城市軌道交通車載列車自動防護設備仿真檢測平臺研究

張 凱 馮 虎 廖湘華

（1.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上海；2.卡斯柯信號有限公司，200071，上海∥第一作者，助理工程師）

城市軌道交通信號系統是保證列車運行安全、提高運輸效率的關鍵系統設備，其技術含量高、研制難度大，是實現裝備制造國產化的關鍵。信號系統一般包括列車自動防護（ATP）、列車自動駕駛（ATO）、列車自動監控（ATS）等子系統。其中ATS技術較早為國內所掌握，當前眾多國內企業和科研機構正開展ATP、ATO技術的研究。仿真是一種對新設備測試檢驗的有效手段。通過對要測試設備的外圍環境進行模擬和控制，可以進行多方面的性能測試和調試。本文研究利用LabVIEW平臺開發車載ATP設備檢測平臺的技術和方法。實踐證明其具有高效、靈活、低成本的特點［1］。

1 車載ATP設備仿真測試需求

ATP子系統具有檢測列車位置，實現列車運行安全間隔控制，監督列車運行速度，實現列車超速防護控制，防止列車誤退行等非預期移動，為列車車門、站臺屏蔽門等的開閉提供安全監控信息等功能。不同制式的信號系統，其車地之間的通信方式、通信內容有很大不同。本仿真檢測平臺是針對采用歐式信標和里程計、用數字軌道電路傳遞機車信號的準移動閉塞信號系統制式。車載ATP設備接口示意如圖1所示。

圖1 車載ATP設備接口示意圖

仿真測試平臺是對車載ATP設備外部的對接設備及其關聯子系統進行仿真，為車載ATP設備的開發提供室內運行調試環境，對其室內系統驗證過程提供計算機輔助測試工具。由圖1可見，仿真測試平臺需要仿真的有里程計、列車信號、信標、列車信息管理系統（TIMS）和驅動繼電器的信號。其中里程計和信標共同實現列車的測速和定位功能。仿真檢測平臺所仿真的編碼里程計根據車輪的轉動，產生4路有不同相位的脈沖信號，車載ATP可據此計算出列車的位移和方向。歐式信標則在列車的信標天線接近時產生一定長度的FSK（頻移鍵控）調制信號，并在信標天線通過其正上方時產生電平突變的脈沖信號TopLoc；車載ATP可根據調解出的信號ID（標識號）和信標的中心位置，實現列車在線路地圖中的精確定位。數字軌道和傳輸環線所傳輸的列車信號則包括了所在區段的線路地圖和區域控制器所產生的速度限制，采用了CPFSK（連續相位頻移鍵控）調制信號。繼電器信號本身是高低電平信號，可以歸類為脈沖信號。TIMS則采用了串行接口和車載ATP設備進行通信。

2 仿真檢測平臺的實現

2.1 總體設計

室內仿真測試平臺由仿真機和終端機兩部分組成，其系統結構如圖2所示。仿真機主要負責場景仿真、信號I／O（輸入／輸出）及數據存儲，采用美國國家儀器公司的PXI系統作為開發平臺。終端主要負責用戶操作、信息呈現及數據存儲，可以部署在普通個人電腦或工控機上。終端機和仿真機之間的通信通過局域網進行。

本仿真檢測平臺的軟件可以劃分為數據層、仿真層和用戶界面（UI）層。數據層（存在于仿真機上和終端機上）負責數據的存儲、訪問、同步、通信功能。仿真層負責嚴格定時、同步、實時處理和車載ATP接口仿真功能。UI層負責非實時的用戶控制（即人工界面操作）和界面顯示功能。

原則上仿真層與被測設備通過二者之間的仿真接口就構成了完整的閉環系統。但是，為了測試平臺能透視和（或）截獲被測設備內部及（或）中間環節的信息，以供人工分析和判別，數據層還接收被測車載ATP設備單向反饋的信息。這里“單向”是指車載ATP設備可以向測試平臺發送數據，但反向不可。

數據層還使得各功能模塊的動態加載成為可能。例如，無論UI層運行與否，只要仿真層賴以運行的數據存在，則仿真機就可與被測車載ATP設備構成一個封閉的運行系統，即車載ATP設備具備了室內運行條件。在仿真層運行過程中，隨時可加載UI層的功能模塊、流程控制腳本程序，不需中斷仿真層的運行。

圖2 仿真測試平臺邏輯結構示意圖

2.2 硬件設計和實現

長期以來，自動測試系統都是為特定的應用采用專門的硬件和軟件。盡管這種做法存在成本高、擴展性差和特定應用限制等缺點，但仍然被選用。然而，隨著科技的不斷進步，商業化的測試技術性能已經趕上甚至超過了專用自動測試系統的性能。功能齊全的硬件和軟件架構可以實現從設計驗證試驗到高度自動化生產的應用，而且具有更快的開發速度、更低的成本。

