城軌列車半實物仿真測試臺的設計與實現

王　欣

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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城軌列車半實物仿真測試臺的設計與實現

王欣

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

介紹了半實物仿真測試臺的結構及MVB設備的功能、原理，同時分類梳理城軌半實物測試臺的通信接口，結合列控系統與子系統之間的測試需求，總結提出了搭建城軌列車半實物仿真測試臺的技術方案。

城市軌道交通； 網絡控制； 半實物仿真

隨著我國城市化進程的加速，城軌列車在城市交通中的重要性也日益突出起來，同時隨著網絡技術的逐漸成熟，列車控制網絡系統已經成為現代城軌車輛的關鍵技術之一。由于列車網絡控制系統涉及的子系統眾多，且各子系統之間通訊協議、邏輯控制算法、故障診斷策略復雜，要設計和實現如此復雜龐大的列車網絡控制系統，迫切需要一個開發和測試平臺，來真實的模擬城軌列車的網絡環境，實現對列控網絡通訊協議、邏輯控制算法、人機界面、網絡控制系統性能、故障診斷策略等方面的分析驗證功能，城軌半實物仿真平臺的建立能夠滿足上述需求，同時也將大大提高研發效率、縮短開發與測試周期，降低實車測試帶來的各種技術和成本風險。

1　城軌列車半實物仿真測試臺

1.1半實物仿真測試臺結構

半實物仿真測試臺在中國鐵道科學研究院機車車輛研究所對各類車載網絡設備已有研究成果的基礎上，研制并搭建基于TCN的城軌列車網絡控制系統軟硬件開發及測試平臺，能夠為城軌列車網絡控制系統的開發、測試提供有力平臺支撐。如圖1所示，仿真測試平臺主要由2個司控臺和6個電氣柜兩大部分組成。

司控臺：司控臺中包括城軌列車實際所需的足夠的按鈕、開關、及儀器儀表等。每個司控臺中放置的設備包括4個緊湊式輸入輸出工作站(Compact IO)、1個工控機和1個人機接口顯示屏(HMI)；

電氣柜：每個電氣柜模擬一節車，電氣柜1～3模擬一個半車，電氣柜4～6模擬另一半車。端車電氣柜1、6中各放置1個VCU、1個PLC組和1個輸入輸出站(IOS)；中間車電氣柜2，3，4，5中各放置1個PLC組和1個IOS；

MVB網絡：MVB網絡以總線形式，連接平臺中所有Compact IO、工控機、HMI、IOS和車輛控制單元(VCU)等網絡設備；

以太網：每個半車中的工控機和所有PLC通過以太網交換機連接，兩個半車中的以太網交換機通過以太網連接。

硬線連接：在各電氣柜內，將PLC的輸入和IOS的輸出以及PLC的輸出和IOS的輸入一一對應連接。

圖1　仿真測試臺結構圖

1.2半實物仿真測試臺原理

半實物仿真測試平臺中車輛電路、子系統等都是采用軟件模擬，因此平臺中所有硬線控制信號均模擬為軟件信號進行傳輸。所以平臺系統能正常運行的關鍵在于TCN網絡數據及控制數據的正確傳輸。

下面以一個簡單信號流方式說明本平臺中各類數據的傳輸：

圖2　網絡信號流說明

VCU -> IOS：VCU通過MVB總線向IOS發送開關開閉命令(例如閉合車輛電路繼電器)；

IOS-> PLC：IOS在接收到MVB數據后進行對應的開關動作，其開關狀態通過硬線信號由相應端口PLC進行采集；

PLC -> 工控機：PLC在采集到硬線信號后，由程序映射至對應的車輛電路軟件開關上，在車輛電路軟件模型中進行開閉動作，并向工控機中的各個仿真子系統反饋需要監控的開關和線路狀態；

