城市軌道交通車(chē)載列車(chē)自動(dòng)防護(hù)設(shè)備仿真檢測(cè)平臺(tái)研究

張 凱 馮 虎 廖湘華

（1.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上海；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上?！蔚谝蛔髡?，助理工程師）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是保證列車(chē)運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備，其技術(shù)含量高、研制難度大，是實(shí)現(xiàn)裝備制造國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵。信號(hào)系統(tǒng)一般包括列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）等子系統(tǒng)。其中ATS技術(shù)較早為國(guó)內(nèi)所掌握，當(dāng)前眾多國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)正開(kāi)展ATP、ATO技術(shù)的研究。仿真是一種對(duì)新設(shè)備測(cè)試檢驗(yàn)的有效手段。通過(guò)對(duì)要測(cè)試設(shè)備的外圍環(huán)境進(jìn)行模擬和控制，可以進(jìn)行多方面的性能測(cè)試和調(diào)試。本文研究利用LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)車(chē)載ATP設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)的技術(shù)和方法。實(shí)踐證明其具有高效、靈活、低成本的特點(diǎn)［1］。

1 車(chē)載ATP設(shè)備仿真測(cè)試需求

ATP子系統(tǒng)具有檢測(cè)列車(chē)位置，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行安全間隔控制，監(jiān)督列車(chē)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)列車(chē)超速防護(hù)控制，防止列車(chē)誤退行等非預(yù)期移動(dòng)，為列車(chē)車(chē)門(mén)、站臺(tái)屏蔽門(mén)等的開(kāi)閉提供安全監(jiān)控信息等功能。不同制式的信號(hào)系統(tǒng)，其車(chē)地之間的通信方式、通信內(nèi)容有很大不同。本仿真檢測(cè)平臺(tái)是針對(duì)采用歐式信標(biāo)和里程計(jì)、用數(shù)字軌道電路傳遞機(jī)車(chē)信號(hào)的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)制式。車(chē)載ATP設(shè)備接口示意如圖1所示。

圖1 車(chē)載ATP設(shè)備接口示意圖

仿真測(cè)試平臺(tái)是對(duì)車(chē)載ATP設(shè)備外部的對(duì)接設(shè)備及其關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為車(chē)載ATP設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供室內(nèi)運(yùn)行調(diào)試環(huán)境，對(duì)其室內(nèi)系統(tǒng)驗(yàn)證過(guò)程提供計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試工具。由圖1可見(jiàn)，仿真測(cè)試平臺(tái)需要仿真的有里程計(jì)、列車(chē)信號(hào)、信標(biāo)、列車(chē)信息管理系統(tǒng)（TIMS）和驅(qū)動(dòng)繼電器的信號(hào)。其中里程計(jì)和信標(biāo)共同實(shí)現(xiàn)列車(chē)的測(cè)速和定位功能。仿真檢測(cè)平臺(tái)所仿真的編碼里程計(jì)根據(jù)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生4路有不同相位的脈沖信號(hào)，車(chē)載ATP可據(jù)此計(jì)算出列車(chē)的位移和方向。歐式信標(biāo)則在列車(chē)的信標(biāo)天線接近時(shí)產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的FSK（頻移鍵控）調(diào)制信號(hào)，并在信標(biāo)天線通過(guò)其正上方時(shí)產(chǎn)生電平突變的脈沖信號(hào)TopLoc；車(chē)載ATP可根據(jù)調(diào)解出的信號(hào)ID（標(biāo)識(shí)號(hào)）和信標(biāo)的中心位置，實(shí)現(xiàn)列車(chē)在線路地圖中的精確定位。數(shù)字軌道和傳輸環(huán)線所傳輸?shù)牧熊?chē)信號(hào)則包括了所在區(qū)段的線路地圖和區(qū)域控制器所產(chǎn)生的速度限制，采用了CPFSK（連續(xù)相位頻移鍵控）調(diào)制信號(hào)。繼電器信號(hào)本身是高低電平信號(hào)，可以歸類(lèi)為脈沖信號(hào)。TIMS則采用了串行接口和車(chē)載ATP設(shè)備進(jìn)行通信。