PXI規格于1998年正式制定。它具有完整的硬件和軟件相容規范，可以滿足絕大多數測試系統的要求，并充分利用了計算機PCI總線架構。PXI規格在硬件模塊易于裝卸的前提下提供了優良的機械整合性。其規范的開放性可以組成模塊化的測試系統，不同平臺的儀器也能容易地集成到PXI的測試系統。鑒于此，仿真機選用NI公司生產的PXI系列設備，包括控制器和若干塊（種）模塊化儀器，使用 LabVIEW 軟件開發環境［2］進行開發。LabVIEW軟件使用圖形化編輯語言設計實時數據采集和控制程序，可以方便地建立各種虛擬儀器，模擬出被測設備所需要的各種信號。仿真機的控制器上運行實時操作系統LabVIEW RT，數據采用文件方式存儲。LabVIEW、LabVIEW Real－Time模塊以及RT系列硬件，為數據采集和控制系統帶來可靠確定的實時性能。本仿真檢測平臺所采用硬件結構如圖3所示。

由于PXI設備輸入、輸出脈沖信號的電平為5 V，車載ATP設備輸入信號電壓一般高于此值（典型系統為24V），因此信號交互之前需要經過低、高電平轉換；同時PXI設備所輸出的FSK等調制信號為單端信號，需要進行差分轉換。為此，自制信號調理模塊，包括差分轉換器和高低電平轉換器。

圖3 仿真檢測平臺硬件結構

2.3 軟件設計和實現

本仿真檢測平臺采用以數據交換而不是以邏輯控制為中心的設計思路，來劃分子系統和子系統內部的模塊。各功能模塊通過共享數據來互相耦合，從而實現測試系統在靈活性上的要求。以下分為數據層、UI層、仿真層三個方面來描述軟件系統的設計和實現。

2.3.1 數據層

數據裝載一般發生在仿真檢測平臺系統運行的初始化階段，從離線配置文件中讀取數據到內存（即數據池中的靜態數據）中。

數據層的數據分布在終端機和仿真機上。數據池中的存儲數據可分為靜態數據、動態數據和功能性全局變量。功能性全局變量也是動態數據，主要用于同一機器上功能模塊之間的共享數據，故單獨列出。從線路地圖研究中可知，動態數據往往與靜態數據一一對應。把同一對象的各屬性按分類分別存儲，以改善訪問性能。

仿真機或終端機上的各功能模塊大多并行運行，因此通過數據而不是控制傳遞來互相藕合協調。主要采用以下形式：

1）直接訪問數據池中的數據——對于較復雜的數據結構（例如數組、結構），數據池提供對單個元素進行訪問的方法。

2）事件——這主要用于UI中對控件操作的響應處理。

3）隊列——這主要用于終端機上兩模塊間需要傳遞不可丟失的數據。

4）FIFO（先入先出緩沖區）——這主要用于仿真機上兩模塊間需要傳遞不可丟失的數據。

5）通知——這主要用于仿真機上相關模塊間的互相同步。

終端機與仿真機之間的信息交換，即終端機數據池與仿真機數據池之間的信息交換，采用網絡共享變量，或網絡FIFO的形式。仿真機、終端機的網絡同步模塊把自身數據池中的數據周期性地復制到網絡共享變量或網絡FIFO中，LabVIEW RT引擎將自動把網絡共享變量或網絡FIFO傳遞到終端機、仿真機上。

各功能模塊不得直接訪問網絡共享變量和網絡FIFO，而是通過網絡同步模塊來有效地隔離網絡傳遞的抖動性，并避免終端機干擾仿真機的可能性。網絡同步模塊的周期性還確保了數據傳遞在終端機數據池與仿真機數據池之間的這一段時間延遲的固定性。由于各功能模塊訪問數據池也具有周期性，確保了從數據源到數據池、從數據池到數據目的地的時間延遲也是固定的，因此，從數據源到數據目的地的時間延遲是固定的。

2.3.2 UI層

UI層運行在終端機上，主要分為仿真機中各功能模塊的UI、駕駛臺、線路地圖三大塊。

為了確保仿真機的實時性，把各仿真功能模塊都切割成兩部分：窗口界面和邏輯處理。窗口界面運行在終端機上，邏輯處理運行在仿真機上。窗口界面與邏輯處理之間的通信鏈為“數據池－網絡同步模塊－網絡共享變量或網絡FIFO、網絡同步模塊－數據池”，為避免窗口界面影響邏輯處理的性能，沒有使用LabVIEW RT所支持的“前面板通信”方式。

