CBTC測試平臺(tái)車載控制器控車功能測試的設(shè)計(jì)

吳仁杰，徐中偉

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804 ）

在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)的推動(dòng)下,基于通信的列車控制（CBTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)成為軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)必然的發(fā)展趨勢。為了測試與驗(yàn)證CBTC系統(tǒng)功能和性能，需要設(shè)計(jì)一種安全高效的CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)[1]。

在實(shí)際運(yùn)營場景中，CBTC系統(tǒng)的車載列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與列車安全運(yùn)行相關(guān)的功能，持續(xù)檢測列車當(dāng)前速度和位置，為列車提供速度限制、移動(dòng)授權(quán),實(shí)時(shí)對列車進(jìn)行速度監(jiān)督和超速防護(hù)[2]。作為保障列車安全運(yùn)行的車載ATP設(shè)備，對于車載控制器（VOBC ，vehicle on-board controller）控車功能的測試是CBTC測試平臺(tái)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

目前，國內(nèi)對VOBC的研究主要集中在對其功能的實(shí)現(xiàn)，而對VOBC功能的測試研究則很少見。如文獻(xiàn)[2]通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)車載ATP子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了其ATP防護(hù)及控車功能；文獻(xiàn)[3]則通過構(gòu)建列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了列車自動(dòng)駕駛功能。

本文通過對列車常見運(yùn)行場景進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了真實(shí)VOBC與仿真車輛的交互過程，以實(shí)現(xiàn)對VOBC控車功能的測試。

1 CBTC測試平臺(tái)架構(gòu)簡介

CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程規(guī)模巨大，僅依靠現(xiàn)場真實(shí)設(shè)備和場景來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，其工程量將不可估量，工程周期難以保證[4]。但是通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)適用于不同信號(hào)系統(tǒng)、不同線路、不同列車的城市軌道交通CBTC系統(tǒng)通用測試平臺(tái)，且該平臺(tái)具備良好的穩(wěn)定性、兼容性、可擴(kuò)展性和動(dòng)態(tài)可配置性。為實(shí)現(xiàn)并滿足半實(shí)物半仿真測試平臺(tái)需求，通過研究真實(shí)設(shè)備接口和仿真環(huán)境的接口適配與接入控制技術(shù)，搭建了一個(gè)全場景一體化的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室和室外現(xiàn)場聯(lián)動(dòng)的CBTC系統(tǒng)仿真測試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測試平臺(tái)與被測CBTC系統(tǒng)的無縫對接。該通用測試平臺(tái)既能滿足與CBTC系統(tǒng)仿真軟件通信的需求，又能實(shí)現(xiàn)真實(shí)CBTC設(shè)備的接入，通用測試平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)測試平臺(tái)架構(gòu)圖

整個(gè)測試平臺(tái)由以下5個(gè)部分組成。

（1）測試控制中心設(shè)備：為測試平臺(tái)提供測試數(shù)據(jù)與測試案例；

（2）仿真子系統(tǒng)操作終端設(shè)備群：為測試人員提供人機(jī)交互界面；

（3）測試平臺(tái)仿真設(shè)備：與被測CBTC設(shè)備群交互，完成對被測設(shè)備的功能測試；

（4）被測CBTC設(shè)備群：真實(shí)的待測物理設(shè)備，通過與測試平臺(tái)仿真設(shè)備交互完成測試；

（5）設(shè)備群仿真軟件：測試平臺(tái)初始階段用于對測試平臺(tái)仿真設(shè)備（如線路仿真子系統(tǒng)、車輛仿真子系統(tǒng)）的調(diào)試，使其具備測試能力。

本文要研究的對象是測試平臺(tái)仿真設(shè)備中的車輛仿真子系統(tǒng)與被測CBTC設(shè)備群中的VOBC，通過對兩者之間的信息交互及流程設(shè)計(jì)，完成對VOBC部分控車功能的測試。

2 VOBC概述

VOBC能保證列車的故障—安全（Fail-Safe）原則，是車載設(shè)備中最重要的設(shè)備，它是實(shí)際的控車設(shè)備，所有與信號(hào)安全有關(guān)的操作都由它來負(fù)責(zé)[5]。一般情況下，列車的每一端駕駛室都有一個(gè)VOBC，以下內(nèi)容都是就列車的某一端駕駛室及其VOBC進(jìn)行討論的。

