列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實物仿真平臺設(shè)計及應(yīng)用*

李美華， 矯德余， 孫昊雯

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司， 遼寧大連 116052)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)用于監(jiān)控車載牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和列車內(nèi)各主要設(shè)備的狀態(tài),實現(xiàn)車輛的管理、監(jiān)視和診斷功能。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為軌道交通裝備的神經(jīng)和大腦，其運行的可靠性關(guān)系著列車的行車安全及人們的生命財產(chǎn)安全。如有不慎，很可能造成無法挽回的損失和災(zāi)難。因此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在正式運營之前，必須對其進(jìn)行充分的測試驗證。然而整車的動靜態(tài)調(diào)試階段主要是各個子系統(tǒng)設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與車體網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)配合的調(diào)試過程，而非一個幫助各個子系統(tǒng)查找錯誤的過程。因此，急需一套高效可靠的地面測試系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。

1 半實物仿真平臺設(shè)計

1.1 設(shè)計需求分析

通過分析目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)裝車前功能測試方法的優(yōu)缺點，可以明確在平臺設(shè)計中應(yīng)揚長避短，設(shè)計的測試平臺應(yīng)具有以下特點：一是測試平臺能真實地模擬列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工作狀況；二是測試平臺的測試過程操作方便，方便專業(yè)測試人員的介入；三是測試過程無需協(xié)調(diào)他方，能進(jìn)行靈活自由的測試。

半實物仿真技術(shù)作為將物理仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合的一種仿真技術(shù)，它比數(shù)字仿真更接近于真實情況，又能解決一些物理仿真無法模擬的問題。半實物仿真作為替代真實環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法，既提高了仿真的逼真性，又解決了以前存在于系統(tǒng)中的許多復(fù)雜建模難題。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

借助于半實物仿真技術(shù)的設(shè)計思想，構(gòu)建一個列車網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺用于對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的車輛控制單元(VCU)功能及網(wǎng)絡(luò)通信狀況進(jìn)行測試。設(shè)計中，對于被測單元VCU、司控臺、遠(yuǎn)程輸入輸出單元(RIOM)、顯示屏(DDU)等模塊以實物形式接入仿真回路中，而對于牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等體積較為龐大的子系統(tǒng)以數(shù)學(xué)仿真模型運行于仿真機(jī)的形式接入仿真回路中，系統(tǒng)方案設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺設(shè)計原理圖

1.3 具體實現(xiàn)

根據(jù)平臺設(shè)計原理圖，仿真機(jī)、VCU、RIOM和DDU之間通過MVB總線相連，它們之間是通過MVB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；上位機(jī)(建模工具和監(jiān)控軟件)通過以太網(wǎng)線與仿真機(jī)相連；司控臺和FlexI/O之間，F(xiàn)lexI/O與RIOM之間通過硬線相連。FlexI/O用于將采集到的硬線信號進(jìn)行調(diào)理之后發(fā)送給RIOM單元的DI或AI模塊進(jìn)行采集；同時接收RIOM單元的DO或AO模塊發(fā)出的硬線信號。因為在利用半實物仿真平臺進(jìn)行不同項目的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)測試時，各個項目的司控臺的硬線信號在RIOM中的具體通道會有所不同，導(dǎo)致硬線接到RIOM單元的連接方式也會不同，因此在每進(jìn)行一個項目的仿真時就需要改變一次硬線連接。為了避免這種反復(fù)接線的問題，可以通過在FlexI/O模塊中調(diào)整采集到的相關(guān)硬線信號的順序使其與項目中RIOM單元的數(shù)據(jù)通道相對應(yīng)從而達(dá)到避免重新連接硬線的目的。

上位機(jī)中以MATLAB/Simulink軟件作為前端仿真建模工具，用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)的模型搭建及模型代碼的生成和下載；上位機(jī)中還運行實驗監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對實時仿真測試進(jìn)行項目管理、試驗啟?？刂?、測試參數(shù)輸入、反饋變量監(jiān)控以及試驗數(shù)據(jù)記錄等功能。仿真機(jī)選用的是能與MATLAB/Simulink實現(xiàn)無縫連接的NI PXI-8109仿真機(jī)，用于運行各子系統(tǒng)仿真模型的可執(zhí)行目標(biāo)代碼。VCU機(jī)箱用于運行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的被測主控程序，RIOM機(jī)箱用于采集司控臺發(fā)出的硬線控制信號。

平臺中還引入了故障注入模塊，對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)施加干擾，用于模擬車輛運行過程中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)受到的來自噪聲和振動方面的干擾。該模塊由干擾注入硬件板卡和試驗軟件兩部分組成，其中干擾注入硬件板卡用于產(chǎn)生干擾信號并注入到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中；而試驗軟件則用于控制產(chǎn)生干擾的類型，干擾的啟停時間和產(chǎn)生時長。

2 半實物仿真平臺應(yīng)用

2.1 仿真測試流程

在使用網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺進(jìn)行仿真測試時，測試人員一般需進(jìn)行以下幾個步驟：測試分析與設(shè)計，測試用例設(shè)計，離線模型搭建、編譯、自動代碼生成，監(jiān)控界面的設(shè)計，模型鏈接下載，在線仿真試驗等。仿真平臺的仿真測試流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺測試流程圖

2.2 模型搭建

測試開發(fā)人員利用網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺進(jìn)行測試時，需要為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的非實物部分的各個子系統(tǒng)搭建仿真模型。模型的搭建過程如圖3所示。

