計算機聯鎖與高鐵信號仿真測試平臺的接口和測試技術研究

吳瓊 魯劍鋒 楊璘 白帥

近幾年隨著我國鐵路高速發展，鐵路運營里程快速增加，相應的各種運營控制系統也得到廣泛應用。

高速鐵路信號系統由列控中心（TCC）、聯鎖（CBI）、無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務器（TSRS）以及調度集中系統（CTC）等組成，其設備組成繁多，功能結構和接口關系復雜，造成工程驗收階段復雜程度高、技術難度大、測試任務重［1-3］。

為進一步加強和確保高速鐵路信號系統聯調聯試仿真測試的質量和安全，在前期研究基礎上，建立了高速鐵路信號系統聯調聯試仿真測試平臺，對所有高鐵線路開通前進行信號系統“全場景、全要素”仿真測試，發現和消除安全隱患，為高鐵線路工程驗收及開通提供重要保障［4］。

1 高速鐵路信號系統仿真測試平臺

高速鐵路信號系統仿真測試平臺（以下簡稱仿真測試平臺），適用于新建及改造高鐵線路信號系統聯調聯試階段的仿真測試，支持對不同廠家不同型號的TCC、RBC、TSRS設備的工程仿真測試，實現對信號系統地面核心列控設備的邏輯功能、接口關系、列控工程數據配置及相關場景下系統適應性等的仿真測試，達到對現場工程進行“實車、實線、實景”仿真測試的目標。其總體架構如圖1所示［5-12］，包括車載設備、地面設備、無線通信設備及仿真系統四部分。

車載設備、地面設備、無線通信設備均采用真實的工程現場設備，圖1中地面設備內藍色部分為仿真測試平臺的測試對象，即工程實際使用的TCC、TSRS、RBC設備。

仿真系統是仿真測試平臺的核心，其作用是使仿真測試平臺中所有真實設備能夠在實驗室環境中最大限度模擬現場運行，為測試對象提供便利。仿真系統由線路仿真子系統、車載設備接口仿真子系統、地面設備接口仿真子系統、綜合測試子系統四部分組成。線路仿真子系統實現列車在仿真平臺線路條件下模擬運行；車載接口仿真子系統和地面接口仿真子系統提供車載和地面設備與仿真測試平臺間的接口，為車載設備和地面設備在仿真環境下的運行提供必要條件，同時監控并采集車載和地面設備的運行狀態；綜合測試子系統實現測試人員與仿真平臺的人機交互、測試管理等。通過開發仿真系統，模擬列車運行，達到檢驗列控信號系統各設備功能和接口正確性的目的。

2 計算機聯鎖系統接口

計算機聯鎖系統是高速鐵路信號系統基本組成部分，也是仿真測試平臺不可或缺的一部分［13-17］。

計算機聯鎖系統通過安全數據網與TCC、RBC、鄰站CBI等系統接口；通過上位機和維修機與人機、CTC等接口；通過繼電接口（也就是IO接口）與現場實際設備（如區段、道岔、信號機等）接口。計算機聯鎖系統接入仿真測試平臺后，需要仿真測試平臺也提供這些接口。

其中，人機接口由計算機聯鎖系統上位機完成，上位機人機交互功能已經非常完善并且已經有了統一的規范要求［18-22］；CTC接口以及安全數據網接口采用真實計算機聯鎖系統接口，仿真測試平臺地面設備中真實的CTC、TCC、RBC等設備按照現場實際配置完成與計算機聯鎖系統的接口。這些接口既提高了仿真測試平臺的搭建效率，同時也最大限度地提高了測試的真實性和針對性。

圖1 仿真測試平臺總體架構圖

IO接口包括采集接口和驅動接口。采集接口是指現場實際設備通過采集電路將設備狀態反映成對應采集繼電器的吸起落下狀態，計算機聯鎖系統通過獲取采集繼電器狀態獲得設備狀態，并將其作為聯鎖邏輯的輸入信息；驅動接口是指計算機聯鎖系統將聯鎖邏輯的輸出命令通過對應驅動繼電器來激活對應設備的動作電路，從而驅動設備完成指定動作。IO接口由于設備數量龐大、結構特別復雜、場地要求極高，實驗室環境下不具備全部采用真實接口的條件，因此IO接口是計算機聯鎖系統接入仿真測試平臺面臨的最大問題。

