車載接口仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

謝再盛

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070）

車載系統(tǒng)是列控系統(tǒng)的關鍵組成部分，不同車載系統(tǒng)可以實現(xiàn)列車狀態(tài)監(jiān)控、列車運行控制、車地實時通信等多種功能。車載系統(tǒng)以車載主機為核心，通過多種I/O、通信單元、人機界面和外圍傳感器共同構成車載系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡。

由于車載系統(tǒng)結構復雜，不同系統(tǒng)測試方法、硬件組成和接口定義也不盡相同，所以一般搭建測試環(huán)境都比較復雜。而且，由于測試環(huán)境屬于針對車載系統(tǒng)的定制開發(fā)，環(huán)境通用性較差，無法同時支持多種系統(tǒng)的測試任務，無形中增加了搭建成本。

本文從車載測試環(huán)境搭建需求出發(fā)，針對地鐵CBTC系統(tǒng)、國鐵CTCS-2及CTCS-3系統(tǒng)、歐洲ETCS-2系統(tǒng)中車載運行控制子系統(tǒng)的測試及仿真運行需要，開發(fā)通用車載接口仿真系統(tǒng)。通過業(yè)務劃分將車載接口仿真系統(tǒng)劃分為信息管理、邏輯控制、接口硬件3部分。其中信息管理用于測試任務編輯、下達和執(zhí)行管理；邏輯控制用于適配不同車載系統(tǒng)軟硬件接口邏輯；接口硬件用于統(tǒng)一管理、調用測試資源。

車載接口仿真系統(tǒng)針對不同車載系統(tǒng)測試任務，實時提供車載系統(tǒng)所需的模擬I/O信號、速傳脈沖信號、車輛傳感器信號、CAN通信、MVB通信、應答器報文信號等，通過接收分析車載系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出，完成車載系統(tǒng)動態(tài)運行指標測試，能夠支持多種車載運行環(huán)境模擬。

1 系統(tǒng)概述

為了滿足車載接口仿真系統(tǒng)的通用適配性和測試多樣性，將車載接口仿真系統(tǒng)進行解耦設計，劃分為信息管理層、運行邏輯層、接口執(zhí)行層3個組成部分。

信息管理層用于下發(fā)測試腳本，收集測試數(shù)據(jù)和系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)運行管理和測試數(shù)據(jù)分析。

運行邏輯層用于仿真系統(tǒng)測試邏輯實現(xiàn)，內部基于不同列控系統(tǒng)的運行參數(shù)，構建運行模型，實現(xiàn)車載系統(tǒng)的運行場景匹配。

接口執(zhí)行層由能夠模擬車載系統(tǒng)外部接口對象的各類硬件組成，通過接收模型運行機下發(fā)的運行命令，控制各硬件資源提供車載系統(tǒng)運行接口條件，采集車載系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 車載接口仿真系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of onboard interface simulation system

2 系統(tǒng)構成

根據(jù)系統(tǒng)架構劃分，信息管理層和運行邏輯層分別由信息服務器和模型運行機組成，系統(tǒng)功能主要由軟件功能實現(xiàn)。接口執(zhí)行層由接口管理平臺組成，因為直接和車載接口匹配，所以包含硬件測試資源和軟件驅動接口。

信息服務器和模型運行機均由通用計算機實現(xiàn)，接口管理平臺由一臺基于通用總線的測試主機和其他外圍設備構成。

信息服務器軟件采用B/S服務器設計，包含前端交互部分、腳本數(shù)據(jù)庫部分和數(shù)據(jù)分析部分。

模型運行機軟件采用事件型多進程架構，包含列車運動模型、運行線路模型、車輛通信協(xié)議模型和車輛I/O接口模型。

接口管理平臺采用模塊化設計，硬件由主機單元、適配接口單元、可控應答器、波形發(fā)生器、GSM-R模擬機、司控交互顯示屏和電源等7部分組成。其中主機單元采用通用總線工業(yè)主機，包含機箱、CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡。

機箱：安裝CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡等功能板卡。

CPU卡：安裝于機箱內，運行接口管理平臺程序，接收模型運行機的命令，驅動機箱中各板卡輸出和采集信號，并將車載設備關鍵數(shù)據(jù)反饋模型上位機。CPU卡包含USB、以太網(wǎng)、VGA等外部接口，通過外部接口與電源、可控應答器、波形發(fā)生器和GSM-R模擬機連接。

DI、DO卡：安裝于機箱內，輸出ATP采集條件，采集ATP輸出狀態(tài)。

AIO卡：安裝于機箱內，AO部分用于輸出電壓、電流信號，模擬列車傳感器信號提供給車載系統(tǒng)。AI部分采集電壓、電流信號，監(jiān)控列車模擬量輸出狀態(tài)。

