基于最小系統的CBTC仿真測試平臺

王 偉 張建明

(北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044)

1 研究背景

隨著通信技術、控制技術、計算機技術的迅速發展，城市軌道交通的信號制式也得到了很大的發展，CBTC技術(communication-based train control，基于通信的列車控制)作為一種能夠適應高速度、高密度的軌道交通發展要求的先進的信號制式，已經成為了當前城市軌道交通中的首選信號制式［1］。北京交通大學研發的CBTC系統雖然打破了國外的技術壟斷，但如何提高開通質量和保證開通進度，是需要進一步研究的大問題。

一般來講，信號系統是軌道交通建設過程中的后期工程，如果能夠在軌道交通建設的前期或中期啟動相關CBTC系統功能測試，就可以大大縮短信號系統的建設周期。CBTC系統包括多個子系統，需要采用很多新技術，全部都進行現場試驗是不現實的，需要對各個子系統的功能進行驗證，并確保系統集成后功能的完整性。在實驗室搭建CBTC仿真測試平臺，通過實驗室仿真測試環境對即將上線運行的信號設備進行測試，對于縮短CBTC系統的建設周期、提高系統的安全性和可靠性具有重要意義。另外，對列車控制系統進行，現場測試是非常困難的，因為需要消耗巨大的人力、物力、財力，并且具有一定的安全隱患。因此，在實驗室內搭建一套仿真測試平臺來進行CBTC系統的測試驗證是非常必要的。

2 最小系統原理和方法

1)確定測試需求。構建測試平臺時，必須明確測試平臺要完成的測試需求都有哪些(見圖1)。測試需求應當根據被測對象的功能需求規范來完成，在完成測試需求時可以不對預期結果作要求，但是必須明確將來要進行的測試內容。

2)根據測試需求確定設備需求。對于每一條測試需求，應當明確所需要的測試環境是什么。例如，進行車載定位測試時對設備的要求與進行區域控制器移動授權測試時對設備的要求肯定是不一樣的，因此必須明確每條測試需求所對應的設備需求。在填寫時，可以參考表1的要求來填寫。

圖1 確定測試需求

表1 測試需求對應設備需求

3)提取最小系統。最小系統原則上是要進行的所有測試需求的所要求設備的并集。從表1中可以看到:對于TR1，在測試時需要使用設備A和D;對于TR2，需要使用設備B和D。如果要進行TR1和TR2的測試，所構建的測試平臺只需要包含設備A、B、D。當然，在某些特殊的情況下，如果構建實際設備的成本遠高于在現場或者其他環境下進行測試的測試成本，則可以適當考慮將該部分測試需求從期望的測試需求中轉換到其他環境下的測試需求中。

4)構建與最小系統適配的仿真設備。在完成最小系統的模型后，必須保證最小系統與仿真設備間的接口都是真實的，這樣才可以確保測試平臺測試的正確性和可信性。在確定仿真模型時，可以采用模型抽象、模型表示、模型組織的思路，完成仿真模型的設計與實現(見圖2)。

圖2 仿真模型開發

3 最小系統的應用

對于分布式仿真測試平臺，圖3是一種典型的架構，其中實際設備作為被測對象。在構建測試平臺時，應當把被測對象做成最小系統，這對于縮減平臺構建成本和提高測試效率是非常有幫助的。

1)確定測試需求。車載控制器的功能主要有列車精確定位、監控列車速度、管理屏蔽門、管理折返、管理ZC切換等。

2)根據測試需求確定設備需求。測試需求對應有設備需求，如表2所示。

表2 VOBC測試平臺測試需求對應的設備需求

圖3 典型的基于最小系統的仿真測試平臺架構

3)提取最小系統。從表2可以看出，如果要完成其中所列出的測試需求，最小系統只需要包含本端VOBC(車載控制器)、對端VOBC、查詢應答器系統、無線DCS(數據通信系統)。

開展港口碼頭船舶污染物接收處置能力建設首先需要明確“船舶污染物接收處置能力”的內涵和組成，這是船舶污染物接收處置能力建設開展的前提。

4)構建與最小系統適配的仿真設備。由于VOBC與ZC(區域控制器)、CI(計算機聯鎖)、速度傳感器等均有直接接口，為了構建完整的VOBC測試平臺，需要進行仿真ZC、仿真CI、仿真速度傳感器的開發，并通過與實際設備的調試進行不斷的優化。圖4是實際應用的車載控制子系統的仿真測試平臺。

4 亦莊線仿真測試平臺

亦莊線仿真測試平臺是基于最小系統建立的綜合仿真測試平臺，提供了可視化的線路和列車運行環境，設定了與軌旁設備、車載設備以及地-車通信之間的透明接口，實現了對目前城市軌道交通領域中點式、連續式以及點-連式列車運行控制系統相關技術的仿真，同時能夠完成列車運行控制系統核心設備的功能測試。

