鐘盛++吳昌友++湯長春++賀曉梅++張森

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲 412001；2.湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 412000）

摘 要：基于DTECS的通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真測試系統(tǒng)是針對列車分布式網(wǎng)絡(luò)通信和控制系統(tǒng)進行開發(fā)的仿真測試系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、硬件及軟件實現(xiàn)等。該仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計及搭建主要是為了達到對地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、試驗室驗證和在產(chǎn)品交付后出現(xiàn)問題時對故障進行再現(xiàn)分析的目的。

關(guān)鍵詞：DTECS；地鐵；網(wǎng)絡(luò)控制；仿真測試系統(tǒng)

中圖分類號：U285.4+7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.010

近年來，我們已經(jīng)逐步建設(shè)了相關(guān)地鐵車型的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）的仿真測試系統(tǒng)，將測試與調(diào)試任務由原來的現(xiàn)場調(diào)試前移到現(xiàn)在的試驗室測試，但在測試過程中，仍然存在以下問題：被測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的外圍系統(tǒng)缺乏/不完善，通信協(xié)議管理通用性差，自動化測試程度低，測試用例無法自動生成，測試數(shù)據(jù)/結(jié)果無法長期保存，不能形成測試報告。

以上的這些問題是在地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測試過程中限制其進度和成本的主要問題，造成更多的人員參與，給列車網(wǎng)絡(luò)的測試帶來了很多不確定因素。在長時間的測試過程中，重復性的工作對測試人員的精力、判斷力以及對測試的時間進度和成本開支都帶來了極大的影響。因此需要開發(fā)新的通用的地鐵仿真測試系統(tǒng)彌補以上不足，降低測試人員的工作強度，提高測試效率，降低測試的成本。

1 仿真測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)簡介

通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真測試系統(tǒng)是從開發(fā)人員和測試人員的使用角度出發(fā)，能夠輔助進行系統(tǒng)方案驗證、調(diào)試環(huán)境構(gòu)建、子系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、設(shè)計驗證及測試、故障注入重現(xiàn)等功能而開發(fā)的具有實物和軟件虛擬設(shè)備共存的半實物仿真測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件由被測網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、仿真計算機、顯示與

控制終端、串口服務器、IO測試機箱、以太網(wǎng)交換機、司機操縱臺等組成。其總體結(jié)構(gòu)描述見圖1.

1.2 被測系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 被測系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用DTECS（Distribute Train Electric Control System）系統(tǒng)。DTECS系統(tǒng)是株洲中車時代電氣股份有限公司開發(fā)的基于TCN協(xié)議的分布式列車網(wǎng)絡(luò)通訊與控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為車輛控制級和列車控制級兩級。車輛控制級總線采用MVB多功能車輛總線。可以選用中繼模塊REP作為列車級總線和車輛級總線的網(wǎng)關(guān)，采用EMD介質(zhì)的MVB多功能車輛總線實現(xiàn)列車級的數(shù)據(jù)傳輸，也可以選用MVB與WTB通訊接口模塊GWM作為列車級總線和車輛級總線的網(wǎng)關(guān)，采用WTB雙絞式列車總線實現(xiàn)列車級的數(shù)據(jù)傳遞。

地鐵車輛按照不同的功能與硬件配置分為2種車型，即帶司機室的拖車Tc車和動車M車。不同車型由數(shù)量不同的車輛控制模塊VCMe、事件記錄模塊ERMe、中繼器REP、數(shù)字量輸入輸出模塊DXMe、數(shù)字量輸入模塊DIMe、模擬量輸入輸出模塊AXMe、人機接口單元HMI和必要的總線終端器構(gòu)成。圖2為北京地鐵14號線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，采用4動2拖的編組形式。