由于被測VOBC是通過繼電器接口進(jìn)行信息的采集與發(fā)送，而車輛仿真子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口與其它子系統(tǒng)進(jìn)行信息的發(fā)送和接收，故在車輛仿真子系統(tǒng)與VOBC之間增加了車載接口適配器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，屏蔽了接口差異，如圖2所示。車載接口適配器是一個(gè)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換的仿真軟件，它既可以通過繼電器接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 車輛仿真子系統(tǒng)與VOBC的通信方式

VOBC上的繼電器有兩類，即VOBC輸出繼電器（驅(qū)動(dòng)繼電器）和VOBC輸入繼電器（采集繼電器），表1和表2分別列出了部分與本文研究內(nèi)容相關(guān)的繼電器。

車載接口適配器通過繼電器接口采集VOBC輸出繼電器的狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化為VOBC命令，通過以太網(wǎng)接口發(fā)送車輛仿真子系統(tǒng)。

車輛仿真子系統(tǒng)根據(jù)司機(jī)在駕駛臺(tái)上的操作以及接收到的VOBC命令進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制列車的運(yùn)行，并同時(shí)將列車狀態(tài)以及司機(jī)操作通過以太網(wǎng)接口發(fā)送給車載接口適配器，后者再將狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為繼電器信息發(fā)送給VOBC輸入繼電器，從而被VOBC采集到。

VOBC根據(jù)其采集到的列車狀態(tài)信息，經(jīng)過其內(nèi)部運(yùn)算，給出相應(yīng)的VOBC輸出，而車輛仿真子系統(tǒng)根據(jù)VOBC命令（主要是各種使能命令）控制列車，故VOBC起到了安全防護(hù)的作用。

表1 部分驅(qū)動(dòng)繼電器定義及說明

表2 部分采集繼電器定義及說明

3 常見運(yùn)行場景分析

城市軌道交通中，列車常見運(yùn)行場景有：緊急制動(dòng)（EB ，Emergency Brake）、限制向前人工駕駛模式（RMF）、ATO自動(dòng)駕駛等。本章就仿真車輛進(jìn)入以上3種場景的條件進(jìn)行分析，根據(jù)第2章定義的部分輸入繼電器和輸出繼電器，設(shè)計(jì)了VOBC與仿真車輛之間的交互流程。實(shí)際項(xiàng)目中即是通過改變各種條件來測試VOBC能否做出正確響應(yīng)，只有要求的條件都滿足時(shí)，列車才能進(jìn)入相應(yīng)的場景。

3.1 緊急制動(dòng)

涉及VOBC輸出：EBRD1，EBRD2，ZVI。

涉及VOBC輸入：EBNA。

VOBC發(fā)現(xiàn)列車進(jìn)入故障狀態(tài)或司機(jī)按壓EB按鈕時(shí)會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。列車必須在緊急制動(dòng)情況下以自身最大的制動(dòng)能力去實(shí)現(xiàn)停車，最大限度地實(shí)現(xiàn)列車安全[6]。VOBC實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)的流程如下：

（1）VOBC控制EBRD1=0，EBRD2=0；

（2）仿真車輛切除牽引，并輸出緊急制動(dòng)，設(shè)置EBNA=0并以既定減速度減速至停車；

（3）VOBC檢測到停車后，輸出ZVI=1；

（4）VOBC檢測到EB條件不滿足后，控制EBRD1=1，EBRD2=1；

（5）仿真車輛判斷（3）、（4）條件滿足后，輸出EBNA=1，解除EB。

3.2 RMF駕駛模式選擇

涉及VOBC輸出：RM_IND。

涉及VOBC輸入：KSON，RM_PB，RMF，MCS。

RMF即正向人工限制駕駛模式，是列車運(yùn)行時(shí)最常見的一種駕駛模式。列車的監(jiān)控、運(yùn)行、制動(dòng)及開關(guān)車門由司機(jī)操作，車載設(shè)備僅對列車速度進(jìn)行超速防護(hù)，當(dāng)列車超過速度限制后會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)[7]。

