城軌列車一體化集成控制仿真測試平臺方案

張順廣，韓廣 順，馮 浩，李洋濤，姚 放1，

（1 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；3 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

隨著控制列車平穩(wěn)運行、精準停車和智能化等用戶需求的提高，對列車控制的實時性、精確性和信息共享提出更高的要求，需要對現(xiàn)有列車相關(guān)功能在各子系統(tǒng)的分配是否合理、數(shù)據(jù)交互的流程是否合理進行深入的研究。

典型的城軌車輛牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵子系統(tǒng)相互獨立設(shè)計和實現(xiàn)，通過車載網(wǎng)絡(luò)連接在一起進行數(shù)據(jù)交換，它們之間是一個弱耦合的系統(tǒng)，共同實現(xiàn)列車的牽引和制動控制。以制動過程控制為例說明如下：由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采集列車制動級位，并將邏輯處理后的制動級位發(fā)送給制動控制模塊，制動控制模塊計算總的制動力需求值，再將該需求值回傳給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)分配各車電制動力需求，發(fā)送給牽引控制模塊，而牽引控制模塊再將所需的制動力轉(zhuǎn)發(fā)給牽引執(zhí)行裝置發(fā)揮相應(yīng)的電制動力。同時，牽引控制模塊將該車發(fā)揮的電制動力、電制動狀態(tài)、空轉(zhuǎn)/滑行等信號通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給制動控制模塊，再由制動控制模塊管理整個制動過程?？梢?，現(xiàn)有列車牽引和制動運行控制存在數(shù)據(jù)交互繁瑣、數(shù)據(jù)傳輸延時大等問題。

針對上述問題，可采用一體化集成控制方式，通過功能高度集成的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，將列車中的牽引、制動等子系統(tǒng)控制功能集成在列車網(wǎng)絡(luò)控制器中，提高列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的集成度，保證各個子系統(tǒng)的統(tǒng)一開發(fā)管理，提高列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的維護效率，減小系統(tǒng)設(shè)備占用空間，實現(xiàn)列車輕量化和節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念。

近年來，隨著電子信息技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，電子器件的小型化、集成化程度越來越高，具有低功耗、多核、安全架構(gòu)的計算芯片種類繁多，能夠滿足列車復(fù)雜邏輯的處理需求，為復(fù)雜、多樣、智能化的應(yīng)用邏輯提供了技術(shù)支撐。通信技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了高帶寬、強安全和更高可靠性的列車通信網(wǎng)絡(luò)，列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可承載的功能愈發(fā)增多，進一步激發(fā)出基于多網(wǎng)融合的智能設(shè)計、智能運營、智能維護等技術(shù)需求［1］。新技術(shù)的發(fā)展，也為城軌車輛一體化集成控制的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。國內(nèi)有關(guān)廠商已開展集成控制技術(shù)的研究工作，并在某些項目開始實施。例如，長沙地鐵項目列車開展了牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)一體化研究以及牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一體化研究；沈陽渾南100%低地板現(xiàn)代有軌電車項目實現(xiàn)了牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計；北京地鐵11 號線基于自主虛擬編組的智慧地鐵關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用工程，其核心任務(wù)之一即是構(gòu)建智能列車一體化平臺。國外某些系統(tǒng)廠商，如西門子也進行了類似的工作，開發(fā)基于牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計的開發(fā)平臺。

鑒于城軌車輛一體集成控制具有的技術(shù)優(yōu)勢，已成為未來整車控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。為開展相關(guān)研究工作，需要構(gòu)建相應(yīng)的多系統(tǒng)集成城軌車輛仿真測試平臺，從而為集成控制的開發(fā)、測試、驗證提供支撐，促進一體化集成控制技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 一體化集成控制概述