2 仿真檢測(cè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)仿真測(cè)試平臺(tái)由仿真機(jī)和終端機(jī)兩部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真機(jī)主要負(fù)責(zé)場(chǎng)景仿真、信號(hào)I／O（輸入／輸出）及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的PXI系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。終端主要負(fù)責(zé)用戶操作、信息呈現(xiàn)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以部署在普通個(gè)人電腦或工控機(jī)上。終端機(jī)和仿真機(jī)之間的通信通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行。

本仿真檢測(cè)平臺(tái)的軟件可以劃分為數(shù)據(jù)層、仿真層和用戶界面（UI）層。數(shù)據(jù)層（存在于仿真機(jī)上和終端機(jī)上）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、訪問(wèn)、同步、通信功能。仿真層負(fù)責(zé)嚴(yán)格定時(shí)、同步、實(shí)時(shí)處理和車(chē)載ATP接口仿真功能。UI層負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)的用戶控制（即人工界面操作）和界面顯示功能。

原則上仿真層與被測(cè)設(shè)備通過(guò)二者之間的仿真接口就構(gòu)成了完整的閉環(huán)系統(tǒng)。但是，為了測(cè)試平臺(tái)能透視和（或）截獲被測(cè)設(shè)備內(nèi)部及（或）中間環(huán)節(jié)的信息，以供人工分析和判別，數(shù)據(jù)層還接收被測(cè)車(chē)載ATP設(shè)備單向反饋的信息。這里“單向”是指車(chē)載ATP設(shè)備可以向測(cè)試平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，但反向不可。

數(shù)據(jù)層還使得各功能模塊的動(dòng)態(tài)加載成為可能。例如，無(wú)論UI層運(yùn)行與否，只要仿真層賴以運(yùn)行的數(shù)據(jù)存在，則仿真機(jī)就可與被測(cè)車(chē)載ATP設(shè)備構(gòu)成一個(gè)封閉的運(yùn)行系統(tǒng)，即車(chē)載ATP設(shè)備具備了室內(nèi)運(yùn)行條件。在仿真層運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)可加載UI層的功能模塊、流程控制腳本程序，不需中斷仿真層的運(yùn)行。

圖2 仿真測(cè)試平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)期以來(lái)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)都是為特定的應(yīng)用采用專(zhuān)門(mén)的硬件和軟件。盡管這種做法存在成本高、擴(kuò)展性差和特定應(yīng)用限制等缺點(diǎn)，但仍然被選用。然而，隨著科技的不斷進(jìn)步，商業(yè)化的測(cè)試技術(shù)性能已經(jīng)趕上甚至超過(guò)了專(zhuān)用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的性能。功能齊全的硬件和軟件架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)到高度自動(dòng)化生產(chǎn)的應(yīng)用，而且具有更快的開(kāi)發(fā)速度、更低的成本。

PXI規(guī)格于1998年正式制定。它具有完整的硬件和軟件相容規(guī)范，可以滿足絕大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，并充分利用了計(jì)算機(jī)PCI總線架構(gòu)。PXI規(guī)格在硬件模塊易于裝卸的前提下提供了優(yōu)良的機(jī)械整合性。其規(guī)范的開(kāi)放性可以組成模塊化的測(cè)試系統(tǒng)，不同平臺(tái)的儀器也能容易地集成到PXI的測(cè)試系統(tǒng)。鑒于此，仿真機(jī)選用NI公司生產(chǎn)的PXI系列設(shè)備，包括控制器和若干塊（種）模塊化儀器，使用 LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境［2］進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabVIEW軟件使用圖形化編輯語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制程序，可以方便地建立各種虛擬儀器，模擬出被測(cè)設(shè)備所需要的各種信號(hào)。仿真機(jī)的控制器上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)LabVIEW RT，數(shù)據(jù)采用文件方式存儲(chǔ)。LabVIEW、LabVIEW Real－Time模塊以及RT系列硬件，為數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)帶來(lái)可靠確定的實(shí)時(shí)性能。本仿真檢測(cè)平臺(tái)所采用硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于PXI設(shè)備輸入、輸出脈沖信號(hào)的電平為5 V，車(chē)載ATP設(shè)備輸入信號(hào)電壓一般高于此值（典型系統(tǒng)為24V），因此信號(hào)交互之前需要經(jīng)過(guò)低、高電平轉(zhuǎn)換；同時(shí)PXI設(shè)備所輸出的FSK等調(diào)制信號(hào)為單端信號(hào)，需要進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換。為此，自制信號(hào)調(diào)理模塊，包括差分轉(zhuǎn)換器和高低電平轉(zhuǎn)換器。

