軌道交通ATC設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試裝置研發(fā)

何沛燊，劉元豐，劉桂雄

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640; 2.中車(chē)廣東軌道交通車(chē)輛有限公司，廣東 江門(mén) 529100)

0 引 言

列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)(automatic train control,ATC)是以技術(shù)手段對(duì)列車(chē)運(yùn)行方向、運(yùn)行間隔和運(yùn)行速度進(jìn)行控制，以保證列車(chē)安全運(yùn)行、高效率運(yùn)行的系統(tǒng)，對(duì)各系統(tǒng)之間控制信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)十分重要[1-3]。目前ATC設(shè)備連通情況檢測(cè)主要根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，逐個(gè)觸發(fā)ATC設(shè)備信號(hào)，觀察車(chē)載設(shè)備的響應(yīng)情況，以確認(rèn)控制信號(hào)正常與否。文獻(xiàn)[4]研制車(chē)載ATC設(shè)備的離線檢測(cè)系統(tǒng)，但其系統(tǒng)僅支持固定車(chē)型的測(cè)試，通用化受到限制。文獻(xiàn)[5]研制車(chē)載ATC系統(tǒng)功能測(cè)試平臺(tái)，但沒(méi)有測(cè)試過(guò)程溯源信息記錄，也沒(méi)有集成測(cè)試結(jié)果診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]研制車(chē)載ATC設(shè)備中列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(automatic train protection, ATP)子系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，也不支持多車(chē)型通用化測(cè)試功能。文獻(xiàn)[7]研制列車(chē)控制系統(tǒng)功能安全性測(cè)試系統(tǒng)，檢查設(shè)備間控制信息是否正常，同樣沒(méi)有測(cè)試過(guò)程溯源信息記錄。由于不同車(chē)型線路定義不一、測(cè)試項(xiàng)目眾多，需要頻繁切換測(cè)試線路，且車(chē)載設(shè)備位置不一，人工手動(dòng)測(cè)試存在測(cè)試繁瑣、測(cè)試過(guò)程不規(guī)范、測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)不可溯源、測(cè)試效率低等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，本文研制軌道交通ATC通用型自動(dòng)智能測(cè)試平臺(tái)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)作為控制單元代替人工切換測(cè)試線路，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置的通用化、自動(dòng)化、數(shù)字化，以及測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)可溯源。

1 軌道交通ATC設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試裝置測(cè)試需求與總體框架設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試裝置需求分析

圖1為軌道交通ATC系統(tǒng)功能示意圖，ATC系統(tǒng)機(jī)柜與車(chē)載設(shè)備通過(guò)通信線相連，建立與車(chē)載設(shè)備的雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載設(shè)備的控制[8]。在GB/T 50578-2018《城市軌道交通信號(hào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[9]的“列車(chē)自動(dòng)控制”部分中提及，對(duì)列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)外部接口進(jìn)行檢驗(yàn)以及對(duì)信號(hào)車(chē)載設(shè)備接受車(chē)輛輸入、向車(chē)輛輸出的信息進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)需要對(duì)接口進(jìn)行全部檢查，檢查系統(tǒng)通信通道正常。在CJ/T 407-2012 《城市軌道交通基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)要求》 “功能要求”部分，規(guī)定需要檢查的ATC系統(tǒng)控制項(xiàng)目[10]，表1 為ATC系統(tǒng)控制測(cè)試項(xiàng)目表。

根據(jù)測(cè)試要求可知，在進(jìn)行軌道交通車(chē)輛ATC系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，主要是對(duì)系統(tǒng)的110V DC控制信號(hào)通信狀況進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際測(cè)試中需要頻繁切換線路與輸入輸出狀態(tài)，并實(shí)時(shí)獲取線路導(dǎo)通情況，不同車(chē)型的測(cè)試流程、線路定義各不相同。因此，研制軌道交通ATC設(shè)備自動(dòng)測(cè)試裝置的需求有：1）自動(dòng)化，采用上位機(jī)實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)測(cè)試線路，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代人，測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化；2）通用化，采用線路全自定義設(shè)計(jì)，可錄入不同車(chē)型配置，適配不同車(chē)型的測(cè)試，減少后期投入；3）數(shù)據(jù)可溯源與檢修建議，測(cè)試過(guò)程實(shí)時(shí)采集并上傳至上位機(jī)，自動(dòng)處理與存儲(chǔ)，測(cè)試完成后輸出測(cè)試報(bào)表、診斷檢修建議。

