通信編碼ZPW-2000軌道電路接口仿真測試平臺的設計

郭虹利，張 龍，韓安平，辛 未，剛建雷

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.黑龍江瑞興科技股份有限公司，哈爾濱 150030）

ZPW-2000 系列軌道電路是我國鐵路列車運行控制（簡稱：列控）系統(tǒng)的關鍵基礎裝備，對保證行車安全、提高運行效率起著非常重要的作用[1]。根據編碼方式和應用需求的不同，分為繼電編碼和通信編碼2 種[2]，其中通信編碼方式主要應用于高速鐵路中，與列控中心設備及其相關控制電路進行接口，完成相應功能[3]。

對于軌道電路等鐵路信號安全設備而言，實驗室內的測試和試驗，是確保產品安全性和可靠性的必要手段。目前，國內各廠商已對ZPW-2000 軌道電路的各類器材建立了手動、自動單機測試臺，可以對單體設備的各個功能、接口及電氣性能指標等進行測試；但是在系統(tǒng)整體功能測試方面，現有的軌道電路接口仿真測試環(huán)境大多僅能夠簡單模擬列控中心的編碼功能，并未實現編碼自動追蹤變化、區(qū)段狀態(tài)判斷、方向電路控制等其他功能[4-6]。如實驗室內配置真實列控中心等輔助測試設備，成本較高，配置應用復雜且無法進行特殊條件下的模擬測試，使得測試工作不能靈活、方便地開展。因此利用計算機仿真技術，搭建軌道電路接口仿真測試平臺，實現實驗室環(huán)境下的靈活、便捷、高效、自動測試，顯得尤為必要。

1 接口需求分析

1.1 雙路CAN 總線接口

ZPW-2000 軌道電路與列控中心間采用2 條冗余CAN 總線進行通信接口，并在列控中心主系和備系設備側分別設置總線終端匹配電阻。列控中心主系設備周期循環(huán)將各軌道區(qū)段的載頻、低頻、方向等編碼信息和同步幀發(fā)送至2 條CAN 總線，軌道電路通信接口板在收到同步幀后依次將區(qū)段狀態(tài)、方向等信息上傳至2 條CAN 總線[7]。

1.2 點對點以太網接口

軌道電路維護機軟件需要獲得各區(qū)段的方向信息以正確記錄和區(qū)分送、受端的相關數據[8]。對于無法從CAN 通信編碼數據包中獲得方向信息的，通常由列控中心維護機通過以太網方式點對點發(fā)送給軌道電路維護機相關信息。

1.3 繼電器狀態(tài)采集接口

列控中心在進行區(qū)段狀態(tài)判斷時，除通過通信方式上傳的狀態(tài)外，還需采集接收器驅動的軌道繼電器的狀態(tài)。當兩者均為空閑時，按照空閑處理，否則按占用處理；當兩者狀態(tài)不一致時要給出報警[3]。因此，軌道區(qū)段的通信狀態(tài)與繼電器狀態(tài)的一致性，是引起軌道電路閃“紅光帶”的一個重要故障誘因，應納入軌道電路設備的測試項。

1.4 方向電路接口

每個軌道電路區(qū)段對應有一個方向切換FQJ 繼電器，用于完成發(fā)碼方向切換。

（1）對于全電子化ZPW-2000 軌道電路，FQJ繼電器方向電路已模塊化內置于移頻柜中，由軌道電路設備根據通信方式接收的列控中心的方向命令信息控制內置的FQJ 繼電器電路完成發(fā)碼方向切換，無需外部方向電路接口[9]；

（2）對于既有ZPW-2000 軌道電路，FQJ 繼電器方向電路外置于組合架，連接于移頻柜和接口柜之間，FQJ 繼電器由列控中心直接或間接進行驅動控制[10]，FQJ 繼電器吸起表示反向發(fā)碼，落下表示正向發(fā)碼，同時，提供方向條件電源給軌道電路衰耗器設備，用于驅動衰耗器內置的繼電器，從而切換正反向對應的小軌道調整電路[11]。

2 方案設計

根據以上接口需求分析，設計ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺結構，如圖1所示。

圖1 ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺結構

（1）仿真計算機通過USB 或PCIE 總線連接2塊雙通道CAN 接口卡，模擬列控中心雙機結構；

（2）通過交換機以網絡方式對智能IO 模塊進行控制，每個模塊可提供8 路開關量采集輸入端口和8 組繼電器常開、常閉對外接點，可實現一個軌道電路區(qū)段設備的軌道繼電器采集和方向電路模擬功能，智能IO 模塊數量根據待測區(qū)段數量進行相應配置；

