通信編碼ZPW-2000軌道電路接口仿真測試平臺的設(shè)計(jì)

郭虹利，張 龍，韓安平，辛 未，剛建雷

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.黑龍江瑞興科技股份有限公司，哈爾濱 150030）

ZPW-2000 系列軌道電路是我國鐵路列車運(yùn)行控制（簡稱：列控）系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備，對保證行車安全、提高運(yùn)行效率起著非常重要的作用[1]。根據(jù)編碼方式和應(yīng)用需求的不同，分為繼電編碼和通信編碼2 種[2]，其中通信編碼方式主要應(yīng)用于高速鐵路中，與列控中心設(shè)備及其相關(guān)控制電路進(jìn)行接口，完成相應(yīng)功能[3]。

對于軌道電路等鐵路信號安全設(shè)備而言，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測試和試驗(yàn)，是確保產(chǎn)品安全性和可靠性的必要手段。目前，國內(nèi)各廠商已對ZPW-2000 軌道電路的各類器材建立了手動、自動單機(jī)測試臺，可以對單體設(shè)備的各個(gè)功能、接口及電氣性能指標(biāo)等進(jìn)行測試；但是在系統(tǒng)整體功能測試方面，現(xiàn)有的軌道電路接口仿真測試環(huán)境大多僅能夠簡單模擬列控中心的編碼功能，并未實(shí)現(xiàn)編碼自動追蹤變化、區(qū)段狀態(tài)判斷、方向電路控制等其他功能[4-6]。如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置真實(shí)列控中心等輔助測試設(shè)備，成本較高，配置應(yīng)用復(fù)雜且無法進(jìn)行特殊條件下的模擬測試，使得測試工作不能靈活、方便地開展。因此利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，搭建軌道電路接口仿真測試平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的靈活、便捷、高效、自動測試，顯得尤為必要。

1 接口需求分析

1.1 雙路CAN 總線接口

ZPW-2000 軌道電路與列控中心間采用2 條冗余CAN 總線進(jìn)行通信接口，并在列控中心主系和備系設(shè)備側(cè)分別設(shè)置總線終端匹配電阻。列控中心主系設(shè)備周期循環(huán)將各軌道區(qū)段的載頻、低頻、方向等編碼信息和同步幀發(fā)送至2 條CAN 總線，軌道電路通信接口板在收到同步幀后依次將區(qū)段狀態(tài)、方向等信息上傳至2 條CAN 總線[7]。

1.2 點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)接口

軌道電路維護(hù)機(jī)軟件需要獲得各區(qū)段的方向信息以正確記錄和區(qū)分送、受端的相關(guān)數(shù)據(jù)[8]。對于無法從CAN 通信編碼數(shù)據(jù)包中獲得方向信息的，通常由列控中心維護(hù)機(jī)通過以太網(wǎng)方式點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送給軌道電路維護(hù)機(jī)相關(guān)信息。

1.3 繼電器狀態(tài)采集接口

列控中心在進(jìn)行區(qū)段狀態(tài)判斷時(shí)，除通過通信方式上傳的狀態(tài)外，還需采集接收器驅(qū)動的軌道繼電器的狀態(tài)。當(dāng)兩者均為空閑時(shí)，按照空閑處理，否則按占用處理；當(dāng)兩者狀態(tài)不一致時(shí)要給出報(bào)警[3]。因此，軌道區(qū)段的通信狀態(tài)與繼電器狀態(tài)的一致性，是引起軌道電路閃“紅光帶”的一個(gè)重要故障誘因，應(yīng)納入軌道電路設(shè)備的測試項(xiàng)。

1.4 方向電路接口

每個(gè)軌道電路區(qū)段對應(yīng)有一個(gè)方向切換FQJ 繼電器，用于完成發(fā)碼方向切換。

（1）對于全電子化ZPW-2000 軌道電路，F(xiàn)QJ繼電器方向電路已模塊化內(nèi)置于移頻柜中，由軌道電路設(shè)備根據(jù)通信方式接收的列控中心的方向命令信息控制內(nèi)置的FQJ 繼電器電路完成發(fā)碼方向切換，無需外部方向電路接口[9]；