工控機 -> VCU：工控機在接收到相關狀態后，采用其對應的子系統模型進行軟件計算，并將計算結果通過MVB總線發送給VCU進行控制；

工控機 -> PLC：工控機在接收到相關狀態后，采用其對應的子系統模型進行軟件計算，并將計算結果通過以太網發送給PLC車輛電路進行執行；

PLC -> IOS：PLC 將車輛電路的動作狀態映射到相應的端口，由IOS采集；

IOS -> VCU：IOS將監控的端口狀態，通過MVB總線的過程數據傳輸給VCU進行相關的控制；

VCU -> 工控機：VCU通過MVB總線將控制指令及相關狀態信息傳輸給工控機，工控機通過各子系統模型配置的端口讀取相關信息，以用于各子系統的計算和處理。

通過上述方案可以看到，由于整個網絡通道已經連通，而在各電氣柜內，將PLC的輸入和IOS的輸出以及PLC的輸出和IOS的輸入一一對應連接，因此，在進行模擬不同的車型的時候，不需要重新配置或更改硬件，只需修改軟件程序，即能適應不同的列控網絡系統的設計和仿真的需求，從而大大提高測試臺的通用性和適用性。

1.3平臺的網絡拓樸

為了使半實物仿真平臺具有真實的網絡環境，其網絡產品的配置與實車完全一致，拓撲結構如圖3所示。

列車為4動2拖6輛編組列車，其網絡拓撲由列車級MVB與車輛級MVB兩級物理網絡構成。6輛編組的列車中，每節車本身都有一個MVB物理網段，連接

圖3　半實物仿真平臺網絡拓撲

本車內所有的MVB網絡設備，實現車輛級控制；然后通過中繼器連接到列車級MVB總線進行通信，實現列車級控制。兩個半車內的部件及布置完全一致的，圖3所示為一個半車的網絡拓撲圖。

(1) 每一個列車中有兩個互為冗余的車輛控制單元(VCU)。運行時一個作為主VCU，負責列車的控制、監視和診斷；另一作為從VCU，監控主VCU狀態，當主VCU故障或發送主從切換時，從VCU替代主VCU成為主，進行列車的控制、監視和診斷；

(2) 牽引控制功能在VCU中實現；

(3) 在每個車輛上都設有IOS，負責模擬量和數字量的輸入、輸出；

(4) 在每個端車中分別裝有1個HMI，用于顯示列車狀態、故障診斷信息；

(5) 每個車輛上安裝了一個中繼器(REP)模塊。車輛級的MVB總線通過REP與列車級的MVB總線段連接；

(6) 逆變器控制單元ICU、制動控制單元BCU、輔助逆變器APS、門控單元EDCU、空調控制單元ACCU、旅客信息系統PIS等通過MVB總線連接到列車網絡控制系統上。網絡控制系統的設備配置如表1所示。

表1　網絡控制系統設備配置表

1.4網絡設備

城軌列車網絡控制系統主要包含車輛控制單元(VCU)、人機接口顯示屏(HMI)緊縮型輸入輸出工作站(Compact IO)、中繼器(REP)、輸入輸出站(IOS)等網絡設備。

(1) 車輛控制單元(VCU)

VCU是在通用CPCI總線的技術上加入本控制單元特有的信號，實現了擴展性的CPCI總線技術；除了CPCI總線外，在背板上還包含數字和模擬的IO信號；具有MVB、以太網接口。車輛控制單元作為城軌列車網絡控制的核心單元，采集與車輛運行狀況有關的各種信息，并對這些數據進行邏輯判斷處理后，發送到牽引、制動、輔助供電、空調、旅客信息系統等連接到列車網絡上的各子系統，從而對各子系統進行控制、監視和故障診斷。車輛控制單元邏輯框圖如圖4所示。

圖4　車輛控制單元控制框圖

就其重要性而言，VCU相當于人類的大腦，一旦出現故障，就會造成嚴重的影響，甚至使列車運行發生癱瘓。所以在方案中采用雙VCU的方式，在每列車的都安裝有兩臺VCU，互為冗余，列車上電后，其中一臺將成為主控VCU，另外一臺將成為從控VCU。如果一臺VCU發生故障的情況下，另外一臺VCU能夠接管全部的管理功能，保證列車可繼續正常運營。

VCU是列控網絡系統的核心設備，主要完成如下中央控制功能和牽引控制功能：

①高速斷路器的開合控制；②車門控制和車門狀態信號的處理；③交流負載管理控制；④發出與聯鎖狀態有關的牽引和制動信號；⑤在故障情況下切除個別故障部件；⑥為所有連接到MVB的子系統提供主時鐘；⑦將運行和故障信息傳送給HMI；⑧指令評估(制動指令比牽引指令的優先級高)；⑨輸入指令和信號的真實性檢查；⑩設定點處理：根據ATC/司機的請求進行牽引和電制動控制；○11控制沖擊以獲得良好的平穩性；○12監控功能如超速監控，后溜監控，風機監控。