圖1 ATC系統(tǒng)功能示意圖

表1 ATC系統(tǒng)控制測(cè)試項(xiàng)目表

1.2 通用化自動(dòng)測(cè)試裝置功能結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)上述測(cè)試需求，設(shè)計(jì)如圖2所示的軌道交通ATC設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試裝置框架，裝置由測(cè)試上位機(jī)、測(cè)試下位機(jī)組成，使用50芯連接器連接測(cè)試裝置與車(chē)載設(shè)備。其中：測(cè)試上位機(jī)包括測(cè)試控制軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試控制軟件為測(cè)試控制核心，提供人機(jī)交互界面并與測(cè)試下位機(jī)進(jìn)行通信，通信采用Modbus通信協(xié)議[11]。控制測(cè)試下位機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試；上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄測(cè)試溯源數(shù)據(jù)。測(cè)試下位機(jī)由PLC、繼電器、光電耦合器、110 V直流電源等組成，PLC輸出節(jié)點(diǎn)與繼電器配合控制線路切換，PLC輸入節(jié)點(diǎn)用于讀取控制信號(hào)，光電耦合器采集線路導(dǎo)通信息，110 V直流電源提供控制信號(hào)。測(cè)試裝置工作時(shí)，PLC輸出節(jié)點(diǎn)控制繼電器切換控制信號(hào)接入線路，模擬車(chē)載ATC設(shè)備輸出控制信號(hào)，為不同車(chē)載設(shè)備輸出控制信號(hào)；車(chē)載設(shè)備進(jìn)行操作，以及輸入信號(hào)至測(cè)試裝置，利用光電耦合器監(jiān)測(cè)采集線路導(dǎo)通信息，并由測(cè)試上位機(jī)控制讀取PLC輸入節(jié)點(diǎn)獲取，完成車(chē)載設(shè)備與ATC設(shè)備間輸入輸出控制測(cè)試。

圖2 軌道交通ATC設(shè)備自動(dòng)測(cè)試裝置框架圖

為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)基于PLC線路自動(dòng)控制器方案，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)控制與記錄。與此同時(shí)，利用該控制方法可設(shè)定PLC每個(gè)輸入輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ATC設(shè)備通信線芯定義，實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備通用化。以讀取Y0~Y7軟元件為例，Modbus通信協(xié)議如表2所示。根據(jù)PLC通信協(xié)議，利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)用于自動(dòng)測(cè)試的控制函數(shù)。

表2 Modbus通信協(xié)議表

1）輸出繼電器Y強(qiáng)制開(kāi)關(guān)函數(shù)Yforce (number,state)，通信正常返回值06H，通信錯(cuò)誤返回值15H。

2）輔助繼電器M強(qiáng)制開(kāi)關(guān)函數(shù)Mforce (number,state)，通信正常返回值06H，通信錯(cuò)誤返回值15H。

3）讀取軟元件狀態(tài)函數(shù)：Read PLC 64(KIND)，正常讀取當(dāng)前接通軟元件列表。

上位機(jī)利用以上3個(gè)控制函數(shù)與PLC建立實(shí)時(shí)通信、信息讀取與控制，方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)試線路的切換。

1.3 多車(chē)型通用化可編程方案

軌道交通發(fā)展迅速，現(xiàn)役、在研的軌道交通車(chē)輛車(chē)型眾多，測(cè)試裝置應(yīng)具備通用性，兼容多種車(chē)型的測(cè)試，減少設(shè)備換代升級(jí)投入。圖3所示為多軌道交通車(chē)型通用化可編程方案。根據(jù)軌道交通車(chē)輛ATC設(shè)備控制線路數(shù)量，采用輸入輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于ATC設(shè)備通信線路數(shù)量的PLC，根據(jù)當(dāng)前車(chē)型測(cè)試需求，定義PLC輸入、輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)控制或讀取的控制線路，并根據(jù)自動(dòng)測(cè)試流程調(diào)整不同控制線路的測(cè)試順序。切換車(chē)型時(shí)，調(diào)整PLC輸入輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)線路定義與自動(dòng)測(cè)試流程，即可完成測(cè)試裝置與待測(cè)車(chē)型匹配，實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備通用化。

圖3 多車(chē)型通用化可編程方案

以用于故障排查的通用化單項(xiàng)測(cè)試模式界面(如圖4)為例，其核心功能為信號(hào)輸入指示燈控件與信號(hào)輸出切換開(kāi)關(guān)控件，分別對(duì)應(yīng)輸入測(cè)試與輸出測(cè)試功能，使用前編寫(xiě)特定Excel格式測(cè)試工藝文件，測(cè)試進(jìn)行時(shí)選 擇對(duì)應(yīng)車(chē)型工藝文件讀入測(cè)試控制軟件，工藝文件將信號(hào)輸入指示燈與PLC的輸入節(jié)點(diǎn)、輸出信號(hào)切換開(kāi)關(guān)與PLC的輸出節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，將相應(yīng)線路定義與PLC節(jié)點(diǎn)綁定并顯示。工藝文件讀取完成后，按軟件前面板顯示內(nèi)容進(jìn)行操作即可完成單項(xiàng)測(cè)試。