圖3和圖4分別為仿真車輛側(cè)和VOBC側(cè)的控制流程圖，兩者之間信息傳輸接口在第2章已說明。

圖3 RMF駕駛模式選擇仿真車輛側(cè)控制流程圖

圖4 RMF駕駛模式選擇VOBC側(cè)控制流程圖

RMF駕駛模式選擇VOBC側(cè)控制流程如下：

（1）司機(jī)激活該端駕駛室，仿真車反饋KSON=1；

（2）司機(jī)方向手柄在向前位，仿真車判斷（1）、（2）條件滿足，反饋MCS=1；

（3）VOBC采集到KSON=1并且MCS=1，輸出RM_IND = 1；

（4）仿真車輛據(jù)此點(diǎn)亮RM指示燈；

（5）司機(jī)按下RM選擇按鈕，仿真車反饋RM_PB=1；

（6）仿真車輛設(shè)置并保持RMF = 1（即便RM_PB按鈕已復(fù)原），設(shè)置并保持MCS = 0；

（7）VOBC采集到RMF=1，并且判斷仿真車輛可進(jìn)入RMF模式。

3.3 ATO運(yùn)行模式

涉及VOBC輸出：ATO_IND，ATO_OP，MDR，BDR。

涉及VOBC輸入：KSON，NDC，ATO_PB。

ATO是CBTC系統(tǒng)的重要組成部分，屬于VOBC的非安全子系統(tǒng)，ATO能夠控制列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛[3]。ATO也叫AM模式，列車進(jìn)入ATO模式后即無需司機(jī)操控。車載ATO子系統(tǒng)生成ATO控制命令，并將控制命令發(fā)送給列車，觸發(fā)列車的牽引、制動(dòng)、惰行[8]。VOBC會(huì)根據(jù)目標(biāo)距離動(dòng)態(tài)的改變列車的牽引力，進(jìn)而控制其加速度和速度，是列車進(jìn)站停準(zhǔn)停穩(wěn)的重要手段。

圖5、圖6分別為VOBC側(cè)和仿真車輛側(cè)的控制流程圖。

圖5 ATO模式選擇VOBC側(cè)控制流程圖

ATO模式選擇仿真車輛側(cè)控制流程如下：

（1）司機(jī)激活該端駕駛室，仿真車反饋KSON=1；

（2）司機(jī)選擇方向手柄在向前位且牽引手柄在0位，仿真車反饋NDC=1；

（3）VOBC 交替輸出 ATO_IND=1，0（1 s 方波）；

（4）仿真車據(jù)此閃爍ATO指示燈；

（5）司機(jī)按壓ATO發(fā)車按鈕，仿真車反饋ATO_PB=1，該按鈕會(huì)延遲一段時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位；

（6）VOBC進(jìn)入AM模式，輸出 ATO_OP=1，保持ATO_IND=1；

（7）VOBC輸出MDR或BDR牽引、制動(dòng)命令；

（8）仿真車設(shè)置ATO發(fā)車指示燈常亮，并根據(jù)7條件控制列車牽引、制動(dòng)運(yùn)行（牽引制動(dòng)力大小來自電流環(huán)）；

（9）VOBC輸出ATO_OP=0；

（10）仿真車不再根據(jù)VOBC的牽引制動(dòng)命令控車，退出ATO模式。

圖6 ATO模式選擇仿真車輛側(cè)控制流程圖

4 結(jié)束語

VOBC是保障列車安全運(yùn)行的重要設(shè)備，因此，對于VOBC的測試也是CBTC測試平臺(tái)的一個(gè)重點(diǎn)。本文給出了CBTC測試平臺(tái)的架構(gòu)，分析了VOBC與車輛仿真子系統(tǒng)的關(guān)系，針對3種常見的列車運(yùn)行場景，設(shè)計(jì)了VOBC與仿真車輛的交互流程，并以此測試VOBC的控車功能。經(jīng)過實(shí)際項(xiàng)目測驗(yàn)，該設(shè)計(jì)能很好地完成對VOBC控車功能的測試。