圖3 仿真檢測(cè)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本仿真檢測(cè)平臺(tái)采用以數(shù)據(jù)交換而不是以邏輯控制為中心的設(shè)計(jì)思路，來(lái)劃分子系統(tǒng)和子系統(tǒng)內(nèi)部的模塊。各功能模塊通過(guò)共享數(shù)據(jù)來(lái)互相耦合，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)在靈活性上的要求。以下分為數(shù)據(jù)層、UI層、仿真層三個(gè)方面來(lái)描述軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)裝載一般發(fā)生在仿真檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行的初始化階段，從離線配置文件中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存（即數(shù)據(jù)池中的靜態(tài)數(shù)據(jù)）中。

數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)分布在終端機(jī)和仿真機(jī)上。數(shù)據(jù)池中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和功能性全局變量。功能性全局變量也是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，主要用于同一機(jī)器上功能模塊之間的共享數(shù)據(jù)，故單獨(dú)列出。從線路地圖研究中可知，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)往往與靜態(tài)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。把同一對(duì)象的各屬性按分類(lèi)分別存儲(chǔ)，以改善訪問(wèn)性能。

仿真機(jī)或終端機(jī)上的各功能模塊大多并行運(yùn)行，因此通過(guò)數(shù)據(jù)而不是控制傳遞來(lái)互相藕合協(xié)調(diào)。主要采用以下形式：

1）直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)——對(duì)于較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（例如數(shù)組、結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)池提供對(duì)單個(gè)元素進(jìn)行訪問(wèn)的方法。

2）事件——這主要用于UI中對(duì)控件操作的響應(yīng)處理。

3）隊(duì)列——這主要用于終端機(jī)上兩模塊間需要傳遞不可丟失的數(shù)據(jù)。

4）FIFO（先入先出緩沖區(qū)）——這主要用于仿真機(jī)上兩模塊間需要傳遞不可丟失的數(shù)據(jù)。

5）通知——這主要用于仿真機(jī)上相關(guān)模塊間的互相同步。

終端機(jī)與仿真機(jī)之間的信息交換，即終端機(jī)數(shù)據(jù)池與仿真機(jī)數(shù)據(jù)池之間的信息交換，采用網(wǎng)絡(luò)共享變量，或網(wǎng)絡(luò)FIFO的形式。仿真機(jī)、終端機(jī)的網(wǎng)絡(luò)同步模塊把自身數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)周期性地復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)共享變量或網(wǎng)絡(luò)FIFO中，LabVIEW RT引擎將自動(dòng)把網(wǎng)絡(luò)共享變量或網(wǎng)絡(luò)FIFO傳遞到終端機(jī)、仿真機(jī)上。

各功能模塊不得直接訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)共享變量和網(wǎng)絡(luò)FIFO，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步模塊來(lái)有效地隔離網(wǎng)絡(luò)傳遞的抖動(dòng)性，并避免終端機(jī)干擾仿真機(jī)的可能性。網(wǎng)絡(luò)同步模塊的周期性還確保了數(shù)據(jù)傳遞在終端機(jī)數(shù)據(jù)池與仿真機(jī)數(shù)據(jù)池之間的這一段時(shí)間延遲的固定性。由于各功能模塊訪問(wèn)數(shù)據(jù)池也具有周期性，確保了從數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)池、從數(shù)據(jù)池到數(shù)據(jù)目的地的時(shí)間延遲也是固定的，因此，從數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目的地的時(shí)間延遲是固定的。

