基于HLA的CTCS-3列控系統仿真管理器研究

李 博，王俊峰

(北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044)

CTCS-3中國列車運行控制系統（以下簡稱C3列控系統）是基于GSM-R鐵路無線通信系統，并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運行控制系統。隨著我國鐵路的高速發展，C3列控系統已經成為中國列車運行控制系統（CTCS）的發展方向[1～2]。

以前搭建的C3列控系統仿真平臺大部分是直接在以TCP/IP為底層通信平臺的基礎上搭建而成，整個系統過于分散，不利于仿真平臺統一管理和記錄各個模塊間的信息交互。不利于研究C3列控系統中各模塊間如何協調和高效工作。因此，建立相應的C3列控系統模型并在實驗室仿真平臺下對系統進行驗證和評估具有重要的現實意義。

本文主要介紹基于HLA/RTI底層通信平臺的C3列控系統分布交互式仿真結構，重點解決仿真管理器數據傳輸實時性的問題。

1 高層體系結構（HLA）

1.1 高層體系結構簡介

高層體系結構（High Level Architecture, HLA）是一種新型的分布式仿真框架[2]。在基于HLA的仿真系統中，聯邦（Federation）是指用于達到某一特定仿真目的的分布式仿真系統，它由若干個相互作用的聯邦成員（或簡稱成員）構成。所有參與聯邦運行的應用程序都可以稱為聯邦成員。

在C3列控系統仿真平臺中，C3列控系統便是作為聯邦而存在。車載設備、軌旁電子單元、列控中心、無線閉塞中心、臨時限速服務器、GSM-R通信接口設備等作為C3列控系統組成模塊而統一稱為仿真設備模塊；仿真管理器、線路數據庫、驗證分析模塊作為仿真平臺輔助工具而統一稱為仿真管理子系統。仿真設備模塊和仿真管理子系統都是C3列控系統聯邦下的聯邦成員，如圖1。運行支撐環境（RTI：Run-time Infrastructure）是HLA接口規范的具體實現，是HLA仿真應用程序設計和運行的基礎，其功能類似于分布式操作系統。它主要提供底層通信傳輸服務，是C3列控系統中各個聯邦成員數據交互的通道。

圖1 基于HLA的CTCS-3列控系統仿真聯邦結構圖

1.2 將HLA運用于C3列控系統仿真平臺中的優勢

C3列控系統仿真平臺是以某鐵路線為背景的分布式半實物仿真系統。全線設有21個車站，每個車站需要1臺列控中心模擬器，1臺CTC分機模擬器，1臺聯鎖模擬器。7臺無線閉塞中心（RBC）管理全線的行車許可，4臺多車模擬器模擬全線的列車，1臺軌旁模擬器模擬全線的線路信息，1臺GSM-R模擬器模擬GSM-R信息傳輸通道以及1臺CTC總機負責全線的列車調度和運行計劃的下達。不考慮真實設備，單是純虛擬的仿真節點就達到了77個，所以整個仿真平臺面臨的最大問題便是統一管理各個節點（即聯邦成員）以及如何處理好各個節點之間數據交互的問題。采用基于HLA/RTI這樣一個高效的底層通信平臺可以很好地解決這些問題。

1.2.1 便于實現對系統的統一管理

基于HLA/RTI的仿真平臺具有更好的互操作性和可復用性。利用RTI發布訂購機制，C3系統中的各聯邦成員間的互操作變得更加便利。例如：CTC分機需要給聯鎖發送進路請求信息，CTC分機“發布”這一信息，聯鎖“訂購”這一信息便可以建立數據通路。仿真管理器這一聯邦成員需要監控和管理各個節點間的數據流，它若需要獲取這一信息，只需要再“訂購”這一信息，就可以獲取該數據。所以仿真管理器只需要根據實際需求訂購它需要的信息，便可以通過RTI直接獲取，同時它也可以發布控制交互類信息給其他節點，所以便于實現對整個仿真平臺的統一管理。而且隨著列車和車站數量的增加，還可以增加聯邦成員的個數，實現C3列控系統模塊的即插即用，易于系統的集成。

