CBTC測(cè)試平臺(tái)車輛仿真子系統(tǒng)接口適配器的設(shè)計(jì)

何濤，馬潔

CBTC測(cè)試平臺(tái)車輛仿真子系統(tǒng)接口適配器的設(shè)計(jì)

何濤1, 2，馬潔1

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省工業(yè)交通自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)目前CBTC測(cè)試平臺(tái)中各仿真子系統(tǒng)存在接入難和復(fù)用性差等問題，以車輛仿真子系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一種基于Linux的車輛仿真子系統(tǒng)接口適配器。首先根據(jù)接口適配器的通用性，提出硬件接入層和軟件邏輯層的設(shè)計(jì)模型；然后在硬件接入層部分完成接口適配器和車輛仿真子系統(tǒng)與CBTC測(cè)試平臺(tái)之間的信息配置和交互過程；其次在軟件邏輯層部分，設(shè)計(jì)基于Linux平臺(tái)的BSP驅(qū)動(dòng)開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換和傳遞功能。最后將車輛仿真子系統(tǒng)的接口適配器接入到CBTC測(cè)試平臺(tái)中，通過使用試驗(yàn)線的數(shù)據(jù)以及動(dòng)車組數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，研究結(jié)果表明：接口適配器輸出的速度脈沖誤差在2%以內(nèi)，滿足CBTC測(cè)試仿真平臺(tái)的性能要求。

CBTC測(cè)試平臺(tái)；車輛仿真子系統(tǒng)；接口適配器；功能；調(diào)試

基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communication- based Train Control System, CBTC)采用了先進(jìn)的通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以連續(xù)控制、監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行，在國內(nèi)各大城市已被廣泛采用：如北京、廣州、上海、武漢、沈陽等，成為城市軌道交通控制系統(tǒng)的首選[1]。由于CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程量大、投資高，驗(yàn)證CBTC系統(tǒng)功能的可靠性和可用性較為困難，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)CBTC測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其可靠性和可用性進(jìn)行測(cè)試[2]。城市軌道交通仿真測(cè)試技術(shù)的研究在國外發(fā)展比較早，美國、德國和日本等國家先后研發(fā)了CBTC系統(tǒng)的模擬軟件[3]。近幾年，國內(nèi)的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開始對(duì)CBTC系統(tǒng)的研究[4]，同濟(jì)大學(xué)開發(fā)了車站通用信號(hào)仿真系統(tǒng)；北京理工大學(xué)與中國鐵路通信信號(hào)集團(tuán)開發(fā)了列車自動(dòng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)SATM；同時(shí)部分研究人員對(duì)城軌列車運(yùn)行進(jìn)行了三維建模[5?6]。這些研究為CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)的研究和實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)和方法，但是由于以上研究都是基于純軟件仿真環(huán)境下的，測(cè)試不同的車站、線路和車輛時(shí)，都需要重新修改參數(shù)，過程較為繁瑣。因此研究設(shè)計(jì)一個(gè)通用的CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)具有重要意義。研究表明，CBTC測(cè)試平臺(tái)的通用性更多地取決于接口適配器的通用性，本文以車輛仿真子系為例，研究并設(shè)計(jì)CBTC測(cè)試平臺(tái)車輛子系統(tǒng)的接口適配器，解決了真實(shí)的被測(cè)設(shè)備接入時(shí)接口不通用的問題，同時(shí)將接口的接入功能從車輛仿真子系統(tǒng)中分割開來，完成系統(tǒng)的解耦，提高開發(fā)效率，進(jìn)而提高測(cè)試效率，節(jié)約成本，最大程度上滿足了車載設(shè)備和CBTC測(cè)試平臺(tái)之間的信息交互的需求。

1 CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)及其子系統(tǒng)

1.1 CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)

CBTC系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)中用于保證行車安全和效率的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備故障或者異常都會(huì)發(fā)生行車不安全事件，同時(shí)影響運(yùn)行效率。隨著列車速度越來越快，列車數(shù)量越來越多，CBTC系統(tǒng)也同時(shí)表現(xiàn)出系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化等特點(diǎn)。因此，CBTC系統(tǒng)必須要進(jìn)行全面的、細(xì)致的測(cè)試與驗(yàn)證。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括功能和原理仿真、關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試、總體方案驗(yàn)證和維護(hù)支持和仿真培訓(xùn)。仿真測(cè)試平臺(tái)整體貫徹“硬件最小化，功能最大化”的最小系統(tǒng)的思想[7]。CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)包括線路數(shù)據(jù)服務(wù)器、車輛仿真子系統(tǒng)、列車群仿真子系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、真實(shí)車站設(shè)備和仿真車站設(shè)備，可以完成CBTC系統(tǒng)的自動(dòng)列車監(jiān)督(Automatic Train Supervision, ATS)子系統(tǒng)、車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的功能[7]，如圖1所示。