（2）對于既有ZPW-2000 軌道電路，F(xiàn)QJ 繼電器方向電路外置于組合架，連接于移頻柜和接口柜之間，F(xiàn)QJ 繼電器由列控中心直接或間接進(jìn)行驅(qū)動控制[10]，F(xiàn)QJ 繼電器吸起表示反向發(fā)碼，落下表示正向發(fā)碼，同時(shí)，提供方向條件電源給軌道電路衰耗器設(shè)備，用于驅(qū)動衰耗器內(nèi)置的繼電器，從而切換正反向?qū)?yīng)的小軌道調(diào)整電路[11]。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上接口需求分析，設(shè)計(jì)ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺結(jié)構(gòu)

（1）仿真計(jì)算機(jī)通過USB 或PCIE 總線連接2塊雙通道CAN 接口卡，模擬列控中心雙機(jī)結(jié)構(gòu)；

（2）通過交換機(jī)以網(wǎng)絡(luò)方式對智能IO 模塊進(jìn)行控制，每個(gè)模塊可提供8 路開關(guān)量采集輸入端口和8 組繼電器常開、常閉對外接點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)軌道電路區(qū)段設(shè)備的軌道繼電器采集和方向電路模擬功能，智能IO 模塊數(shù)量根據(jù)待測區(qū)段數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)配置；

（3）仿真計(jì)算機(jī)同時(shí)通過點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方式與軌道電路維護(hù)機(jī)連接，發(fā)送各區(qū)段方向信息。

3 仿真測試平臺功能

仿真測試平臺按照功能模塊結(jié)構(gòu)，分為參數(shù)設(shè)置和配置管理、編碼發(fā)送、狀態(tài)顯示、方向切換和數(shù)據(jù)服務(wù)5 部分，如圖2所示。

圖2 ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺功能模塊

3.1 參數(shù)設(shè)置

具備參數(shù)設(shè)置功能，包括CAN 接口卡的工作參數(shù)、智能IO 模塊的工作參數(shù)、待測軌道電路設(shè)備的移頻柜數(shù)量以及模擬列控中心數(shù)據(jù)發(fā)送的周期等，發(fā)送周期可設(shè)置為200 ms 以上的任一固定值或?yàn)榱斜黼S機(jī)變化值，便于進(jìn)行特殊條件測試。

3.2 編碼發(fā)送

能夠模擬列控中心將配置好的包含載頻、低頻和方向信息的編碼數(shù)據(jù)幀發(fā)送給軌道電路設(shè)備，同時(shí)發(fā)送同步幀用于軌道電路設(shè)備的同步處理。

3.2.1 數(shù)據(jù)模式

根據(jù)ZPW-2000 軌道電路與列控中心接口實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對數(shù)據(jù)幀和同步幀分別設(shè)計(jì)了2 種發(fā)送模式，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送模式示意

（1）對于數(shù)據(jù)幀，每個(gè)移頻柜都有自己獨(dú)立的正碼數(shù)據(jù)包和反碼數(shù)據(jù)包，可按照移頻柜為單位，將對應(yīng)的正碼數(shù)據(jù)包和反碼數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，再發(fā)送下一個(gè)移頻柜對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀；也可按照正反碼進(jìn)行區(qū)分，先將所有正碼數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，再發(fā)送所有反碼數(shù)據(jù)包。

（2）對于同步幀，可按照總線區(qū)分，CAN-A總線發(fā)送完數(shù)據(jù)幀立刻發(fā)送同步幀，執(zhí)行CAN-B 總線數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)；也可按數(shù)據(jù)類型區(qū)分，CAN-A、CAN-B 總線均先發(fā)送完數(shù)據(jù)幀，依次發(fā)送同步幀。