MVB通信板卡：安裝于機箱內，模擬車輛和車載系統(tǒng)之間MVB通信。

CAN通信板卡：安裝于機箱內，模擬車輛和車載系統(tǒng)之間CAN通信。

Serial通信板卡：安裝于機箱內，模擬車輛和車載設備之間RS-422/RS-485通信。

適配接口單元與車載系統(tǒng)的重載接口連接，將主機單元的數(shù)字I/O信號與車載接口的電平和邏輯關系進行隔離轉換，針對不同車輛接口調整對應電平和連接關系。同時，適配接口單元內含速度轉接板，用于發(fā)送PWM信號，提供車載系統(tǒng)速傳脈沖信息。

（可控應答器：通過CPU板卡USB接口控制，發(fā)送報文信號，提供車載設備應答器報文信息。）

（波形發(fā)生器：通過CPU板卡USB接口控制，發(fā)送FSK信號，提供車載設備軌道電路信號。）

GSM-R模擬機：通過CPU板卡以太網(wǎng)接口控制，發(fā)送GSM-R無線信號，提供車載設備GSM-R無線數(shù)據(jù)。

司控交互顯示屏通過主機單元控制，可針對不同車輛的司控要求，提供加減速和I/O的軟件界面控制。

電源：通過CPU板卡USB接口控制，輸出可控電壓和電流，提供車載系統(tǒng)的運行供電和適配接口單元內的接口供電。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 車載接口仿真系統(tǒng)結構Fig.2 Structure of onboard interface simulation system

3 業(yè)務流程

3.1 信息管理層

測試人員根據(jù)車載測試對象，編制測試腳本，并將腳本儲存在腳本數(shù)據(jù)庫內。測試時，測試人員選取適宜的測試腳本，載入測試軟件內。

測試軟件按照以太網(wǎng)協(xié)議將腳本信息依次發(fā)送至模型運行機。測試軟件實時記錄并分析模型運行機和接口管理平臺上傳的測試執(zhí)行狀態(tài)和測試結果數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比對進行結果評判。測試軟件周期處理模型運行機和接口管理平臺的運行狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)健康狀態(tài)。

3.2 運行邏輯層

模型運行機接收到信息管理層下發(fā)的腳本信息后，模型軟件根據(jù)腳本內容調用車載接口模型、車輛運動模型和測試線路參數(shù)，并按照協(xié)議封裝通信數(shù)據(jù)，將含有通信數(shù)據(jù)的腳本信息轉化為命令序列，周期發(fā)送至接口管理平臺。

模型運行機周期性接收接口管理平臺反饋的執(zhí)行狀態(tài)和上行通信數(shù)據(jù)。模型運行機判斷接口管理平臺反饋的執(zhí)行狀態(tài)，確認其接收和執(zhí)行完整性，并進行命令中斷、命令等待、命令重發(fā)等決策處理。模型運行機將接口管理平臺的上行數(shù)據(jù)，通過協(xié)議進行解構，將應答數(shù)據(jù)轉化為命令序列返回接口管理平臺，將結果特征值發(fā)送至信息管理層。

3.3 接口執(zhí)行層

接口管理平臺通過主機單元實時調用各硬件資源，按照隊列的方式依次執(zhí)行命令序列。

接口管理平臺將車載系統(tǒng)返回的通信數(shù)據(jù)和接口狀態(tài)實時上傳至信息管理層和運行邏輯層。接口管理平臺將命令執(zhí)行狀態(tài)和平臺運行狀態(tài)周期上傳至信息管理層和運行邏輯層。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）車載接口仿真環(huán)境中測試腳本、運行邏輯、硬件接口3部分相互獨立，修改任意部分不會造成其他部分的連帶修改。

2）車載接口仿真環(huán)境中通過信息服務器將測試腳本分離出來，便于測試業(yè)務的搭建和修改。

3）車載接口仿真環(huán)境中通過模型運行機將測試邏輯和數(shù)據(jù)模型分離出來，便于測試邏輯的適配修改。

4）車載接口仿真環(huán)境中接口管理平臺基于通用總線主機，方便各硬件資源擴展。

5 總結

車載接口仿真系統(tǒng)通過頂層設計，構建了一套用于實現(xiàn)車載運行測試的通用類真實仿真環(huán)境。該系統(tǒng)通過在信息管理層實現(xiàn)腳本管理技術，在運行邏輯層實現(xiàn)模型、協(xié)議和邏輯封裝技術，在接口執(zhí)行層實現(xiàn)硬件模塊和接口匹配技術，理論上能夠滿足一套仿真系統(tǒng)支持多套車載系統(tǒng)，一套仿真系統(tǒng)滿足各種測試任務的要求。該系統(tǒng)目前已應用于深度自主化實驗室和工廠車載系統(tǒng)測試環(huán)境，為測試效率提升和測試成本控制提供有力的支撐。