一體化集成控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)列車級牽引力、制動力的管理功能，車輛級的牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)主要作為牽引力和制動力的執(zhí)行控制部件。由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中央控制單元主導(dǎo)管理和分配牽引/制動力，包括牽引力、制動力的分配、電制優(yōu)先發(fā)揮、電空復(fù)合制動管理等列車級功能［2］，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對牽引、制動系統(tǒng)絕大部分硬線信號進行統(tǒng)一采集和輸出，優(yōu)化整車功能在牽引、制動和網(wǎng)絡(luò)三大關(guān)鍵系統(tǒng)之間分配，優(yōu)化控制數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)，提高電空配合實時性，對制動力損失，由網(wǎng)絡(luò)控制單元集中管理與補償。牽引變流器功能趨向?qū)Ｒ?，減少牽引變流器對外接口，僅保留緊急牽引、安全切除等重要的硬線信號。制動系統(tǒng)采用架控制動控制，每架制動模塊作為制動和防滑執(zhí)行控制器，結(jié)構(gòu)對等、具有完全可互換性，可適用不同車輛平臺。逆變控制模塊、架控制動模塊和網(wǎng)絡(luò)控制單元之間通過網(wǎng)絡(luò)接口進行交互。牽引、制動和網(wǎng)絡(luò)集成控制功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 牽引、制動和網(wǎng)絡(luò)集成控制功能結(jié)構(gòu)圖

基于集成控制的車輛牽引力、制動力分配系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可直接綜合控制列車牽引力、制動力分配的各類條件，進行合理運算之后輸出對牽引力和制動力的分配結(jié)果，牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)僅負責執(zhí)行該結(jié)果，很大程度上提高了車輛控制效率，避免因牽引系統(tǒng)內(nèi)部控制器和其與制動系統(tǒng)之間不能及時協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的牽引、制動功能無法按需實現(xiàn)的現(xiàn)象。

2 仿真測試平臺總體方案

主控部分：真實的HMI（Human Machine Interface）、CCU（Central Control Unit）、IOM（Input &Output Module）、TCU（Traction Control Unit）、EBCU（Electronic Brake Control Unit）硬件設(shè)備，實現(xiàn)對列車的整體控制及顯示。

通信網(wǎng)絡(luò)部分：包括CCU 與TCU、EBCU、仿真一體機、牽引仿真機、制動仿真機的TRDP（Train Real-time Data Protocol）通信［3］；其中，仿真一體機包括虛擬EDCU（Electronic Door Control Unit）、虛 擬HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）、虛 擬PIS（Passenger Information System）等其他非關(guān)鍵子系統(tǒng)。

關(guān)鍵受控子系統(tǒng)仿真：牽引仿真機和制動仿真機。試驗臺拓撲如圖2 所示。

圖2 試驗臺拓撲結(jié)構(gòu)圖

試驗臺通過以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)主控部分及子系統(tǒng)受控部分的通信連接，實現(xiàn)控制及狀態(tài)信息的交互。主控部分各控制單元通過運行控制程序，為一體化控制程序提供運行平臺，實現(xiàn)列車整車的控制功能。受控子系統(tǒng)部分由搭載軟件仿真系統(tǒng)的工業(yè)控制計算機和半實物仿真機為載體，實現(xiàn)列車整車硬線電路（繼電器控制回路、安全環(huán)路等）的仿真以及各個功能系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、門控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等）的功能模擬，為整個列車控制系統(tǒng)提供運行環(huán)境和信號激勵，提供全列車的運行環(huán)境，為各個列車控制功能提供試驗?zāi)M條件。

3 仿真測試平臺的實施與驗證

3.1 仿真測試平臺硬件組成

根據(jù)試驗臺的總體設(shè)計，將各個系統(tǒng)平臺硬件規(guī)劃為網(wǎng)絡(luò)柜、制動柜和牽引柜，各電氣柜之間通過車輛級交換機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，通過硬線電路實現(xiàn)緊急牽引、緊急制動等硬線信號連接。試驗臺總體主要由4 個電氣柜組成，如圖3 所示。