2.3.2 UI層

UI層運(yùn)行在終端機(jī)上，主要分為仿真機(jī)中各功能模塊的UI、駕駛臺(tái)、線路地圖三大塊。

為了確保仿真機(jī)的實(shí)時(shí)性，把各仿真功能模塊都切割成兩部分：窗口界面和邏輯處理。窗口界面運(yùn)行在終端機(jī)上，邏輯處理運(yùn)行在仿真機(jī)上。窗口界面與邏輯處理之間的通信鏈為“數(shù)據(jù)池－網(wǎng)絡(luò)同步模塊－網(wǎng)絡(luò)共享變量或網(wǎng)絡(luò)FIFO、網(wǎng)絡(luò)同步模塊－數(shù)據(jù)池”，為避免窗口界面影響邏輯處理的性能，沒(méi)有使用LabVIEW RT所支持的“前面板通信”方式。

駕駛臺(tái)匯集了仿真功能模塊UI中比較常用的控件，顯示線路地圖，實(shí)時(shí)繪制出實(shí)際速度線、輸出速度線及反饋速度線，捕獲線路設(shè)備的操作，并刷新設(shè)備狀態(tài)顯示。

2.3.3 仿真層

仿真層主要有牽引與制動(dòng)、列車(chē)定位、信標(biāo)天線、脈沖輸出、列車(chē)信號(hào)接收線圈、數(shù)字I／O、TIMS等模塊。其中里程計(jì)、信標(biāo)天線模塊的外部輸出是匯聚到“脈沖輸出”這個(gè)模塊后一起同步輸出的。牽引控制模塊計(jì)算列車(chē)的運(yùn)行和所處位置，向其它各個(gè)軌旁設(shè)備模塊發(fā)出同步通知。在此對(duì)部分模塊的工作機(jī)制進(jìn)行介紹（其中，機(jī)車(chē)信號(hào)接受線圈模塊工作機(jī)制與信標(biāo)天線模塊類(lèi)似）。

1）牽引控制模塊：牽引與制動(dòng)模塊周期性地讀取仿真機(jī)數(shù)據(jù)池中的牽引與制動(dòng)加速率、坡度、是否緊急制動(dòng)等信息，來(lái)計(jì)算實(shí)際脈沖數(shù)、齒號(hào)、方向、加速率、速率、列車(chē)橫坐標(biāo)等，并存到數(shù)據(jù)池中。系統(tǒng)仿真了影響列車(chē)行駛的各種力量，包括牽引力、重力軌道分量、制動(dòng)力、軌道磨擦力和空氣阻力，以便仿真列車(chē)后退以及測(cè)試車(chē)載設(shè)備對(duì)坡度的處理。

牽引與制動(dòng)模塊將根據(jù)列車(chē)虛擬運(yùn)行的精確位置，直接計(jì)算編碼里程計(jì)的各路脈沖值，并決定是否向信標(biāo)天線模塊、列車(chē)信號(hào)接收線圈（包括線圈數(shù)據(jù)預(yù)備、CPFSK調(diào)制、CPFSK輸出子模塊等）發(fā)送同步指令及指令內(nèi)容。牽引控制模塊算法流程見(jiàn)圖4所示。為了仿真打滑、空轉(zhuǎn)、鎖軸等車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)與列車(chē)實(shí)際位移不一致的情況，還設(shè)置了里程計(jì)脈沖值調(diào)整子模塊。當(dāng)此模塊激活時(shí)，對(duì)計(jì)算脈沖進(jìn)行相應(yīng)的延遲或其它處理。