(2) 人機接口顯示屏(HMI)

HMI是配置在列車的兩個端車，每端一個，主要為司機提供各個子系統的狀態顯示，同時實現列車故障診斷和信息保存等功能。人機接口顯示屏外觀圖如圖5所示。

圖5　人機接口顯示屏實物圖

HMI 硬件組成主要包括CPU 電路(包括MVB 通信部分)、電源模塊、顯示器模塊、存儲器及外圍接口電路。是一款功耗低、易安裝、質量輕的車載計算機裝置，其主要硬件參數如表2所示。

表2　人機接口顯示屏主要性能參數

在HMI中，主要包含如下兩個層面的診斷。第1層面子系統層面，第2個層面是列車層面。兩個層面的診斷互為補充，形成完整的列車診斷系統。為司機提供故障的詳細信息及故障處理建議，實現全列車的牽引、制動等各子系統控制指令的下發及整車的操作和控制。高效的診斷系統，能夠提高列車故障的檢修效率，保證列車正常運行。

(3) 緊湊式工作站輸入輸出模塊(Compact IO)

Compact IO作為具有許多固定的輸入和輸出通道的緊湊裝置的分布式輸入和輸出工作站，用于接收司機室內的專門信號，例如，來自按鈕、開關、指示器、斷路器、編碼插頭和主控制器。一個Compact IO有2×16 二進制輸入、1×8 二進制輸出以及兩個數字式位置編碼器接口的數字輸入，模塊的硬件樣式如圖6所示。

圖6　Compact IO實物圖

Compact IO是和多功能車輛總線連接的一個緊湊式I/O 接口模塊，提供擴展功能，其主要性能參數如表 3所示。

表3　Compact IO主要性能參數

(4) 中繼器

MVB中繼器提供了在不同的EMD介質的MVB網段之間的物理連接。在節點數目超過32個或者傳輸距離超過200 m的MVB網絡中必須使用中繼器。MVB中繼器的外觀如圖7所示。

(5) 輸入輸出工作站(IOS)

IOS是連接到車輛總線(MVB)，可輸入輸出列控系統的數字和模擬處理信號的接口模塊。IOS由供電模塊、接口模塊、數字輸入模塊、數字輸出模塊和總線模塊幾大部分組成。可按照實際需求，對IO的輸入輸出數量進行相應擴展，因此其靈活性較強。輸入、輸出和基座殼體設計立體效果圖如圖8所示。

圖7　MVB中繼器外觀圖

圖8　輸入、輸出殼體設計立體效果圖

輸入輸出工作站主要技術參數如表4所示

表4　輸入輸出工作站主要技術參數

2　系統軟件

為實現城軌列車半實物仿真平臺的開發及測試功能，主要需要完成VCU軟件、PLC軟件、子系統仿真軟件等3部分的軟件開發。VCU、PLC軟件和子系統仿真軟件均將在統一的北京縱橫機電技術開發公司自主TCMS-DP開發平臺中完成。

2.1VCU軟件

VCU應用軟件是運行在自主研制車輛控制單元(VCU)上，主要實現TCMS的邏輯控制功能、TCN網絡通信等功能的應用軟件。

由于TCMS-DP可以支持為用戶的不同軟硬件平臺自動生成C代碼，可進一步編譯成特制平臺的二進制代碼，通過良好的劃分，將生成的代碼分為平臺相關和平臺無關的兩部分，對于專有的平臺只需很短時間即可實現對特定軟硬件平臺的定制。

基于上述原因，自主研制的VCU硬件系統采用了TCMS-DP作為應用軟件開發平臺。但是VCU硬件板卡(包括CPU板卡及IOM板卡、MVB板卡、二進制輸入輸出板卡)卻采用了QNX操作系統。這樣基于TCMS-DP的VCU應用軟件就需要完成板卡驅動庫的開發，以及相關功能模塊庫的開發。如圖9所示為模塊庫開發界面。

