信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)的仿真測(cè)試方法研究*

周庭梁 張兵建 趙時(shí)旻

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804，上海;2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上?！蔚谝蛔髡?，博士研究生)

1 城市軌道交通信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)的仿真測(cè)試研究背景

在城市軌道交通領(lǐng)域，隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“運(yùn)控系統(tǒng)”)發(fā)展很快，功能越來(lái)越復(fù)雜，性能要求越來(lái)越高，對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)本身的功能和性能評(píng)估也隨之變得越來(lái)越困難。

作為整個(gè)運(yùn)控系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)輔助系統(tǒng)，信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)(MSS)［1］需要與所有運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備(包括車載、軌旁、控制中心的控制設(shè)備，以及通信系統(tǒng)設(shè)備等)接口通信。目前主要通過(guò)利用真實(shí)的設(shè)備來(lái)進(jìn)行故障模擬和性能測(cè)試，其代價(jià)較高，環(huán)境搭建過(guò)程復(fù)雜，并且受制于真實(shí)設(shè)備數(shù)量，能夠模擬的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境范圍有限，難以滿足產(chǎn)品性能測(cè)試需求。如何采用仿真方法來(lái)模擬逼真的運(yùn)控系統(tǒng)環(huán)境，用于MSS 系統(tǒng)的測(cè)試，以及如何有效地確保仿真測(cè)試的性能，成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題和研究方向。

國(guó)外一些廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了針對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)的仿真測(cè)試工具，比如西門子公司的VICOS(車輛和基礎(chǔ)設(shè)施控制和操作系統(tǒng))T＆S 仿真系統(tǒng)可用來(lái)培訓(xùn)駕駛員和進(jìn)行仿真;阿爾斯通公司的FIVP(工廠集成)測(cè)試平臺(tái)，用來(lái)對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)集成及測(cè)試。國(guó)內(nèi)對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)的仿真研究開(kāi)始于20 世紀(jì)80年代，雖起步較晚，但也有些具有針對(duì)性的仿真系統(tǒng)。

本文對(duì)城市軌道交通運(yùn)控系統(tǒng)的各車載、軌旁等子系統(tǒng)維護(hù)接口做了分析研究，針對(duì)仿真測(cè)試系統(tǒng)通常面臨的性能瓶頸問(wèn)題(即有限的硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，盡可能地滿足仿真容量要求)，通過(guò)引入隨機(jī)篩選調(diào)度算法，有選擇性地丟棄一定比例的信息，達(dá)到類似于擁塞控制的效果，確保能仿真出足夠數(shù)量的信號(hào)設(shè)備，保證MSS 系統(tǒng)測(cè)試正常執(zhí)行。

2 MSS仿真測(cè)試問(wèn)題分析

MSS 系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為城市軌道交通運(yùn)控系統(tǒng)，范圍涉及列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)、聯(lián)鎖(CBI)、通信等子系統(tǒng)。

MSS 系統(tǒng)主要通過(guò)簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議［2］(SNMP 協(xié)議)與監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行交互，查詢和接收設(shè)備的狀態(tài)及故障信息。以上詳細(xì)協(xié)議和接口內(nèi)容均在文獻(xiàn)［2］中有說(shuō)明，在此不再贅述。在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，每個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備均可稱為一個(gè)Agent(代理)，每個(gè)Agent 里有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。例如，一個(gè)站上的聯(lián)鎖系統(tǒng)就是一個(gè)Agent，軌旁的轉(zhuǎn)轍機(jī)就是一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);Agent 中所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息由SNMP 協(xié)議送給MSS。

MSS 系統(tǒng)測(cè)試主要包括對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的信息采集、報(bào)警接收分析和性能測(cè)試等幾個(gè)方面，往往需要模擬現(xiàn)場(chǎng)大量運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備。目前在有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬及數(shù)據(jù)處理能力的情況下，根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況來(lái)看，大量設(shè)備監(jiān)測(cè)信息的模擬會(huì)造成信息處理不及時(shí)、網(wǎng)絡(luò)擁堵等問(wèn)題，影響系統(tǒng)性能相關(guān)測(cè)試的有效執(zhí)行。

由于運(yùn)控系統(tǒng)中狀態(tài)信息的多樣性，以及緊急程度不同，運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)信息分為設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)和設(shè)備主動(dòng)上報(bào)的故障報(bào)警信息2 大類。對(duì)于不同種類的信息處理，系統(tǒng)有不同的寬恕周期。合理利用系統(tǒng)寬恕周期，可以在避免影響系統(tǒng)功能測(cè)試的前提下，模擬更多的監(jiān)測(cè)設(shè)備，減少仿真測(cè)試環(huán)境性能瓶頸對(duì)系統(tǒng)測(cè)試的影響。