1.2.2 試驗環(huán)境搭建

為了滿足更多地鐵車型的仿真、測試及擴展需要，測試臺被測網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)按照6動2拖的編組原型設(shè)計，采用八節(jié)編組的方式，每節(jié)編組使用一個機柜，其MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備按地鐵網(wǎng)絡(luò)項目應用估計的最大數(shù)目來配置，每節(jié)車廂的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其對應的陪試設(shè)備（比如IO測試機箱、串口服務器、以太網(wǎng)交換機）均安裝在各自的機柜中，各機柜之間只存在重聯(lián)通訊線和供電電源線的連接。這樣的設(shè)計能使每個機柜都能獨立形成一節(jié)車廂的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的真實電氣環(huán)境，通過重聯(lián)插座的連接、延長線連接插座的配置和各個MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的供電可以構(gòu)成與整車車載1∶1的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)試驗環(huán)境。

1.3 陪測系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 IO測試機箱設(shè)計

每個機柜配置一個陪試的IO測試機箱，IO測試機箱提供與被測TCMS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)Remote IO設(shè)備相對應數(shù)量的模擬和數(shù)字信號的輸入輸出。

每個機柜最大數(shù)量的IO配置如下：

數(shù)字量輸出接口 96路（110 VDC）

數(shù)字量輸入接口 32路（110 VDC）

模擬量輸入接口 12路（0～10 V）

12路（0～20 mA）

模擬量輸出接口 12路（0～10 V）

12路（4～20 mA）

1.3.2 司機操縱臺

司機操縱臺由與裝車一致的司控器、手柄、開關(guān)、按紐、儀表等組成，并構(gòu)建與車載環(huán)境一致的電氣線路，以更貼進真實的操縱環(huán)境。它通過以下2種方式接入到仿真測試臺：①硬線信號直接通過連接器轉(zhuǎn)接到被測的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中；②硬線信號通過采集執(zhí)行單元處理后，將數(shù)據(jù)打包以通訊的方式接入到顯示與控制群組計算機。

1.3.3 串口服務器

串口服務器將IO測試機箱的RS422通訊接口、RCM模塊的RS485/RS232通訊接口、網(wǎng)卡板的RS232通訊接口以及GWM/VCM/ERM模塊的串行調(diào)試通訊接口集合統(tǒng)一集中連接至以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)以下3種功能：①仿真計算機模擬與被測網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的對象（比如牽引、制動、空調(diào)等）通過以太網(wǎng)、串口服務器、MVB通訊接口設(shè)備與被測系統(tǒng)的CCU進行數(shù)據(jù)交互；②開發(fā)人員用開發(fā)PC機通過WiFi或直接連入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，集中對被測網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的CCU設(shè)備進行串口調(diào)試、維護更新程序；③串口服務器配合以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)仿真計算機集中控制各個機柜的IO測試機箱。

1.3.4 以太網(wǎng)交換機

通過以太網(wǎng)交換機將串口服務器、各個帶有以太網(wǎng)接口的模塊等連接起來，以便于PC機統(tǒng)一控制、管理、監(jiān)視各以太網(wǎng)設(shè)備，并可通過單點對整車的以太網(wǎng)接口設(shè)備進行調(diào)試、軟件升級及故障數(shù)據(jù)下載等。

通過多個以太網(wǎng)交換機構(gòu)建成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，串口服務器、直流程控電源和帶以太網(wǎng)接口的被測模塊均接入進來，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、控制。

1.3.5 實時仿真系統(tǒng)

實時仿真系統(tǒng)的主要實現(xiàn)以下2個功能：①測試總控網(wǎng)絡(luò)和機車網(wǎng)絡(luò)之間的上下行數(shù)據(jù)交互，測試總控網(wǎng)絡(luò)采用DDS（實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）中間件，機車網(wǎng)絡(luò)采用UDP，因此上下行數(shù)據(jù)交互主要實現(xiàn)DDS與UDP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；②各仿真模型的運行，包括輪軌系統(tǒng)模型、制動與風源模型、車載電氣模型、牽引/輔助變流器模型、信號及線路模型、PIS/EDCU/HVAC/CCTV模型等。這2個功能要求實時仿真系統(tǒng)具有強大的并行計算能力。