圖1 CBTC測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2 車輛仿真子系統(tǒng)

在實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景中車載列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)(Automatic Train Protection, ATP)設(shè)備負(fù)責(zé)列車運(yùn)行安全的設(shè)備，根據(jù)從車站設(shè)備獲取的移動(dòng)授權(quán)信息及線路上的障礙物信息，結(jié)合與車站設(shè)備進(jìn)行了版本校驗(yàn)的電子地圖，列車自動(dòng)防護(hù)設(shè)備將對(duì)列車的安全運(yùn)行行為進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)威脅列車運(yùn)行安全的情況，列車自動(dòng)防護(hù)設(shè)備將立刻采取措施，保證列車運(yùn)行安全。

在CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)中，車輛仿真子系統(tǒng)主要通過完成車載ATP傳輸?shù)淖詣?dòng)控制命令，實(shí)現(xiàn)列車的實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景模擬，同時(shí)為測(cè)試人員提供仿真駕駛臺(tái)界面，可以在測(cè)試時(shí)控制仿真列車的運(yùn)行。

2 車輛仿真子系統(tǒng)接口適配器的設(shè)計(jì)

接口適配器是一種接口轉(zhuǎn)換器，通過硬件電路板來實(shí)現(xiàn)硬件接口和測(cè)試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。接口適配器主要應(yīng)用于當(dāng)系統(tǒng)無法完成當(dāng)前要求時(shí)，作為紐帶來完成剩下的任務(wù)。接口適配器主要分為計(jì)算機(jī)總線類接口適配器和專用接口適配器[8]。

車輛仿真子系統(tǒng)采用專用型接口適配器，專用型接口適配器采用主處理單元板設(shè)計(jì)模式，利用DSP＋FPGA[9?10]模塊，使用標(biāo)準(zhǔn)接插件導(dǎo)出具體使用的總線，從而滿足要求的傳輸協(xié)議、使用的總線協(xié)議和通用協(xié)議的測(cè)試需求。

2.1 接口適配器的設(shè)計(jì)原則

由于CBTC系統(tǒng)龐大，因此各子系統(tǒng)之間的接口設(shè)計(jì)應(yīng)該符合一定的原則，從而使整個(gè)系統(tǒng)邏輯性更強(qiáng)[11]。除此之外，CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)的各子系統(tǒng)之間的信息交互也需要遵循一定的原則。相關(guān)規(guī)則如下所示。

1) 物理接口

接口使用符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet 10/ 100BaseT冗余以太網(wǎng)絡(luò)，采用全雙工工作模式，使用Big Endian編碼模式。

2) 通信協(xié)議

通信協(xié)議如表1所示。

表1 通信協(xié)議

2.2 接口適配器的結(jié)構(gòu)

通過對(duì)CBTC系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)的分析，CBTC測(cè)試系統(tǒng)主要完成對(duì)不同信號(hào)系統(tǒng)、不同線路和不同列車完成較高的仿真測(cè)試。接口適配器主要負(fù)責(zé)CBTC系統(tǒng)中的ATP系統(tǒng)與測(cè)試平臺(tái)的接入、信息轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)热蝿?wù)。同時(shí)可以使CBTC測(cè)試平臺(tái)更加邏輯緊密，完成對(duì)接入CBTC測(cè)試系統(tǒng)真實(shí)的設(shè)備邏輯性、安全性和可靠性的測(cè)試。

接口適配器通過動(dòng)態(tài)的軌旁設(shè)備配置，接收線路數(shù)據(jù)庫(電子地圖)發(fā)送的線路信息，可以接收車載ATP對(duì)牽引力、制動(dòng)力以及車門等的控制命令，并傳送給車輛運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，同時(shí)接收車輛運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的應(yīng)答器報(bào)文和速度傳感器測(cè)速信息，如圖2所示。

圖2 接口適配器結(jié)構(gòu)圖

2.3 接口適配器的實(shí)現(xiàn)

接口適配器的實(shí)現(xiàn)分為硬件接入層和軟件邏輯層。其中，硬件接入層是真實(shí)的CBTC子設(shè)備的串口接入和繼電器接入以及以太網(wǎng)和串口接入；軟件邏輯層主要完成CBTC測(cè)試平臺(tái)和車載子系統(tǒng)之間的信息轉(zhuǎn)換。

