臨時限速服務器(TSRS)仿真測試平臺研究與實現

林 鵬 徐中偉 豐文勝

（1.同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804；2.上海申通地鐵集團有限公司，上海 200122）

列車速度控制是列車控制系統核心功能之一，通過對線路上運行列車進行有計劃的速度控制能夠在保障運行效率的同時，提高列車運行的安全性。列車在運行時，鐵路線路上可能存在臨時的人為施工情況，也可能出現天氣突變、自然災害等突發狀況，這就要求列控系統不僅能夠做到大范圍、定時的速度控制，還要能夠做到局部、即時的速度控制。

臨時限速服務器(Temporary Speed Restriction Server，TSRS) 是第三代中國列車控制系統(Chinese Train Contral System，CTCS-3) 系 統中重要的組成部分，為列車安全運行提供了必要的限速管理控制能力。依托TSRS，列車調度員能夠更加輕松、靈活、集中地進行列車的限速管理，做到精細及時的控制，并兼顧行車效率和安全性。

CTCS-3 系統由許多計算機子系統組成，除了TSRS，還包括調度集中系統(CTC)、無線閉塞中心(RBC)、列車控制中心(TCC)、計算機聯鎖(CBI)等設備。由于TSRS 在現場運行中需要與多數其他子系統協同工作，而這些子系統又大多昂貴且復雜，因此TSRS 設備在調試檢測過程中，就需要一套仿真測試平臺，能模擬其他子系統的功能，構造仿真的測試環境，實現高效簡便低成本的TSRS 設備測試。

1 TSRS介紹

TSRS 是一個臨時限速的統一管理平臺，能夠對來自CTC 的臨時限速命令(簡稱TSR 命令)進行儲存、校驗、刪除、拆分、設置、下發以及取消等。

在線路現場，TSRS 系統需要與其他系統設備相互通信，相互協作，以完成對臨時限速正常執行。相關的系統設備包括相鄰的TSRS、CTC、RBC、TCC 等。通過關注各個系統之間邏輯通信鏈路并忽略與TSRS 無關的設備，可以抽象出系統結構圖，如圖1 所示。

圖1 臨時限速相關系統組成Fig.1 Composition of temporary speed limit related systems

調度人員通過CTC 下發TSR 命令到TSRS 服務器，TSRS 服務器分析處理TSR 命令后，下發命令至RBC、TCC，RBC 和TCC 對 限 速 命 令 進 行 驗證與執行。由于相鄰的TSRS 服務器管轄范圍有重疊，因此位于兩個TSRS 管理區域邊界處的臨時限速，需要相鄰的TSRS 協助執行。銜接站TCC 位于既有線與客運專線的分界處，由于既有線沒有TSRS 服務器，因此分界處的限速命令需要銜接站與TSRS 服務器配合處理。

2 仿真測試平臺的設計與實現

2.1 測試平臺的系統設計和仿真器設計

要搭建TSRS 服務器仿真測試平臺，首先需要搭建一個TSRS 服務器能夠正常運行的環境。根據圖1 所示的各個子系統間的關系，需要實現CTC、RBC、TCC、相鄰TSRS、銜接站TCC 這幾個設備的仿真。出于簡便低成本考慮，通過開發桌面軟件模擬這些設備，并只關注這些設備與臨時限速相關的功能。整個測試平臺需要一個測試引擎進行統籌管理并提供自動化測試功能，需要數據庫保存限速信息和測試結果信息。

CTC 具有站場信息管理、列車計劃管理、車次追蹤、危險報警、臨時限速管理等功能。CTC 仿真器著重關注臨時限速相關的功能，提供了手動設置限速命令窗口，能夠人為輸入限速命令類型、限速原因、限速值、限速時間、限速位置等限速命令必要信息，根據操作向臨時限速服務器下達臨時限速的擬定、驗證、執行、刪除、取消等命令。同時CTC 仿真器還提供了初始化命令下發、限速命令記錄、連接狀態顯示、報文信息查看以及線路圖顯示等功能。為了滿足自動化測試的需求，提供通信接口以供測試引擎控制CTC 仿真器。

RBC 通過GSM-R 與車載設備進行無線通信，具有行車許可、列車注冊以及臨時限速等功能。由于只關注TSRS 的測試，因此RBC 仿真器無需實現無線通信環境與車載設備仿真，只需實現對TSR命令的邏輯處理功能即可。考慮到一個TSRS 服務器的管轄范圍內往往有多個RBC 站點，采用站點信息與功能分離的設計，RBC 仿真器通過讀取對應站點的配置信息，運行對應的RBC 仿真站點。RBC 仿真器將接收到的各種限速命令信息保存在數據庫中。為了驗證TSRS 的可靠性，RBC 仿真器引用故障注入功能，對正常的限速命令處理邏輯和設備通信邏輯進行修改打斷，測試TSRS 設備是否要求的故障處理能力。RBC 仿真器同樣提供了供測試引擎控制的接口。