2 軟件架構(gòu)

2.1 測試總控系統(tǒng)

測試總控系統(tǒng)測試過程的總控管理設(shè)備，實現(xiàn)了對測試過程的統(tǒng)一調(diào)度管理。測試總控系統(tǒng)各軟件提供了與用戶交互的UI界面和提供操作服務。

測試總控軟系統(tǒng)各軟件基于Java/Eclipse RCP 插件技術(shù)開發(fā)，使用EMF搭建系統(tǒng)陣模型，使用SWT/JFace 界面風格。Eclipse RCP是一項位于Eclipse平臺核心的功能，包括對可移動以及可疊加的窗口組件（編輯器和視圖）、菜單、工具欄、按鈕、表格、樹形結(jié)構(gòu)等的支持。SWT，即“Standard Widget Toolkit”，它是一個Java平臺下開放源碼的Native GUI組件庫，也是Eclipse平臺的UI組件之一。從功能上來說，SWT與AWT/SWING是基本等價的。SWT以方便、有效的方式提供了便攜式的（即Write Once，Run Away）帶有本地操作系統(tǒng)觀感的UI組件。Eclipse平臺的界面就是基于SWT開發(fā)而成的。在SWT之上，Eclipse提供了更為敏捷的界面控件JFace。它不僅提供了更加高效的API，而且在數(shù)據(jù)綁定方面具備強大的功能特點。

2.2 虛擬司機操縱臺

實物司機控制臺提供真實的司機操縱器、微機顯示器、開關(guān)、按鈕等司機操作部件，通過硬線或以太網(wǎng)的方式與仿真測試臺連接。

測試總控系統(tǒng)包含與之相對應的虛擬司機操縱臺軟件，能同步顯示實物司機操縱臺的信息，實物司機操縱臺的操作優(yōu)先級高于虛擬司機操縱臺，即當實物司機操縱臺激活后，虛擬司機操縱不能進行任何操作動作，但能同步顯示實物司機操縱臺的狀態(tài)。虛擬司機操縱臺軟件界面如圖3所示。

2.3 被測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)對象仿真

與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的對象如下所列，仿真測試臺需要通過仿真的形式模擬其功能，為被測系統(tǒng)提供一個模擬的外部環(huán)境：①牽引/輔助變流器仿真。包括DCU控制、水循環(huán)系統(tǒng)、接觸器控制、牽引電機模型等功能。該仿真模型提供整列地鐵車輛6個TCU和24個牽引電機模型。通過以太網(wǎng)分別與各車的網(wǎng)卡板通信。牽引/輔助變流器仿真模型軟件界面如圖4所示。②制動及風源仿真。包括BCU控制、空氣管路原理、電磁閥控制、空氣制動原理等功能。該仿真模型提供整列地鐵車輛制動及風源系統(tǒng)的模型。通過以太網(wǎng)與各車的網(wǎng)卡板通信。③輪軌仿真。根據(jù)線路、氣候等數(shù)據(jù)計算車輪與軌道間的關(guān)系參數(shù)，用于修正牽引變流器仿真模型的實際牽引力、實際速度等參數(shù)的結(jié)果。④信號及線路仿真。包括ATP和ATO的功能，并能結(jié)合線路數(shù)據(jù)進行線路計算，實現(xiàn)地鐵車輛中的自動駕駛的功能。⑤車載電氣仿真。模擬與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的繼電器、接觸器、自動開關(guān)、壓力開關(guān)等設(shè)備的工作原理，建立虛擬的車輛電氣系統(tǒng)。⑥智能裝置仿真。模擬PIS、EDCU、HVAC和CCTV等智能設(shè)備的工作原理。

