信號維護(hù)支持系統(tǒng)的仿真測試方法研究*

周庭梁 張兵建 趙時旻

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，201804，上海;2.卡斯柯信號有限公司，200071，上海∥第一作者，博士研究生)

1 城市軌道交通信號維護(hù)支持系統(tǒng)的仿真測試研究背景

在城市軌道交通領(lǐng)域，隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，列車運行控制系統(tǒng)(以下簡稱“運控系統(tǒng)”)發(fā)展很快，功能越來越復(fù)雜，性能要求越來越高，對運控系統(tǒng)本身的功能和性能評估也隨之變得越來越困難。

作為整個運控系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)輔助系統(tǒng)，信號維護(hù)支持系統(tǒng)(MSS)［1］需要與所有運控系統(tǒng)設(shè)備(包括車載、軌旁、控制中心的控制設(shè)備，以及通信系統(tǒng)設(shè)備等)接口通信。目前主要通過利用真實的設(shè)備來進(jìn)行故障模擬和性能測試，其代價較高，環(huán)境搭建過程復(fù)雜，并且受制于真實設(shè)備數(shù)量，能夠模擬的現(xiàn)場環(huán)境范圍有限，難以滿足產(chǎn)品性能測試需求。如何采用仿真方法來模擬逼真的運控系統(tǒng)環(huán)境，用于MSS 系統(tǒng)的測試，以及如何有效地確保仿真測試的性能，成了一個亟待解決的問題和研究方向。

國外一些廠家已經(jīng)開發(fā)了針對運控系統(tǒng)的仿真測試工具，比如西門子公司的VICOS(車輛和基礎(chǔ)設(shè)施控制和操作系統(tǒng))T＆S 仿真系統(tǒng)可用來培訓(xùn)駕駛員和進(jìn)行仿真;阿爾斯通公司的FIVP(工廠集成)測試平臺，用來對全系統(tǒng)進(jìn)行場內(nèi)集成及測試。國內(nèi)對運控系統(tǒng)的仿真研究開始于20 世紀(jì)80年代，雖起步較晚，但也有些具有針對性的仿真系統(tǒng)。

本文對城市軌道交通運控系統(tǒng)的各車載、軌旁等子系統(tǒng)維護(hù)接口做了分析研究，針對仿真測試系統(tǒng)通常面臨的性能瓶頸問題(即有限的硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，盡可能地滿足仿真容量要求)，通過引入隨機(jī)篩選調(diào)度算法，有選擇性地丟棄一定比例的信息，達(dá)到類似于擁塞控制的效果，確保能仿真出足夠數(shù)量的信號設(shè)備，保證MSS 系統(tǒng)測試正常執(zhí)行。

2 MSS仿真測試問題分析

MSS 系統(tǒng)主要監(jiān)測對象為城市軌道交通運控系統(tǒng)，范圍涉及列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、列車自動控制系統(tǒng)(ATC)、聯(lián)鎖(CBI)、通信等子系統(tǒng)。

MSS 系統(tǒng)主要通過簡單網(wǎng)管協(xié)議［2］(SNMP 協(xié)議)與監(jiān)測對象進(jìn)行交互，查詢和接收設(shè)備的狀態(tài)及故障信息。以上詳細(xì)協(xié)議和接口內(nèi)容均在文獻(xiàn)［2］中有說明，在此不再贅述。在城市軌道交通信號系統(tǒng)中，每個監(jiān)測設(shè)備均可稱為一個Agent(代理)，每個Agent 里有多個監(jiān)測點。例如，一個站上的聯(lián)鎖系統(tǒng)就是一個Agent，軌旁的轉(zhuǎn)轍機(jī)就是一個監(jiān)測點;Agent 中所有的監(jiān)測點信息由SNMP 協(xié)議送給MSS。

MSS 系統(tǒng)測試主要包括對運控系統(tǒng)設(shè)備實時狀態(tài)的信息采集、報警接收分析和性能測試等幾個方面，往往需要模擬現(xiàn)場大量運控系統(tǒng)設(shè)備。目前在有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬及數(shù)據(jù)處理能力的情況下，根據(jù)實際測試情況來看，大量設(shè)備監(jiān)測信息的模擬會造成信息處理不及時、網(wǎng)絡(luò)擁堵等問題，影響系統(tǒng)性能相關(guān)測試的有效執(zhí)行。

由于運控系統(tǒng)中狀態(tài)信息的多樣性，以及緊急程度不同，運控系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)信息分為設(shè)備運行實時狀態(tài)和設(shè)備主動上報的故障報警信息2 大類。對于不同種類的信息處理，系統(tǒng)有不同的寬恕周期。合理利用系統(tǒng)寬恕周期，可以在避免影響系統(tǒng)功能測試的前提下，模擬更多的監(jiān)測設(shè)備，減少仿真測試環(huán)境性能瓶頸對系統(tǒng)測試的影響。