4.1 仿真測試平臺的需求

1)可以進行國產自主研發的車載控制器(VOBC)子系統的測試和驗證，要求功能均可以進行測試，接口完全真實。

2)可以進行國產自主研發的區域控制器(ZC)子系統的測試和驗證，要求功能均可以進行測試，接口完全真實，并可以進行部分的壓力測試。

3)可以進行國產自主研發的CBTC核心設備間的集成測試。

4)可以進行亦莊線工程項目的集成測試，包括協議測試和點對點測試。

5)可以進行亦莊線工程項目中的確認測試，包括點式ATP(列車自動防護)部分、點式ATO(列車自動駕駛)部分、CBTC ATP部分、CBTC ATO部分以及多車部分，除與線路數據的準確性相關的用例不做要求外，其余均可以進行測試。

簡言之，亦莊線仿真測試平臺是亦莊線現場測試的基礎，需要滿足全生命周期的測試過程覆蓋。

圖4 應用最小系統的車載控制器測試平臺

圖5 亦莊線仿真測試平臺架構

4.2 仿真測試平臺的架構

亦莊線仿真測試平臺主要由控制中心、實際車站、仿真車站、仿真測試環境、車輛模型及車載設備、軌旁設備6大區域組成(見圖5)。由于已經保證VOBC子系統(車載ATP/ATO系統)、地面ATP設備在實驗室內與現場的接口和邏輯保持完全一致，所以通過此平臺測試完畢的設備，可以不經任何修改，直接應用于現場。在圖6中，虛線內描述的是亦莊線仿真測試平臺中的最小系統。

在構建仿真測試平臺時，提取信號系統中的核心設備和典型設備作為最小系統的雛形，選取功能和接口全覆蓋的最小子集作為最小系統的首選模型，采用功能接口全部預留和增量式的整體架構，搭建實驗室最小系統(見圖6)，包括2套車載控制器、1套真實CI、1套真實區域控制器、1套真實數據存儲單元、1套真實車站ATS和1套真實中心ATS。另外，為了提高測試人員在測試過程中的沉浸感，進而實現可視化測試的目的，該平臺也配置了三維視景仿真系統作為支撐。

圖6 測試平臺最小系統

圖7 亦莊線仿真測試平臺的功能

4.3 仿真測試平臺的功能

在亦莊線CBTC仿真測試平臺中，涵蓋了所有與信號系統相關的設備或者組件，確保了所有狀態都是可觀和可控的，可以實現信號系統的全功能仿真(見圖7)。平臺采用樁模塊的思路，實現不同目的仿真測試平臺的轉換，通過進行不同的軟件和數據配置，CBTC系統集成仿真與測試平臺可以實現全線所有線路的仿真測試和單一集中站實際設備的集成測試與系統測試。

如果將亦莊線仿真測試平臺中的設備配置為與現場完全一致的軟件和數據，就可以為現場出現的問題提供一個室內問題復現和分析的平臺，大大提高解決問題的效率。

5 結語

覆蓋最小系統模型的仿真測試平臺可以作為科研階段的成果驗證平臺，也可以作為工程階段的系統設計檢驗平臺、軟件測試平臺，還可以作為運行階段的狀態分析平臺。同樣，在現場也需要選取最小系統(如采用3站2區間樣板段)作為初期動車調試的測試和驗證平臺。通過針對最小系統的測試，可以大大提高工程質量，加快工程進度。

總之，CBTC系統是一個龐大的分布式控制系統。針對大系統建設和調試的特點，應當有針對性地選擇最小系統并構建測試平臺;通過在這個測試平臺上進行硬件最小化、功能最大化的測試驗證，從而實現縮短建設周期、提高開通質量的目標。

［1］郜春海.基于通信的軌道交通列車運行控制系統［J］.現代城市軌道交通，2007(2):7-10.

［2］王偉.CBTC測試平臺關鍵問題研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

［3］郜春海，黃友能.CBTC仿真測試系統研究報告［R］.北京:北京交通大學CBTC課題組，2007.

［4］郜春海，唐濤.基于通信的城軌CBTC系統研究報告［R］.北京:北京交通大學運輸自動化所CBTC 課題組，2007.

［5］徐田華.概率模型檢驗的研究及其在列車控制系統中的應用［D］.北京:北京交通大學，2008.

［6］王洪春.基于因果圖的不確定性推理理論及算法研究［D］.重慶:重慶大學，2005.

［7］鮑紅杰.計算機聯鎖軟件測試平臺關鍵技術的研究與設計［D］.合肥:合肥工業大學，2006.