（3）仿真計算機同時通過點對點網絡方式與軌道電路維護機連接，發(fā)送各區(qū)段方向信息。

3 仿真測試平臺功能

仿真測試平臺按照功能模塊結構，分為參數設置和配置管理、編碼發(fā)送、狀態(tài)顯示、方向切換和數據服務5 部分，如圖2所示。

圖2 ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺功能模塊

3.1 參數設置

具備參數設置功能，包括CAN 接口卡的工作參數、智能IO 模塊的工作參數、待測軌道電路設備的移頻柜數量以及模擬列控中心數據發(fā)送的周期等，發(fā)送周期可設置為200 ms 以上的任一固定值或為列表隨機變化值，便于進行特殊條件測試。

3.2 編碼發(fā)送

能夠模擬列控中心將配置好的包含載頻、低頻和方向信息的編碼數據幀發(fā)送給軌道電路設備，同時發(fā)送同步幀用于軌道電路設備的同步處理。

3.2.1 數據模式

根據ZPW-2000 軌道電路與列控中心接口實際應用經驗，針對數據幀和同步幀分別設計了2 種發(fā)送模式，如圖3所示。

圖3 數據發(fā)送模式示意

（1）對于數據幀，每個移頻柜都有自己獨立的正碼數據包和反碼數據包，可按照移頻柜為單位，將對應的正碼數據包和反碼數據包發(fā)送完成，再發(fā)送下一個移頻柜對應的數據幀；也可按照正反碼進行區(qū)分，先將所有正碼數據包發(fā)送完成，再發(fā)送所有反碼數據包。

（2）對于同步幀，可按照總線區(qū)分，CAN-A總線發(fā)送完數據幀立刻發(fā)送同步幀，執(zhí)行CAN-B 總線數據發(fā)送任務；也可按數據類型區(qū)分，CAN-A、CAN-B 總線均先發(fā)送完數據幀，依次發(fā)送同步幀。

3.2.2 獨立編碼

根據設置的移頻柜數量參數，可進行各區(qū)段的主軌道和小軌道的載頻、低頻以及區(qū)段方向信息的配置，既支持手動選擇方式，也支持列表周期變化循環(huán)方式，各區(qū)段之間的編碼相對獨立互不關聯(lián)。CAN-A 和CAN-B 總線上的編碼數據可獨立進行設置和發(fā)送，也可同步進行發(fā)送。同步發(fā)送模式下，CAN-A 和CAN-B 的數據及發(fā)送時機統(tǒng)一控制。

為滿足特殊條件下的測試，提供數據故障注入選項，包括載頻低頻方向的無效編碼、數據包序號重復、數據包序號間隔2 和3、數據包CRC 值錯誤、數據包正反碼不一致和數據包缺失等故障注入選項。

3.2.3 追蹤編碼

各區(qū)段的低頻配置，除獨立編碼方式外，支持行車追蹤編碼方式。行車追蹤編碼方式下，提供3種典型的行車徑路追蹤發(fā)碼場景，如圖4、圖5和圖6所示，分別展示了側線出站、側線進站和區(qū)間行車時的發(fā)碼示意圖，其中車輛走行產生的區(qū)段空閑和占用通過IO 模塊的，2 組繼電器接點控制移頻信號通道的通斷模擬實現。

圖4 側線出站發(fā)碼示意

圖5 側線進站發(fā)碼示意

圖6 區(qū)間行車發(fā)碼示意

3.3 狀態(tài)顯示功能

按照CAN-A、CAN-B 總線區(qū)分，分別實時顯示2 條總線上的主軌道主并機狀態(tài)和小軌道主并機狀態(tài)、方向狀態(tài)。

（1）狀態(tài)信息為數據包CRC 校驗和正反碼校驗通過后的值，校驗不通過時直接顯示數據無效；GJ 繼電器狀態(tài)實時顯示其前后接點采集狀態(tài)，50 ms左右更新一次。

（2）對于GJ 繼電器吸起時，實時與CAN 總線通信上傳的主軌道狀態(tài)信息進行比較，當任一總線通道主、并機的主軌道狀態(tài)出現“占用”或持續(xù)2 s以上的“通信故障”時，進行報警提示。GJ 繼電器狀態(tài)采集，原理如圖7所示。