2）列車(chē)定位模塊：列車(chē)定位模塊周期性地從仿真機(jī)數(shù)據(jù)池中讀取實(shí)際橫坐標(biāo)及線路圖中的上下文信息，計(jì)算列車(chē)的實(shí)際位置、坡度，以及當(dāng)前和前方的信標(biāo)、當(dāng)前和前方的軌道電路載頻。

3）脈沖輸出模塊：該模塊包括高速數(shù)字合成模塊和高速數(shù)字輸出模塊。仿真機(jī)所產(chǎn)生的各種脈沖值并不單獨(dú)立即輸出，而是以功能性全局變量的形式存儲(chǔ)在仿真機(jī)數(shù)據(jù)池中；由高速數(shù)字合成子模塊周期性地將各個(gè)脈沖值合成為一個(gè)32位的數(shù)字，每隔一預(yù)定時(shí)間段后，將該數(shù)字插入到FIFO存儲(chǔ)器中。高速數(shù)字I／O子模塊則負(fù)責(zé)將其中的數(shù)字提交給高速數(shù)字I／O板卡發(fā)送給車(chē)載設(shè)備。高速數(shù)字合成子模塊與高速數(shù)字I／O子模塊將形成一個(gè)閉環(huán)控制，使得這個(gè)FIFO中元素進(jìn)出保持平衡。

圖4 牽引控制模塊算法流程圖

4）信標(biāo)天線模塊：信標(biāo)天線模塊由天線數(shù)據(jù)預(yù)備、中心脈沖計(jì)算子模塊、FSK、FSK輸出子模塊等構(gòu)成。當(dāng)天線數(shù)據(jù)預(yù)備子模塊監(jiān)視到當(dāng)前信標(biāo)和（或）前方信標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，則從仿真機(jī)數(shù)據(jù)池中提取新信標(biāo)的數(shù)據(jù)，組裝為相應(yīng)的信標(biāo)數(shù)據(jù)幀。中心脈沖計(jì)算子模塊根據(jù)牽引與制動(dòng)模塊的同步指令啟動(dòng)、終止計(jì)算天線數(shù)據(jù)預(yù)備子模塊預(yù)備的某一數(shù)據(jù)幀的脈沖值。FSK調(diào)制子模塊根據(jù)牽引與制動(dòng)模塊的同步指令啟動(dòng)、終止對(duì)天線數(shù)據(jù)預(yù)備模塊預(yù)備的“某一”信標(biāo)數(shù)據(jù)幀的調(diào)制過(guò)程。其調(diào)制出的FSK調(diào)制信號(hào)將通過(guò)相應(yīng)的FIFO存儲(chǔ)器傳到FSK輸出子模塊，從而發(fā)給被測(cè)車(chē)載ATP設(shè)備。FSK調(diào)制子模塊與FSK輸出子模塊不需要閉換控制，因?yàn)楫?dāng)列車(chē)距離信標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，F(xiàn)SK輸出模塊不需輸出信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

本仿真檢測(cè)平臺(tái)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，根據(jù)準(zhǔn)移動(dòng)制式信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)了車(chē)載ATP設(shè)備的仿真檢測(cè)平臺(tái)。仿真檢測(cè)平臺(tái)模擬了車(chē)載設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)試運(yùn)行和檢測(cè)；開(kāi)發(fā)采用了商業(yè)PXI硬件平臺(tái)和圖形化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，有效地降低了開(kāi)發(fā)難度，提高了開(kāi)發(fā)效率。仿真檢測(cè)平臺(tái)各模塊之間并行運(yùn)行，其應(yīng)用具有可選性，且易于擴(kuò)展和改造。仿真檢測(cè)平臺(tái)已應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試中，有效地促進(jìn)了車(chē)載ATP設(shè)備的開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本［1］。

［1］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備和ATS技術(shù)研究報(bào)告［R］.上海：上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，2010.

［2］Johnson G W.LabVIEW graphical programming：practical applications in instrumentation and control［M］.Texas.USA：McGraw－Hill School Education Group，2006.