tài)仿真的目標。

2 HLA框架簡介

基于HLA的分布式仿真支撐框架總體采用兩級結構。第一級由HLA的運行支撐環(huán)境RTI（Run Time Infrastructure）和各聯(lián)邦成員組成，RTI為整個聯(lián)邦提供聯(lián)邦管理、時間管理和數(shù)據(jù)分發(fā)等服務；第二級由聯(lián)邦成員的內部結構構成，聯(lián)邦成員內部包含HLA接入框架、事件調度器、消息分發(fā)器及模塊（module）等結構。軟件支撐框架為分布式仿真提供底層的支撐功能。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)各個模塊間的消息交互，事件調度、時間推進等功能。軟件框架結構如圖1所示。

HLA接入框架實現(xiàn)了一種通用的用于聯(lián)邦成員接入HLA的代碼框架，它提供缺省的聯(lián)邦成員大使實現(xiàn)、管理者聯(lián)邦成員、HLA消息代理、聯(lián)邦成員初始化及仿真時間推進流程，并提供經過封裝的RTI服務接口。事件調度器是離散事件調度機制的具體實現(xiàn)，提供按仿真時間順序執(zhí)行聯(lián)邦成員內部事件的服務。消息分發(fā)器采用總線型消息傳遞結構，實現(xiàn)帶有輕量級發(fā)布訂閱功能的內部消息交互機制。模塊是比聯(lián)邦成員更細的系統(tǒng)結構單元，用于封裝系統(tǒng)中各種設備及對象的仿真模型，采用一致的結構與對外接口，具備收發(fā)消息、產生事件以及處理事件等功能，是系統(tǒng)中具有完整結構的最小單元。

3 仿真測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 CBTC仿真系統(tǒng)設計

基于HLA的CBTC仿真測試系統(tǒng)包括實物模型層、仿真接口層、仿真平臺層3個部分。

1）實物模型層可以是系統(tǒng)測試對象，也可以是系統(tǒng)測試對象抽象的模型。設備模型層包括組成CBTC系統(tǒng)的ATP子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、軌旁信號設備等及其各設備的數(shù)字仿真模型。實物設備或者信號設備模型通過仿真接口層無差別接入仿真平臺層，實現(xiàn)虛實互換，虛實互傳。

2）仿真接口層由車載接口和地面接口組成，是設備模型層與仿真平臺層之間的模擬軟、硬件的仿真接口，提供設備與仿真平臺間的通訊協(xié)議轉換，實現(xiàn)被測設備的接入和輸入輸出的模擬，并對相應設備進行控制。被測試的設備模型通過仿真接口接收仿真平臺的測試指令，執(zhí)行既定功能并將輸出結果反饋給仿真平臺層。

3）仿真平臺層包括分布式仿真支撐框架、仿真模型、數(shù)據(jù)配置、人機交互界面和實物代理等。a.分布式仿真支撐框架基于符合HLA規(guī)范的RTI軟件研發(fā)，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的運行過程調度及控制等。b.仿真模型是實物對象在計算機中的表示，系統(tǒng)對列車、地理線路和軌旁信號設備建立仿真模型。c.人機界面由列車模擬操作界面、地面模擬操作界面組成。列車模擬操作界面是仿真系統(tǒng)接收測試人員模擬司機控車，反饋和顯示測試結果及列車運行曲線的人機交互界面；地面模擬操作界面是實現(xiàn)仿真過程中圖形圖表、站場和區(qū)間線路平面動態(tài)顯示以及列車運行狀態(tài)報告等功能的模塊。同時，仿真測試人員可利用人機界面對仿真系統(tǒng)的進行數(shù)據(jù)配置和故障模擬操作等。d.實物代理采用基于中間件技術，由車載代理和地面代理組成，分別用于無差別接入車載設備和地面設備及其替代的仿真模型，實現(xiàn)真實系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)虛實互換、互操作及時序配合，并提供實物接口層至仿真平臺層之間的協(xié)議轉換。e.數(shù)據(jù)配置包括地理線路模型、列車模型、軌旁信號設備模型的數(shù)據(jù)參數(shù)、設備狀態(tài)信息等，模擬真實運行場景的線路車輛數(shù)據(jù)，如圖2所示。

基于HLA的CBTC仿真測試系統(tǒng)有如下特點。

1）分布式仿真框架易于集成，可擴展性好。

分布式仿真框架封裝成底層的支撐功能，使用統(tǒng)一的接口完成各個模塊間的消息交互，事件調度、時間推進等功能。分布式仿真系統(tǒng)擴展性體現(xiàn)在：a.列車聯(lián)邦可擴展成n個獨立的列車模型。b.線路聯(lián)邦可擴展成n段配置的線路模型。每個獨立的聯(lián)邦運行在獨立的計算機上，這種分布式處理提高了車地通信的數(shù)據(jù)處理能力，如圖3所示。

2）基于事件驅動的仿真推進機制，仿真系統(tǒng)因果性和可重復性得到保證。

在仿真過程中，事件根據(jù)時間戳有序插入事件隊列中等待被執(zhí)行。事件時間戳屬性描述了事件發(fā)生的先后關系，保證了系統(tǒng)的因果次序。對于基于事件驅動的仿真推進機制，在仿真時間的任何時刻，只要將新產生的事件按時間戳排序插入到事件隊列，并且按照FIFO處理事件，仿真系統(tǒng)的因果性就可以得到保證。運行仿真系統(tǒng)的室內測試可以重復試驗，都會得到相同的結論。如圖4所示。

列車模型推進機制用于完成列車動力學狀態(tài)推進和產生新的動力學狀態(tài)推進事件插入系統(tǒng)事件隊列。狀態(tài)推進過程中列車位移的矢量疊加。列車模型模擬車輛的動力學特性，以一個仿真周期為時間間隔，先通過計算阻力和當前檔位的牽引力的合外力，利用牛頓第二定律獲得加速度，運用運動學基本方程模擬列車動力學特性得到列車的速度和位移； 然后在局部線路緩存數(shù)據(jù)中定位列車位置，同時，依次產生仿真推進事件插入仿真系統(tǒng)的事件隊列。仿真系統(tǒng)的虛擬時鐘到達一個仿真周期時間后，仿真推進事件被系統(tǒng)執(zhí)行。

3.2 界面設計

基于HLA的CBTC仿真測試系統(tǒng)運行界面包括地面模擬操作界面、列車模擬操作界面等。地面模擬操作界面需要運行圖仿真模擬。列車模擬操作界面需要顯示司機模擬駕駛操作、人機交互顯示、列車運行速度相關曲線顯示。如圖5、6所示。

4 結束語

基于HLA的CBTC仿真測試系統(tǒng)是在半實物仿真測試系統(tǒng)基礎之上發(fā)展起來的更先進的仿真測試系統(tǒng)。在半實物仿真測試系統(tǒng)的基礎之上采用仿真代理技術、接口平臺技術可無差別切換的接入車載系統(tǒng)、地面系統(tǒng)及其數(shù)字仿真模型，實現(xiàn)虛實互換、虛實互傳。其具有通用性強、成本低、不受硬件設備制約等多項優(yōu)點，可以有效地用于 CBTC車載地面軟件測試、CBTC功能展示等多種場合，具有良好的應用前景，推動CBTC相關研發(fā)測試工作。

在未來，該仿真系統(tǒng)地發(fā)展方向為將仿真模型一體化設計，成為產品預研仿真、性能評估的平臺，同時與專業(yè)技能培訓等需求相融合，進一步擴大其應用的范圍。

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