基于模塊化設計的動車組整車驗證仿真的研究與開發*

穆瑞琦

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

在動車組整車研制項目中，研制過程的風險和不確定性難以捕獲，列車網絡控制系統作為動車組的神經中樞，關系到列車運行的安全和穩定。因此，通過搭建有效的地面仿真平臺，在實驗室環境中全面測試列車網絡系統的設計錯誤，在一定程度上加速模擬故障，定位故障原因，能夠有效地降低實車運行中的各種技術風險和成本。

由于研發的多樣性，不同人員研發的模塊在集成后也會產生更多的約束。一個完整可行的仿真測試平臺能實現對列車網絡控制系統有效的各級驗證。根據需求快速更改相應的仿真測試程序，配合列車網絡控制軟件的調試，從而提高整體項目的研發進度，減少研發周期。平臺運行的仿真程序軟件基于模塊化設計的理念，搭建系統架構快速便捷，既可采用自頂向下的總體架構設計，也可采用自底向上的功能實現。

1 仿真平臺的構成

1.1 動車組的網絡系統結構

以一種典型的網絡結構為例，動車組的網絡系統一般采用符合IEC 61375-1標準的TCN結構［1］，即列車級和車輛級兩級總線式拓撲結構。列車總線WTB用于連接各個車輛，進行列車級的過程控制；車輛總線MVB用于連接車輛內的設備，進行車輛內的通信控制和過程控制。WTB總線和MVB總線可以通過網關進行數據的相互轉發。一列8輛編組的動車組由2個牽引單元構成，每個牽引單元為1個MVB網段（4個車輛），每個網段連接多個子系統的網絡設備。網絡控制系統的核心部件是中央控制單元CCU和司機顯示屏HMI，其中CCU實現了整車的控制邏輯，HMI實現了司機的人機交互接口及故障診斷。被控的子系統通過MVB網絡接口或通過通用網絡接口設備數字量和模擬量輸入輸出連接到MVB網絡上［2］。網絡控制系統如下圖1所示。

圖1 網絡控制系統及設備示意圖

1.2 動車組網絡控制仿真平臺的結構

針對不同車型和不同目的而搭建的網絡控制仿真試驗臺有所差別，這里采用一種動車組仿真的實現概述仿真平臺的基礎框架構成。

考慮平臺的靈活性和經濟性，結合純硬件仿真和純軟件仿真的優缺點，仿真平臺采用半實物仿真的結構［2］。除司機控制臺的控制手柄和按鈕外，實物設備還包括中央控制單元CCU、司機顯示屏HMI、輸入輸出設備、溫度采集設備等。由于場地限制和成本等原因，可用軟件仿真代替司機控制臺實物。而在仿真系統實現的同時，預留與真實控制單元連接的各種硬線和網絡接口，使仿真系統能實現硬件在環的仿真功能，具備對單個子系統控制單元獨立測試的能力。

仿真平臺主要分為車載電氣控制柜、PLC開關控制柜、軟件仿真控制臺3大部分［2］。車載電氣控制柜由車載網絡設備和輸入輸出IO連接的開關、繼電器等構成的硬線控制回路構成，與實車一樣，每節車輛對應1個車輛電氣柜，如圖2所示。PLC開關控制柜主要實現仿真子系統與網絡控制系統之間硬線接口的信號轉換，柜內安裝PLC控制系統和110 V信號驅動繼電器，每2輛車的硬線接口集成在1個PLC電氣柜中，如圖3所示。此外，PLC柜安裝有指示燈和控制按鈕，顯示仿真子系統的一些重要的狀態信號，或將手動輸入信號通過按鈕傳送到仿真系統中。軟件仿真控制臺主要負責智能子系統的功能模擬和仿真。按照牽引單元的分布分別在多臺仿真計算機上實現，每臺計算機對應1個牽引單元。在仿真計算機上使用Control Build仿真軟件平臺實現對各受控子系統進行功能仿真，包括牽引、制動、輔助、空調、門等多個列車上的受控子系統。仿真控制臺通過以太網與PLC電氣柜通信，并通過計算機上集成MVB通訊網卡，實現仿真子系統與其他網絡設備之間的MVB網絡通訊［2］。

圖2 車輛電氣控制柜

圖3 PLC開關電氣柜

1.3 列車網絡控制系統半實物仿真平臺的功能

仿真平臺滿足高速動車組網絡控制系統試驗的需要，實現對通信網絡及協議、控制電路、控制邏輯等關鍵技術和控制工作流程的仿真試驗、功能驗證、安全性評估、特定故障工況復現分析和對策輔助支持功能，并提供開放接口支持與其他實物子系統進行聯調試驗，最終使半實物仿真系統成為有效的高速動車組網絡控制系統設備性能測試和分析平臺，并可用于司機操作人員培訓。