3 隨機(jī)篩選調(diào)度算法

具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備主動(dòng)上報(bào)的報(bào)警，一般比較重要，不能隨意丟棄。而對(duì)于設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)，MSS 系統(tǒng)會(huì)定期向運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行輪詢，在輪詢超時(shí)的情況下會(huì)進(jìn)行寬恕，有限次地嘗試再次發(fā)出輪詢請(qǐng)求，直到收到有效答復(fù)。否則，會(huì)判斷設(shè)備已經(jīng)失去連接。因此，MSS 系統(tǒng)可以容忍仿真測(cè)試軟件對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)輪詢請(qǐng)求的主動(dòng)過(guò)濾。

為了滿足仿真性能和容量要求，引入了隨機(jī)篩選調(diào)度算法。在大數(shù)據(jù)量設(shè)備仿真過(guò)程中，對(duì)仿真數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)信息達(dá)到一定數(shù)量后，有選擇性地丟棄較低優(yōu)先級(jí)的設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)，降低對(duì)于仿真測(cè)試的性能及網(wǎng)絡(luò)帶寬要求。即在有限的仿真環(huán)境網(wǎng)絡(luò)帶寬及數(shù)據(jù)處理能力下，使得仿真平臺(tái)能夠模擬更多的信號(hào)設(shè)備。

為此，隨機(jī)篩選調(diào)度算法設(shè)計(jì)如下:通過(guò)內(nèi)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)遞減的隊(duì)列，控制外部請(qǐng)求和內(nèi)部輸出。當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列為空時(shí)才服務(wù)低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列。即當(dāng)仿真系統(tǒng)需要仿真的運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量超過(guò)仿真系統(tǒng)的容量時(shí)，該調(diào)度算法主動(dòng)篩選低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包。

在該算法中，設(shè)定報(bào)警隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)最高，其次將設(shè)備狀態(tài)信息隊(duì)列分為若干優(yōu)先級(jí)，相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包按照一定的規(guī)律設(shè)定加權(quán)值，并放入對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列。如圖1所示。

圖1 隨機(jī)篩選調(diào)度模型說(shuō)明

該算法的關(guān)鍵是如何合理地設(shè)置設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值，充分利用仿真測(cè)試系統(tǒng)的容量，盡快地將高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備狀態(tài)信息返回給MSS 系統(tǒng)。

假定一段時(shí)間內(nèi)，MSS 系統(tǒng)允許單個(gè)運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備的某一狀態(tài)量連續(xù)丟失N 次，即MSS 系統(tǒng)連續(xù)N次輪詢?cè)O(shè)備狀態(tài)信息而沒(méi)有得到反饋，當(dāng)?shù)降贜 +1次輪詢還是沒(méi)有得到反饋，則認(rèn)為該設(shè)備已失去連接。即單一設(shè)備狀態(tài)信息的丟失容忍度是N。

仿真測(cè)試系統(tǒng)初始化時(shí)，將所有仿真設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值定義為1，每次輪詢過(guò)程中將未反饋設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值加1，將反饋設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值重置為1。則當(dāng)某一個(gè)設(shè)備狀態(tài)信息的加權(quán)值升到N 時(shí)，表明此設(shè)備狀態(tài)信息必須在下一次輪詢過(guò)程中發(fā)送出去，避免被MSS 系統(tǒng)誤認(rèn)為設(shè)備失去連接。

假設(shè)仿真測(cè)試系統(tǒng)允許在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)允許發(fā)送的數(shù)據(jù)包極限為T，那么該算法將生成隊(duì)列n、隊(duì)列n-1……隊(duì)列2、隊(duì)列1 以及報(bào)警隊(duì)列共n +1 個(gè)隊(duì)列。其中隊(duì)列n 中是加權(quán)值為n 的狀態(tài)量組合，是除了報(bào)警隊(duì)列外優(yōu)先級(jí)最高的隊(duì)列。該算法的詳細(xì)描述如下:

①初始化各設(shè)備狀態(tài)量的加權(quán)值為1

②在每個(gè)輪詢周期內(nèi)

③{

④已反饋的運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)輪詢請(qǐng)求s=0;

⑤對(duì)每個(gè)隊(duì)列n(從高優(yōu)先級(jí)開(kāi)始依次到低優(yōu)先級(jí))

⑥{

⑦ If(隊(duì)列n 狀態(tài)量個(gè)數(shù)＜=T-s)

⑧{

⑨將隊(duì)列n 的狀態(tài)量全部發(fā)送出去;

⑩將隊(duì)列n 的所有狀態(tài)量加權(quán)值重置為1，取出放入隊(duì)列1;

? s=s+隊(duì)列 n 狀態(tài)量個(gè)數(shù);

? }

?.Else

? {

? 從隊(duì)列 n 隨機(jī)抽取 T- s 個(gè)狀態(tài)量發(fā)送出去;

? 將上一步驟中隨機(jī)抽取T-s 個(gè)狀態(tài)量的加權(quán)值重置為1，取出放入隊(duì)列1;

