基于C++的聯(lián)鎖接口工具CIAdapter的研究與實現(xiàn)

李迎春 歐陽敏 夏蕓

（卡斯柯信號有限公司 上海市 200071）

傳統(tǒng)的聯(lián)鎖系統(tǒng)需要通過繼電器控制軌旁信號設備，而全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)不再需要繼電器，直接控制軌旁信號設置。以其空間小、成本低、可維護性強、集成度高、可靠性強和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，在新一代聯(lián)鎖產(chǎn)品中嶄露頭角。廣州、深圳、杭州等城市軌道交通信號系統(tǒng)項目已經(jīng)規(guī)劃了若干個試點[1]，例如深圳地鐵十六號線和二十號線的信號系統(tǒng)都將采用全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)。隨著全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的推廣，地鐵信號系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試工作量將會越來越大。為減少現(xiàn)場調(diào)試工作量，搭建配置全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的室內(nèi)集成測試平臺環(huán)境和制定可行的室內(nèi)測試策略勢在必行。由于室內(nèi)集成測試平臺和傳統(tǒng)的聯(lián)鎖系統(tǒng)之間有接口繼電器[2-4]，且其接口協(xié)議和接口方式與全電子聯(lián)鎖的不同，導致現(xiàn)有的接口工具不能匹配全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)，為此本文研究并設計了聯(lián)鎖接口工具CIAdapter，此工具能夠在室內(nèi)集成測試平臺和全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)之間準確高效地進行信息交互，并且此工具具有友好的人機界面，方便注入異常輸入，能更好地設計信號系統(tǒng)的測試運營場景。

1 聯(lián)鎖接口工具CIAdapter提出的必要性

1.1 室內(nèi)集成測試平臺

在室內(nèi)測試地鐵信號系統(tǒng)時，由于無法使用真實的軌旁信號設備和車輛，所以需要搭建模擬軌旁信號設備和車輛的地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試平臺。室內(nèi)集成測試平臺結(jié)構如圖1所示[5]，該測試平臺所使用的真實信號子系統(tǒng)設備包括ATS 設備、聯(lián)鎖設備、維護監(jiān)測設備、區(qū)域控制器（ZC）設備、線路控制器（LC）以及車載（CC）等。室內(nèi)集成測試平臺主要仿真模擬信號機、道岔、計軸、屏蔽門等軌旁信號設備以及車輛、天線、信標編碼里程計等，并與車載、列車自動控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖子系統(tǒng)進行信息交互，該平臺可將所有信號子系統(tǒng)有機聯(lián)動起來進行真實的地鐵運營場景測試。

圖1：地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試平臺結(jié)構圖

集成測試平臺以模擬設備的形式處理與聯(lián)鎖及車載接口的輸入輸出。其中，模擬設備分配部分定義了測試平臺中所有的模擬設備，如信號機、軌旁信標、道岔轉(zhuǎn)轍機、計軸、站臺屏蔽門以及車輛等；接口定義部分則針對每一類設備定義其所包含的輸入和輸出變量碼位以及碼位類型。腳本編寫部分包含碼位邏輯的編寫，如信號機點燈邏輯、站臺門的開關邏輯，車輛電路邏輯等。

1.2 全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)，聯(lián)鎖運算部分（IPS）與既有計算機聯(lián)鎖是完全相同的，其區(qū)別主要在于執(zhí)行表示部分，即全電子聯(lián)鎖執(zhí)行單元OC，它是IPS 與現(xiàn)場信號機、道岔、軌道電路等信號設備連接的通道。OC 機籠主要包括輸入輸出通信模塊、信號機驅(qū)動模塊、四六線制道岔模塊、25HZ 軌道電路模塊、五線制道岔模塊、零散采集模塊6 種類型模塊，實現(xiàn)對信號設備的驅(qū)動，其中包括信號機點燈、道岔轉(zhuǎn)換等，以及對信號機燈絲狀態(tài)、道岔表示、道岔啟動電流等信號設備狀態(tài)的采集。

如圖2所示[6]，OC 和IPS 通過雙網(wǎng)冗余連接的方式完成信息交換，OC 從IPS 接收聯(lián)鎖控制命令，例如信號機點燈控制命令、道岔轉(zhuǎn)換控制命令等。并向IPS 發(fā)送信號設備狀態(tài)信息，例如道岔表示狀態(tài)、信號機燈絲狀態(tài)等。

圖2：全電子聯(lián)鎖執(zhí)行單元OC 系統(tǒng)結(jié)構框圖

1.3 聯(lián)鎖接口工具CIAdapter的提出

通過上文室內(nèi)集成測試平臺和全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的介紹和調(diào)研，本文整理并分析了它們接口之間的特點和協(xié)議的具體內(nèi)容，在Visual Studio 2019 開發(fā)環(huán)境下使用C++語言開發(fā)了聯(lián)鎖接口工具CIAdapter。

