張雁勛 趙貝 安志勝

摘 ?要： 機(jī)車控制系統(tǒng)存在部分硬件選型不確定、功能或更改等因素，故對(duì)部分模塊進(jìn)行圖形化建模，結(jié)合故障注入系統(tǒng)，搭建了機(jī)車半實(shí)物仿真平臺(tái)，完成了半實(shí)物仿真平臺(tái)應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。應(yīng)用層包括仿真系統(tǒng)的搭建、故障注入、機(jī)車邏輯功能控制及顯示屏界面展示。研究表明，半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)能對(duì)機(jī)車控制邏輯進(jìn)行全面的測(cè)試;能提前暴露邏輯測(cè)試存在的缺陷及問(wèn)題，驗(yàn)證了不同供應(yīng)商通信網(wǎng)絡(luò)一致性和硬件的可靠性。

關(guān)鍵詞： 半實(shí)物仿真;應(yīng)用層;仿真系統(tǒng);故障注入;機(jī)車邏輯;顯示屏

中圖分類號(hào)： TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.025

本文著錄格式：張雁勛，趙貝，安志勝，等. 基于機(jī)車半實(shí)物仿真平臺(tái)應(yīng)用層的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（06）：117120

【Abstract】： There are some uncertain factors about hardware selection and functions in the locomotive control system， combining with graphically modeled of some devices and the fault injection system， the locomotive hardware and the application layer of the hardware in the loop simulation platform are built. The application layer includes the construction of simulation system， fault injection， locomotive logic function control and display screen interface. The research shows that the design of hardware in the loop simulation platform can test the locomotive control logic comprehensively， expose the defects and problems of logic test in advance， and verify the consistency of communication network and the reliability of hardware of different suppliers.

【Key words】： Loop simulation; Application layer; Simulation system; Fault injection; Locomotive control logic; Display screen

0 ?引言

半實(shí)物仿真平臺(tái)是中車大同電力機(jī)車有限公司自主研發(fā)，用于展示機(jī)車控制邏輯功能、模擬故障輸入輸出等的一套地面測(cè)試體系。試驗(yàn)臺(tái)的搭建，有助于提高公司車載微機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面的研發(fā)能力;有助于解決新型機(jī)車研制過(guò)程中及批量配屬機(jī)車中微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)核心問(wèn)題、慣性質(zhì)量問(wèn)題;車載微機(jī)的自主研發(fā)和生產(chǎn)可以有效縮短項(xiàng)目研發(fā)周期。

1 ?半實(shí)物仿真平臺(tái)功能概述

半實(shí)物仿真采用的是軟件與實(shí)物硬件聯(lián)合仿真的方法，與純軟件仿真相比更加接近于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備工況，更加真實(shí)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)、性能[1]。

1.1 ?半實(shí)物仿真平臺(tái)的組成

機(jī)車半實(shí)物仿真平臺(tái)以HXD21000型八軸電力機(jī)車為原型，采用分布式網(wǎng)絡(luò)布置，通過(guò)對(duì)牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等建模，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制單元、機(jī)車操縱臺(tái)、HiGale仿真機(jī)、故障注入系統(tǒng)等搭建而成。半實(shí)物仿真平臺(tái)的構(gòu)成如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)控制單元包括CCU（中央控制單元）、RIOM（遠(yuǎn)程輸入輸出模塊）、GW（網(wǎng)關(guān)）、ACU（輔助控制單元）、TCU（牽引控制單元）、BCU（制動(dòng)控制單元）等。其中ACU、TCU及BCU為仿真模型，CCU、RIOM、GW為真件。機(jī)車操縱臺(tái)為八軸電力機(jī)車實(shí)際操縱臺(tái)，包括兩個(gè)互為冗余的HMI（司機(jī)顯示單元）、司控器、扳鍵開關(guān)組、電笛、風(fēng)笛等。故障注入系統(tǒng)包括WTB故障注入模塊，還包括了與真實(shí)機(jī)車司機(jī)室操縱臺(tái)上相同的所有開關(guān)量、電壓模擬量和電流模擬量[2]。

1.2 ?半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)備功能

HiGale仿真機(jī)完成機(jī)車行為模型，即車輛動(dòng)力學(xué)模型、空氣制動(dòng)系統(tǒng)模型（BCU）、牽引系統(tǒng)模型（TCU）和輔助系統(tǒng)模型（ACU）等[3]。

故障注入系統(tǒng)可根據(jù)需求實(shí)時(shí)注入各種故障，主要設(shè)備包括WTB故障注入設(shè)備、110 V開關(guān)量故障注入設(shè)備、0～24 V模擬量故障注入設(shè)備等。

互為冗余的兩個(gè)CCU實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛控制功能，包括設(shè)備監(jiān)視、總線管理、機(jī)車邏輯控制、機(jī)車牽引/制動(dòng)特性控制等;RIOM接受信息采集和傳遞;GW用于網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸;HMI用于機(jī)車控制及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控實(shí)時(shí)顯示。網(wǎng)絡(luò)控制單元（即CCU、RIOM、GW）及顯示屏采用Selectron公司的設(shè)備，Selectron公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于地鐵、機(jī)車、城軌車輛等。

結(jié)合仿真系統(tǒng)及故障注入系統(tǒng)，接入網(wǎng)絡(luò)單元及顯示屏設(shè)備，進(jìn)行微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）的邏輯仿真測(cè)試和故障注入測(cè)試，用于TCMS系統(tǒng)功能測(cè)試及故障節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)等。