TCC 具有控制軌道電路發碼、控制區間運行方向、控制車站信號機以及臨時限速執行等功能。如果忽略軌道電路、LEU 以及應答器等線路設備對TCC 的影響，只考慮TCC 與TSRS 通信的接口規范，就會發現對于臨時限速TCC 具有與RBC 相似的處理邏輯，因此實現了一個外觀和功能與RBC仿真器相似的TCC 仿真器，并實現其他的TCC 獨有的功能。銜接站TCC (也稱邊界轉換站TCC)位于客運專線與既有線交界處，既有線側，由于既有線沒有設置TSRS 服務器，因此銜接站TCC 需要既能夠接收客專側的TSRS 服務器的TSR 命令，又能夠處理直接來自CTC 的限速命令。除了以上特點，銜接站TCC 與客專線TCC 具有相同的功能，因此TCC 仿真器囊括了銜接站TCC 的功能。

相鄰TSRS 服務器的管轄范圍存在重疊區域，當需要在重疊處執行TSR 命令時，需要相鄰的TSRS 相互協作。開發相鄰TSRS 仿真器用于測試TSRS 服務器對于跨界TSR 命令的處理能力以及與相鄰的TSRS 的協作能力。TSRS 服務器對于跨界臨時限速的擬定、驗證、執行、取消、刪除都要通知相鄰的TSRS，并需要等待相鄰TSRS 的回復后綜合判斷當前臨時限速的執行狀態。相鄰TSRS 仿真器對來自被測TSRS 的命令提供了處理、顯示、存儲、故障響應等功能，同時相鄰TSRS 仿真器還提供了簡要的TSR 命令操作界面，模擬上述TSRS服務器對跨界TSR 命令的操作，以驗證被測TSRS對非其擬定的TSR 命令的處理能力。

測試引擎提供了系統初始化、仿真器管理、系統狀態監控、自動化測試以及數據記錄等功能。測試引擎能夠讀取配置信息初始化所有的仿真器。測試引擎通過運行測試腳本運行自動測試，能夠按照測試腳本的命令并通過各個仿真器提供的通信接口向仿真器發送操控命令控制仿真器運行測試，同時仿真器返回測試結果信息也能夠被記錄分析。測試引擎能夠精細地控制腳本運行，能夠通過啟動、暫停、停止、重啟等操作控制腳本的運行。各個仿真器周期性的向測試引擎發送自身運行狀態信息，以便測試引擎監控系統狀態。測試引擎會按照測試腳本命令的運行順序分析并記錄測試結果和仿真器狀態信息，生成最初的測試報告，如圖2 所示。

圖2 測試引擎運行流程Fig.2 Test engine running process

2.2 測試平臺的實現與環境搭建

2.2.1 仿真器的實現

對于所有的仿真軟件和測試引擎，使用C#語言在Windows 系統上進行開發，開發工具為Visual Studio。數據庫系統使用的是SQL Server。系統的配置文件使用后綴名為.ini 的文件進行保存，并使用kernel32.dll 提供接口函數讀取配置文件。

采用模塊化的設計進行仿真器的開發，分別根據功能設計如通信模塊、TSR 處理模塊、數據庫訪問模塊，日志記錄模塊等模塊，以期望減少重復開發，提高測試平臺靈活性。這些模塊以封裝的類或者編譯后的動態鏈接庫表示。

不同的仿真器會根據自身的功能需求組合不同的模塊，例如RBC、TCC 仿真器需要所有的模塊才能正常的工作，而CTC 仿真器則不需要TSR 處理模塊。所有模塊間關系如圖3 所示。