3.2.2 獨(dú)立編碼

根據(jù)設(shè)置的移頻柜數(shù)量參數(shù)，可進(jìn)行各區(qū)段的主軌道和小軌道的載頻、低頻以及區(qū)段方向信息的配置，既支持手動選擇方式，也支持列表周期變化循環(huán)方式，各區(qū)段之間的編碼相對獨(dú)立互不關(guān)聯(lián)。CAN-A 和CAN-B 總線上的編碼數(shù)據(jù)可獨(dú)立進(jìn)行設(shè)置和發(fā)送，也可同步進(jìn)行發(fā)送。同步發(fā)送模式下，CAN-A 和CAN-B 的數(shù)據(jù)及發(fā)送時(shí)機(jī)統(tǒng)一控制。

為滿足特殊條件下的測試，提供數(shù)據(jù)故障注入選項(xiàng)，包括載頻低頻方向的無效編碼、數(shù)據(jù)包序號重復(fù)、數(shù)據(jù)包序號間隔2 和3、數(shù)據(jù)包CRC 值錯誤、數(shù)據(jù)包正反碼不一致和數(shù)據(jù)包缺失等故障注入選項(xiàng)。

3.2.3 追蹤編碼

各區(qū)段的低頻配置，除獨(dú)立編碼方式外，支持行車追蹤編碼方式。行車追蹤編碼方式下，提供3種典型的行車徑路追蹤發(fā)碼場景，如圖4、圖5和圖6所示，分別展示了側(cè)線出站、側(cè)線進(jìn)站和區(qū)間行車時(shí)的發(fā)碼示意圖，其中車輛走行產(chǎn)生的區(qū)段空閑和占用通過IO 模塊的，2 組繼電器接點(diǎn)控制移頻信號通道的通斷模擬實(shí)現(xiàn)。

圖4 側(cè)線出站發(fā)碼示意

圖5 側(cè)線進(jìn)站發(fā)碼示意

圖6 區(qū)間行車發(fā)碼示意

3.3 狀態(tài)顯示功能

按照CAN-A、CAN-B 總線區(qū)分，分別實(shí)時(shí)顯示2 條總線上的主軌道主并機(jī)狀態(tài)和小軌道主并機(jī)狀態(tài)、方向狀態(tài)。

（1）狀態(tài)信息為數(shù)據(jù)包CRC 校驗(yàn)和正反碼校驗(yàn)通過后的值，校驗(yàn)不通過時(shí)直接顯示數(shù)據(jù)無效；GJ 繼電器狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示其前后接點(diǎn)采集狀態(tài)，50 ms左右更新一次。

（2）對于GJ 繼電器吸起時(shí)，實(shí)時(shí)與CAN 總線通信上傳的主軌道狀態(tài)信息進(jìn)行比較，當(dāng)任一總線通道主、并機(jī)的主軌道狀態(tài)出現(xiàn)“占用”或持續(xù)2 s以上的“通信故障”時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。GJ 繼電器狀態(tài)采集，原理如圖7所示。

圖7 GJ 繼電器采集示意

3.4 方向切換

根據(jù)編碼部分對各區(qū)段方向的設(shè)置情況，控制相應(yīng)IO 模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)碼方向切換，同時(shí)向衰耗器提供方向電源條件。使用IO 模塊提供的4 組對外繼電器接點(diǎn)直接模擬原FQJ 繼電器實(shí)現(xiàn)的方向電路功能，再使用2 組繼電器接點(diǎn)用于控制衰耗器內(nèi)部的ZFJ繼電器和FFJ 繼電器的驅(qū)動，對于衰耗器內(nèi)部只設(shè)一個(gè)繼電器的，可作為FFJ 繼電器進(jìn)行控制。IO 模塊電路連接示意圖，如圖8所示。

圖8 IO 模塊電路連接示意

3.5 數(shù)據(jù)服務(wù)

為了適應(yīng)自動測試和長時(shí)間拷機(jī)試驗(yàn)要求，仿真平臺可全程對發(fā)送的數(shù)據(jù)、接收的數(shù)據(jù)、采集的狀態(tài)、報(bào)警信息等進(jìn)行記錄和查詢，輔助進(jìn)行故障原因的定位分析和查找。

3.6 軟件設(shè)計(jì)