2 ?軟件介紹

（1）Matlab（包含HiGaleTarget自動(dòng)代碼生成軟件+RTD驅(qū)動(dòng)軟件）：Matlab Simulink實(shí)現(xiàn)列車主控制器、各個(gè)子控制系統(tǒng)、被控對(duì)象的圖形化建模;HiGale Target：實(shí)現(xiàn)模型的一鍵編譯、下載到仿真機(jī);RTD：實(shí)現(xiàn)仿真模型與其他設(shè)備間的MVB通信。

（2）HiFIDS故障注入軟件：實(shí)現(xiàn)110 V開關(guān)量、0～24 V模擬量、MVB/WTB總線、以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)層、電氣層和物理層的故障注入。

（3）Selectron公司CAP1131編程工具：完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制單元的軟硬件配置。

（4）Selectron公司Maestro Designer軟件：完成對(duì)顯示屏的編程設(shè)計(jì)。Maestro Designer軟件是一款基于QT的組態(tài)設(shè)計(jì)軟件。

其中，CAP1131和Maestro Designer軟件之間共享變量名。

3 ?應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層包括仿真系統(tǒng)搭建、故障注入系統(tǒng)搭建、網(wǎng)絡(luò)控制單元的邏輯設(shè)計(jì)、顯示屏界面設(shè)計(jì)。

3.1 ?仿真系統(tǒng)搭建

通過(guò)Matlab Simulink可實(shí)現(xiàn)圖形化建模[4]。以牽引系統(tǒng)為例，牽引系統(tǒng)Simulink模型由三部分組成：牽引電機(jī)功能模型、TCU模型及對(duì)外接口部分。牽引電機(jī)功能模型接收TCU模型發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩（目標(biāo)牽引力或電制力）信號(hào)，經(jīng)過(guò)該模塊內(nèi)部的計(jì)算，將與電機(jī)本體相關(guān)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)矩、電壓電流信號(hào)發(fā)送給CCU或TCU。

3.2 ?故障注入系統(tǒng)搭建

故障注入系統(tǒng)以串行的方式接入到傳輸線路中[5]，對(duì)整車的車輛網(wǎng)（采用MVB搭建）、列車網(wǎng)（采用WTB和以太網(wǎng)搭建）和機(jī)車數(shù)字輸入信號(hào)、模擬輸入信號(hào)燈信號(hào)做系統(tǒng)級(jí)的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)。其協(xié)議層是基于總線協(xié)議對(duì)故障進(jìn)行注入。通過(guò)故障注入管理軟件HiFIDS控制故障注入設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同的故障注入功能。故障注入管理軟件運(yùn)行于電腦或者工控機(jī)中。

故障注入設(shè)備首先采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行解析，然后根據(jù)上位機(jī)的協(xié)議層設(shè)置相關(guān)的故障類型注入故障;最后根據(jù)轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的波形，達(dá)到模擬網(wǎng)絡(luò)的物理層故障及模擬機(jī)車數(shù)字/模擬輸入故障等的目的。

通過(guò)此系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)/設(shè)備功能設(shè)計(jì)的缺陷，復(fù)現(xiàn)故障，協(xié)助故障定位等功能。

3.3 ?網(wǎng)絡(luò)控制單元邏輯程序

CAP1131完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制單元邏輯程序的編寫，包括接口部分、通信模塊部分、控制程序主體[6]。主要步驟如下：

（1）定義TCMS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置，包括CPU、擴(kuò)展I/O模塊、遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)模塊和各個(gè)子系統(tǒng)模塊。選擇CPU類型后，根據(jù)選擇的CPU類型系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載相應(yīng)的接口，如C_Bus接口、CAN接口、LBus通訊擴(kuò)展接口。

（2）調(diào)用軟件中自帶的通信功能塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制單元之間的通信。

（3）應(yīng)用程序組：頭文件定義或者聲明所有變量名稱及初值，聲明所用到的功能塊;程序主體即對(duì)各個(gè)功能塊（如TCU、ACU等模塊）進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的變量的狀態(tài)，完成運(yùn)行控制、計(jì)算功能、設(shè)備控制等功能。下圖4（右圖）即為里程計(jì)算的功能邏輯示意圖。

（4）任務(wù)組：定義程序組的執(zhí)行順序。

（5）編譯。如果編譯通過(guò)，導(dǎo)出變量表和后綴名為.asc的程序。將程序刷進(jìn)CCU。

3.4 ?顯示界面的實(shí)現(xiàn)

直接調(diào)用CAP1131工程中導(dǎo)出的變量表，完成顯示界面各個(gè)頁(yè)面的編程。界面主要功能是實(shí)時(shí)顯示車輛狀態(tài)信息、故障信息、狀態(tài)指示，并根據(jù)指示作出相應(yīng)的調(diào)整。通過(guò)按鈕可進(jìn)入子界面。顯示界面框架樹如圖4所示。將界面程序下載至HMI，通過(guò)以太網(wǎng)和CCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 ?結(jié)語(yǔ)

以HXD21000型機(jī)車為對(duì)象構(gòu)建了機(jī)車半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過(guò)對(duì)ACU、TCU、BCU的功能仿真，結(jié)合故障注入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車控制邏輯的全面測(cè)試。近兩年的投入使用，半實(shí)物仿真平臺(tái)為機(jī)車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證提供了良好的測(cè)試平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李美華， 矯德余， 孫昊雯. 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 鐵道機(jī)車車輛， 2018， 32（1）： 23-25.

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[3] 謝曲波， 胡志鵬， 黃彬. 機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的應(yīng)用[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車， 2018， 528（2）： 23-25.

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