列車網絡控制系統半實物仿真平臺研究

摘? 要：以上海地鐵03A02/04A02列車控制系統為原型，通過分析其網絡拓撲結構、硬件電路原理及列車控制功能，梳理各子系統之間的通信接口，利用Java和數據庫技術，搭建了半實物仿真平臺，實現對整車原理及子系統功能的仿真。半實物仿真平臺對于列車維護、人員培訓、離線功能驗證等有重要作用。

關鍵詞：仿真;網絡;建模

中圖分類號：U270 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）09-0063-02

Abstract： Based on the prototype of Shanghai Metro 03A02/04A02 train control system， by analyzing its network topology， hardware circuit principle and train control function， combing the communication interface between subsystems， using Java and database technology， the hardware-in-the-loop simulation platform is built. The simulation of the principle and subsystem function of the whole vehicle is realized. Hardware-in-the-loop simulation platform plays an important role in train maintenance， personnel training， off-line function verification and so on.

Keywords： simulation; network; modeling

軌道交通產業近幾年發展迅速，隨著列車長時間使用，列車維護、人員培訓、功能離線驗證等成為新的發展需求。網絡控制系統是列車核心技術之一，為了更好的驗證列車網絡控制系統及列車其他子系統控制功能，便于列車離線維護及驗證，開發能夠對列車網絡化控制功能進行驗證的半實物仿真平臺顯得尤為重要。

1 仿真平臺結構

1.1 03A02/04A02列車控制網絡拓撲結構

上海地鐵03A02/04A02列車控制網絡分為TMS網絡（列車監視網絡）和TCS網絡（列車控制網絡）。TCS網絡中，PCU、EBCU、ACU、ATC均通過MVB與MPU相連，接入到TCS網絡，向MPU發送各子系統信息，接受MPU的輪詢調度;RIOM通過MVB與MPU相連，采集車輛信息發送給MPU做綜合判斷;ERM通過MVB與MPU相連，接受MPU輪詢調度，記錄TCS網絡所有子系統狀態信息和故障信息等;MPU作為總線管理器，綜合判斷列車各子系統信息，向各子系統發送控制指令。TMS網絡中，MDCU、HVAC、PIS、TDS通過MVB與CCU相連，接入到TMS網絡，向CCU發送子系統信息，接受CCU的輪詢調度;RIOM通過MVB與CCU相連，采集車輛信息發送給CCU進行判斷;DDU作為人機交互接口，通過MVB接入到TMS網絡，接受CCU輪詢調度，顯示列車各系統狀態信息。

1.2 試驗臺結構

為了實現對03A02/04A02型列車控制系統的仿真，本套仿真平臺針對目標車型控制系統的特點，通過模擬列車部分系統的電氣輸入輸出特性，研制并搭建了一套列車控制系統半實物仿真平臺系統。

半實物仿真系統平臺是指純虛擬仿真系統（結構與真實系統一致）中的一部分被真實設備取代之后的系統，一般用于對真實設備進行測試驗證。在邏輯結構上，半實物仿真系統仍然是與真實系統一致的，只不過某些軟件對象被換成了實物設備。這種“虛實互換”是通過一種代理結構來實現的。

TCMS模擬試驗臺與列車TCMS主要設備（CCU/DDU/ERM等）按照與車上相同的拓撲結構連接在一起，并通過軟件仿真的方式模擬其他子系統設備的功能，實現列車控制系統的半實物仿真。其拓撲結構如圖1所示。

2 仿真建模及實現

本文采用的仿真建模原則為：前期采用黑箱建模得到系統的外特性;中期采用灰箱建模，深入系統內部進行仿真建模;后期采用白箱建模，明確系統的內外部結構和機制。

建模完成后需要通過Java編程實現，主程序實現子系統仿真和整車原理仿真。通過建立每個子系統類的方式來實現各子系統的仿真;通過在固定格式的Excel中編寫整車邏輯的方式來實現整車原理的仿真;通過狀態更新類來實現各子系統和整車原理狀態更新輸出。實現結構如圖2所示。

2.1 子系統仿真實現

建模完成后子系統模型通過Java建立子系統類，可依據類設計文檔和方法詳細流程文檔進行編程，來實現子系統的模型。子系統的仿真建模需要底層設備、器件的模型作為仿真環境。以下以PCU和ACU子系統作為一類抽象設備來分析建模。

2.1.1 PCU/ACU子系統的外圍模型

構建的PCU/ACU子系統的外圍仿真模型如圖3所示，其具有如下特點：設備對象之間通過輸入輸出變量對象進行連接;PCU/ACU子系統通過變量對象實現與其他設備對象進行信息傳遞的具體方式為：如果網絡輸入變量A1發生變化，會觸發PCU/ACU子系統的相關功能，進而根據具體的功能來設置輸出變量，假設為電氣輸出變量B2，則以B2為輸入的設備會進一步被觸發。

2.1.2 PCU/ACU子系統的內部模型

構建的PCU/ACU子系統的內部功能結構如圖4所示，當系統的輸入變量A1、A2變化時，以這些變量為輸入變量的功能X、Z觸發，并產生功能的輸出變量C1、C2、B2;PCU/ACU子系統內部的一些功能具有來自系統外部的輸入變量，如功能X、Z;而另一些功能不具有來自系統外部的輸入變量，只以系統內部產生的變量作為輸入變量，如功能Y。

2.2 整車電氣原理仿真實現

整車硬件電路是列車控制系統的重要組成部分，其仿真可以根據既定格式和規則編輯。列車半實物仿真軟件可以讀取邏輯原理，并在半實物仿真軟件中進行綜合處理。

2.2.1 器件真值表

通過梳理車輛電氣原理圖，形成器件真值表，如圖5所示，在半實物仿真軟件讀取后可以通過真值表來判斷相應繼電器觸點或空開的值。

2.2.2 邏輯表達式

邏輯表達式根據車輛電氣原理圖中的邏輯關系，并利用器件真值表進行編寫，如“司機室激活”對應的邏輯表達式為：

3 結論

本文的半實物仿真平臺通過分析網絡拓撲結構，對網絡控制系統與各系統之間的接口和功能進行分界，建立模型，通過Java語言實現仿真系統功能設計。半實物仿真平臺能夠方便地完成列車維護、人員培訓及離線功能驗證。

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