3 隨機(jī)篩選調(diào)度算法

具體來說，對于運控系統(tǒng)設(shè)備主動上報的報警，一般比較重要，不能隨意丟棄。而對于設(shè)備運行實時狀態(tài)，MSS 系統(tǒng)會定期向運控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行輪詢，在輪詢超時的情況下會進(jìn)行寬恕，有限次地嘗試再次發(fā)出輪詢請求，直到收到有效答復(fù)。否則，會判斷設(shè)備已經(jīng)失去連接。因此，MSS 系統(tǒng)可以容忍仿真測試軟件對運控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)輪詢請求的主動過濾。

為了滿足仿真性能和容量要求，引入了隨機(jī)篩選調(diào)度算法。在大數(shù)據(jù)量設(shè)備仿真過程中，對仿真數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制，當(dāng)單位時間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)信息達(dá)到一定數(shù)量后，有選擇性地丟棄較低優(yōu)先級的設(shè)備運行實時狀態(tài)，降低對于仿真測試的性能及網(wǎng)絡(luò)帶寬要求。即在有限的仿真環(huán)境網(wǎng)絡(luò)帶寬及數(shù)據(jù)處理能力下，使得仿真平臺能夠模擬更多的信號設(shè)備。

為此，隨機(jī)篩選調(diào)度算法設(shè)計如下:通過內(nèi)置一個優(yōu)先級遞減的隊列，控制外部請求和內(nèi)部輸出。當(dāng)更高優(yōu)先級的隊列為空時才服務(wù)低優(yōu)先級的隊列。即當(dāng)仿真系統(tǒng)需要仿真的運控系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量超過仿真系統(tǒng)的容量時，該調(diào)度算法主動篩選低優(yōu)先級隊列的數(shù)據(jù)包。

在該算法中，設(shè)定報警隊列的優(yōu)先級最高，其次將設(shè)備狀態(tài)信息隊列分為若干優(yōu)先級，相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包按照一定的規(guī)律設(shè)定加權(quán)值，并放入對應(yīng)優(yōu)先級的隊列。如圖1所示。

圖1 隨機(jī)篩選調(diào)度模型說明

該算法的關(guān)鍵是如何合理地設(shè)置設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值，充分利用仿真測試系統(tǒng)的容量，盡快地將高優(yōu)先級的設(shè)備狀態(tài)信息返回給MSS 系統(tǒng)。

假定一段時間內(nèi)，MSS 系統(tǒng)允許單個運控系統(tǒng)設(shè)備的某一狀態(tài)量連續(xù)丟失N 次，即MSS 系統(tǒng)連續(xù)N次輪詢設(shè)備狀態(tài)信息而沒有得到反饋，當(dāng)?shù)降贜 +1次輪詢還是沒有得到反饋，則認(rèn)為該設(shè)備已失去連接。即單一設(shè)備狀態(tài)信息的丟失容忍度是N。

仿真測試系統(tǒng)初始化時，將所有仿真設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值定義為1，每次輪詢過程中將未反饋設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值加1，將反饋設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值重置為1。則當(dāng)某一個設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值升到N 時，表明此設(shè)備狀態(tài)信息必須在下一次輪詢過程中發(fā)送出去，避免被MSS 系統(tǒng)誤認(rèn)為設(shè)備失去連接。

假設(shè)仿真測試系統(tǒng)允許在一個時隙內(nèi)允許發(fā)送的數(shù)據(jù)包極限為T，那么該算法將生成隊列n、隊列n-1……隊列2、隊列1 以及報警隊列共n +1 個隊列。其中隊列n 中是加權(quán)值為n 的狀態(tài)量組合，是除了報警隊列外優(yōu)先級最高的隊列。該算法的詳細(xì)描述如下:

①初始化各設(shè)備狀態(tài)量的加權(quán)值為1

②在每個輪詢周期內(nèi)

③{

④已反饋的運控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)輪詢請求s=0;

⑤對每個隊列n(從高優(yōu)先級開始依次到低優(yōu)先級)

⑥{

⑦ If(隊列n 狀態(tài)量個數(shù)＜=T-s)

⑧{

⑨將隊列n 的狀態(tài)量全部發(fā)送出去;

⑩將隊列n 的所有狀態(tài)量加權(quán)值重置為1，取出放入隊列1;

? s=s+隊列 n 狀態(tài)量個數(shù);

