CTCS-3級列控仿真系統ATP接口平臺實時性研究與實現

侯 磊 車惠軍 張 波 謝俊紅

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

ATP接口平臺是CTCS-3級列控仿真系統的一個重要組成部分。通過ATP接口平臺，真實車載ATP實物設備被接入仿真系統，形成半實物仿真，實現在仿真系統環境下，與仿真模型、仿真環境之間的協同運行工作。ATP接口平臺一方面將仿真系統模擬的邏輯激勵轉變為與ATP實物接口完全一致的物理信號，施加于ATP實物；另一方面采集實物信號輸出，上傳仿真系統。因此，為了實時模擬運行控制，滿足ATP實物測試和驗證的需求，要求ATP接口平臺具備較高的實時性，能夠及時傳遞仿真系統與ATP系統之間的信號。本文將介紹在CTCS-3級列控仿真系統ATP接口平臺的設計過程中對實時性的研究與實現方法。

2 ATP接口平臺實時性需求分析

2.1 ATP接口平臺方案

在半實物仿真系統中，實物接入的原則：保證所有的數據實現閉環。如果物理閉環無法實現，就將此環節的輸入輸出接入實物接口平臺，而將該環節在仿真平臺上以虛擬模型的形式存在。

圖1是ATP實物通過ATP接口平臺接入仿真系統的連接圖。ATP接口平臺通過以太網接口與仿真平臺連接，建立仿真平臺與ATP實物設備之間虛擬通道。在CTCS-3級列控仿真系統中，針對龐巴迪ATP， ATP接口平臺使用I/O輸入輸出接口（DI、DO）連接ATP的列車接口單元（TIU）和制動接口單元（BIU）；使用脈沖輸出接口（PO）連接測速測距單元（SDU）；使用RS-232接口驅動軌旁電子單元（LEU），實時寫入有源應答器，模擬軌道上不同的無源應答器和有源應答器，通過CAU連接ATP的點式信息接收模塊（BTM），或使用RS-232接口實時驅動CAU模擬器（CAUSim），模擬CAU信號，通過BTM，連接ATP的BTM；使用CAN總線接口驅動軌道電路發碼盒ZPW-2000A，引出模擬載頻信號，連接ATP的連續信息接收模塊（STM）。

ATP接口平臺硬件以PowerPC微處理器和FPGA為核心，使用微處理器自帶通信接口，或通過總線外擴，實現各種所需對外接口，包括以太網接口、I/O接口、PO接口、RS-232接口、CAN總線接口等。

ATP接口平臺接入仿真系統的功能流程如圖2所示，ATP接口平臺與仿真平臺通過特定協議通信，傳遞仿真系統與ATP實物雙向的所有信號數據，除了處理通信協議外，接口平臺還提供一些管理機制，滿足ATP實物接入的一些特殊需求，如系統監控、故障注入、實時性管理等。

2.2 仿真延時分析和實時性需求

仿真平臺通過ATP接口平臺間接控制ATP實物，但是接口平臺的引入也必將增加兩者信號傳遞的延時，降低仿真系統的實時性。如圖3所示為仿真平臺通過接口平臺，與ATP實物進行信號傳遞的延時分析圖。由圖3可得，當仿真系統接收ATP實物輸出信號時，信號傳遞經歷4段延時：首先，接口平臺探測到ATP輸出信號，要經過延時T1，完成信號采集、分析、協議包裝的過程后，才能通過以太網發送給仿真平臺；其次，數據在以太網中的發送、路由和接收過程中會引入延時T2；當數據被仿真平臺通信處理軟件接收后，需要經歷協議解析、分析和反饋的過程，引入延時T3；最終數據被送到仿真平臺的模型，模型處理過程中仍存在延時T4。當仿真系統向ATP實物輸出信號時，同樣會經歷類似的4段延時，在此不一一闡述。