按照仿真測試平臺的功能設(shè)計(jì)，軟件上主要由數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)接收任務(wù)模塊和數(shù)據(jù)記錄任務(wù)模塊3 部分實(shí)現(xiàn)，軟件處理流程，如圖9所示。3 個(gè)部分任務(wù)模塊采用獨(dú)立線程運(yùn)行，完成各自相關(guān)功能。

圖9 軟件處理流程

（1）數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)模塊主要根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和模式，將載頻、低頻和方向等信息完成組包并發(fā)送，同時(shí)控制相關(guān)繼電器接點(diǎn)動作；

（2）數(shù)據(jù)接收任務(wù)模塊主要接收軌道電路上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)處理，將相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行顯示，同時(shí)獲取GJ 繼電器采集狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行顯示并進(jìn)行報(bào)警提示；

（3）所有發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)及采集的狀態(tài)等，同時(shí)抄送給數(shù)據(jù)記錄任務(wù)模塊，由其進(jìn)行記錄，以備查詢，為減少數(shù)據(jù)量，采用只記錄變化數(shù)據(jù)的方式。

設(shè)計(jì)完成的仿真軟件界面，如圖10所示。

圖10 軟件界面

4 方案驗(yàn)證測試

按照圖1所示結(jié)構(gòu)以ZPW-2000R 軌道電路及某站站場數(shù)據(jù)為例搭建測試環(huán)境，配置1 個(gè)移頻柜共10 個(gè)區(qū)段的軌道電路設(shè)備，其中室外設(shè)備及模擬軌道為選配設(shè)備，不影響仿真平臺的測試應(yīng)用，所有軌道電路設(shè)備全部模擬同一方向線路區(qū)段，設(shè)計(jì)測試案例進(jìn)行方案驗(yàn)證測試，如表1所示。

表1 仿真平臺測試案例及目的

方案驗(yàn)證測試分為獨(dú)立編碼測試和行車編碼測試2 個(gè)過程，主要針對獨(dú)立編碼和行車編碼2 大核心功能，期間可同步測試驗(yàn)證其他功能。

（1）在獨(dú)立編碼測試過程中，主要是通過改變載頻、低頻、方向的設(shè)定值或故障條件的注入，測試軌道電路設(shè)備是否能夠正確執(zhí)行控制命令或?qū)虬踩珎?cè)，同時(shí)通過人為制造條件改變軌道電路區(qū)段狀態(tài)測試仿真軟件能否正確顯示相應(yīng)狀態(tài)；

（2）在行車編碼測試過程中，主要測試在模擬列車走行狀態(tài)下仿真軟件編碼控制和狀態(tài)顯示的正確性。測試驗(yàn)證過程中，可通過軌道電路診斷主機(jī)軟件，輔助查看各區(qū)段載頻、低頻、方向和區(qū)段狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證測試結(jié)果，如圖11所示。

圖11 軌道電路診斷主機(jī)軟件測試驗(yàn)證界面

測試結(jié)果表明，仿真測試平臺完成了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能。既能夠以獨(dú)立控制方式實(shí)現(xiàn)所有載頻、低頻和方向信息的全部遍歷編碼，且能進(jìn)行故障注入以模擬特殊條件下的編碼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在真實(shí)列控中心設(shè)備下不能完成的功能和測試項(xiàng)，又能夠?qū)崿F(xiàn)改方向電路控制、區(qū)段狀態(tài)判斷和行車邏輯下的自動追蹤編碼等真實(shí)列控中心設(shè)備才具有的功能，且不受列控中心設(shè)備的應(yīng)用條件約束限制，同時(shí)省去了測試過程中的部分人工操作和頻繁調(diào)整測試環(huán)境等過程，達(dá)到了靈活、便捷、高效和自動的測試目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)ZPW-2000 軌道電路與列控中心及其相關(guān)控制電路的接口，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中遇到的各類問題、場景及測試需求，設(shè)計(jì)了該ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺，可用于發(fā)送器、接收器、通信接口板的整體功能測試及接口試驗(yàn)，也適用于軌道電路系統(tǒng)的各類綜合測試，節(jié)約了測試成本、提高了測試效率，對于軌道電路設(shè)備的研發(fā)測試具有重要意義。