城市軌道車輛蓄電池工程車控制軟件平臺(tái)化設(shè)計(jì)研究

方小晴

摘要：隨著國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通市場(chǎng)對(duì)蓄電池工程車輛的需求逐年增多，其中絕大多數(shù)為采用單司機(jī)室或雙司機(jī)室設(shè)計(jì)、以蓄電池為動(dòng)力源的調(diào)車工程車輛。這類工程車在控制需求方面往往差異較小，項(xiàng)目數(shù)量眾多，并總是處于多項(xiàng)目并行生產(chǎn)和調(diào)試的狀態(tài)，占用了大量軟件設(shè)計(jì)資源，軟件設(shè)計(jì)人員面臨較大的設(shè)計(jì)壓力。

關(guān)鍵詞：軌道交通;蓄電池;軟件平臺(tái)

1 控制軟件設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

現(xiàn)有的蓄電池調(diào)車工程車控制軟件沒有針對(duì)控制功能進(jìn)行合理的模塊劃分，也沒有相應(yīng)的工程車軟件編程規(guī)范供軟件開發(fā)者參考，導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)者在軟件編程、變量命名、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議制訂等方面存在著一定的隨意性，各個(gè)控制功能需求間互有摻雜和重復(fù)，增加了程序運(yùn)行錯(cuò)誤的概率，以及調(diào)試和維護(hù)的難度。如何整合梳理這類工程車的軟件控制需求、提煉劃分通用控制功能模塊、形成通用的控制功能模塊化庫、設(shè)計(jì)通用的軟件平臺(tái)架構(gòu)、最終形成該類型蓄電池工程車的通用控制軟件平臺(tái)是本次研究的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

2 研究思路

1）圍繞控制功能標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、平臺(tái)化這一設(shè)計(jì)理念，首先需要收集以往各類蓄電池工程車項(xiàng)目的控制需求，對(duì)控制需求進(jìn)行深入分析，梳理每個(gè)控制功能需求的輸入信號(hào)、處理邏輯、輸出信號(hào)，并結(jié)合以往項(xiàng)目的控制軟件實(shí)際運(yùn)用情況，對(duì)已有的控制需求描述進(jìn)行明確定義和查漏補(bǔ)缺，最后篩選提煉出這類蓄電池工程車共有的通用控制功能需求。然后根據(jù)前期梳理總結(jié)的通用控制功能需求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)需求分析，研究軟件模塊劃分的具體規(guī)則，固定特定功能的實(shí)現(xiàn)方法，形成統(tǒng)一的軟件通用控制功能模塊化庫。

2）探究模塊化庫的適用性，研究軟件平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和具體措施，運(yùn)用形成的通用控制功能模塊化庫搭建整車控制軟件平臺(tái)，形成統(tǒng)一的平臺(tái)化整車控制軟件。

3）在蓄電池工程車上安裝運(yùn)用該平臺(tái)化控制軟件，驗(yàn)證適用性，根據(jù)具體運(yùn)用情況逐步優(yōu)化完善該平臺(tái)軟件。

3 研究過程

1）制定統(tǒng)一的變量命名的規(guī)則和縮寫規(guī)則，編制變量名詞及縮寫字典，后續(xù)控制軟件中所有變量的命名均遵循該字典的要求;制定工程車控制及監(jiān)控系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的通用通訊協(xié)議，平臺(tái)化控制軟件遵循該通訊協(xié)議。

2）對(duì)蓄電池工程車進(jìn)行控制需求的梳理、篩選和分析，針對(duì)篩選出的通用控制功能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)需求分析，運(yùn)用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的Multiprog編程系統(tǒng)的功能塊圖（FBD）編程語言，固定這些控制功能的實(shí)現(xiàn)方法和邏輯語句，形成滿足通用控制需求的控制軟件功能模塊庫。這些功能模塊可以在Multiprog軟件的代碼工作單中被直接調(diào)用，調(diào)用后只需輸入相應(yīng)的變量參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)具體控制功能。

