多分辨率建模在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備仿真與測(cè)試中的應(yīng)用

宋海鋒，袁 磊2，呂繼東，劉 雨

(1.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044;2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱列控系統(tǒng))是保證現(xiàn)代高速列車行車安全、提高運(yùn)輸效率的核心[1]。CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備是列車控制系統(tǒng)的重要組成部分。隨著列車速度的提升，對(duì)列控系統(tǒng)車載設(shè)備各方面的要求也越來越高，因此在實(shí)際上線之前需要對(duì)其進(jìn)行充分的測(cè)試。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試具有很大的不便性，所以車載設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室的仿真測(cè)試起到了重大作用。

列控系統(tǒng)車載設(shè)備仿真測(cè)試過程牽涉到很多信息細(xì)節(jié)，為了使測(cè)試更加直觀，將其中測(cè)試信息以圖形顯示界面的方式呈現(xiàn)出來，在提高仿真逼真度的同時(shí)也提高了測(cè)試效率；然而如何合理地組織相關(guān)信息，在有限的顯示界面中能夠就技術(shù)人員關(guān)心的問題最大限度提供細(xì)節(jié)，為此，本文將多分率建模的思想應(yīng)用到顯示界面的設(shè)計(jì)中，并通過LabView進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果證明了該方法的可行性。

1 多分辨模型概述

人類對(duì)問題的認(rèn)知思維方式多種多樣，從不同的視角、不同的關(guān)心程度來分析和處理問題是一種常見的思維方式，尤其在處理較為復(fù)雜的問題時(shí)尤為重要。隨著現(xiàn)在系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，仿真在系統(tǒng)測(cè)試過程中起著無可替代的作用，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)中問題的關(guān)心程度不同，建立與之對(duì)應(yīng)的不同分辨率模型，并將各個(gè)不同的分辨率模型相互關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行仿真研究是復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真未來發(fā)展的一種趨勢(shì)[2]。

因此，多分辨率建模的思想在20世紀(jì)末成為建模與仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，成為今后復(fù)雜系統(tǒng)中分布式交互仿真的重點(diǎn)內(nèi)容之一。美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)認(rèn)為多分辨率建模是現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)所面臨的最基本的挑戰(zhàn)之一[2]。

在多分辨率建模研究過程中，建模方法是重點(diǎn)之一。到目前為止，國(guó)內(nèi)外提出的一些多分辨率建模方法主要有聚合解聚法、視點(diǎn)選擇法、多分辨率實(shí)休法、IHVR 法等[3-4]。

多分辨率在本文中的定義為：在建模、仿真過程中，以信息交互的細(xì)節(jié)層次不同為準(zhǔn)則，對(duì)列控系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)顯示界面建立多分辨率模型，這些不同分辨率的模型相互作用、協(xié)調(diào)運(yùn)行來完成顯示界面的仿真與測(cè)試工作，以達(dá)到提高仿真逼真度和提高測(cè)試效率的目的。

2 CTCS-3列控系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)圖形顯示界面設(shè)計(jì)的提出

在列控系統(tǒng)車載平臺(tái)測(cè)試中，是以測(cè)試序列的形式來對(duì)車載設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，車載設(shè)備本身就是一個(gè)實(shí)物的控制設(shè)備，而測(cè)試序列只是以數(shù)據(jù)庫(kù)形式存在[5]，這就使得在測(cè)試過程中不能直觀地看到現(xiàn)在車載設(shè)備是在什么情況下工作的。例如，現(xiàn)在列車的速度、制動(dòng)方式、所處區(qū)間等都不能單純地從車載設(shè)備上顯示出來；而現(xiàn)有的一些信息顯示方式依舊是以文本顯示為主體，不夠形象地展示列車、站場(chǎng)、線路的信息，不能完整地給用戶提供一個(gè)友好的人機(jī)交互界面。

因此，為了使測(cè)試更加直觀，有一個(gè)完整的圖形顯示界面是必須的，此界面除了可以完成以往信息顯示的全部工作外，還能提供動(dòng)態(tài)的動(dòng)畫顯示，支持序列測(cè)試的實(shí)時(shí)在線進(jìn)行和回放測(cè)試等功能。