2.3.1 硬件接入層

接口適配器的硬件部分主要完成狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換功能、控制命令轉(zhuǎn)換功能和應(yīng)答器報(bào)文轉(zhuǎn)換功能。對(duì)于完成狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換部分，主要是接口適配器與真實(shí)軌旁/車載ATP設(shè)備和接口適配器與仿真軌旁/車載ATP設(shè)備進(jìn)行信息交互的功能；對(duì)于完成控制命令轉(zhuǎn)換功能，主要是接口適配器與真實(shí)軌旁/車載ATP設(shè)備和接口適配器與仿真軌旁/車載ATP設(shè)備進(jìn)行的控制命令的下發(fā)和接收過程；對(duì)于應(yīng)答器報(bào)文轉(zhuǎn)換部分來說，接口適配器不定期接收軌旁ATP設(shè)備發(fā)送的應(yīng)答器報(bào)文信息。通過分析這些信息類型設(shè)計(jì)如圖3所示的接口適配器主板，主板上從左至右、從上到下依次是電源接口、串行RS232接口、USB接口、LED接口、以太網(wǎng)接口、背板連接接口和信號(hào)接口，其中中間4部分是插入功能子板的槽位，從上而下依次是MF板、CAN &RS232&LINK板、RS422&RS485& LINK和MVB板，用來處理相關(guān)數(shù)據(jù)流[10?11]。

圖3 接口適配器的主板

為了完成與CBTC其他子系統(tǒng)的物理接入，設(shè)計(jì)3種鏈接板，分別是DI板、DO板和PO板，為了滿足大量且質(zhì)量要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)傳輸需求，本文選用2塊DI板，2塊DO板，1塊PO板，3種鏈接I/O板的具體功能為：

1) 每個(gè)DI板支持24路開關(guān)量輸入。其中每塊板卡的前16路DI輸入為隔離輸入，后8路為共地輸入；

2) 每個(gè)DO板支持24路開光量輸入。其中前8路彼此隔離，后16路共地共激勵(lì)電壓；

3) 每個(gè)PO板上支持5組，每路包括3路頻率相同、相鄰相位差可調(diào)的脈沖輸出信號(hào)。

2.3.2 接口適配器軟件邏輯層

選用PowerPC5200BSamba開發(fā)板[12]，硬件平臺(tái)的板級(jí)支持包(Board Support Package, BSP)為L(zhǎng)inux應(yīng)用軟件開發(fā)，采用Makefile對(duì)軟件代碼進(jìn)行組成。針對(duì)DO/DI/PO板對(duì)應(yīng)設(shè)備文件/dev/sbpXX的操作為基礎(chǔ)的Linux文件操作，使用open/read/ write/close等函數(shù)。

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將接口適配器和車輛子系統(tǒng)以及之間的數(shù)據(jù)分模塊處理，在Linux編程的軟件上面建立多條線程，如圖4所示[13]。首先對(duì)相關(guān)FPGA進(jìn)行初始化，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，創(chuàng)建線程，初始化鏈接DO/DI/PO板，等待命令，解析命令，根據(jù)通信協(xié)議，選擇傳輸方式，執(zhí)行命令，向上位機(jī)回執(zhí)，查看是否還有信息，如果有，則返回到查詢是否為控制命令，如果不是，則斷開連接。

DO/DI/PO板的具體功能是由read/write的字節(jié)流具體定義實(shí)現(xiàn)的，用于傳遞針對(duì)DO/DI/PO板操作的具體執(zhí)行操作。

字節(jié)流的結(jié)構(gòu)定義如下：

struct sbp_pkt{

unsigned short obj_reg_index; 鏈接板相關(guān)寄存器號(hào)

unsigned short obj_reg_h; //DO/DI/PO鏈接板相關(guān)寄存器的值

unsigned short obj_reg_l; //DO/DI/PO鏈接板相關(guān)寄存器的值

unsigned short pkt_end; //字節(jié)流間隔標(biāo)志字符

}

DO/DI/PO板的read/write均以“寄存器—寄存器值”的組合傳遞的，在DO/DI/PO板中均定義了一系列讀/寫寄存器，用于具體功能的操作。當(dāng)需要對(duì)DO/DI/PO板進(jìn)行設(shè)置或者寫操作時(shí)，按照字節(jié)流結(jié)構(gòu)體的格式編輯字節(jié)流數(shù)據(jù)包，使用write函數(shù)寫設(shè)備文件的描述符，實(shí)現(xiàn)寫寄存器的操作。DO/DI/PO板均設(shè)置觸發(fā)寄存器，當(dāng)在Linux中寫觸發(fā)寄存器時(shí)，將觸發(fā)相應(yīng)板卡把所有的讀寄存器狀態(tài)立即全部推送至Linux系統(tǒng)中。