3）完成對(duì)控制軟件功能模塊庫的測(cè)試。模塊的功能測(cè)試主要采用黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試的技術(shù)方法進(jìn)行測(cè)試，其中黑盒測(cè)試主要采用邊界值分析和等價(jià)類劃分法來設(shè)計(jì)測(cè)試用例，白盒測(cè)試主要是對(duì)每個(gè)功能模塊的內(nèi)部邏輯語句、分支進(jìn)行覆蓋。功能模塊測(cè)試包括了模塊的正常值等價(jià)類輸入數(shù)據(jù)測(cè)試、非正常值等價(jià)類輸入數(shù)據(jù)測(cè)試、邊界值的輸入數(shù)據(jù)測(cè)試等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功能模塊測(cè)試到功能模塊設(shè)計(jì)的可追溯性，并保證覆蓋了需要測(cè)試的所有功能模塊。

4）運(yùn)用控制軟件功能模塊庫，合理設(shè)計(jì)整車控制軟件架構(gòu)，運(yùn)用Multiprog軟件搭建平臺(tái)化的整車控制軟件?？刂栖浖脚_(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1），根據(jù)控制需求的性質(zhì)將平臺(tái)化控制軟件結(jié)構(gòu)劃分成8個(gè)POU組：①數(shù)據(jù)輸入功能。②主電路控制功能。③輔助電路控制功能。④控制和保護(hù)功能。⑤牽引/電制動(dòng)控制功能。⑥空氣制動(dòng)控制功能。⑦數(shù)據(jù)輸出功能。⑧其他控制功能。每一個(gè)POU組又包含若干個(gè)具體控制功能的程序，這些程序均調(diào)用了功能模塊庫中相關(guān)的功能模塊。

5）依托具體工程車項(xiàng)目，在蓄電池工程車上對(duì)平臺(tái)化控制軟件進(jìn)行裝車運(yùn)用，完成調(diào)試驗(yàn)證。目前采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)的控制軟件已經(jīng)在國內(nèi)某些城市的城市軌道交通項(xiàng)目中得到了運(yùn)用，運(yùn)用情況良好。

4 運(yùn)用效果

采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)的控制軟件運(yùn)用改善效果明顯。

1）有效減少了代碼工作單界面中變量和邏輯運(yùn)算的數(shù)量，使程序界面更加簡(jiǎn)潔，極大地方便了調(diào)試過程中對(duì)機(jī)車狀態(tài)的監(jiān)控。

2）Multiprog軟件中IO狀態(tài)的讀取由以前的直接調(diào)用以編號(hào)命名的IO變量改為先賦值再調(diào)用被賦值的全局變量。這種設(shè)計(jì)極大地方便了IO狀態(tài)變量的修改，能有效減少修改IO變量定義時(shí)的工作量，同時(shí)可以避免修改遺漏，極大地提升了軟件開發(fā)效率。

3）有效減少了整車控制軟件的開發(fā)和調(diào)試周期。過去從確定控制需求到軟件最終定版至少需要2個(gè)月時(shí)間，采用蓄電池工程車控制軟件平臺(tái)后該過程縮短至1個(gè)月左右。設(shè)計(jì)人員配合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間也明顯減少，過去從整車落車到調(diào)試完成出廠，設(shè)計(jì)人員配合調(diào)試的時(shí)間至少需要1個(gè)月，采用該蓄電池工程車控制軟件平臺(tái)后配合調(diào)試的時(shí)間縮短至15 d左右。

5 結(jié)語

城市軌道車輛蓄電池工程車統(tǒng)一控制軟件平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)了工程車控制軟件在功能需求分析、變量命名、協(xié)議制訂、模塊化軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試維護(hù)等各個(gè)開發(fā)階段的高效設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化管理，大大縮短了軟件開發(fā)周期，提升了軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)省了設(shè)計(jì)資源的投入，降低了設(shè)計(jì)成本，對(duì)于城軌車輛和電力機(jī)車在控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面具有重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 皮凱俊，顏罡，秦慶民，等.基于工程車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的軟件模塊化研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014（4）：18-19.

[2] 郭彥每，顏罡，李年鎖.基于可視編程軟件的工程車車輛控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2013（4）：39-40.

[3] 宋瑞剛，楊儉，方宇.城市軌道車輛電力牽引實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（9）：90-92，95.

[4] 高吉磊，鄭雪洋，馬馳，等.高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].鐵道機(jī)車車輛，2017，37（2）：37-41.

[5] 蘇柯，岳譯新，劉永強(qiáng)，等.城軌車輛車體模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2018，41（1）：32-35，40.

[6] 苑廣宇.城市軌道車輛蓄電池工程車控制軟件平臺(tái)化設(shè)計(jì)研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2021， 28（4）：5-7.

重慶交通職業(yè)學(xué)院 重慶 江津 402247