2 列車網絡控制系統仿真軟件詳解

2.1 仿真程序總體結構

以一列8輛車編組的仿真軟件為例介紹仿真軟件基礎構成。在仿真軟件控制臺上，列車網絡控制軟件的子系統仿真程序主要運行在仿真計算機的Control Build軟件平臺上，用以輔助調試及驗證網絡控制程序。整個仿真系統按照整體應用結構分為應用庫（Applications）、細化庫（Specific Li?braries）、標準庫（Standard Libraries）3部分。

（1）應用庫常見模塊

在應用庫中建立頂層架構文件，仿真開發程序頂層根據動車組牽引單元可以劃分為1車～4車和5車～8車2個部分。其主要功能為進行模型架構搭建。其中包括：Assembly Model組合組件，通過調用庫中的模塊對列車功能進行整體搭建和組合；Scenario場景環境，對環境參數進行快速配置；Variable List變量列表，對變量進行實時監控；Syn?optic動畫組件，快速連接人機交互動畫作為仿真的輸入信號等。從而在頂層完成設置場景，操作臺動畫界面，變量檢測界面，環境配置界面等功能。

（2）細化庫常見模塊

細化庫中包括按照車廂劃分的1車～8車，由于1車和8車、2車和7車、3車和6車的對稱性而對相同模塊進行模塊復用，并根據不同列車型號進行相應更改。

常用的子系統模塊按照功能劃分，模擬相應子系統動作并為邏輯接口傳遞變量信號。為建立子系統模塊，按照列車功能可大致分為：牽引系統，制動系統，高壓系統，輔助供電系統，門控系統，空調系統，旅客信息系統等［3］。針對復雜子系統的控制邏輯會進行單獨的模型設計，其具有的控制功能會與下層的執行機構模型的反饋信號相互連接。模塊化結構設計既有利于仿真過程中各個子系統的協同開發，各個系統的調試測試，也可以在仿真平臺接入真實控制子系統時，方便快速地實現仿真模塊的裁剪。

通常在不具備足夠電氣設備和線路的半實物仿真平臺上，按照車輛電氣圖的結構劃分，配合每個車的電路建立對應的低壓電氣圖，并根據真實線路連接信息盡量完整復原，以便通過仿真計算機實現子系統信號與半實物平臺信號的交互。利用低壓電器元件模型以實物電路為基礎繪制低壓電器圖，低壓電器圖和復雜元件模型按照不同的功能分解為若干個功能組，再以功能組為基礎元素構建車廂模型，最終將列車模型組合成整車模型。

（3）標準庫常見模塊

標準庫中建立了低壓電器元件的模型庫。針對不同類型的二極管、開關、繼電器、電阻等，建立了不同的基礎元件模型。對于復雜的電氣部件模型，如傳感器、電源、電機、繼電器、接觸器、定時器等，建立了可以直接調用的模塊。對于較為復雜的大型電器元件可以采用符合IEC 61131-3標準的語言如結構化文本ST，順序功能圖，梯形圖，功能塊圖或C語言等能夠描述復雜邏輯的語言自行設計建模。

2.2 主要仿真子系統實現功能

仿真軟件對于各個受控子系統進行功能仿真，主要模擬動車組各個子系統的功能。主要模塊架構如圖4所示。

圖4 8輛編組列車仿真模型示意圖

高壓子系統模型主要仿真列車高壓系統各環節的功能，包括緊急斷開環節、牽引單元中間直流環節、車頂高壓線路隔離開關、受電弓、主斷路器、CCU接收的硬線信號等，并實現其主要功能。牽引子系統模型主要仿真牽引系統主電路、主變壓器、牽引變流器、電機模型、TCU牽引控制、TCU電制控制、MVB交互功能、故障與診斷系統等。輔助供電子系統仿真模型主要仿真輔助供電子系統、輔助變流器、電池充電機、440 V交流負載、110 V負載的管理。制動系統模型主要仿真各級BCU最大空氣制動力及電制動力的計算、各級BCU關于空氣制動力及電制動力設定值的計算、BCU對電制動力和空氣制動力的分配、緊急制動的控制、常用制動的控制、停放制動施加與緩解的控制、制動系統與自動速度控制ASC之間的關系設計、制動子系統的外圍接口、列車動力學模型。車門控制子系統模型主要仿真中心車門控制系統、高級車門控制、司機控制和故障與診斷系統。空調控制子系統模型仿真空調系統的網絡結構、空調系統供電、空調的控制模式。照明子系統仿真內部照明、燈控單元、外部照明。火災報警子系統主要模擬火災響應及系統診斷，包括讀取火災報警信號、火災報警系統測試信號、斷開火災報警環、聲光報警信息、關閉火災車廂的空調系統、火災報警系統故障報告、旁路火災報警系統、旁路火災報警環等。