2 聯(lián)鎖接口工具CIAdapter的設計需求

根據(jù)地鐵信號系統(tǒng)的特點，聯(lián)鎖接口工具CIAdapter 應滿足以下需求：

（1）準確性：全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)和室內(nèi)集成測試平臺的仿真軌旁設備的碼位是一一對應的，所以要求聯(lián)鎖接口工具CIAdapter 應具有傳遞碼位的高準確性。

（2）性能和時效性：CIAdapter 應能容納大容量的聯(lián)鎖碼位，同時不影響轉(zhuǎn)發(fā)消息的實時性。

（3）可配置：IP、端口、需要保持隔離狀態(tài)的碼位、信號轉(zhuǎn)換規(guī)則等可配置。

（4）人機接口：可提供界面顯示接口模塊上傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)、狀態(tài)（運行關鍵信息，出錯報警等），還能手工設置接口模塊上傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)。

（5）兼容性：同時兼容真實聯(lián)鎖機柜和仿真聯(lián)鎖軟件，為真實聯(lián)鎖子系統(tǒng)和仿真聯(lián)鎖子系統(tǒng)提供同樣的交互消息。

3 聯(lián)鎖接口工具CIAdapter的系統(tǒng)結(jié)構和功能

如圖3所示，聯(lián)鎖接口工具CIAdapter 包括2 個部分：接口模塊和人機界面。圖中輸出信號S0，主要包括道岔轉(zhuǎn)換控制命令、信號機點燈控制命令、計軸預復位、軌道電路占用等信號控制命令。輸入信號Si 主要包括道岔的表示狀態(tài)、信號機燈絲狀態(tài)、軌道電路占用狀態(tài)、計軸信息等軌旁設備狀態(tài)。

圖3：聯(lián)鎖接口工具CIAdapter 的結(jié)構框圖

接口模塊包括發(fā)送、接收和控制模塊。發(fā)送模塊的主要功能是將控制模塊處理好的信號發(fā)送給仿真軌旁設備或者全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)；接收模塊的主要功能是傳輸來自仿真軌旁設備或者全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的信號給控制模塊；控制模塊是接口模塊的核心，負責處理接收模塊傳輸來的信號。

控制模塊有兩種處理信號的過程。

過程1：從全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)到仿真軌旁設備，由于全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)是雙機熱備型系統(tǒng)，所以接收模塊接收的信號是全電子聯(lián)鎖雙機各自信號合并以后的狀態(tài)，若信號的狀態(tài)可隔離，控制模塊按照人機界面發(fā)送的修改指令改變該信號的狀態(tài)，傳輸給人機界面顯示，并將該信號通過發(fā)送模塊發(fā)送出去；若信號不可隔離，控制模塊直接輸出給人機界面顯示，并通過發(fā)送模塊發(fā)送出去；

過程2：從仿真軌旁設備到全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)，接收模塊從仿真軌旁設備采集到信號后分解為兩路相同的信號，若兩路信號的狀態(tài)分別都可隔離，控制模塊根據(jù)人機界面送來的修改指令改變各自信號的狀態(tài)，傳輸給人機界面顯示，并將該信號傳輸給發(fā)送模塊輸入給對應的聯(lián)鎖系統(tǒng)雙機；若兩路信號其中之一不可隔離，那么對應的信號直接輸出給人機界面顯示，并通過發(fā)送模塊輸入給對應的聯(lián)鎖系統(tǒng)。

人機界面的主要功能是顯示和控制輸出信號S0 和輸入信號Si。人機界面顯示接口模塊上傳輸?shù)男盘枲顟B(tài)；用戶通過點擊界面上對應聯(lián)鎖碼位的右鍵菜單來實現(xiàn)信號的修改操作，人機界面將用戶的修改命令發(fā)送給接口模塊處理。通過修改操作可以模擬全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)和仿真軌旁設備之間信號傳輸故障，便于測試異常地鐵運營場景。

此外人機界面還具有一些輔助功能，例如：

（1）為了快速查找某一個輸入輸出聯(lián)鎖碼位，操作主界面上可使用快捷鍵查找。

（2）顯示每個聯(lián)鎖碼位的名稱、發(fā)送/接收端、對應站臺名等信息。

（3）界面上實時顯示提示軟件運行過程中出現(xiàn)的重要信息和出錯信息，提高程序的易用性。

4 聯(lián)鎖接口工具CIAdapter的基本工作流程

聯(lián)鎖接口工具CIAdapter 基本工作流程按其結(jié)構框圖分為兩種，基本工作流程1 和基本工作流程2。其中基本工作流程1 是信號系統(tǒng)中信號自動傳輸?shù)倪^程，沒有人機界面的干擾；基本工作流程2是在人機界面控制信號表示的過程。

