CIR 線路數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)的研發(fā)

龔和宏

機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備（CIR）線路數(shù)據(jù)是鐵路運(yùn)輸行車指揮的重要數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性直接影響到正常的運(yùn)輸秩序和行車安全。隨著鐵路新線建設(shè)和既有線改造，CIR 線路數(shù)據(jù)需要同步進(jìn)行新增或修改。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效，在CIR 線路數(shù)據(jù)批量灌裝使用前，需要進(jìn)行充分的模擬和驗(yàn)證。

1 需求分析

目前全路共有9 家CIR 設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，各廠家CIR 線路數(shù)據(jù)互不兼容。以武漢鐵路局管內(nèi)6 個(gè)CIR 廠家為例，每次數(shù)據(jù)驗(yàn)證至少要地面模擬12 次，模擬通過(guò)后再灌裝上車驗(yàn)證12 次。而目前各廠家地面模擬方式是采用模擬軟件控制CIR 進(jìn)入模擬工作狀態(tài)，再用電腦串口發(fā)送經(jīng)緯度軌跡數(shù)據(jù)至CIR，然后人工判斷CIR 工作情況是否正確。由于模擬時(shí)CIR 未在工作狀態(tài)，不能反映CIR 線路數(shù)據(jù)上車運(yùn)用后的真實(shí)結(jié)果；而且地面軟件模擬及上車驗(yàn)證全程都需要人工判斷，質(zhì)量和效率難以保證，往往需要多次修改、重復(fù)驗(yàn)證才能確保數(shù)據(jù)正確，消耗了大量的人力、物力和時(shí)間成本；此外，上車驗(yàn)證時(shí)還需結(jié)合機(jī)車、動(dòng)車組正常運(yùn)用交路進(jìn)行，頻繁、大量的上車驗(yàn)證，給正常的列車運(yùn)行和運(yùn)輸生產(chǎn)指揮及行車安全帶來(lái)影響。

為了能真實(shí)模擬CIR 實(shí)際運(yùn)用效果，同時(shí)兼容多家CIR 進(jìn)行模擬，并能自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行判斷，研發(fā)了一套CIR 線路數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)研發(fā)

CIR 線路數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)采用無(wú)線電技術(shù)，通過(guò)軟件模擬產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的GPS 衛(wèi)星定位波形數(shù)據(jù)，然后經(jīng)射頻信號(hào)調(diào)制和功率放大發(fā)射，生成的射頻信號(hào)可以被所有廠家的CIR 設(shè)備接收和解析，從而達(dá)到兼容所有設(shè)備的目的。CIR 通過(guò)GPS 天線直接接收射頻信號(hào)，CIR 的工作狀態(tài)與上車運(yùn)行的狀態(tài)一致，從而達(dá)到真實(shí)模擬的效果。

2.1 系統(tǒng)要求

1）模擬時(shí)CIR 應(yīng)處于正常工作狀態(tài)。

2）模擬的導(dǎo)航數(shù)據(jù)源應(yīng)來(lái)自北京鐵路通信技術(shù)中心核驗(yàn)發(fā)布的GIS 數(shù)據(jù)。

3）應(yīng)能導(dǎo)入各路局集團(tuán)公司提供的線路數(shù)據(jù)制作方案，作為補(bǔ)充的模擬數(shù)據(jù)源。

4）真實(shí)模擬導(dǎo)航衛(wèi)星射頻信號(hào)，以及隧道等信號(hào)遮擋的情況，達(dá)到上車驗(yàn)證的同等效果。

5）兼容所有CIR 廠家的設(shè)備，可同時(shí)對(duì)多個(gè)廠家的CIR 進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

6）能自動(dòng)識(shí)別CIR 線路數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤（如車站名稱、電話號(hào)碼、線路代碼等）。

7）支持自定義長(zhǎng)交路模擬，能對(duì)指定區(qū)段反復(fù)驗(yàn)證。

8） 模擬試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整模擬速度。

9）能輸出驗(yàn)證報(bào)告。

10）無(wú)需屏蔽室環(huán)境，不應(yīng)對(duì)外部環(huán)境產(chǎn)生信號(hào)干擾。

2.2 硬件研發(fā)