2.3 主要仿真子系統實現方法

對于子系統和功能組件之間關系的書寫采用多種搭建方式組合完成。例如：門控系統狀態模擬采用梯形圖，門控系統采用邏輯的功能圖建立，門的執行機構控制邏輯采用Assembly Model組合組件對底層與或非邏輯模塊進行邏輯組成。模型中主要功能組件，例如輔助系統模型、受電弓模型、制動控制算法等可采用ST語言進行實現；牽引控制器TCU算法模擬可采用C代碼書寫。各種建模語言與圖形編程方式可以根據實際需求靈活變換，在模塊化架構下可以快捷方便的進行復用和重構。為了方便數據傳輸，建立了數模轉換模塊，供開發人員快速調用。

2.4 主要仿真場景實現方法

各個子系統通過輸入輸出變量同低壓電氣模型進行交互。當仿真模型運行時，數字信息通過通訊程序，經由MVB網卡發送給列車中央控制單元，模擬信息通過采集設備發送給中央控制單元；中央控制單元的控制信號通過MVB網卡經由通訊程序發送給仿真程序，設置列車各種工況的模擬。

對于實現整車電氣線路設計驗證的低壓電氣圖，按功能組分布與真實描述整車硬線布局的電路圖一一對應，例如，其輸入輸出可以操作相應的開關繼電器動作并向網絡系統回傳對應的變量反饋值。通過電氣圖進行線路查找，為仿真故障排查場景提供了方便的手段。完成新型動車組的整車電氣線路設計后，在仿真系統中對整車電氣線路進行仿真模擬，利用PLC電氣控制柜實現整車電氣線路仿真和網絡控制系統的接口，通過分析驗證列車網絡控制系統及各個受控子系統的功能驗證整車電氣線路的設計。

2.5 列車網絡控制系統仿真軟件的主要特點

試驗臺仿真軟件所有模型之間的層次和關系、各模型內的部件與子系統模型之間的層次和關系在仿真系統軟件中清晰且易于管理，各個模塊之間的輸入輸出易于查找，仿真過程、仿真庫、仿真資源統一管理的功能。仿真測試工程管理功能全面，具有整體軟件結構清晰，功能組件分配明確，導航及幫助文檔查找方便。且操作界面為窗口形式，可以進行圖形化編程，操作簡單，編程快速。

仿真模型能夠清晰反映輸入輸出電氣參數在子系統、子系統部件、傳統電路中的變化過程和機理，能夠完成子系統、子系統部件及控制系統運行所需各組成部分的內部工作過程的、輸入輸出量的、控制邏輯的以及外部特性的動態仿真。各系統模型之間，模型內部子系統之間、子系統部件之間的所有輸入輸出及實時參數變化與真實運行系統相符。各系統模型及內部各個子系統、部件模型，可根據外部接口需要通過更改相應參數而達到要求。同時，在仿真過程中，通過預先定義和在線定義的方式可實時查看網絡控制系統中各變量和仿真系統中各變量的值。

模塊化的設計方式可以實現場景快速準確的搭建。比如，在子系統功能測試和驗證場景中，快速替換修改過的軟件模塊。對于集成系統的場景測試，部分仿真程序可以被硬件實物進行等效替換，例如故障開關在真實的測試場景中根據實際情況進行開關配置。

3 結論

為了快速測試高速列車網絡控制系統，搭建了相應的半實物仿真平臺后，采用了基于模塊化設計的動車組整車驗證仿真程序，為仿真平臺提供技術支持和仿真驗證。平臺可以服務于列車網絡控制系統的設計、開發、驗證、調試及后期維護等各個階段，開發驗證列車控制邏輯、網絡通訊協議、故障診斷邏輯，測試分析設備和系統性能，并支持網絡控制系統的聯調聯試工作。其中，基于模塊化設計的動車組整車驗證仿真程序能夠逼真地模擬實際列車模型，并在完整的仿真環境中，對列車控制系統，特別是中央控制單元CCU的控制邏輯進行功能驗證，從而實現在現場安裝調試之前校驗測試整個系統，發現并校正絕大多數設計錯誤和問題，并大大縮短現場安裝調試的時間。