（1）牽引柜包含1 臺仿真機、1 臺TCU、2 臺ICU（Inverter Control unit）；仿真機包括計算機、接口卡或箱，可模擬TCU 之外的ICU 及主回路和逆變器外電機、制動電阻、高斷等；仿真機接收/輸出110 V 車輛列車線信號；仿真機輸出4 路電流型速度信號給EBCU；TCU 與CCU 通過TRDP 協(xié)議交互數(shù)據(jù)，仿真機模擬另3 臺TCU 的接口數(shù)據(jù)與CCU 交互。

（2）制動柜包含1 臺仿真機、2 個EBCU；仿真機模擬另外6 臺EBCU 及外圍環(huán)境（壓力等），模擬制動力的執(zhí)行反饋及空氣管路壓力的處理；仿真機接收110 V 車輛列車線信號；EBCU 及仿真機與CCU 通過TRDP 協(xié)議交互數(shù)據(jù)；制動仿真機與牽引仿真機預(yù)留以太網(wǎng)接口。

定風量系統(tǒng)具有恒定的風量。目前，大多數(shù)中央空調(diào)主要使用空調(diào)和冷水管道系統(tǒng)，兩者都在恒定風量系統(tǒng)中控制具有恒定風量的特定區(qū)域。空調(diào)定風量系統(tǒng)采用空調(diào)變溫供氣來應(yīng)對室內(nèi)負荷波動。通過DDC監(jiān)控風扇運行狀態(tài)、設(shè)備故障、過濾器和防凍報警。

（3）2 臺網(wǎng)絡(luò)柜共包含2 臺仿真機、2 臺CCU、2 臺HMI、2 套PLC（Programmable Logic Controller）；仿真機模擬車輛電路、子系統(tǒng)模型、司控臺；操作司控臺受電弓指令、主斷路器指令，網(wǎng)絡(luò)高壓模型輸出110 V 硬線狀態(tài)等給牽引仿真機；通過PLC 發(fā)送110 V 列車線指令給牽引仿真機、制動仿真機。

3.2 仿真測試平臺軟件仿真

測試平臺基于工業(yè)控制計算機硬件采用通用仿真軟件ControlBuild（簡稱CB）進行電氣控制原理圖仿真和子系統(tǒng)仿真，為整個列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供運行環(huán)境和信號激勵。測試平臺采用以太網(wǎng)TRDP 通信，CB 軟件自身不提供以太網(wǎng)TRDP功能，需要在CB 軟件中集成以太網(wǎng)TRDP 底層驅(qū)動二次開發(fā)實現(xiàn)。

便于更好地模擬列車實際的控制及運行情況，驗證一體化集成控制算法的可靠性，仿真測試平臺對電氣控制原理圖進行仿真。根據(jù)城軌列車的結(jié)構(gòu)劃分單元，每個單元模塊內(nèi)部按照車廂劃分。每個車廂模塊內(nèi)部按照車輛電氣圖的功能組結(jié)構(gòu)劃分，實現(xiàn)試驗臺所不具備的電氣設(shè)備和線路，并通過PLC 實現(xiàn)與試驗臺硬件信號的交互。電氣原理仿真包括司控臺仿真（司控器、激活開關(guān)、門控開關(guān)、停放制動開關(guān)、受電弓開關(guān)、高斷/主斷開關(guān)等［4］）如圖4 所示。網(wǎng)絡(luò)控制相關(guān)的電氣控制原理圖仿真如圖5 所示。通過在仿真系統(tǒng)中移植與實車電氣原理圖完全一致的電氣控制原理仿真模型，測試平臺依據(jù)CB 軟件對電氣控制原理圖順序逐步單頁仿真。一體化集成控制后，牽引TCF（Traction Control Functions）功能和制動網(wǎng)關(guān)功能由CCU 來實現(xiàn)，相應(yīng)的原牽引、制動采集的硬線信號改為由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集。