系統(tǒng)硬件主要由人機(jī)界面、核心運(yùn)算處理單元、GPS 模擬單元、射頻信號(hào)發(fā)生器組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1）人機(jī)界面采用1080P 觸摸屏，負(fù)責(zé)鐵路地圖、模擬導(dǎo)航位置、CIR 實(shí)時(shí)狀態(tài)、操作界面和各種狀態(tài)信息的顯示，接收觸摸屏控制信號(hào)發(fā)送給核心運(yùn)算處理單元。

2）核心運(yùn)算處理單元采用Win10 系統(tǒng)，Intel處理器和固態(tài)硬盤；運(yùn)行CIR 線路數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)軟件；控制GPS 模擬單元，產(chǎn)生模擬衛(wèi)星數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)模擬速度，編輯交路數(shù)據(jù)，對(duì)CIR 的工作狀態(tài)輸出進(jìn)行比對(duì)判斷等；負(fù)責(zé)系統(tǒng)總體功能調(diào)度和內(nèi)外部通信。

3）GPS 模擬單元接收來(lái)自核心運(yùn)算處理單元的軌跡數(shù)據(jù)，根據(jù)星歷進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成模擬的導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)后，控制射頻信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行信號(hào)調(diào)制和發(fā)送。

4）射頻信號(hào)發(fā)生器，將GPS 模擬單元輸出的導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，調(diào)制到GPS 射頻基帶頻率上（1 575.42 MHz），經(jīng)功放放大后，通過(guò)天線發(fā)送，根據(jù)GPS 模擬單元的設(shè)置調(diào)節(jié)發(fā)射功率。

系統(tǒng)利用CIR 公用信息對(duì)CIR 的工作狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行比對(duì)判斷，識(shí)別CIR 的工作狀態(tài)是否正確。為了同時(shí)對(duì)多臺(tái)CIR 進(jìn)行模擬，該系統(tǒng)設(shè)置了6 個(gè)射頻信號(hào)接口和6 個(gè)串口，可以同時(shí)對(duì)6 臺(tái)設(shè)備進(jìn)行模擬。

在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)電磁屏蔽腔體，腔體內(nèi)部設(shè)置1 個(gè)發(fā)送天線和6 個(gè)接收天線，模擬輸出的衛(wèi)星射頻信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜連接到發(fā)送天線，被測(cè)CIR 通過(guò)屏蔽電纜連接到6 個(gè)接收天線。模擬產(chǎn)生的射頻信號(hào)僅在屏蔽腔體內(nèi)部發(fā)送，從而避免了對(duì)外部環(huán)境的影響。在正常辦公室環(huán)境即可進(jìn)行模擬，無(wú)需在屏蔽室內(nèi)操作。

系統(tǒng)主要測(cè)量范圍以及硬件技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)主要測(cè)量范圍以及硬件技術(shù)指標(biāo)

2.3 軟件研發(fā)

系統(tǒng)軟件采用基于QT 的C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，整體采用分層構(gòu)架，從下往上分為QT 庫(kù)函數(shù)層、軟件支持層和業(yè)務(wù)處理層3 層，系統(tǒng)軟件架構(gòu)見(jiàn)圖2。

1） QT 庫(kù)函數(shù)層，主要包括串口類QSERIALPORT、網(wǎng)絡(luò)TCP 協(xié)議類QTCPSOCKET、文件讀寫類QDIR、數(shù)據(jù)庫(kù)操作類QSQLDATABASE、調(diào)試類QDEBUG 等QT 庫(kù)函數(shù)。

2）軟件支持層，提供標(biāo)準(zhǔn)的操作接口給業(yè)務(wù)處理層調(diào)用，主要包含數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫模塊、串口模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、EXCEL 讀寫模塊和USB 驅(qū)動(dòng)模塊。軟件支持層模塊根據(jù)控制需要調(diào)用QT 庫(kù)函數(shù)層對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