3 多分辨率建模在圖形顯示界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖形顯示界面對(duì)整個(gè)過程中的信息交互和整體流程都有涉獵，如何組織這些信息，更加有效地呈現(xiàn)給測(cè)試者，是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)首要解決的問題。根據(jù)CTCS-3級(jí)列車控制系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)的整體構(gòu)架，以及圖形顯示界面在整個(gè)測(cè)試過程中的作用，結(jié)合多分辨建模進(jìn)行以下系統(tǒng)級(jí)分析。

3.1 圖形顯示界面的功能與車載測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

列控系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)圖像顯示界面的意義主要在于讓用戶可以不用了解復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)組成和數(shù)據(jù)傳輸方式，以及列控系統(tǒng)車載平臺(tái)的系統(tǒng)組成、車載設(shè)備的操作和分析，就可以清楚看到當(dāng)前測(cè)試序列的信息和車載設(shè)備的反應(yīng)。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備由ZPW-2000系列軌道電路、應(yīng)答器與軌旁電子單元(line side electronic unit，LEU)、列控中心、無線閉塞中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、GSM-R通信接口設(shè)備等組成；車載設(shè)備由車載安全計(jì)算機(jī)(vital computer,VC)、GSM-R無線通信單元、人機(jī)界面、軌道電路信息接收單元、應(yīng)答器信息傳輸模塊、記錄單元、列車接口單元等組成[5]。

車載測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 車載設(shè)備測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該車載測(cè)試平臺(tái)圖形顯示界面在完善整個(gè)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)的同時(shí)，使測(cè)試更加直觀明了地進(jìn)行。它可以在測(cè)試中提供測(cè)試序列的選擇、回放、實(shí)時(shí)展示等功能選擇操作，在測(cè)試序列測(cè)試過程中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前列車上電狀況、駕駛臺(tái)激活與否，以及可以以動(dòng)畫的形式顯示列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。例如當(dāng)實(shí)際列車速度越高時(shí)，在顯示界面上可以直觀地看到動(dòng)畫中的列車移動(dòng)速度變化，其余的速度、控制等級(jí)、關(guān)鍵步驟描述等信息都可以直觀地在界面上顯示。其次，RBC管轄顯示、RBC電臺(tái)切換、MA信息更新、無線消息更新功能，區(qū)間站場(chǎng)圖占用顯示、應(yīng)答器的出現(xiàn)和應(yīng)答器ID等所有的序列信息，都可以完整地給用戶呈現(xiàn)出來。

3.2 系統(tǒng)的成員劃分

整個(gè)車載設(shè)備測(cè)試過程中牽涉到的部件和元素十分復(fù)雜，在顯示界面中要一一將其包含在內(nèi)，因此需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分類，整體成員劃分如圖2所示。

圖2 不同分辨率成員劃分

在一個(gè)模型里，高、低分辨率對(duì)象的劃分是相對(duì)而言的。為了方便對(duì)列控系統(tǒng)車載設(shè)備的研究，對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)的組成部分進(jìn)行高、低分辨率成員的劃分。在對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)了解的基礎(chǔ)上，應(yīng)用部分分布式劃分成員的方法，針對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載測(cè)試平臺(tái)的獨(dú)特性，可以對(duì)CTCS-3級(jí)系統(tǒng)有個(gè)整體的成員劃分。低分辨率的對(duì)象在一個(gè)成員中實(shí)現(xiàn)，與之對(duì)應(yīng)的所有高分辨率的對(duì)象在另一個(gè)成員中實(shí)現(xiàn)。這樣對(duì)列控系統(tǒng)整體采用一致的成員劃分方式，既保證了模型的可重用，又方便模型的擴(kuò)展。

3.3 系統(tǒng)的多分辨率實(shí)現(xiàn)

整個(gè)圖形顯示界面主要分為5部分，文本信息顯示部分、功能選擇部分、RBC消息交互部分、列車動(dòng)畫顯示部分以及站場(chǎng)圖顯示部分。針對(duì)測(cè)試過程中，對(duì)列車、車載設(shè)備、地面設(shè)備以及車地信息交互過程的側(cè)重點(diǎn)和細(xì)節(jié)層次的不同，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像顯示界面建立基于多分辨率模型設(shè)計(jì)的框架。

本設(shè)計(jì)中依據(jù)測(cè)試序列中主要關(guān)注的車載設(shè)備的通信和控制層面的信息，來對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多分辨率的劃分。