圖4 通用化單項(xiàng)測(cè)試界面

實(shí)際使用中，該通用化方案兼容多種軌道交通車(chē)型的ATC設(shè)備測(cè)試，大幅提升測(cè)試設(shè)備兼容性。

2 測(cè)試控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能結(jié)構(gòu)

測(cè)試控制軟件基于Python語(yǔ)言與LabVIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用LabVIEW軟件搭建程序主界面，使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序與PLC通信函數(shù)。Python語(yǔ)言高效、靈活，配合LabVIEW軟件，能編寫(xiě)出功能強(qiáng)大的虛擬儀器軟件[12-13]。

圖5為測(cè)試控制軟件的功能結(jié)構(gòu)，包括有系統(tǒng)初始化模塊，測(cè)試過(guò)程控制模塊以及測(cè)試數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)軟件登錄，建立與硬件設(shè)備的通信，檢查硬件設(shè)備的完整性，并從配置文件中解密并讀取測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試策略、線芯定義以及專(zhuān)家系統(tǒng)的測(cè)試知識(shí)庫(kù)；測(cè)試過(guò)程控制模塊負(fù)責(zé)控制PLC，監(jiān)控記錄線路狀態(tài)，自動(dòng)記錄測(cè)試信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的可溯源[13]；測(cè)試數(shù)據(jù)處理模負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)家系統(tǒng)分析、存儲(chǔ)以及報(bào)表打印。

圖5 自動(dòng)測(cè)試軟件功能結(jié)構(gòu)

圖6為測(cè)試控制軟件的主界面，默認(rèn)為自動(dòng)測(cè)試模式。軟件設(shè)置有自動(dòng)測(cè)試、手動(dòng)測(cè)試、診斷模式3個(gè)工作模式。

圖7為初始模塊的工作流程圖，軟件啟動(dòng)時(shí)，首先解密配置文件，從中讀取測(cè)試配置文件，配置文件包含線芯定義，測(cè)試流程以及專(zhuān)家系統(tǒng)的邏輯集；隨后系統(tǒng)將會(huì)與PLC建立連接，確認(rèn)PLC設(shè)備的完整性，提高PLC設(shè)備運(yùn)行可信度[14]；最后連接數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄軟件登錄時(shí)間，當(dāng)初始化完成后，軟件進(jìn)入待測(cè)試狀態(tài)。

配置文件的加密采用RSA非對(duì)稱(chēng)加密算法，破解難度大、安全性強(qiáng)，在公開(kāi)密鑰加密和電子商業(yè)中被廣泛應(yīng)用[15]。操作人員在編輯完成工藝文件后，利用RSA加密程序生成加密文件，RSA加密的解密密鑰存儲(chǔ)在測(cè)試控制軟件內(nèi)，在讀取配置文件的時(shí)利用解密密鑰解密加密的配置文件。配置文件經(jīng)過(guò)加密后只有測(cè)試控制軟件能解密并讀取，達(dá)到保密效果[16]。圖8為加密效果圖，與圖6對(duì)比自動(dòng)測(cè)試步驟流程中的顯示信息已變亂碼密文。

圖6 測(cè)試控制軟件主界面

圖7 初始化流程

圖8 RSA加密效果圖

2.2 自動(dòng)測(cè)試流程

圖9為測(cè)試裝置測(cè)試流程圖，其具體自動(dòng)測(cè)試流程為：1）測(cè)試控制軟件初始化測(cè)試設(shè)置，讀取測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試順序；2）測(cè)試控制軟件按照測(cè)試設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，利用Yforce函數(shù)控制 PLC 切換輸出線路的接通、斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)線路自動(dòng)切換；3）測(cè)試控制軟件利用Read PLC 64函數(shù)對(duì) PLC 的軟元件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，讀取輸出觸點(diǎn)的狀態(tài)，確定線路的接通正常，若接通正常執(zhí)行下一步操作，否則判斷為線路接通出錯(cuò)，彈出錯(cuò)誤提示并進(jìn)行專(zhuān)家系統(tǒng)錯(cuò)誤判斷排查錯(cuò)誤，出錯(cuò)線路故障處理完畢后判斷是否結(jié)束測(cè)試，若否則返回2）；4）測(cè)試控制軟件利用Read PLC 64函數(shù)對(duì) PLC 的輸入觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，讀取線路導(dǎo)通信息，確定測(cè)試線路的接通情況，若接通正常則進(jìn)行下一步操作，否則彈出報(bào)錯(cuò)信息并根據(jù)測(cè)試成功項(xiàng)與出錯(cuò)項(xiàng)進(jìn)行專(zhuān)家系統(tǒng)診斷，隨后判斷是否結(jié)束測(cè)試，若否則返回2）；5）判斷是否結(jié)束測(cè)試，若否則返回2）。