為了充分真實地模擬現場場景，滿足實物測試和驗證的需求，要求盡量減少仿真系統中各段延時。在實際設計中，以太網通信通過交換機和路由配置，優化網絡拓撲，減少以太網傳輸過程中的延時；仿真平臺模型和通信軟件設計中，通過使用更高性能服務器和優化軟件架構的方法減少延時。接口平臺是仿真系統的重要一環，為了減少接口平臺帶來的延時，要求接口平臺具備較高實時性，此外，還需要針對有特別需求的信號傳遞，進行特別處理。

ATP接口平臺針對ATP的TIU單元、BIU單元、SDU單元和STM單元的數據輸入或輸出，均是簡單的信號傳遞，通過提高接口平臺的實時性，可以減小這些信號傳遞過程中的延時，優化仿真效果。而對于BTM接口的應答器報文傳遞，除了提高接口平臺的實時性，還需要采用特定機制，精確應答器報文傳遞的時機。

3 平臺實時性設計

3.1 平臺內部延時分析

ATP接口平臺傳遞信號時引入的延時，可以進一步細化，如圖4所示。信號從仿真平臺向ATP實物傳遞或反向傳遞產生的延時，均可在接口平臺內部細化為4段。以仿真平臺向ATP實物傳遞信號為例，以太網接口接收數據的過程包括網卡芯片接收物理信號、以太網接收中斷響應和微處理器讀取網卡芯片數據，存在延時t1；以太網數據等待任務進程處理，存在任務切換延時t2；任務進程對以太網數據進行解包、分析和反饋，產生延時t3；最后數據通過特定接口輸出至ATP實物接口，也需要延時t4。

以太網數據收發時產生的延時t1和t8由以太網波特率和微處理器處理能力決定，ATP接口平臺與交換機之間使用100 Mbit/s以太網，因此延時主要由微處理器處理能力決定；任務處理延時t3和t7由待處理的任務量和微處理器處理能力確定，在待處理任務確定的情況下，延時主要由微處理器處理能力決定；ATP接口輸入輸出產生的延時t4和t5主要由接口類型決定，接口平臺驅動的接口都已確定，延時t4和t5固定；任務切換延時t3和t7主要由接口平臺所選用的操作系統決定，不同操作系統的任務切換延時差別很大。

ATP接口平臺以Freescale公司PowerPC微處理器MPC5200B為核心，MPC5200B的處理能力可達885 MIPS（百萬條指令/秒），而且擁有豐富外設接口，用于ATP接口平臺設計，功能足夠強大。根據上述分析，當選定平臺核心處理器，確定工作任務之后，ATP接口平臺內部延時主要由選用的操作系統決定，為了減小接口平臺在整個仿真系統中帶來的延時，需要選擇合適的實時操作系統，以提高平臺的實時性能。

3.2 操作系統選擇

目前主流的實時操作系統主要包括uC/OS，eCOS，Vxworks，以及實時Linux(包括RTlinux、Xenomai等 )。

uC/OS和eCOS是內核相對簡潔的實時操作系統，任務調度機制相對于Vxworks和實時Linux較為簡單，可以提供很好的實時性。但是uC/OS和eCOS對TCP/IP協議棧、文件系統的支持不夠完備，往往需要第三方代碼的支持，增加了開發和維護的難度。Vxworks不公開源代碼，如果使用Vxworks，需要與風河公司(Windriver)合作，由其進行內核移植和底層開發，不利于接口平臺的后續調整與擴展。

實時Linux是在通用Linux操作系統的基礎上，通過添加實時內核補丁的方式，滿足開發者實時性的需求。相對于Linux操作系統，實時Linux的實時性得到了大幅提高。此外，實時Linux保留Linux操作系統對TCP/IP協議棧、文件系統等的支持，應用代碼開發與Linux下幾乎完全兼容。并且實時Linux為開放源代碼，方便接口平臺的后續調整與擴展。