例如，站場(chǎng)圖占用顯示，站場(chǎng)圖在一定程度上并不是車載設(shè)備測(cè)試過程中主要的測(cè)試參數(shù)，所以可以分別作為低分辨率對(duì)象來考慮；文本信息顯示的主要功能是提示當(dāng)前車載設(shè)備執(zhí)行的關(guān)鍵步驟，以文字的方式進(jìn)行顯示，較站場(chǎng)圖部分分辨率要求要高一個(gè)層次，在設(shè)計(jì)中劃分為中分辨率對(duì)象；列車動(dòng)畫顯示及RBC消息交互為車載設(shè)備測(cè)試中的重點(diǎn)內(nèi)容，涉及到車載設(shè)備與RBC的信息交互和車載設(shè)備控制反應(yīng)，因此劃分為高分辨率對(duì)象。

將整個(gè)系統(tǒng)劃分成為3種分辨率模型，其模型及應(yīng)用場(chǎng)合如圖3所示。

圖3 3種分辨率模型及功能

4 基于多分辨率建模的界面設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述劃分，具體細(xì)節(jié)包括如下部分。

4.1 低分辨率模型設(shè)計(jì)

地面線路情況顯示在測(cè)試中的主要目的是顯示站名、股道、正線、道岔及線路編號(hào)，顯示進(jìn)出站信號(hào)機(jī)燈位，但不顯示色燈的顏色。這些功能在一定程度上都是輔助測(cè)試工作，將其列為低分辨率模型設(shè)計(jì)的范疇，如圖4所示。

圖4 站場(chǎng)圖與區(qū)間占用

站場(chǎng)圖的顯示和切換，根據(jù)讀取列車現(xiàn)在所處的位置、車長(zhǎng)以及區(qū)間長(zhǎng)度和確定列車所在的區(qū)間。

當(dāng)列車初始上電啟動(dòng)時(shí)，讀取所處區(qū)間或者站場(chǎng)的公里標(biāo)，作為列車起始公里標(biāo)；當(dāng)列車位置發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)車頭所處位置，從區(qū)間信息數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取區(qū)間的具體信息，匹配區(qū)間占用位置去區(qū)間占用數(shù)。

線路信息數(shù)據(jù)庫(kù)為站場(chǎng)顯示和區(qū)間占用提供了數(shù)據(jù)信息，列車的位置信息由解析適配程序的速度消息中解析出來，共同完成區(qū)間占用顯示。

4.2 中分辨率模型設(shè)計(jì)

序列信息顯示(如圖5所示)用來顯示列車現(xiàn)在處于的狀態(tài)，以及關(guān)鍵步驟，較站場(chǎng)圖包含的信息量多，給測(cè)試者提供字面上的信息，劃分為中分辨率模型。主要包括以下部分，其部分子項(xiàng)和成員如圖6所示。

圖5 序列信息顯示

圖6 序列信息顯示部分子項(xiàng)和成員

行駛線路信息：描述列車當(dāng)前所處的運(yùn)營(yíng)狀況或運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，根據(jù)實(shí)際情況需要實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息刷新。

應(yīng)答器組信息：對(duì)當(dāng)前或者即將與列車進(jìn)行通信的應(yīng)答器組進(jìn)行描述，可顯示的內(nèi)容有應(yīng)答器組名稱、功能、應(yīng)答器個(gè)數(shù)。

關(guān)鍵步驟描述：當(dāng)測(cè)試平臺(tái)執(zhí)行到某一關(guān)鍵步驟時(shí)，展示界面的關(guān)鍵步驟描述框中即顯示出當(dāng)前正在執(zhí)行的關(guān)鍵步驟的描述信息，并在顯示數(shù)秒之后自動(dòng)消失。同時(shí)，列車會(huì)對(duì)應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵步驟的操作，實(shí)時(shí)顯示動(dòng)畫，如激活駕駛臺(tái)時(shí)列車車燈點(diǎn)亮等。

4.3 高分辨率模型設(shè)計(jì)

列車執(zhí)行序列情況所包含的列車相關(guān)響應(yīng)、軌旁相關(guān)和無線消息交互是整個(gè)測(cè)試過程中最關(guān)心的環(huán)節(jié)，需要將其中的每一個(gè)部分都在界面上顯示出來，提供詳細(xì)的測(cè)試信息供測(cè)試者參考，所以將其按照高分辨率模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。其部分子項(xiàng)和主要成員的關(guān)系如圖7所示。