1.2.2 增加數據傳輸的實時性

使用Socket通信，接入n臺聯邦成員，需要彼此建立的連接將會有n(n-1)/2個[3]。在本實例中，77個仿真設備節點加上3個仿真管理節點，共80個聯邦成員，在基于Socket通信的情況下，需要建立的連接數將是6 160個，整個系統的通信量將相當龐大，如果軟件模塊設計不當，極容易造成通信阻塞。而在基于HLA/RTI構架的C3列控系統仿真平臺中，這80個聯邦成員之間只需要根據實際需要建立對應的發布和訂購屬性，RTI底層通信平臺已經幫我們解決了數據傳輸問題，可直接實現兩個節點間的數據交換，而且傳輸數據的實時性很好。在實際的測試中發現， pRTI消息傳輸延遲不到1 ms。在負載量為400 byte的情況下，兩個聯邦成員之間數據傳輸的延遲僅為3.2 ms[4]。

1.2.3 減少數據傳輸量

HLA網絡結構還提供數據過濾機制。各個聯邦成員有能力確定它們將產生什么信息，它們喜歡接收什么信息，數據傳輸服務的類型（例如可靠的或快速的）等。采用HLA后，整個聯邦范圍內所發送的數據量將明顯減少，節約了網絡資源，因而可以給C3列控系統仿真平臺上添加更多的仿真節點，利于系統的擴展。

此外，HLA/RTI通過提供通用的、相對獨立的支撐服務程序，將應用層同底層支撐環境分離。即將具體的C3列控系統各仿真節點的功能實現、仿真運行管理和底層通信3者分開，使各個仿真模塊相對獨立地進行開發，可以加快仿真平臺的建設進度。

2 基于HLA/RTI的仿真平臺整體構架

基于HLA/RTI構架的CTCS-3級列控系統仿真平臺分為仿真管理子系統，仿真設備模塊與真實設備接口3大部分，每個部分按照功能和特征進行模塊化的劃分，以實現分層和分批系統設計與構建，便于系統管理和繼承。這3個部分構成了基于HLA/RTI的仿真支撐環境，為車載真實設備和真實RBC提供運行測試環境，如圖2。

圖2 CTCS-3仿真平臺系統結構圖

2.1 仿真管理子系統

由線路數據庫，驗證分析模塊及仿真管理器模塊3個聯邦成員構成。它們是區分于真實的系統，但卻是仿真平臺中很重要的部分,負責管理整個仿真平臺，對仿真平臺的運行進行過程控制，驗證分析等。

2.2 仿真設備模塊

由仿真RBC模塊、CTC總機模塊、CTC分機模塊、聯鎖模塊、列控中心（TCC）模塊、多車運行模塊、軌旁模塊和仿真GSM-R模塊8種聯邦成員構成。它們根據實際的方案和線路設置各自的節點數量，接入到HLA/RTI環境中。

2.3 真實設備接口

由接口適配器聯邦成員構成。通過設計接口適配器，一端滿足RTI接口，接入到HLA/RTI環境中，另一端滿足真實設備接口，與真實的被測設備連接，完成真實設備與仿真支撐環境的無縫接入及其之間的數據轉換。同時這個單元也是真實軟件平臺與仿真支持環境的接口，通過接口適配器完成真實軟件平臺與HLA/RTI的數據轉換和接口轉換。

3 仿真管理器的設計與實現

隨著仿真節點的增加和仿真測試任務的加重，仿真測試過程需要一個規劃管理的角色，即仿真管理器。仿真管理器規劃仿真測試過程，管理各個仿真節點，協調控制C3列控系統的各個組成模塊執行測試序列，為離線的數據驗證分析和系統評估提供數據基礎。

與仿真管理器相連的仿真測試節點主要有列控中心仿真器、RBC仿真器、聯鎖設備仿真器、CTC車站分機仿真器、車載設備仿真器、列車運行仿真器等，如圖3。仿真管理器內部分8大模塊，分別實現仿真節點識別、仿真節點時間同步、仿真節點初始化配置、仿真過程監測和控制等功能。

