CBTC測試平臺車輛仿真子系統接口適配器的設計

何濤，馬潔

CBTC測試平臺車輛仿真子系統接口適配器的設計

何濤1, 2，馬潔1

(1. 蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省工業交通自動化工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070)

針對目前CBTC測試平臺中各仿真子系統存在接入難和復用性差等問題，以車輛仿真子系統為例，設計一種基于Linux的車輛仿真子系統接口適配器。首先根據接口適配器的通用性，提出硬件接入層和軟件邏輯層的設計模型；然后在硬件接入層部分完成接口適配器和車輛仿真子系統與CBTC測試平臺之間的信息配置和交互過程；其次在軟件邏輯層部分，設計基于Linux平臺的BSP驅動開發流程，實現信息轉換和傳遞功能。最后將車輛仿真子系統的接口適配器接入到CBTC測試平臺中，通過使用試驗線的數據以及動車組數據進行調試，研究結果表明：接口適配器輸出的速度脈沖誤差在2%以內，滿足CBTC測試仿真平臺的性能要求。

CBTC測試平臺；車輛仿真子系統；接口適配器；功能；調試

基于通信的列車控制系統(Communication- based Train Control System, CBTC)采用了先進的通信和計算機技術，可以連續控制、監測列車運行，在國內各大城市已被廣泛采用：如北京、廣州、上海、武漢、沈陽等，成為城市軌道交通控制系統的首選[1]。由于CBTC系統的結構復雜、工程量大、投資高，驗證CBTC系統功能的可靠性和可用性較為困難，因此需要設計一個CBTC測試系統對其可靠性和可用性進行測試[2]。城市軌道交通仿真測試技術的研究在國外發展比較早，美國、德國和日本等國家先后研發了CBTC系統的模擬軟件[3]。近幾年，國內的一些大學和研究機構開始對CBTC系統的研究[4]，同濟大學開發了車站通用信號仿真系統；北京理工大學與中國鐵路通信信號集團開發了列車自動運行仿真系統SATM；同時部分研究人員對城軌列車運行進行了三維建模[5?6]。這些研究為CBTC仿真測試平臺的研究和實現提供了理論依據和方法，但是由于以上研究都是基于純軟件仿真環境下的，測試不同的車站、線路和車輛時，都需要重新修改參數，過程較為繁瑣。因此研究設計一個通用的CBTC仿真測試平臺具有重要意義。研究表明，CBTC測試平臺的通用性更多地取決于接口適配器的通用性，本文以車輛仿真子系為例，研究并設計CBTC測試平臺車輛子系統的接口適配器，解決了真實的被測設備接入時接口不通用的問題，同時將接口的接入功能從車輛仿真子系統中分割開來，完成系統的解耦，提高開發效率，進而提高測試效率，節約成本，最大程度上滿足了車載設備和CBTC測試平臺之間的信息交互的需求。

1 CBTC仿真測試平臺及其子系統

1.1 CBTC仿真測試平臺

CBTC系統是城市軌道交通系統中用于保證行車安全和效率的系統，系統設備故障或者異常都會發生行車不安全事件，同時影響運行效率。隨著列車速度越來越快，列車數量越來越多，CBTC系統也同時表現出系統化、網絡化、信息化和智能化等特點。因此，CBTC系統必須要進行全面的、細致的測試與驗證。列車運行控制系統仿真平臺的設計包括功能和原理仿真、關鍵設備測試、總體方案驗證和維護支持和仿真培訓。仿真測試平臺整體貫徹“硬件最小化，功能最大化”的最小系統的思想[7]。CBTC仿真測試平臺包括線路數據服務器、車輛仿真子系統、列車群仿真子系統、測試系統網絡服務器、真實車站設備和仿真車站設備，可以完成CBTC系統的自動列車監督(Automatic Train Supervision, ATS)子系統、車站設備、軌旁設備、車載設備和網絡通信設備的功能[7]，如圖1所示。

圖1 CBTC測試平臺結構圖

1.2 車輛仿真子系統

在實際運行場景中車載列車自動防護子系統(Automatic Train Protection, ATP)設備負責列車運行安全的設備，根據從車站設備獲取的移動授權信息及線路上的障礙物信息，結合與車站設備進行了版本校驗的電子地圖，列車自動防護設備將對列車的安全運行行為進行監控，一旦出現威脅列車運行安全的情況，列車自動防護設備將立刻采取措施，保證列車運行安全。

在CBTC仿真測試平臺中，車輛仿真子系統主要通過完成車載ATP傳輸的自動控制命令，實現列車的實際運行場景模擬，同時為測試人員提供仿真駕駛臺界面，可以在測試時控制仿真列車的運行。