圖4 司控臺仿真

圖5 網(wǎng)絡(luò)控制相關(guān)的電氣控制原理圖仿真

仿真系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與車載電氣柜交互數(shù)據(jù)；通過以太網(wǎng)技術(shù)與采集系統(tǒng)的PLC 主控制器交互數(shù)據(jù)。試驗臺各個設(shè)備通過以太網(wǎng)相互連接，而且各電氣柜內(nèi)將PLC 的輸入和IOM 的輸出以及PLC 的輸出和IOM 的輸入一一對應(yīng)連接，試驗平臺具有較高的可擴展性，不需要重新配置或更改硬件，只需修改軟件程序，即能適應(yīng)不同應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真需求，從而提高研制效率、縮短開發(fā)與測試周期。

子系統(tǒng)仿真主要實現(xiàn)空調(diào)、車門、信號、旅客信息、照明等各個子系統(tǒng)控制器的控制模型。牽引的TCF 功能和制動的網(wǎng)關(guān)功能集成到CCU 中，無需仿真。牽引TCF 功能主要是負責處理牽引/電制指令、牽引/電制設(shè)定值處理、牽引空轉(zhuǎn)/防滑控制，制動的網(wǎng)關(guān)功能主要實現(xiàn)是常用制動力分配、電空防滑配合、產(chǎn)生架控EBCU 單架空氣制動力指令等。

子系統(tǒng)仿真通過共享內(nèi)存的訪問與PLC 軟件通信獲得車輛的電路信息；通過以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模擬各個子系統(tǒng)的TRDP 網(wǎng)卡向CCU 發(fā)送模擬的協(xié)議數(shù)據(jù)。仿真受控子系統(tǒng)之間以及它們與真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如CCU、HMI、IOM 之間均需要TRDP 網(wǎng)絡(luò)通信，才能實現(xiàn)城軌列車中列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的各種功能。

3.3 仿真測試平臺數(shù)據(jù)流

CCU 在原有控制功能基礎(chǔ)上，集成牽引制動控制對各TCU、EBCU 發(fā)送控制指令及收集反饋狀態(tài)。仿真一體機、HMI、CCU、TCU、EBCU 等設(shè)備通過TRDP 以太網(wǎng)連接；仿真一體機和PLC 通過普通以太網(wǎng)連接。在電氣柜內(nèi)，將PLC 的輸入和IOM 的輸出以及PLC 的輸出和IOM 的輸入一一對應(yīng)連接，由PLC 控制為牽引/制動提供硬線信號。試驗臺各個部件之間的數(shù)據(jù)交互如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流示意圖

（1）從仿真一體機到PLC：仿真一體機中的車輛電路仿真計算結(jié)果通過以太網(wǎng)映射到PLC 硬件執(zhí)行輸出控制。從PLC 到仿真一體機：PLC 采集到硬線信號通過以太網(wǎng)映射到仿真一體機中的車輛電路仿真控制模型開關(guān)進行動作。

（2）從仿真一體機到CCU：仿真一體機的子系統(tǒng)仿真控制器計算結(jié)果通過以太網(wǎng)TRDP 發(fā)送給CCU，作為CCU 的輸入，用于控制和診斷。CCU到 仿真一體機：CCU 通過以太網(wǎng)TRDP 將控制指令及相關(guān)狀態(tài)信息傳輸給仿真一體機的子系統(tǒng)仿真控制器，子系統(tǒng)仿真控制器控制相關(guān)的仿真電路動作。

（3）從IOM 到PLC：IOM 在接收到TRDP 數(shù)據(jù)后進行對應(yīng)的開關(guān)動作，其開關(guān)狀態(tài)通過硬線信號由相應(yīng)端口PLC 進行采集。從PLC 到IOM：PLC 將車輛電路的動作狀態(tài)映射到相應(yīng)的端口，由IOM 采集。

