軌道交通基于最小系統(tǒng)的測試仿真試驗平臺研究

丁樹奎

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037）

0 引言

城市軌道交通是涉及土建、機械、電氣、電子、通信及大型裝備制造等領域的技術密集型系統(tǒng)，其技術裝備的水平反映了國家的產業(yè)技術和管理水平。國內城市軌道交通的系統(tǒng)或設備創(chuàng)新通常是采用經評審鑒定和單元設備試驗室測試后就直接上線應用的方式，在現(xiàn)場安裝、調試出現(xiàn)問題后再進行改進和升級，不僅延長了開發(fā)周期，還可能存在較大安全和質量風險。如何使系統(tǒng)包括產品在工程應用之前確保功能的完整性、性能的穩(wěn)定性、接口的準確性、系統(tǒng)的安全性及可用性等，實現(xiàn)產品研發(fā)階段和工程應用階段的無縫銜接，成為國產化技術創(chuàng)新過程中亟待解決的問題。

根據(jù)系統(tǒng)工程學的半實物仿真理論，北京軌道交通亦莊線信號示范工程和AFC網(wǎng)絡組網(wǎng)優(yōu)化等項目在建設過程中建立了基于最小系統(tǒng)的仿真試驗平臺，其可在室內完成絕大部分測試用例的執(zhí)行與驗證，有效把握住系統(tǒng)的研發(fā)、工程實施及系統(tǒng)運行三個階段的順利過渡，保證了工程的安全、質量和進度。本文在此基礎上，提出城市軌道交通基于最小系統(tǒng)的測試仿真試驗平臺，以系統(tǒng)工程的視角為城市軌道交通系統(tǒng)提供安全、可靠的技術保證。

1 半實物仿真和基于最小系統(tǒng)的仿真

1.1 半實物仿真

系統(tǒng)仿真的高真實性、高性能價格比和可實施性一直是開展仿真工作所追求的。半實物仿真是工程領域內一種應用較為廣泛的仿真技術，在計算機仿真回路中接入一些實物進行試驗，因而更接近實際情況。

半實物仿真系統(tǒng)一般由仿真設備、參試設備、參試軟件、各種接口設備、仿真控制臺和支持服務系統(tǒng)等六個部分組成，如圖1所示：

圖1 半實物仿真系統(tǒng)連接關系示意圖

1.2 基于最小系統(tǒng)的仿真

基于最小系統(tǒng)的仿真（以下簡稱最小系統(tǒng)）是以半實物仿真技術為理論基礎搭建的，卻是另外一種半實物仿真，是在實物基礎上接入輔助的仿真設備構成仿真系統(tǒng)。基本做法是直接運用真實系統(tǒng)的核心設備和典型設備作為仿真系統(tǒng)的基本組建元素，采用功能接口可擴展和增量式的整體架構，可直接運行真實系統(tǒng)軟件，能為測試真實系統(tǒng)所必備的系統(tǒng)性安全功能提供真實的環(huán)境，應用于產品開發(fā)、測試、驗證等全生命周期。

所謂“最小系統(tǒng)”，既可以理解為真實系統(tǒng)在滿足必備的系統(tǒng)性安全功能要求下的最小化，又可以理解為在半實物仿真系統(tǒng)中設備及軟件實物程度的最大化。

基于最小系統(tǒng)的仿真正逐步成為現(xiàn)代城市軌道交通裝備上線應用前的必要步驟，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1）能夠最大限度地驗證必備的系統(tǒng)性安全功能；

2）能夠有效地檢驗設備及軟件是否完整符合設計標準；

3）能夠在最短時間內根據(jù)實際運營需求對設備及軟件功能進行優(yōu)化。

基于最小系統(tǒng)的仿真成本有所提高，但具有較高的性能價格比。以北京市軌道交通AFC新城線系統(tǒng)接入組網(wǎng)為例，通過最小系統(tǒng)仿真測試，確保了即將上線應用的設備及軟件約80%的測試在最小系統(tǒng)中完成，且通過“測試-改進-再測試-再改進”的回歸測試模式，測試通過率達到100%，如表1所示，通過三輪測試，每個測試單元的測試通過率均達到運營指標要求，為上線應用提供了可靠的安全保障。

基于最小系統(tǒng)的仿真具有較強的可實施性。它既可以在某個線路復雜的專業(yè)系統(tǒng)中應用如亦莊等線的信號系統(tǒng)，也可以在面向全網(wǎng)絡的某個專業(yè)系統(tǒng)中應用如北京AFC系統(tǒng)，還可以面向軌道交通各專業(yè)跨專業(yè)搭建仿真平臺如北京地鐵6號線的綜合監(jiān)控與信號專業(yè)的最小系統(tǒng)。