? }

?.Else

? {

? 從隊列 n 隨機(jī)抽取 T- s 個狀態(tài)量發(fā)送出去;

? 將上一步驟中隨機(jī)抽取T-s 個狀態(tài)量的加權(quán)值重置為1，取出放入隊列1;

? s=T;

? 將隊列n 中未被抽取到的狀態(tài)量的加權(quán)值做加1 操作，并放入隊列n+1;

? }

? }

? }

該調(diào)度機(jī)制會使低優(yōu)先級隊列處于饑餓狀態(tài)。例如，當(dāng)報警數(shù)據(jù)包和高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包在一段時間內(nèi)以100%的輸出鏈路速率到達(dá)，調(diào)度器將不會為中優(yōu)先級和低優(yōu)先級的隊列服務(wù)。因此，該調(diào)度算法有一個極限，就是當(dāng)報警數(shù)據(jù)包和最高優(yōu)先級包的個數(shù)之和達(dá)到了仿真系統(tǒng)的極限容量C，此時再增加設(shè)備數(shù)量就會對被測的MSS 系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

按照前文的定義，通過Agent 來仿真信號設(shè)備。假定Agent 數(shù)量定義為A，每個Agent 定義的狀態(tài)量個數(shù)定義為M，報警發(fā)生率定義為P。則仿真容量C 與Agent 數(shù)量A、每個Agent 定義的狀態(tài)量個數(shù)M以及報警發(fā)生率P 成正比，定義如下:

其中，比率K 為常數(shù);

應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度方法后，仿真容量 C 變化為:

由于仿真容量C 一定，故:

4 應(yīng)用案例

基于上海軌道交通10號線的應(yīng)用數(shù)據(jù)，在實驗室模擬仿真了聯(lián)鎖、ATS 等信號設(shè)備，并和MSS 系統(tǒng)進(jìn)行集成測試。在無隨機(jī)丟包和報警情況下，模擬了100 個Agent(A)，分別包含80 個監(jiān)測項(M)，假定K 為1，根據(jù)式(1)，仿真容量則為8 000 個。

根據(jù)式(2)，仿真容量一定的情況下，仿真設(shè)備數(shù)量理論最大可以達(dá)到:

應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度，分別設(shè)置隨機(jī)丟包為1 和2，并將報警發(fā)生率設(shè)定在10%～100%之間，在相同仿真測試環(huán)境，同時不影響MSS 系統(tǒng)功能測試的情況下，做了多組實驗測試。圖2 顯示了實際測試和理論情況下，報警發(fā)生率P，隨機(jī)丟包數(shù)L 和仿真設(shè)備數(shù)量A 之間的關(guān)系。

實際測試中，由于報警的存在，會降低模擬仿真設(shè)備的數(shù)量，當(dāng)報警發(fā)生率為30%，實際能模擬68個Agent，5 440 個監(jiān)測項，離實際應(yīng)用相去甚遠(yuǎn);應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度算法，當(dāng)允許丟包1 個，仿真設(shè)備數(shù)量可以達(dá)到104 個，是傳統(tǒng)的1.5 倍;當(dāng)允許丟包2個，仿真設(shè)備數(shù)量可以達(dá)到125 個，是傳統(tǒng)的1.8倍，有效地擴(kuò)大了MSS 仿真測試容量，滿足了整個運控系統(tǒng)中信號設(shè)備的維護(hù)接口仿真測試需求。

根據(jù)測試結(jié)果可以看到，應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度算法可以顯著提高仿真環(huán)境模擬的仿真設(shè)備數(shù)量。允許丟包1 個和2 個時，仿真設(shè)備容量分別是應(yīng)用之前的1.3～1.8 倍和 1.5～2.6 倍，與理論結(jié)果基本一致。

圖2 測試和理論情況下仿真設(shè)備數(shù)量與預(yù)警發(fā)生率之間的關(guān)系

5 結(jié)語

針對城市軌道交通信號維護(hù)支持系統(tǒng)測試的特點和任務(wù)目標(biāo)，將隨機(jī)篩選調(diào)度方法應(yīng)用到運控設(shè)備維護(hù)接口仿真測試系統(tǒng)中，模擬出了運控系統(tǒng)中車載、網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)和軌旁等設(shè)備的報警和維護(hù)信息，既能確保仿真測試系統(tǒng)的規(guī)模和真實性，又能為MSS 系統(tǒng)提供有效的仿真測試環(huán)境。實際測試結(jié)果驗證了該方法的有效性。

［1］周庭梁，張兵建.地鐵信號維護(hù)支持系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2009，5(5):39.

［2］W.Richard Stevens.TCP/IP 詳解，卷1:協(xié)議，第二十五章［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.