圖9 自動(dòng)測(cè)試流程圖

為降低測(cè)試系統(tǒng)學(xué)習(xí)成本，提升測(cè)試效率，測(cè)試控制軟件集成專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)測(cè)試錯(cuò)誤結(jié)果進(jìn)行診斷，指導(dǎo)操作人員排查并檢修故障。測(cè)試過(guò)程中某項(xiàng)測(cè)試出錯(cuò)時(shí)，測(cè)試控制軟件自動(dòng)進(jìn)入診斷模式，專(zhuān)家系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試知識(shí)庫(kù)對(duì)測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷推理，給出相應(yīng)的故障診斷信息與檢修建議[17-18]，工作人員可根據(jù)故障信息進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)試。圖10為診斷模式界面，界面提供當(dāng)前故障線路、故障原因、解決措施顯示框，并設(shè)置溯源數(shù)據(jù)索引功能用于翻查測(cè)試記錄。

3 測(cè)試試驗(yàn)效果與分析

圖11為研制的ATC設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試裝置下位機(jī)實(shí)物圖，與上位機(jī)一同組成軌道交通ATC設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試裝置。

圖10 診斷界面

圖11 測(cè)試裝置下位機(jī)實(shí)物圖

使用該裝置對(duì)多型號(hào)軌道交通車(chē)輛進(jìn)行軌道交通車(chē)輛ATC系統(tǒng)通信測(cè)試(測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖12所示)。測(cè)試過(guò)程中，設(shè)備根據(jù)工藝文件自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中一直利用上位機(jī)記錄測(cè)試信息并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該裝置能兼容多種車(chē)型測(cè)試，按照給定測(cè)試順序自動(dòng)測(cè)試并給出測(cè)試結(jié)果，專(zhuān)家系統(tǒng)診斷故障并給出檢修建議，全面提升測(cè)試自動(dòng)化、智能化、通用化與可溯源水平。

圖12 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

表3為本文測(cè)試方法與傳統(tǒng)測(cè)試方法比較表?？梢钥闯觯褂猛ㄓ没詣?dòng)測(cè)試裝置的測(cè)試方法通用性好，測(cè)試時(shí)間短，測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化，僅需將測(cè)試線路連接至ATC自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，連接上位機(jī)，在上位機(jī)軟件上選擇測(cè)試項(xiàng)目即可自動(dòng)完成測(cè)試項(xiàng)目，其測(cè)試流程與測(cè)試方法符合測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代人，提升測(cè)試效率。

表3 手動(dòng)測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試效果對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)軌道交通不同車(chē)型 ATC 設(shè)備通信線路定義不一，ATC 設(shè)備測(cè)試項(xiàng)目眾多、線路切換頻繁，測(cè)試步驟繁瑣，測(cè)試過(guò)程不規(guī)范、測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)不可溯源、測(cè)試效率低等問(wèn)題，提出研發(fā)軌道交通ATC 設(shè)備通用化自動(dòng)測(cè)試裝置，具有重要實(shí)際意義。

2）研發(fā)利用Python語(yǔ)言、LabVIEW平臺(tái)的測(cè)試控制軟件，結(jié)合PLC自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制測(cè)試線路自動(dòng)切換、自動(dòng)記錄測(cè)試溯源信息；集成專(zhuān)家系統(tǒng)診斷測(cè)試故障，兼容多種軌道交通車(chē)型的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試設(shè)備的具有較好通用化特點(diǎn)。

3）基于Python語(yǔ)言編寫(xiě)用于自動(dòng)測(cè)試的控制函數(shù)的靈活調(diào)用，多車(chē)型通用化可編程以及基于RSA加密方法應(yīng)用，是本文重要?jiǎng)?chuàng)新工作。

以后將加強(qiáng)測(cè)試大數(shù)據(jù)的綜合利用，提高測(cè)試裝置及系統(tǒng)的智能化水平，加大推廣力度。感謝中車(chē)廣東軌道交通車(chē)輛有限公司對(duì)本項(xiàng)目研究支持。