駕駛臺匯集了仿真功能模塊UI中比較常用的控件，顯示線路地圖，實時繪制出實際速度線、輸出速度線及反饋速度線，捕獲線路設備的操作，并刷新設備狀態顯示。

2.3.3 仿真層

仿真層主要有牽引與制動、列車定位、信標天線、脈沖輸出、列車信號接收線圈、數字I／O、TIMS等模塊。其中里程計、信標天線模塊的外部輸出是匯聚到“脈沖輸出”這個模塊后一起同步輸出的。牽引控制模塊計算列車的運行和所處位置，向其它各個軌旁設備模塊發出同步通知。在此對部分模塊的工作機制進行介紹（其中，機車信號接受線圈模塊工作機制與信標天線模塊類似）。

1）牽引控制模塊：牽引與制動模塊周期性地讀取仿真機數據池中的牽引與制動加速率、坡度、是否緊急制動等信息，來計算實際脈沖數、齒號、方向、加速率、速率、列車橫坐標等，并存到數據池中。系統仿真了影響列車行駛的各種力量，包括牽引力、重力軌道分量、制動力、軌道磨擦力和空氣阻力，以便仿真列車后退以及測試車載設備對坡度的處理。

牽引與制動模塊將根據列車虛擬運行的精確位置，直接計算編碼里程計的各路脈沖值，并決定是否向信標天線模塊、列車信號接收線圈（包括線圈數據預備、CPFSK調制、CPFSK輸出子模塊等）發送同步指令及指令內容。牽引控制模塊算法流程見圖4所示。為了仿真打滑、空轉、鎖軸等車輪轉動與列車實際位移不一致的情況，還設置了里程計脈沖值調整子模塊。當此模塊激活時，對計算脈沖進行相應的延遲或其它處理。

2）列車定位模塊：列車定位模塊周期性地從仿真機數據池中讀取實際橫坐標及線路圖中的上下文信息，計算列車的實際位置、坡度，以及當前和前方的信標、當前和前方的軌道電路載頻。

3）脈沖輸出模塊：該模塊包括高速數字合成模塊和高速數字輸出模塊。仿真機所產生的各種脈沖值并不單獨立即輸出，而是以功能性全局變量的形式存儲在仿真機數據池中；由高速數字合成子模塊周期性地將各個脈沖值合成為一個32位的數字，每隔一預定時間段后，將該數字插入到FIFO存儲器中。高速數字I／O子模塊則負責將其中的數字提交給高速數字I／O板卡發送給車載設備。高速數字合成子模塊與高速數字I／O子模塊將形成一個閉環控制，使得這個FIFO中元素進出保持平衡。

圖4 牽引控制模塊算法流程圖

4）信標天線模塊：信標天線模塊由天線數據預備、中心脈沖計算子模塊、FSK、FSK輸出子模塊等構成。當天線數據預備子模塊監視到當前信標和（或）前方信標發生變化時，則從仿真機數據池中提取新信標的數據，組裝為相應的信標數據幀。中心脈沖計算子模塊根據牽引與制動模塊的同步指令啟動、終止計算天線數據預備子模塊預備的某一數據幀的脈沖值。FSK調制子模塊根據牽引與制動模塊的同步指令啟動、終止對天線數據預備模塊預備的“某一”信標數據幀的調制過程。其調制出的FSK調制信號將通過相應的FIFO存儲器傳到FSK輸出子模塊，從而發給被測車載ATP設備。FSK調制子模塊與FSK輸出子模塊不需要閉換控制，因為當列車距離信標較遠時，FSK輸出模塊不需輸出信號。

3 結語

本仿真檢測平臺采用虛擬儀器開發平臺，根據準移動制式信號系統實際情況，開發了車載ATP設備的仿真檢測平臺。仿真檢測平臺模擬了車載設備在實際運行時的環境，實現了室內試運行和檢測；開發采用了商業PXI硬件平臺和圖形化開發語言，有效地降低了開發難度，提高了開發效率。仿真檢測平臺各模塊之間并行運行，其應用具有可選性，且易于擴展和改造。仿真檢測平臺已應用于相關產品的開發和測試中，有效地促進了車載ATP設備的開發效率，降低了開發成本［1］。

［1］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.城市軌道交通CBTC系統車載設備和ATS技術研究報告［R］.上海：上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，2010.

［2］Johnson G W.LabVIEW graphical programming：practical applications in instrumentation and control［M］.Texas.USA：McGraw－Hill School Education Group，2006.