（4）從CCU 到TCU、EBCU：CCU 集成TCU 和EBCU 的控制功能，向TCU、EBCU 發(fā)送控制指令，TCU、EBCU 控制本系統(tǒng)仿真硬件。從TCU、EBCU 到CCU：TCU、EBCU 反饋指令執(zhí)行狀態(tài)以及故障信息。

3.4 試驗臺功能驗證

試驗臺可實現(xiàn)整車控制邏輯、牽引、制動等控制功能的聯(lián)合仿真測試，尤其是實現(xiàn)集成控制之后，在CCU 中進一步融合了牽引控制功能，如牽引/電制指令處理、牽引/電制設(shè)定值處理、牽引空轉(zhuǎn)/防滑控制等，以及制動控制功能，如常用制動力分配、電空防滑配合、產(chǎn)生架控EBCU 單架空氣制動力指令等。

CCU 與TCU 進行網(wǎng)絡(luò)通信，發(fā)送控制指令，并接收TCU 反饋的狀態(tài)信號。TCU 與ICU 通信內(nèi)部CAN 網(wǎng)進行交互，ICU 集成在牽引變流器內(nèi)部，主要負責牽引電機閉環(huán)控制，因而可以輸出需要的牽引/電制動力。CCU 與EBCU 進行網(wǎng)絡(luò)通信，發(fā)送控制指令，并接收EBCU 的狀態(tài)信號。EBCU 作為制動系統(tǒng)的執(zhí)行控制器，控制制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。

試驗臺可著重進行集成控制邏輯的開發(fā)測試及驗證，尤其是牽引力設(shè)置、常用制動力分配、電空復(fù)合制動、電空防滑配合等需要多系統(tǒng)、多條件綜合協(xié)同實現(xiàn)的邏輯，在試驗平臺上全部由中央控制單元實現(xiàn)，通過試驗臺的測試，可對集成控制系統(tǒng)達到的控制效果進行驗證，檢驗是否達到減少系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)信號傳輸及處理時間、提高系統(tǒng)響應(yīng)能力的目標。

結(jié)合以上驗證，可充分表現(xiàn)出牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)融合的優(yōu)勢，將減少信號傳遞的路徑，縮短信號傳輸?shù)难訒r，減少控制處理時間及控制系統(tǒng)間信號傳遞時間，控制結(jié)果直接由控制單元抵達執(zhí)行機構(gòu)，大幅提高控制精度，更能實現(xiàn)車輛控制的協(xié)同性，充分發(fā)揮列車性能。

4 結(jié)論

城軌列車牽引、制動和網(wǎng)絡(luò)一體化集成控制簡化各系統(tǒng)信息交互環(huán)節(jié)，提升數(shù)據(jù)交互速度，提高列車運行控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，從而提高用戶乘坐舒適度。

文中提出了一種城軌列車一體化集成控制測試平臺方案，基于圖形化軟件開發(fā)對司控臺界面和電氣原理圖進行仿真并對列車受控子系統(tǒng)進行建模，構(gòu)建了牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)一體化集成控制的仿真測試環(huán)境。通過測試平臺，可以實現(xiàn)一體化集成的系統(tǒng)間接口通信，整車控制邏輯，牽引、制動等控制功能的聯(lián)合仿真等一系列測試及驗證。

試驗臺對網(wǎng)絡(luò)通信性能進行測試和評估，充分驗證一體化集成控制的接口協(xié)議和功能以及控制效果，有效提高一體化集成控制軟硬件的研發(fā)和測試效率，縮短開發(fā)和測試周期，為一體化集成控制的實車應(yīng)用提供地面驗證環(huán)境以及技術(shù)支持。

城軌列車一體化集成控制是未來列車控制的重要發(fā)展趨勢，試驗平臺是在實車應(yīng)用之前的重要測試驗證的載體。未來可結(jié)合一體化集成控制在實車項目中的應(yīng)用情況，進一步對試驗臺進行調(diào)整和完善，以便在實際的應(yīng)用中發(fā)揮更廣泛的作用。