為此研發了仿真測試平臺專用IO接口仿真，用軟件通信的方式實現與計算機聯鎖系統的繼電接口功能，以確保仿真測試平臺中計算機聯鎖設備正常運行，同時降低仿真測試平臺的實現成本。

3 IO接口仿真需求分析

IO接口仿真主要接收并處理來自聯鎖系統的驅動信息，同時為聯鎖系統提供模擬的現場設備采集信息。為方便測試，IO接口仿真應具備友好的人機接口功能。IO接口仿真功能需求示意見圖2。

計算機聯鎖系統的核心功能是依據現場實際設備的繼電器表示信息，進行安全聯鎖邏輯運算后，輸出相應設備的繼電器驅動信息，以控制相應設備的狀態或動作，如控制道岔定反位，控制信號機開放關閉等。因此IO接口仿真的主要功能就是模擬現場設備動作并為計算機聯鎖系統提供模擬的繼電器采集信息。如圖4所示，IO接口仿真需要處理的采集信息來源主要有3個。

1）根據收到的來自聯鎖系統的驅動信息來處理對應的采集信息。如聯鎖系統排列進路時，對某個道岔的DCJ（定位操縱繼電器）和SFJ（鎖閉防護繼電器）有驅動信息，IO接口仿真自動處理該道岔的DBJ（定位表示繼電器）采集狀態為吸起狀態。

2）測試人員通過鼠標等方式人為改變設備繼電器的采集狀態。如通過鼠標點擊區段的方式設置區段GJ（軌道繼電器）的吸起落下狀態（也就是區段的出清占用狀態）。

3）接收來自仿真測試平臺線路仿真子系統的模擬列車區段占用信息，設置相應區段GJ的吸起落下狀態。

IO接口仿真的人機接口功能主要指IO接口仿真能夠根據來自聯鎖系統的站場設備狀態信息，采用圖形化方式顯示設備狀態，同時能夠接受用戶的操作并做出反饋。

4 IO接口仿真方案設計

4.1 基本功能設計

根據IO接口仿真需求分析，IO接口仿真功能設計主要包括以下4個方面：一是與聯鎖系統交互信息設計；二是與線路仿真子系統交互信息設計；三是人機交互設計；四是采集驅動繼電器關聯關系設計。仿真功能設計總體示意見圖3。

IO接口仿真設計I_Array和O_Array 2個數組用于與聯鎖系統的信息交互。這2個數組保存了IO接口仿真與計算機聯鎖系統約定好的采集和驅動繼電器的排列順序。計算機聯鎖系統按照O_Array定義的驅動繼電器順序向IO接口仿真輸出驅動信息，IO接口仿真接收并處理該信息后，按照I_Array定義的采集繼電器順序向計算機聯鎖系統發送模擬采集信息，從而實現IO接口仿真與聯鎖系統的接口。

圖2 IO接口仿真功能需求示意圖

圖3 IO接口仿真設計示意圖

IO接口仿真設計Sec_Array數組用于與線路仿真子系統的信息交互。該數組保存了IO接口仿真與線路仿真子系統約定好的軌道區段的排列順序。線路仿真子系統按照Sec_Array定義的軌道區段順序向IO接口仿真輸出軌道區段的占用信息，IO接口仿真接收該信息后設置I_Array數組中對應軌道繼電器的狀態，從而實現IO接口仿真與線路仿真子系統的接口。

IO接口仿真以圖形界面方式向測試人員輸出站場設備狀態信息，測試人員通過鼠標等方式可人為修改部分設備的狀態，IO接口仿真根據修改后的設備狀態設置I_Array數組中對應繼電器狀態，從而實現IO接口仿真的人機接口。

IO接口仿真依據聯鎖系統的驅動信息自動設置對應采集繼電器的狀態信息。為此IO接口仿真需依據站場實際繼電邏輯，設計采集/驅動繼電器關聯關系信息表，示意圖如圖4所示。

圖4 采集驅動繼電器關聯關系設計示意圖

圖4 中每一行代表一個采集繼電器與其他繼電器邏輯上的關聯關系。其中等號最左側代表采集繼電器的名稱，等號最后側代表當前關聯關系的類型。類型1～4的邏輯關聯關系設計如下。