仿真管理器最突出的特點就是對整個仿真平臺中各個節點的管理，集中控制各個節點間交互的數據，這也是它的核心部分。本文接下來著重從這兩方面進行論述。

3.1 仿真管理器對聯邦成員的管理

聯邦管理是指對一個聯邦執行的創建、動態控制、修改和刪除等過程。聯邦執行是指在聯邦（仿真系統）運行過程中，RTI根據聯邦成員的請求，為實現聯邦成員之間的互操作而創建的一個虛擬世界。

在C3列控系統仿真平臺中，仿真管理器完成對聯邦的管理。在初始狀態時，當仿真管理器（聯邦成員）調用RTI的Create Federation Execution服務之后，聯邦執行開始存在。但此時聯邦執行中并沒有聯邦成員，直到仿真管理器（第1個聯邦成員）調用了Join Federation Execution服務之后，聯邦成員才加入到聯邦執行中。隨后，仿真管理器根據實際需要遠程控制CTC分機、聯鎖、TCC等聯邦成員加入到聯邦執行中。當仿真結束后，仿真管理器遠程控制所有的聯邦成員退出聯邦執行后，仿真管理器調用Destroy Federation Execution服務撤銷聯邦執行。

圖3 仿真管理器組成模塊

聯邦執行創建與撤銷的整個過程都是在RTI的支持下，由仿真管理器推動。在這個過程中，仿真管理器與RTI之間的關系和交互過程如圖4。圖中的細線箭頭表示在聯邦執行的生命周期內，仿真管理器和RTI之間的交互[5]。

圖4 仿真管理器和RTI之間的關系

3.2 仿真管理器中增加數據傳輸實時性的策略[6]

仿真管理器需要實時監控各個仿真節點間的信息交換，所以各個仿真節點和仿真管理器有龐大的信息量，需要采用一些方法增加數據傳輸的實時性。

3.2.1 采用多線程的方法增加數據傳輸實時性

在HLA體系下，不同的進程模式決定了C3列控系統各個節點（聯邦成員）調用RTI的方式和RTI如何調用回調函數的方式。這也就決定了C3列控系統各個節點和RTI如何分享CPU時間。在單線程模式下，各個節點必須在一個線程內向RTI提出請求并調用tick()函數完成回調；在多線程模式下，系統的各個節點可以不調用tick()函數，RTI內部自動進行消息處理并完成回調，CPU時間得到充分利用，因而可以有效地改善網絡延遲，增加系統的實時性。

3.2.2 采用設置各個節點數據優先級的方法，間接增加數據傳輸的實時性

在實際的C3列控系統中，各個模塊在系統中的重要性是不同的。RBC和聯鎖設備是關系到列車“故障—安全”導向的關鍵設備，其中RBC更是C3列控系統區別于C2列控系統的重要設備，所以仿真管理器應該優先接受這些節點傳輸的信息。通過在應用層面上改善數據傳輸的優先級，間接解決數據傳輸的實時性問題。

4 結束語

本文研究了在基于HLA的分布交互式仿真體系結構基礎上，利用仿真管理器管理各個仿真節點的方法。它具有模塊化程度高，數據交換效率高等優點，大大方便了仿真過程的管理，為后期的系統方案驗證和評估奠定了基礎。

[1] 鐵道部科技司. CTCS-3級列控系統總體技術方案[S] .北京：鐵道部科技司，2008，3.

[2] ECSAG. ERTMS/ETCS Functional Requirement Specification(FRS) V4.29[S] . 2002.

[3] 宋晨亮，張勇. 基于HLA的分布式三維視景列車運行模擬器的設計與實現[J] . 鐵路計算機應用，2008，17（3）：27-30.

[4] 梁彥剛，唐國金，王峰. 基于HLA仿真系統實時性改進策略研究[J] . 系統仿真學報，2005，17（2）：361-363.

[5] 周彥，戴劍偉. HLA仿真程序設計[M] . 北京：電子工業出版社，2002：87.

[6] 李博，王俊峰. 無線機車信號數據安全傳輸方法的研究[J] . 鐵路計算機應用，2009，18（5）：49-50.