由于實驗室環(huán)境下OC 需要借助PLC 控制器來實現(xiàn)信息的采集和驅(qū)動，所以在基本工作流程1 中加入了PLC 控制器，如圖4所示。為了完整說明基本工作流程1，本文以信號系統(tǒng)中的道岔控制來舉例說明。舉例場景如下：列車行駛過程中需要道岔自動地由反位扳到定位，此時自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）會發(fā)送道岔控制命令給IPS。

圖4：基本工作流程1

（1）IPS 將道岔控制命令發(fā)送給OC，OC 接收到IPS 的定反操命令后，設置全電子聯(lián)鎖機籠中道岔模塊的相應碼位。

（2）PLC 控制器將采集到的OC 道岔模塊信息發(fā)送給CIAdapter， CIAdapter 將該道岔的正操DCJ-SBO 閉合，反操FCJSBO 斷開，并發(fā)送給室內(nèi)集成測試平臺。

（3）室內(nèi)集成測試平臺采集到CIAdapter 的道岔定反操信息后，把仿真道岔從反位扳到定位，道岔的定位狀態(tài)表示DBJ-DI 閉合，反位狀態(tài)表示FBJ-DI 斷開。

（4）道岔的定反位狀態(tài)經(jīng)過CIAdapter 發(fā)送給PLC 控制器，PLC 控制器驅(qū)動OC 的相應道岔模塊。

IPS 采集OC 道岔模塊的信息后，將道岔的定反位表示信息發(fā)送給ATS 子系統(tǒng)。ATS 界面顯示該道岔為定位狀態(tài)，通車進路自動排列，列車順利地通過道岔繼續(xù)前行。

界面的基本工作流程2 如圖5所示，人機界面顯示接口模塊上傳輸?shù)男盘栃畔?。用戶在界面上通過右鍵點擊碼位的菜單欄進行修改操作，接口模塊根據(jù)人機界面的修改指令改變對應的聯(lián)鎖碼位值，修改后的信號信息通過發(fā)送模塊發(fā)送給全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)或者仿真軌旁設備。按照上面的工作流程操作，可以模擬接口設備之間信號傳輸故障、注入錯誤輸入等異常測試場景，豐富地鐵信號系統(tǒng)的測試場景。

圖5：基本工作流程2

5 實例應用

為了驗證CIAdapter 工具的正確性，本文使用內(nèi)部測試線項目信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和軟件按照圖6 的結(jié)構圖搭建了室內(nèi)集成測試環(huán)境，其中OC 通過電纜連接到PLC 控制器，PLC 控制器和模擬計軸控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連接到CIAdapter， CIAdapter 通過網(wǎng)絡和室內(nèi)集成測試平臺的仿真軌旁設備連接。

圖6：接口全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的室內(nèi)集成測試平臺系統(tǒng)結(jié)構圖

根據(jù)圖7所示的信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試基本流程，運行室內(nèi)信號系統(tǒng)測試環(huán)境，包括室內(nèi)集成測試平臺、聯(lián)鎖接口工具CIAdapter、全電子聯(lián)鎖機柜、ATS、ZC、LC 和CC 等其他真實信號設備。測試策略主要偏重測試信號系統(tǒng)有關聯(lián)鎖子系統(tǒng)的功能，不僅包括正常功能測試場景如列車以各種駕駛模式跑運行圖、CBTC 模式下自動掉頭作業(yè)、車載CC 與聯(lián)鎖屏蔽門的通信；還包括通過CIAdapter 人機界面人工注入錯誤輸入的異常測試場景，如列車行駛中接近道岔時發(fā)生擠岔、列車到站后和聯(lián)鎖子系統(tǒng)通信中斷等。執(zhí)行用例的過程中觀察CIAdapter 界面上碼位的變化，如圖8所示，碼位顯示和變換正確，驗證了全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)和室內(nèi)集成測試平臺進行了正確的信號輸入輸出。

圖7：信號系統(tǒng)室內(nèi)集成測試基本流程

圖8：CIAdapter 人機界面

6 結(jié)語

聯(lián)鎖接口工具CIAdapter 為信號系統(tǒng)的室內(nèi)集成測試平臺和全電子聯(lián)鎖子系統(tǒng)提供了有效的信息交互。借助這個工具，項目搭建了全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)的室內(nèi)集成測試平臺仿真環(huán)境，完成了測試線項目信號系統(tǒng)的系統(tǒng)集成信心測試，驗證了聯(lián)鎖接口工具CIAdapter的可用性和正確性，該工具已經(jīng)在國內(nèi)一些項目的地鐵信號系統(tǒng)的室內(nèi)集成測試中成功投入使用。CIAdapter 實現(xiàn)了全電子聯(lián)鎖地鐵信號系統(tǒng)項目的室內(nèi)集成測試，大大減少了全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)和整個信號系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試工作量，對全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)在城市軌道交通信號系統(tǒng)領域的推廣和應用提供了重要的參考價值。