圖7 GJ 繼電器采集示意

3.4 方向切換

根據編碼部分對各區(qū)段方向的設置情況，控制相應IO 模塊實現發(fā)碼方向切換，同時向衰耗器提供方向電源條件。使用IO 模塊提供的4 組對外繼電器接點直接模擬原FQJ 繼電器實現的方向電路功能，再使用2 組繼電器接點用于控制衰耗器內部的ZFJ繼電器和FFJ 繼電器的驅動，對于衰耗器內部只設一個繼電器的，可作為FFJ 繼電器進行控制。IO 模塊電路連接示意圖，如圖8所示。

圖8 IO 模塊電路連接示意

3.5 數據服務

為了適應自動測試和長時間拷機試驗要求，仿真平臺可全程對發(fā)送的數據、接收的數據、采集的狀態(tài)、報警信息等進行記錄和查詢，輔助進行故障原因的定位分析和查找。

3.6 軟件設計

按照仿真測試平臺的功能設計，軟件上主要由數據發(fā)送任務模塊、數據接收任務模塊和數據記錄任務模塊3 部分實現，軟件處理流程，如圖9所示。3 個部分任務模塊采用獨立線程運行，完成各自相關功能。

圖9 軟件處理流程

（1）數據發(fā)送任務模塊主要根據設置的參數和模式，將載頻、低頻和方向等信息完成組包并發(fā)送，同時控制相關繼電器接點動作；

（2）數據接收任務模塊主要接收軌道電路上傳的數據并進行校驗處理，將相關狀態(tài)進行顯示，同時獲取GJ 繼電器采集狀態(tài)結果進行顯示并進行報警提示；

（3）所有發(fā)送、接收的數據及采集的狀態(tài)等，同時抄送給數據記錄任務模塊，由其進行記錄，以備查詢，為減少數據量，采用只記錄變化數據的方式。

設計完成的仿真軟件界面，如圖10所示。

圖10 軟件界面

4 方案驗證測試

按照圖1所示結構以ZPW-2000R 軌道電路及某站站場數據為例搭建測試環(huán)境，配置1 個移頻柜共10 個區(qū)段的軌道電路設備，其中室外設備及模擬軌道為選配設備，不影響仿真平臺的測試應用，所有軌道電路設備全部模擬同一方向線路區(qū)段，設計測試案例進行方案驗證測試，如表1所示。

表1 仿真平臺測試案例及目的

方案驗證測試分為獨立編碼測試和行車編碼測試2 個過程，主要針對獨立編碼和行車編碼2 大核心功能，期間可同步測試驗證其他功能。

（1）在獨立編碼測試過程中，主要是通過改變載頻、低頻、方向的設定值或故障條件的注入，測試軌道電路設備是否能夠正確執(zhí)行控制命令或導向安全側，同時通過人為制造條件改變軌道電路區(qū)段狀態(tài)測試仿真軟件能否正確顯示相應狀態(tài)；

（2）在行車編碼測試過程中，主要測試在模擬列車走行狀態(tài)下仿真軟件編碼控制和狀態(tài)顯示的正確性。測試驗證過程中，可通過軌道電路診斷主機軟件，輔助查看各區(qū)段載頻、低頻、方向和區(qū)段狀態(tài)等數據，以驗證測試結果，如圖11所示。

圖11 軌道電路診斷主機軟件測試驗證界面

測試結果表明，仿真測試平臺完成了設計的各項功能。既能夠以獨立控制方式實現所有載頻、低頻和方向信息的全部遍歷編碼，且能進行故障注入以模擬特殊條件下的編碼數據，實現了在真實列控中心設備下不能完成的功能和測試項，又能夠實現改方向電路控制、區(qū)段狀態(tài)判斷和行車邏輯下的自動追蹤編碼等真實列控中心設備才具有的功能，且不受列控中心設備的應用條件約束限制，同時省去了測試過程中的部分人工操作和頻繁調整測試環(huán)境等過程，達到了靈活、便捷、高效和自動的測試目標。

5 結束語

本文根據ZPW-2000 軌道電路與列控中心及其相關控制電路的接口，結合實際應用中遇到的各類問題、場景及測試需求，設計了該ZPW-2000 軌道電路接口仿真測試平臺，可用于發(fā)送器、接收器、通信接口板的整體功能測試及接口試驗，也適用于軌道電路系統(tǒng)的各類綜合測試，節(jié)約了測試成本、提高了測試效率，對于軌道電路設備的研發(fā)測試具有重要意義。