以基于MVB的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行模型搭建的介紹。在模型搭建過程中分析MVB網(wǎng)絡(luò)的通信特點，利用Simulink自定義了MVB初始化模塊、MVB接收模塊及MVB發(fā)送模塊，仿真子系統(tǒng)模型主要圍繞這3個模塊進(jìn)行搭建。首先根據(jù)被測VCU的MVB數(shù)據(jù)流，利用相關(guān)軟件生成適用于Simulink的.xml格式的數(shù)據(jù)流文件，并導(dǎo)入MVB初始化模塊中。然后通過分析VCU與子系統(tǒng)之間的通信機(jī)制和功能特點，使子系統(tǒng)經(jīng)過邏輯處理后的數(shù)據(jù)由子系統(tǒng)MVB發(fā)送模塊發(fā)出，經(jīng)VCU邏輯處理后的相應(yīng)反饋數(shù)據(jù)由子系統(tǒng)MVB接收模塊接收，最后將接收到的反饋數(shù)據(jù)與期望值作比較。在搭建好模型后還需進(jìn)行相關(guān)的配置，包括選擇.tlc文件、設(shè)置模型仿真步長、仿真時間、仿真機(jī)目標(biāo)IP地址等，目的是為了能夠生成可在仿真機(jī)中運行的目標(biāo)模型代碼。例如，當(dāng)模擬牽引系統(tǒng)與VCU進(jìn)行通信及功能交互時，搭建的牽引系統(tǒng)模型包括3部分，信號接收模塊、邏輯功能模塊和信號發(fā)送模塊。其中邏輯功能模塊依據(jù)牽引系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯功能進(jìn)行搭建，主要完成電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、不同牽引級位下牽引力和牽引制動力、逆變電流等的模擬。牽引系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖3 Simulink模型搭建流程圖

圖4 牽引系統(tǒng)模型

2.3 測試界面設(shè)計

模型編譯下載后會生成.Sim文件，通過測試監(jiān)控軟件打開后，可實現(xiàn)仿真模型與測試監(jiān)控軟件的同步對應(yīng)。在監(jiān)控軟件中可進(jìn)行加載模型，啟動模型，停止模型等操作。而測試數(shù)據(jù)的輸入以及反饋變量的監(jiān)控和測試結(jié)果顯示等操作則需要在測試監(jiān)控軟件的控制頁面Panel中進(jìn)行。因此進(jìn)行測試之前首先需要對監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計，向頁面中添加與布局控件，將模型變量與控件關(guān)聯(lián)等操作完成，如圖5所示。

監(jiān)控界面中，在試驗狀態(tài)下可對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整從而實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的輸入，而對于測試結(jié)果的顯示則通過將反饋變量與期望值的比較結(jié)果與指示燈顯示控件關(guān)聯(lián)實現(xiàn)，如對比結(jié)果匹配，則指示燈亮；不匹配，則指示燈滅。

圖5 測試監(jiān)控頁面

2.4 應(yīng)用

該網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)外一些城軌地鐵項目的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的裝車前功能測試，使得在后期的整車靜動態(tài)調(diào)試過程中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的差錯率明顯降低，提高了靜動態(tài)調(diào)試效率，大大節(jié)省了調(diào)試投入的人力和物力成本。該平臺還廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)升級過程中的邏輯功能驗證以及運營維護(hù)過程中的故障復(fù)現(xiàn)，便于查找程序BUG。

3 技術(shù)特點

相較于傳統(tǒng)測試方法,該網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺具有以下技術(shù)特點和創(chuàng)新點：

(1) 能夠逼真地模擬列車實際運行狀況，使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的測試結(jié)果更加真實準(zhǔn)確。

(2) 測試界面友好，利于測試參數(shù)的輸入和測試結(jié)果的監(jiān)測。

(3) 利于對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開展客觀，嚴(yán)格的獨立測試，保證測試結(jié)果的客觀性。

(4) 模塊化仿真模型技術(shù)的采用利于各仿真測試項目之間模型的借用和移植，縮短了仿真系統(tǒng)測試模型搭建的周期。

(5) 提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試的效率，利于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的功能升級維護(hù)，提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。

4 結(jié)束語

設(shè)計實現(xiàn)了一套網(wǎng)絡(luò)半實物仿真測試平臺，用于對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的功能測試。該測試平臺在充分吸收傳統(tǒng)測試方法優(yōu)點的基礎(chǔ)之上，有效地解決傳統(tǒng)測試方法存在的問題，不僅逼真的模擬列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運行狀況，而且使整個測試過程操作方便，易于執(zhí)行，能讓開發(fā)方有足夠的時間對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開展靈活充分的測試，提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。網(wǎng)絡(luò)半實物仿真測試的測試方法將是未來網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能測試的發(fā)展趨勢。

[1] 黃根生,趙紅衛(wèi),王欣,等.CRH3動車組半實物仿真測試臺通信的設(shè)計與實現(xiàn)[J].鐵道機(jī)車車輛,2014,24(2):5-9,69.

[2] 王江,付文麗,等.基于MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真權(quán)威指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 黃建強(qiáng),鞠建波.半實物仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].艦船電子工程，2011,31(7):5-7,25.

[4] 薛定宇,陳泉陽.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M](第2版).北京:清華大學(xué)出版社，2010.