3）業(yè)務(wù)處理層，主要包含線路數(shù)據(jù)處理、公用信息顯示、GPS 模擬器通信、人機(jī)交互顯示、驗(yàn)證報(bào)告生成、數(shù)據(jù)導(dǎo)入等業(yè)務(wù)模塊。各模塊根據(jù)自身業(yè)務(wù)調(diào)用相應(yīng)的軟件支持層模塊，實(shí)現(xiàn)具體功能業(yè)務(wù)。

2.4 功能設(shè)計(jì)

先用U 盤將北京鐵路通信技術(shù)中心發(fā)布的原始GIS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，在導(dǎo)入的過(guò)程中自動(dòng)對(duì)GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和糾錯(cuò)處理，形成新的GIS 數(shù)據(jù)；再用U 盤將鐵路局輸出的線路數(shù)據(jù)制作方案導(dǎo)入系統(tǒng)，作為輔助模擬數(shù)據(jù)源，同新GIS 數(shù)據(jù)、原始GIS 數(shù)據(jù)一并存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中；最后對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行加密處理，作為系統(tǒng)模擬時(shí)調(diào)用的線路數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)通過(guò)電纜與CIR 連接，將CIR 置為自動(dòng)工作模式，操作系統(tǒng)觸摸屏菜單從已經(jīng)導(dǎo)入的模擬線路數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇指定的線路，并根據(jù)所選擇的線路數(shù)據(jù)，在屏幕上描繪出軌跡點(diǎn)，連接軌跡點(diǎn)形成線路地圖；同時(shí)標(biāo)記局界點(diǎn)、切換點(diǎn)、站名、站中心等信息；通過(guò)改變數(shù)據(jù)計(jì)算的間隔，來(lái)調(diào)節(jié)模擬速度。

系統(tǒng)通過(guò)串口接收被測(cè)CIR 輸出的公用信息，從中解析CIR 當(dāng)前工作的線路數(shù)據(jù)，如線路名稱、線路代碼、區(qū)段名稱、車站名稱、車站號(hào)碼、調(diào)度號(hào)碼、經(jīng)緯度、時(shí)間等信息；判斷CIR 的線路數(shù)據(jù)是否符合預(yù)期，符合則將CIR 輸出的信息記錄到驗(yàn)證報(bào)告中，否則在屏幕上給出錯(cuò)誤提示，同時(shí)將CIR 輸出的信息記錄到驗(yàn)證報(bào)告中，并以紅色底色進(jìn)行標(biāo)注。在驗(yàn)證過(guò)程中，測(cè)試人員可根據(jù)屏幕的提示或自行判斷，并在觸摸屏上操作相應(yīng)按鈕進(jìn)行自定義標(biāo)記，標(biāo)記結(jié)果一并記錄到驗(yàn)證報(bào)告中。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄測(cè)試過(guò)程和結(jié)果，生成驗(yàn)證報(bào)告作為模擬驗(yàn)證的結(jié)論。數(shù)據(jù)制作人員可以根據(jù)報(bào)告，對(duì)CIR 線路數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤修正。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 GIS 原始數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)

GIS 數(shù)據(jù)采集時(shí)需人工采集車站中心、進(jìn)出站信號(hào)機(jī)和切換點(diǎn)等關(guān)鍵位置，再人工導(dǎo)入到GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于人工操作容易插錯(cuò)位置，導(dǎo)致模擬時(shí)出現(xiàn)折返，因此需要對(duì)這類錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。