圖9　基于TCMS-DP的C代碼功能模塊編程界面

TCMS-DP開發平臺符合IEC 61131-3標準，支持圖形化編程，所以在TCMS實現的過程中,采用功能塊的編程方式，邏輯清晰，便于在線調試。如圖10所示模塊化編程的界面：

圖10　基于TCMS-DP的應用軟件圖形化編程界面

2.2PLC軟件

PLC軟件是運行在工控機的TCMS-DP環境中的電氣仿真軟件，主要實現各車內的車輛電路功能、硬線采集與控制IO信號功能、通過以太網收發車輛電路控制和采集信息功能等；通過共享內存的訪問與管理與仿真軟件交互各個子系統所需采集的硬件信息和控制命令。

車輛電路作為被控對象或控制邏輯的一部分存在于整個平臺系統中。而TCMS-DP軟件為電路仿真提供了單獨的支持。通過在系統中建立與實際電路圖幾乎在外觀上完全一致的電路仿真模型。TCMS-DP可以實時地計算和更新對應電路的狀態，同時仿真時實時更新各元件狀態，并以特定方式直觀顯示。如電路導通時對應線路顯示為紅色，否則顯示為灰色等；便于故障定位。由于TCMS-DP內置電氣元件模型庫支持常見的電氣元件，如電源、開關、繼電器、電機等。而對有特殊特性的元件，也可以定制開發，因此基于TCMS-DP的上述功能及特點，可以方便的在PLC中實現車輛電路的開發。如圖11所示為某一安全環路的車輛電氣圖模型。

圖11　某一安全環路的車輛電氣圖模型

2.3仿真軟件

仿真軟件是運行在工控機，主要實現BCU、ICU、APS、PIS、ACCU、EDCU、ATC等各個子系統控制器的控制模型。同時通過共享內存的訪問與PLC軟件通信獲得車輛的電路信息；通過TCN通信網絡模擬各個子系統的MVB網卡向VCU發送模擬的協議數據。

仿真軟件可以根據地鐵列車的結構劃分為兩個單元，每個單元模塊內部按照車廂劃分，分別包含3個車廂。每個車廂模塊內部按照車輛電氣圖的功能組結構劃分，其目的是方便實現半實物平臺所不具備的電氣設備和線路，也方便通過PLC實現與半實物平臺信號的交互。

在仿真軟件中，各個受控子系統的功能仿真在TCMS-DP軟件中實現，這些仿真的受控子系統之間以及它們與真實的網絡設備如VCU、HMI、IOS、COMPACT IO之間均需要MVB網絡通信，才能實現城軌列車中列車網絡控制系統的各種功能。作為通用仿真軟件的TCMS-DP自身沒有提供這樣的接口，需要通過TCMS-DP軟件的2次開發實現MVB網絡驅動功能。根據在運行TCMS-DP軟件的工控機中所集成的MVB通信網卡型號，基于網卡的底層硬件API接口函數和TCMS-DP軟件的2次開發接口，開發滿足仿真需求的MVB網絡驅動程序。MVB數據通信的軟件框圖如圖12所示。

圖12　TCMS-DP仿真環境中實現MVB通信流程

3　結束語

通過城軌列車半實物仿真測試臺可以實現對車輛控制單元，人機接口顯示屏及其他網絡設備的集成應用軟件的測試，對網絡系統的通信性能進行測試和評估，并可以實現與牽引、制動、空調、車門等子系統的接口通信和功能測試及驗證。

列車網絡控制系統在城市軌道交通行業中具有廣泛應用，城軌半實物仿真測試臺的建立有效的提高了列控網絡軟硬件的研發效率，明顯地縮短開發周期與測試周期，降低實車運行測試帶來的各種技術和成本風險。

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Design and Implementation of Semi-physical Simulation Test Platform for Subway

WANGXin

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper introduces the platform framework, the MVB Devices' function and work principle, and the communication interface of the semi-physical simulation test platform for subway. According to the testing requirements of network control system and subsystem, the technical scheme to establish the semi-physical simulation test platform for subway is proposed.

rail transit; network control; semi-physical simulation

1008-7842 (2016) 02-0101-06

男，助理研究員(

2015-12-18)

U229.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.25