1）類型1表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有驅動繼電器吸起時吸起，在第二個等號后面的所有驅動繼電器吸起時落下。如圖3中，1_3DBJ（1/3號道岔定位表示繼電器）在1_3DCJ（1/3號道岔定位操縱繼電器）和1_3SFJ（1/3號道岔鎖閉防護繼電器）吸起時吸起，在1_3FCJ（1/3號道岔反位操縱繼電器）和1_3SFJ（1/3號道岔鎖閉防護繼電器）吸起時落下。

2）類型2表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有采集繼電器落下時吸起。如圖3中，1_3DFH（1/3號道岔定反后繼電器）在1_3DBJ和1_3FBJ都落下時吸起。

3）類型3表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有驅動繼電器吸起時吸起。如圖3中，I_D1DXJ（D1調車信號采集繼電器）在O_D1DXJ（D1調車信號驅動繼電器）吸起時吸起。

4）類型4表示該采集繼電器在第一個等號后面的所有驅動繼電器落下時吸起。以圖4為例，它的含義是1023GFSJH（1023G發車鎖閉繼電器后接點）在1023GFSJ（1023G發車鎖閉繼電器）落下時吸起。

IO接口仿真按照以上設計提前對I_Array中各個采集繼電器動作關聯關系進行設計，從而實現各采集繼電器狀態的自動處理。

4.2 擴展功能設計

IO接口仿真基本功能設計完成了計算機聯鎖系統繼電接口功能的仿真設計，結合仿真測試平臺提供的其他實際接口，計算機聯鎖系統接入高速鐵路信號系統仿真測試平臺條件已經具備。為更好地配合仿真測試平臺，在IO接口仿真基本功能設計基礎上，對IO接口仿真功能進行擴展。

4.2.1 故障注入設計

在上述設計的基礎上，如果人為改變這種自動處理的邏輯，使采集繼電器狀態不再自動按設計的邏輯進行動作，即可模擬采集繼電器的故障狀態。

為同時兼顧正常測試功能和故障注入測試功能，在IO接口仿真設計時為每個采集繼電器增加“自動控制”和“人工控制”的操作選項。正常測試時，所有采集繼電器處于“自動控制”狀態，采集繼電器狀態按照預先設計的關聯關系自動處理；故障注入測試時，將相關采集繼電器調整為“人工控制”狀態，其狀態完全由測試人員手動控制，從而為仿真測試平臺故障測試提供條件。

例如當聯鎖系統驅動某個信號的LXJ（列車信號繼電器）時，測試人員人為控制該信號的LXJ采集繼電器處于落下狀態，即可測試系統在“信號不能開放”時的反應；而當聯鎖系統沒有驅動信號的LXJ，測試人員人為控制該信號LXJ采集繼電器吸起時，即可測試系統在“無驅開放”時的反應。通過對不同采集繼電器在不同時機的人工控制，可以組合出多種故障狀態，從而為仿真測試平臺提供更豐富的測試場景和案例。

4.2.2 自動測試設計

IO接口仿真通過設置區段占用可以模擬列車運行。IO接口仿真功能設計時，通過設置定時器，定時設置區段的占用及出清狀態，可以模擬列車在車站內自動運行。

IO接口仿真需要根據道岔定反位狀態及站場線路拓撲關系，設計好各個區段的鏈接關系，待進路始端信號開放后，從進路外方區段開始，按照區段鏈接關系依次占用，順序出清，從而模擬列車按進路方向自動運行。

這樣，仿真測試平臺就可以通過CTC系統自動排列進路，結合IO接口仿真模擬列車自動運行，省去人為地逐個區段占用、出清，為仿真測試平臺自動測試提供了有利條件。

5 結束語

本文在對高速鐵路信號系統仿真測試平臺框架分析基礎上，重點研究計算機聯鎖系統接入仿真測試平臺的實施方案。通過對計算機聯鎖系統接口分析，提出了開發IO接口仿真的需求。通過對該仿真的需求分析、方案設計研究，完成了計算機聯鎖系統接入高速鐵路信號系統仿真測試平臺的方案設計。它的實現大大推進了仿真測試平臺的研發進度，為高速鐵路信號系統的驗收測試提供了條件和便利。同時本文還擴展了IO接口仿真的部分功能，引入了故障注入和自動測試的部分設計，為IO接口仿真后續的功能擴展提供了思路和借鑒。