圖7 高分辨率部分子項(xiàng)和成員

列車動(dòng)畫顯示包括列車狀態(tài)顯示、應(yīng)答器組信息顯示與解析、信號(hào)燈顯示與解析、列車運(yùn)行狀態(tài)、RBC顯示與切換、MA更新及過分相顯示。

其中，列車狀態(tài)顯示主要顯示車載設(shè)備一系列操作后的反應(yīng)。列車狀態(tài)包括列車上電、斷電、常用制動(dòng)與緊急制動(dòng)、過分相等幾個(gè)方面，駕駛臺(tái)的開啟與關(guān)閉，以及受電弓的升降；文本描述方面包括列車車次號(hào)、等級(jí)、模式、速度、制動(dòng)方式以及無線通信狀態(tài)；應(yīng)答器組信息包括應(yīng)答器的類別如為單組或多應(yīng)答器，同時(shí)解析NID_LRBG，將應(yīng)答器的內(nèi)容解析完畢后，傳遞給低中分辨率模型文本消息框進(jìn)行顯示；信號(hào)燈顯示與解析為當(dāng)列車處在CTCS-2級(jí)時(shí)，在車尾顯示機(jī)車信號(hào)，如L5、HU等，處在CTCS-3級(jí)時(shí)不予顯示，機(jī)車信號(hào)設(shè)置為滿足列車在測(cè)試序列中遇到CTCS-3級(jí)與CTCS-2級(jí)之間轉(zhuǎn)換的功能測(cè)試列車在CTCS-2級(jí)下運(yùn)行時(shí)，通過解析軌道電路碼，獲取色燈信號(hào)狀態(tài)燈；RBC顯示與切換包括RBC顯示當(dāng)前所管轄的列車ID、RBC編號(hào)，以及RBC切換時(shí)動(dòng)態(tài)顯示；MA為車載提供的信息以消息和信息包的形式進(jìn)行傳輸，車載解包后讀出消息中的內(nèi)容，引導(dǎo)列車行車。

無線消息交互為車載設(shè)備測(cè)試過程中一個(gè)重要部分，車地之間的消息傳輸是否正確直接關(guān)系著測(cè)試的結(jié)果，將RBC消息交互作為高分辨率模型來設(shè)計(jì)，符合實(shí)際的測(cè)試需求。

5 基于LabView虛擬儀器仿真實(shí)現(xiàn)

在完成系統(tǒng)級(jí)的多分辨率模型劃分后，要仿真實(shí)現(xiàn)上述的要求，考慮到整個(gè)系統(tǒng)邏輯關(guān)系十分復(fù)雜，界面元素豐富廣泛，如果使用普通的高級(jí)語言進(jìn)行編程仿真，代碼工作量將會(huì)非常巨大，短時(shí)間內(nèi)很難完成系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試；而選用虛擬儀器的LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，將會(huì)大大縮短開發(fā)過程[6]，以形象的G語言的形式來完成邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)和界面元素的布局、控制，顯示界面的驅(qū)動(dòng)程序等也將比普通的高級(jí)語言方便得多。

按照多分辨率建模的規(guī)劃，結(jié)合LabView自身特點(diǎn)，最終仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 整體界面仿真顯示

從仿真結(jié)果分析可以看出，根據(jù)多分辨率建模方法設(shè)計(jì)的圖形顯示界面，要點(diǎn)顯示清晰，可以準(zhǔn)確完備地分析仿真測(cè)試的結(jié)果。同時(shí)，可以看出多分辨率建模在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)上應(yīng)用有著明顯的優(yōu)勢(shì)，既可簡(jiǎn)化人們對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的理解，又利于研發(fā)人員對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)仿真與測(cè)試的進(jìn)行，同時(shí)顯現(xiàn)出了所建模型的可重用性、互操作性等優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)束語

本文重點(diǎn)研究了列控車載設(shè)備仿真與測(cè)試過程中需要關(guān)心內(nèi)容的整合過程，基于多分辨率建模的思想，對(duì)界面的需求進(jìn)行規(guī)范深入的分析，研究了不同分辨率下建模的具體實(shí)現(xiàn)，從高、中、低3個(gè)分辨率層次將測(cè)試的重點(diǎn)內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，加快了開發(fā)進(jìn)度的同時(shí)使得測(cè)試重點(diǎn)更加突出。LabView實(shí)際仿真實(shí)現(xiàn)的結(jié)果表明，本文所述方法很好地滿足了實(shí)際的測(cè)試需求。

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