2 基于最小系統(tǒng)的仿真試驗平臺的功能定位

基于最小系統(tǒng)的仿真試驗平臺的功能定位應覆蓋從設計研發(fā)到正式運行的全過程。

2.1 設計研發(fā)階段研發(fā)目標成果和成果驗證平臺

最小系統(tǒng)采用實際設備替代仿真設備與整個仿真環(huán)境結合，可以快速地驗證新產品的功能和性能，為產品開發(fā)和系統(tǒng)集成奠定基礎；它可以形象地向用戶展示系統(tǒng)的原理和功能，并通過不同專業(yè)的專家對此平臺應用的建議，完善整體需求以及功能。

最小系統(tǒng)提供完整規(guī)范的測試方案與檢測儀器，可以通過實際設備和仿真設備的不同組合實現(xiàn)不同形態(tài)的測試平臺，使系統(tǒng)關鍵設備和軟件的功能得到驗證。

2.2 工程實施階段的檢驗與測試平臺

最小系統(tǒng)脫離硬件環(huán)境的約束，結合仿真函數(shù)庫和模型庫，可以迅速對工程設計方案進行原型實現(xiàn)，驗證整體解決方案的可用性，可以在工程早期發(fā)現(xiàn)一些潛在的風險，提高整體解決方案的可用性。通過進行故障注入，可以驗證整體解決方案中極端情況下的處理能力。

2.3 系統(tǒng)運行階段的狀態(tài)分析平臺

在最小系統(tǒng)的仿真測試環(huán)境下，通過使用真實設備保證現(xiàn)場與試驗平臺上設備一致，在該平臺幾乎可以完全仿真現(xiàn)場遇到的情況，可以把實際設備配置成不同的車站設備，以復現(xiàn)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，進而對運行階段產生的問題進行分析，尋找解決方案，提高解決問題的效率。

3 基于最小系統(tǒng)的線路仿真試驗平臺

表1 2010年底北京開通的部分新線路AFC系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)

軌道交通包含多個子系統(tǒng)，各專業(yè)之間接口較多，為使接口得到更真實的仿真，仿真平臺應用效率更高。根據(jù)各子系統(tǒng)的終端設備執(zhí)行設備差異較大，但各系統(tǒng)結構和中心設備方面具有較強相似性的特點，搭建基于最小系統(tǒng)的線路仿真平臺，其系統(tǒng)構成如圖2所示。

3.1 基本硬件組成

硬件采用模塊化設計，由基于最小系統(tǒng)方式選取的各專業(yè)終端設備單元、典型車站設備單元、參試系統(tǒng)的中心設備單元和輔助設備（串行通信、網(wǎng)絡通信及仿真管理臺）四個部分組成。

圖2 軌道交通基于最小系統(tǒng)的線路仿真試驗平臺系統(tǒng)結構圖

3.2 基于面向對象技術的仿真模型庫

有必要建立仿真模型庫，增強最小系統(tǒng)的通用性和可復用性。用面向對象技術開發(fā)的仿真模塊具有良好的封裝性、可復用性及互操作性，使得大量的模塊可以存入庫中，為日后仿真時所復用。

下面以信號系統(tǒng)為例說明仿真模型庫的建立。

信號系統(tǒng)建模中的對象包括車站模型、軌旁設備模型、車載模型。信號系統(tǒng)的核心設備是車載控制器和區(qū)域控制器；典型設備是軌旁設備。測試中，使用車載ATP、ATO控制器實物替代原有的車載模型，即可使用最小信號系統(tǒng)對車載控制器實物進行測試；使用區(qū)域控制器實物代替原有區(qū)域控制器模型，即可使用最小信號系統(tǒng)對區(qū)域控制器實物進行測試。如果使用一套車載設備實物與完整的一套車站設備實物即可形成樣板段測試環(huán)境。

3.3 仿真管理軟件構成

管理軟件是基于上述接口硬件之上，考慮到通用性以及操作的簡便性。同時，需要重點考慮的是真實軟件與平臺的結合以及仿真建模中的事件建模。模型庫中包含了對應現(xiàn)實實體的各種對象，還有離散事件仿真必要的仿真時鐘、時間推進事件對象和運動推進事件對象。仿真時鐘是模擬現(xiàn)實世界時間推進的軟件對象，對象狀態(tài)只在事件發(fā)生的時間里改變。時間推進事件對象對應列車操作中的現(xiàn)實事件，如在信號系統(tǒng)的仿真中這些事件可以是列車停穩(wěn)、車門打開、車門關閉等, 車門打開時間事件的狀態(tài)。運動推動事件對象在信號系統(tǒng)的仿真中對應列車運行過程中的現(xiàn)實事件，如列車開始自動駕駛、列車開始進站剎車等，列車開始進站剎車這一運動事件的狀態(tài)。

4 結束語

通過對最小系統(tǒng)的論述表明，最小系統(tǒng)的應用作為研發(fā)與工程結合的創(chuàng)新，使建立在其基礎上的測試仿真試驗平臺發(fā)揮了更大作用，大大提高在線調試的工作效率及性能分析的可靠性，加快城市軌道交通設備國產化的進程，為城市軌道交通產業(yè)化發(fā)展起到良好的推動作用。

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