圖3 模塊化設計Fig.3 Modular design

在真實的線路現場中，TCC 設備多位于封閉式網絡中，而其他設備可能位于開放式的網絡中。封閉式網絡存在的安全威脅多為數據幀的傳輸錯誤問題，而開放式的網絡還需面對非法入侵的問題，所以針對這兩種網絡，中國鐵路總公司制定兩種鐵路信號安全協議(Railway Signal Safety Protocal，RSSP)：RSSP-I、RSSP-II。針對兩種通信協議分別開發了對應通信模塊，并應用于對應的仿真器中。RSSP-I 基于UDP 通信，RSSP-II 基于TCP 通信，所以利用.NET 平臺中System.Net.Sockets 命名空間中的UdpClient、TcpClient 開發對應的通信模塊。TSR 處理模塊是TCC、RBC 仿真器中用于處理TSR 命令的組成模塊。由于TCC、RBC 處理TSR 命令的機制如報文封裝、TSR 驗證執行命令處理、刷新請求命令處理、初始化命令處理等有許多相似之處，所以把這些相似之處進行封裝，形成一個通用的模塊。對于數據庫訪問模塊，使用.NET平臺的Entity Framework6 框架結合語言集成技術(LinQ)實現對數據庫的訪問。Entity Framework6是微軟開發的一種對象關系映射(ORM)框架，能夠使開發人員不通過sql 訪問數據庫，提高編程的效率，增加系統穩定性。日志記錄模塊提供日志記錄功能，能夠接受仿真器主體提供的日志數據，并進行格式化處理后保存到后綴名為.log 的文件中。利用System.IO 命名空間中Directory 類創建日志目錄，利用File 類創建日志文件，并寫入數據。

2.2.2 仿真測試平臺搭建

在真實現場中各個子系統之間的通信是通過安全以太網進行，安全以太網通常包含兩個互為冗余備份的網絡，分別稱為A 網和B 網。在系統運行時其中一個網絡被設置為主網，另一個網被設置為備網，全部的數據通信都在主網完成，備網只發送心跳信息以確認連接正常。當主網出現故障無法通信的時候，系統會自動切換網絡，保證通信連接的安全。使用兩臺交換機構造兩個小型的局域網模擬安全以太網，同時另使用一臺交換機構建一個測試網用于仿真器、測試引擎以及數據庫之間的通信。所有的仿真器和測試引擎都運行在windows 系統的PC 總線工控機上，通過RJ45 接口網線連接到對應的交換機上。PC 總線工控機具有普通PC 計算機的功能，但不同于普通PC 的是工控機具有高穩定性、高可靠性、豐富的I/O 接口等特點，將其應用在測試平臺上，滿足平臺對I/O 接口需求，并保障了系統運行穩定性和測試數據安全性。測試平臺的搭建如圖4 所示。

3 平臺仿真測試

圖4 測試平臺搭建Fig.4 Test platform construction

《客運專線列控系統臨時限速技術規范》(簡稱TSRS 技術規范)是TSRS 服務器以及相關的限速設備在設計生產測試時要嚴格遵守的技術規范，所以測試平臺的主要工作就是測試TSRS 服務器的功能、安全性是否全部滿足TSRS 技術規范的要求。測試大綱、測試平臺全都圍繞著這些規范的要求而設計。結合測試大綱地編寫過程、測試平臺搭建過程，歸納出整個測試流程，如圖5 所示。

測試平臺正常運行的一個前提是需要合適的線路數據，所以在測試開始前需要設計測試線路數據。設計線路數據需要兼顧臨時限速的各種場景，以便全面地測試TSRS 服務器的功能。整個測試線路以被測TSRS 服務器的管轄區域為主，包含多個TCC區域和RBC 區域，同時也包含與相鄰的TSRS 的重疊區域以及與既有線交界區域。

測試大綱依據TSRS 技術規范和線路數據進行測試案例的編寫。TSRS 技術規范中對TSRS 服務器、CTC、TCC、RBC、各系統間接口、網絡搭建、跨界臨時限速、邊界臨時限速等都提出了具體的要求。根據規范中每條要求編寫對應的測試條例，并結合設計的測試線路，設計出具體的測試案例。測試腳本依據大綱中測試案例信息進行編寫。

按照測試大綱中的要求，并按照測試線路數據中設備分布需求仿真搭建測試平臺。在系統初始化完成、通信建立后，測試引擎運行測試腳本進行自動化測試。在自動化測試完成后，測試者需要檢查是否因系統異常而無法測試的案例。對于出現異常的條例，可以與其它一些無法進行自動測試的案例一起進行手動測試。對于所有的測試結果進行匯總分析校驗后，編寫出正式的測試報告。

圖5 測試流程Fig.5 Test process

4 結束語

本文對列控系統的TSRS 服務器的測試平臺進行研究與實現。主要關注與TSRS 服務器的協作系統以及運行環境，并忽略一些與臨時限速無關的功能和設備，設計并實現了TCC、RBC、CTC、相鄰TSRS 仿真器。同時為了管理上的便利和測試的效率，設計測試引擎進行綜合管理和自動化測試。測試平臺依據TSRS 技術規范設計與搭建，能夠全面的測試TSRS 的功能與安全性，為TSRS 系統測試提供了便利、全面、高效、低成本的測試能力。