? s=T;

? 將隊(duì)列n 中未被抽取到的狀態(tài)量的加權(quán)值做加1 操作，并放入隊(duì)列n+1;

? }

? }

? }

該調(diào)度機(jī)制會(huì)使低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列處于饑餓狀態(tài)。例如，當(dāng)報(bào)警數(shù)據(jù)包和高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包在一段時(shí)間內(nèi)以100%的輸出鏈路速率到達(dá)，調(diào)度器將不會(huì)為中優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列服務(wù)。因此，該調(diào)度算法有一個(gè)極限，就是當(dāng)報(bào)警數(shù)據(jù)包和最高優(yōu)先級(jí)包的個(gè)數(shù)之和達(dá)到了仿真系統(tǒng)的極限容量C，此時(shí)再增加設(shè)備數(shù)量就會(huì)對(duì)被測(cè)的MSS 系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

按照前文的定義，通過(guò)Agent 來(lái)仿真信號(hào)設(shè)備。假定Agent 數(shù)量定義為A，每個(gè)Agent 定義的狀態(tài)量個(gè)數(shù)定義為M，報(bào)警發(fā)生率定義為P。則仿真容量C 與Agent 數(shù)量A、每個(gè)Agent 定義的狀態(tài)量個(gè)數(shù)M以及報(bào)警發(fā)生率P 成正比，定義如下:

其中，比率K 為常數(shù);

應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度方法后，仿真容量 C 變化為:

由于仿真容量C 一定，故:

4 應(yīng)用案例

基于上海軌道交通10號(hào)線的應(yīng)用數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室模擬仿真了聯(lián)鎖、ATS 等信號(hào)設(shè)備，并和MSS 系統(tǒng)進(jìn)行集成測(cè)試。在無(wú)隨機(jī)丟包和報(bào)警情況下，模擬了100 個(gè)Agent(A)，分別包含80 個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)(M)，假定K 為1，根據(jù)式(1)，仿真容量則為8 000 個(gè)。

根據(jù)式(2)，仿真容量一定的情況下，仿真設(shè)備數(shù)量理論最大可以達(dá)到:

應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度，分別設(shè)置隨機(jī)丟包為1 和2，并將報(bào)警發(fā)生率設(shè)定在10%～100%之間，在相同仿真測(cè)試環(huán)境，同時(shí)不影響MSS 系統(tǒng)功能測(cè)試的情況下，做了多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖2 顯示了實(shí)際測(cè)試和理論情況下，報(bào)警發(fā)生率P，隨機(jī)丟包數(shù)L 和仿真設(shè)備數(shù)量A 之間的關(guān)系。

實(shí)際測(cè)試中，由于報(bào)警的存在，會(huì)降低模擬仿真設(shè)備的數(shù)量，當(dāng)報(bào)警發(fā)生率為30%，實(shí)際能模擬68個(gè)Agent，5 440 個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)，離實(shí)際應(yīng)用相去甚遠(yuǎn);應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度算法，當(dāng)允許丟包1 個(gè)，仿真設(shè)備數(shù)量可以達(dá)到104 個(gè)，是傳統(tǒng)的1.5 倍;當(dāng)允許丟包2個(gè)，仿真設(shè)備數(shù)量可以達(dá)到125 個(gè)，是傳統(tǒng)的1.8倍，有效地?cái)U(kuò)大了MSS 仿真測(cè)試容量，滿足了整個(gè)運(yùn)控系統(tǒng)中信號(hào)設(shè)備的維護(hù)接口仿真測(cè)試需求。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看到，應(yīng)用隨機(jī)篩選調(diào)度算法可以顯著提高仿真環(huán)境模擬的仿真設(shè)備數(shù)量。允許丟包1 個(gè)和2 個(gè)時(shí)，仿真設(shè)備容量分別是應(yīng)用之前的1.3～1.8 倍和 1.5～2.6 倍，與理論結(jié)果基本一致。

圖2 測(cè)試和理論情況下仿真設(shè)備數(shù)量與預(yù)警發(fā)生率之間的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)城市軌道交通信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)測(cè)試的特點(diǎn)和任務(wù)目標(biāo)，將隨機(jī)篩選調(diào)度方法應(yīng)用到運(yùn)控設(shè)備維護(hù)接口仿真測(cè)試系統(tǒng)中，模擬出了運(yùn)控系統(tǒng)中車載、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和軌旁等設(shè)備的報(bào)警和維護(hù)信息，既能確保仿真測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模和真實(shí)性，又能為MSS 系統(tǒng)提供有效的仿真測(cè)試環(huán)境。實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

［1］周庭梁，張兵建.地鐵信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2009，5(5):39.

［2］W.Richard Stevens.TCP/IP 詳解，卷1:協(xié)議，第二十五章［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.