2 車輛仿真子系統接口適配器的設計

接口適配器是一種接口轉換器，通過硬件電路板來實現硬件接口和測試設備之間的數據傳輸。接口適配器主要應用于當系統無法完成當前要求時，作為紐帶來完成剩下的任務。接口適配器主要分為計算機總線類接口適配器和專用接口適配器[8]。

車輛仿真子系統采用專用型接口適配器，專用型接口適配器采用主處理單元板設計模式，利用DSP＋FPGA[9?10]模塊，使用標準接插件導出具體使用的總線，從而滿足要求的傳輸協議、使用的總線協議和通用協議的測試需求。

2.1 接口適配器的設計原則

由于CBTC系統龐大，因此各子系統之間的接口設計應該符合一定的原則，從而使整個系統邏輯性更強[11]。除此之外，CBTC仿真測試平臺的各子系統之間的信息交互也需要遵循一定的原則。相關規則如下所示。

1) 物理接口

接口使用符合IEEE 802.3標準的Ethernet 10/ 100BaseT冗余以太網絡，采用全雙工工作模式，使用Big Endian編碼模式。

2) 通信協議

通信協議如表1所示。

表1 通信協議

2.2 接口適配器的結構

通過對CBTC系統仿真測試平臺的分析，CBTC測試系統主要完成對不同信號系統、不同線路和不同列車完成較高的仿真測試。接口適配器主要負責CBTC系統中的ATP系統與測試平臺的接入、信息轉換和傳輸等任務。同時可以使CBTC測試平臺更加邏輯緊密，完成對接入CBTC測試系統真實的設備邏輯性、安全性和可靠性的測試。

接口適配器通過動態的軌旁設備配置，接收線路數據庫(電子地圖)發送的線路信息，可以接收車載ATP對牽引力、制動力以及車門等的控制命令，并傳送給車輛運動仿真系統，同時接收車輛運動仿真系統的應答器報文和速度傳感器測速信息，如圖2所示。

圖2 接口適配器結構圖

2.3 接口適配器的實現

接口適配器的實現分為硬件接入層和軟件邏輯層。其中，硬件接入層是真實的CBTC子設備的串口接入和繼電器接入以及以太網和串口接入；軟件邏輯層主要完成CBTC測試平臺和車載子系統之間的信息轉換。

2.3.1 硬件接入層

接口適配器的硬件部分主要完成狀態信息轉換功能、控制命令轉換功能和應答器報文轉換功能。對于完成狀態信息轉換部分，主要是接口適配器與真實軌旁/車載ATP設備和接口適配器與仿真軌旁/車載ATP設備進行信息交互的功能；對于完成控制命令轉換功能，主要是接口適配器與真實軌旁/車載ATP設備和接口適配器與仿真軌旁/車載ATP設備進行的控制命令的下發和接收過程；對于應答器報文轉換部分來說，接口適配器不定期接收軌旁ATP設備發送的應答器報文信息。通過分析這些信息類型設計如圖3所示的接口適配器主板，主板上從左至右、從上到下依次是電源接口、串行RS232接口、USB接口、LED接口、以太網接口、背板連接接口和信號接口，其中中間4部分是插入功能子板的槽位，從上而下依次是MF板、CAN &RS232&LINK板、RS422&RS485& LINK和MVB板，用來處理相關數據流[10?11]。

圖3 接口適配器的主板

為了完成與CBTC其他子系統的物理接入，設計3種鏈接板，分別是DI板、DO板和PO板，為了滿足大量且質量要求嚴格的數據傳輸需求，本文選用2塊DI板，2塊DO板，1塊PO板，3種鏈接I/O板的具體功能為：

1) 每個DI板支持24路開關量輸入。其中每塊板卡的前16路DI輸入為隔離輸入，后8路為共地輸入；

2) 每個DO板支持24路開光量輸入。其中前8路彼此隔離，后16路共地共激勵電壓；

3) 每個PO板上支持5組，每路包括3路頻率相同、相鄰相位差可調的脈沖輸出信號。

2.3.2 接口適配器軟件邏輯層

選用PowerPC5200BSamba開發板[12]，硬件平臺的板級支持包(Board Support Package, BSP)為Linux應用軟件開發，采用Makefile對軟件代碼進行組成。針對DO/DI/PO板對應設備文件/dev/sbpXX的操作為基礎的Linux文件操作，使用open/read/ write/close等函數。

系統采用模塊化的設計思路，將接口適配器和車輛子系統以及之間的數據分模塊處理，在Linux編程的軟件上面建立多條線程，如圖4所示[13]。首先對相關FPGA進行初始化，進行網絡對時，創建線程，初始化鏈接DO/DI/PO板，等待命令，解析命令，根據通信協議，選擇傳輸方式，執行命令，向上位機回執，查看是否還有信息，如果有，則返回到查詢是否為控制命令，如果不是，則斷開連接。