按順序?qū)M成各條線路的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷糾錯(cuò)。方法是在原始GIS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入過(guò)程中，依次讀取3 個(gè)軌跡點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行距離計(jì)算，根據(jù)3 個(gè)點(diǎn)相互之間的距離來(lái)計(jì)算中間點(diǎn)的角度。如果角度小于等于90°，則判定第3 個(gè)軌跡點(diǎn)的數(shù)據(jù)異常，剔除第3 個(gè)軌跡點(diǎn)；繼續(xù)讀取下一個(gè)軌跡點(diǎn)作為第3 個(gè)軌跡點(diǎn)，然后重新計(jì)算中間點(diǎn)的角度，直到中間點(diǎn)的角度大于90°，即認(rèn)為第3 個(gè)軌跡點(diǎn)正確。在第2 和第3 軌跡點(diǎn)之間畫直線，并按照每米一個(gè)軌跡點(diǎn)均勻插入軌跡數(shù)據(jù)，然后向前移位，將第2 軌跡點(diǎn)作為新的第1 軌跡點(diǎn)，將第3 軌跡點(diǎn)作為新的第2 軌跡點(diǎn)，并繼續(xù)讀取下一個(gè)GIS 軌跡點(diǎn)作為第3 軌跡點(diǎn)，直到處理完所有GIS 數(shù)據(jù)。

在GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果讀取到軌跡點(diǎn)經(jīng)緯度為全0，則判斷為隧道數(shù)據(jù)，直接跳過(guò)不處理；在均勻插入導(dǎo)航軌跡數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)記插入的數(shù)據(jù)屬性為“隧道”。

3.2 隧道實(shí)景再現(xiàn)和智能變速

列車運(yùn)行時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)隧道，在隧道中無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)，此時(shí)CIR 的工作狀態(tài)需要模擬驗(yàn)證，因此在模擬驗(yàn)證時(shí)也應(yīng)重現(xiàn)列車進(jìn)入隧道的場(chǎng)景。當(dāng)模擬過(guò)程中識(shí)別到有隧道標(biāo)記的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)控制射頻信號(hào)發(fā)生器，臨時(shí)關(guān)閉射頻功放的輸出，從而達(dá)到模擬列車進(jìn)入隧道的狀態(tài)。

模擬過(guò)程中，當(dāng)經(jīng)過(guò)車站、線路切換點(diǎn)、線路選擇區(qū)等關(guān)鍵位置時(shí)，或者判斷到CIR 輸出的信息異常時(shí)，系統(tǒng)可以減少軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算間隔，來(lái)自動(dòng)降低模擬運(yùn)行的速度，方便用戶觀察；當(dāng)模擬運(yùn)行離開(kāi)關(guān)鍵位置后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到設(shè)置的運(yùn)行速度，從而提高模擬的效率和用戶體驗(yàn)。

3.3 多角度閉環(huán)驗(yàn)證

系統(tǒng)通過(guò)串口獲取CIR 當(dāng)前的工作狀態(tài)，與模擬數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，如果不一致，則在驗(yàn)證報(bào)告中采用紅色標(biāo)記；當(dāng)同時(shí)對(duì)多個(gè)CIR 進(jìn)行模擬時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)各CIR 進(jìn)行橫向?qū)Ρ?；?dāng)各CIR 輸出的信息不一致時(shí)，在驗(yàn)證報(bào)告中采用藍(lán)色或紅色標(biāo)記異常，方便測(cè)試人員進(jìn)行判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

武漢局集團(tuán)公司與有關(guān)企業(yè)按上述方案，研制完成了CIR 線路數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)，自2019 年6 月在武漢電務(wù)段投入試用以來(lái)，地面模擬工作量由原來(lái)6次（每廠家一次），減少為1次（6個(gè)廠家同時(shí)模擬），工作量縮減了5/6。經(jīng)該系統(tǒng)模擬累計(jì)發(fā)現(xiàn)不同廠家數(shù)據(jù)線路名稱錯(cuò)誤、站名錯(cuò)誤、線路選擇區(qū)位置錯(cuò)誤等問(wèn)題10 多次，數(shù)據(jù)經(jīng)修改后上車使用一次通過(guò)，至今未發(fā)現(xiàn)異常，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)本系統(tǒng)模擬完成后直接批量灌裝使用的效果，大大提高了工作效率。

本系統(tǒng)后續(xù)可進(jìn)一步擴(kuò)展，增加BD 衛(wèi)星信號(hào)模擬輸出功能，以適應(yīng)CIR 設(shè)備擴(kuò)展BD 衛(wèi)星接收功能時(shí)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證需求。