圖4 BSP軟件流程圖

3 實(shí)例分析

3.1 接口適配器調(diào)試環(huán)境搭建

將接口適配器接入到車輛仿真子系統(tǒng)中，然后把整個(gè)子系統(tǒng)接入到CBTC測(cè)試平臺(tái)中。工控機(jī)和接口適配器使用局域網(wǎng)進(jìn)行連接，工控機(jī)上安裝了VMware虛擬機(jī)、centOS、SSH Secure、SCRT等軟件，用于調(diào)試接口適配器。圖5中顯示的是接口適配器初始化和自檢狀態(tài)，圖6是使用SCRT對(duì)接口適配器進(jìn)行功能調(diào)試，示波器顯示的是PO板輸出的當(dāng)前速度脈沖。

3.2 實(shí)例驗(yàn)證

接入某城市試驗(yàn)線路和動(dòng)車組進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將系統(tǒng)接入CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)中，根據(jù)當(dāng)前的CBTC系統(tǒng)的控制模式實(shí)時(shí)地向車輛仿真子系統(tǒng)傳輸牽引力或者制動(dòng)力信息，電子地圖向車輛仿真子系統(tǒng)輸入當(dāng)前線路的線路信息，上位機(jī)軟件計(jì)算出當(dāng)前速度，接口適配器將采集到的速度轉(zhuǎn)換成脈沖通過PO板將脈沖傳輸?shù)杰囕dATP中，將接口適配器采集到的速度和上位機(jī)計(jì)算的速度相比較，得到接口適配器產(chǎn)生的誤差在2%以內(nèi)，滿足CBTC系統(tǒng)的性能要求。

圖5 SCRT調(diào)試界面

圖6 車輛仿真系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)

圖7所示的是受限駕駛模式(Restricted Train Operating Mode, RM)升級(jí)到受控人工駕駛(Code Train Operating Mode, CM)模式下，車載控制器(Vehicle on-board Controller, VOBC)模擬系統(tǒng)的界面。通過與CBTC測(cè)試平臺(tái)的其他子系統(tǒng)和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，印證了該車載仿真子系統(tǒng)具有完備性。

圖7 VOBC模擬系統(tǒng)界面

4 結(jié)論

1) 使子系統(tǒng)和CBTC測(cè)試平臺(tái)隔離開來，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了通用性，而且占用空間小，成本低，符合對(duì)接口設(shè)計(jì)的要求。

2) 該系統(tǒng)和測(cè)試線路的數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)，且系統(tǒng)適用于不同廠家，通用性強(qiáng)，可以滿足CBTC測(cè)試平臺(tái)的性能要求。

3) 基于Linux的接口適配器彌補(bǔ)了原有仿真測(cè)試平臺(tái)的接入難、復(fù)用性差的不足，提升了測(cè)試平臺(tái)的可拓展性，對(duì)CBTC測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

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Design of interface adapter for vehicle simulation subsystem in CBTC test platform

HE Tao1, 2, MA Jie1

(1. School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Research Center of Automation Engineering Technology for Industry & Transportation, Lanzhou 730070, China)

For the simulation subsystems of the current CBTC test platform, there are problems such as difficult access and poor reusability. By taking the vehicle simulation subsystem as an example, a Linux-based vehicle simulation subsystem interface adapter was designed. First, according to the versatility of interface adapter, the design model of hardware access layer and software logic layer was proposed; second, in the hardware access layer part, the information configuration and interaction process between the interface adapter and the vehicle simulation subsystem and the CBTC test platform were mainly completed. In the software logic layer, the BSP driver development process under the Linux platform was devised, which completed the information conversion and delivery functions. Finally, the interface adapter of the vehicle simulation subsystem was connected to the CBTC test platform, and test line data and EMU data were used for joint adjustment. The results show that the speed pulse error of the interface adapter output is within 2%, which satisfies the performance requirements of the CBTC test simulation platform.

CBTC test platform; vehicle simulation subsystem; interface adapter; features; debugging

U284.48

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0485 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190393

2019?05?10

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2016X003-H)；中國國家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(N2019G017)；甘肅省工業(yè)交通自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心2019年開放基金項(xiàng)目(GSITA201903)

何濤(1977?)，男，內(nèi)蒙古商都人，教授，從事軌道交通信號(hào)的設(shè)計(jì)；E?mail：770081140@qq.com

(編輯 陽麗霞)