2.4 通信協(xié)議管理

為了滿足數(shù)據(jù)格式的多樣性和變化性需要，采用通信協(xié)議管理軟件，對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行統(tǒng)一的管理和配置。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自動化測試平臺其核心為數(shù)據(jù)，而測試系統(tǒng)都需要遵循機車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。作為系統(tǒng)的核心，對通信協(xié)議的處理方式直接影響測試系統(tǒng)的可靠性、通用性和易用性。機車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通過Excel管理，通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)都具有較復雜的結(jié)構(gòu)，例如一條數(shù)據(jù)中包含多個數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)格式包含嵌套的情況，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)的流向也是復雜的，并且在不同的測試任務中，數(shù)據(jù)格式也是變化的。

2.5 自動化測試

為了盡量減少測試過程的人工操作，提高系統(tǒng)的自動化程度，測試系統(tǒng)應用軟件方式實現(xiàn)自動化測試功能。自動化測試軟件集開發(fā)、測試序列的編輯與執(zhí)行為一體，提供了測試指令的編輯和管理、測試序列的編輯與管理、測試序列的執(zhí)行與調(diào)試、測試結(jié)果判讀及報告自動生成等功能；并提供了測試庫，用于仿效測試過程中的人工測試步驟，包括各類測試指令。自動化測試軟件界面如圖5所示。

2.6 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的主要功能有以下2個：①在測試過程中，數(shù)據(jù)服務器將所有的測試指令和數(shù)據(jù)都存入到數(shù)據(jù)庫中。由于測試過程中數(shù)據(jù)存儲量很大，因此數(shù)據(jù)庫需要具有較高的性能，能

從網(wǎng)絡(luò)中訂閱數(shù)據(jù)，存儲到數(shù)據(jù)庫中。②車輛運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)能夠通過有線/無線的方式錄入到數(shù)據(jù)中心中，任何一個測試平臺均可從數(shù)據(jù)中心中調(diào)用數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)視和離線分析。

2.7 測試系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測試過程中，由于測試模塊很多，包括實時仿真系統(tǒng)、自動化測試軟件、測試監(jiān)控軟件、測試分析軟件、被測系統(tǒng)等，這些功能模塊如果出現(xiàn)了異常，將導致測試異常。所以測試平臺需要提供了集中式的監(jiān)控環(huán)境，對整個試驗網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并能夠及時反映各試驗節(jié)點的工作狀態(tài)。

2.8 配置管理

仿真平臺應能管理所有的配置文件，提供統(tǒng)一的配置文件編輯環(huán)境，用戶能夠在各軟件上同步或更新配置庫中的配置文件。

在配置庫中，每個工程都有獨立的文件夾，內(nèi)部包含了一整套配置文件。在測試編輯階段，各軟件都需要通過配置庫，同步或更新一個工程下的配置文件，每個軟件都只能在配置庫中訪問2個子文件夾。其中，一個是通信協(xié)議配置文件夾，同步系統(tǒng)通信配置文件，且該文件只讀；另一個是與自己相關(guān)的文件夾，同步各自的配置文件，各軟件在加載配置文件后，可以編輯、修改和保存。在完成修改后，各軟件能夠?qū)ε渲脦熘械奈募M行更新。每個軟件在編輯過程中可以打開多個工程，加載不同的配置文件，并進行復制、粘貼、修改等操作。

3 結(jié)束語

開發(fā)出更貼進真實運行狀況的試驗室仿真環(huán)境和全面、高效的測試環(huán)境，能夠有效地降低地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在產(chǎn)品全生命周期過程中的研發(fā)成本、維護成本、檢修成本、調(diào)試成本及其他無形成本?；贒TECS的通用地鐵網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真測試系統(tǒng)可為該領(lǐng)域的研發(fā)、制造、售后提供全面的支持和提高產(chǎn)品在該領(lǐng)域的影響力及產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻

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作者簡介：鐘盛（1982—），男，工程師，從事列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)工作。

〔編輯：劉曉芳〕

文章編號：2095-6835（2016）23-0013-03