綜合考慮，ATP接口平臺選用實時Linux操作系統Xenomai作為應用軟件開發的平臺。

4 事件調度機制

4.1 機制設計背景

應答器報文激活是ATP接口平臺需要進行特殊處理的接口任務。

ATP設備通過BTM接收軌旁應答器報文數據，應答器報文為ATP提供多種信息，包括線路信息、公里標等。ATP使用應答器定位當前位置，并由SDU根據采集到的速度脈沖信號，不斷刷新位置信息。當列車到達下一個應答器處時，ATP設備接收應答器報文，并判斷接收位置是否與預期位置相符。如果接收位置與預期位置在一定誤差范圍內，ATP認為接收成功；否則，認為應答器報文接收錯誤。接收位置與預期位置的誤差范圍一般為十米量級，在CTCS-3級列控系統中，如果列車以最高速度350 km/h運行，相當于列車100 ms內的位移，因此要求在仿真系統中，應答器報文激活的時間精度須低于100 ms。

在仿真系統中，仿真平臺模型的運行環境為非實時系統服務器，而且以太網并不是硬實時的通信網絡，因此總體來看，仿真系統的實時性為軟實時，無法保證每次應答器報文激活的時間精度必然低于100 ms。

為了保證應答器報文激活精度，提出事件調度機制。事件調度機制主要依賴于“仿真時間同步”和“事件調度”兩個概念。“仿真時間”是虛擬仿真系統的時間，在物理上，是仿真服務器的本地時間，“仿真時間同步”是為了實現子系統與“仿真時間”同步而進行的時鐘同步措施；“事件”是改變對象狀態的一次動作，每個事件包含一個仿真時間戳及完成該事件對應的方法指針，在應答器報文激活的過程中，一次應答器報文激活即是一次“事件”。“事件調度”就是對仿真系統中產生的事件按仿真時間的先后進行排序，然后按順序觸發。

4.2 事件調度

針對應答器報文激活，事件調度具體實現如下：仿真系統為ATP接口平臺提供添加仿真時間戳的信息包，包括列車速度、加速度、位置等，用于計算應答器報文激活時刻，ATP接口平臺收到所有信息包之后，根據不同時刻的列車速度、加速度、位置等信息，和下一個應答器的位置，計算激活應答器報文的仿真時間，并按時激活。

4.3 仿真時間同步

為了使ATP接口平臺能夠按照仿真時間進行“事件調度”，需要進行仿真時間同步。

ATP檢查報文位置誤差時，實際上是比較兩個應答器之間的額定距離（應答器報文指示的兩個應答器之間的距離）與接收距離（實際接收到兩次應答器報文時的位置之差）之間的差距，兩個應答器之間的額定距離是固定的，根據仿真系統的列車動力學模型的設計原則，如果應答器報文激活嚴格按照動力學模型的仿真進行，接收距離應與額定距離一致，實際上之所以產生誤差，主要原因在于單次應答器報文激活時機的時間精度不高，導致ATP接口平臺兩次應答器報文激活之間的時間間隔差過大，產生接收距離誤差。

根據上述分析，接口平臺與仿真系統之間的時間同步，重點不是時間精確一致，而是兩者時間進度一致，以保證兩次應答器報文激活之間的時間間隔比較精確。

4.4 機制總結

采用事件調度機制進行激活應答器報文操作，應答器報文激活的時間誤差主要由ATP接口平臺內部操作系統任務切換延時和“單次調整最大值”決定，通過調整同步間隔，可以將應答器報文激活的精度控制在10 ms量級，滿足應答器報文激活的實時性需求。

5 總結

本文詳細分析在CTCS-3級列控仿真系統中ATP實物設備接入仿真平臺面臨的實時性問題，并對ATP接口平臺的實時性進行詳細研究與分析，針對ATP接口平臺實時性設計中的關鍵問題給出解決方案。本文提出的實時性解決方案不局限于CTCS-3級列控仿真系統中的ATP接口平臺，對其他實物設備接入仿真系統也有一定借鑒意義。

[1] ERTMS/ETCS System Requiems Specification [S].

[2] ERTMS ETCS functional requirement specification [S].