DO/DI/PO板的具體功能是由read/write的字節流具體定義實現的，用于傳遞針對DO/DI/PO板操作的具體執行操作。

字節流的結構定義如下：

struct sbp_pkt{

unsigned short obj_reg_index; 鏈接板相關寄存器號

unsigned short obj_reg_h; //DO/DI/PO鏈接板相關寄存器的值

unsigned short obj_reg_l; //DO/DI/PO鏈接板相關寄存器的值

unsigned short pkt_end; //字節流間隔標志字符

}

DO/DI/PO板的read/write均以“寄存器—寄存器值”的組合傳遞的，在DO/DI/PO板中均定義了一系列讀/寫寄存器，用于具體功能的操作。當需要對DO/DI/PO板進行設置或者寫操作時，按照字節流結構體的格式編輯字節流數據包，使用write函數寫設備文件的描述符，實現寫寄存器的操作。DO/DI/PO板均設置觸發寄存器，當在Linux中寫觸發寄存器時，將觸發相應板卡把所有的讀寄存器狀態立即全部推送至Linux系統中。

圖4 BSP軟件流程圖

3 實例分析

3.1 接口適配器調試環境搭建

將接口適配器接入到車輛仿真子系統中，然后把整個子系統接入到CBTC測試平臺中。工控機和接口適配器使用局域網進行連接，工控機上安裝了VMware虛擬機、centOS、SSH Secure、SCRT等軟件，用于調試接口適配器。圖5中顯示的是接口適配器初始化和自檢狀態，圖6是使用SCRT對接口適配器進行功能調試，示波器顯示的是PO板輸出的當前速度脈沖。

3.2 實例驗證

接入某城市試驗線路和動車組進行測試，在實驗室環境下，將系統接入CBTC仿真測試平臺中，根據當前的CBTC系統的控制模式實時地向車輛仿真子系統傳輸牽引力或者制動力信息，電子地圖向車輛仿真子系統輸入當前線路的線路信息，上位機軟件計算出當前速度，接口適配器將采集到的速度轉換成脈沖通過PO板將脈沖傳輸到車載ATP中，將接口適配器采集到的速度和上位機計算的速度相比較，得到接口適配器產生的誤差在2%以內，滿足CBTC系統的性能要求。

圖5 SCRT調試界面

圖6 車輛仿真系統調試平臺

圖7所示的是受限駕駛模式(Restricted Train Operating Mode, RM)升級到受控人工駕駛(Code Train Operating Mode, CM)模式下，車載控制器(Vehicle on-board Controller, VOBC)模擬系統的界面。通過與CBTC測試平臺的其他子系統和被測設備進行聯合調試，印證了該車載仿真子系統具有完備性。

圖7 VOBC模擬系統界面

4 結論

1) 使子系統和CBTC測試平臺隔離開來，降低了系統的復雜度，提高了通用性，而且占用空間小，成本低，符合對接口設計的要求。

2) 該系統和測試線路的數據誤差在2%以內，且系統適用于不同廠家，通用性強，可以滿足CBTC測試平臺的性能要求。

3) 基于Linux的接口適配器彌補了原有仿真測試平臺的接入難、復用性差的不足，提升了測試平臺的可拓展性，對CBTC測試平臺設計具有實際意義。

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Design of interface adapter for vehicle simulation subsystem in CBTC test platform

HE Tao1, 2, MA Jie1

(1. School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Research Center of Automation Engineering Technology for Industry & Transportation, Lanzhou 730070, China)

For the simulation subsystems of the current CBTC test platform, there are problems such as difficult access and poor reusability. By taking the vehicle simulation subsystem as an example, a Linux-based vehicle simulation subsystem interface adapter was designed. First, according to the versatility of interface adapter, the design model of hardware access layer and software logic layer was proposed; second, in the hardware access layer part, the information configuration and interaction process between the interface adapter and the vehicle simulation subsystem and the CBTC test platform were mainly completed. In the software logic layer, the BSP driver development process under the Linux platform was devised, which completed the information conversion and delivery functions. Finally, the interface adapter of the vehicle simulation subsystem was connected to the CBTC test platform, and test line data and EMU data were used for joint adjustment. The results show that the speed pulse error of the interface adapter output is within 2%, which satisfies the performance requirements of the CBTC test simulation platform.

CBTC test platform; vehicle simulation subsystem; interface adapter; features; debugging

U284.48

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0485 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190393

2019?05?10

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點項目(2016X003-H)；中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃課題(N2019G017)；甘肅省工業交通自動化工程技術研究中心2019年開放基金項目(GSITA201903)

何濤(1977?)，男，內蒙古商都人，教授，從事軌道交通信號的設計；E?mail：770081140@qq.com

(編輯 陽麗霞)