列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實物仿真平臺研究

摘? 要：以上海地鐵03A02/04A02列車控制系統(tǒng)為原型，通過分析其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、硬件電路原理及列車控制功能，梳理各子系統(tǒng)之間的通信接口，利用Java和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，搭建了半實物仿真平臺，實現(xiàn)對整車原理及子系統(tǒng)功能的仿真。半實物仿真平臺對于列車維護、人員培訓(xùn)、離線功能驗證等有重要作用。

關(guān)鍵詞：仿真;網(wǎng)絡(luò);建模

中圖分類號：U270 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）09-0063-02

Abstract： Based on the prototype of Shanghai Metro 03A02/04A02 train control system， by analyzing its network topology， hardware circuit principle and train control function， combing the communication interface between subsystems， using Java and database technology， the hardware-in-the-loop simulation platform is built. The simulation of the principle and subsystem function of the whole vehicle is realized. Hardware-in-the-loop simulation platform plays an important role in train maintenance， personnel training， off-line function verification and so on.

Keywords： simulation; network; modeling

軌道交通產(chǎn)業(yè)近幾年發(fā)展迅速，隨著列車長時間使用，列車維護、人員培訓(xùn)、功能離線驗證等成為新的發(fā)展需求。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是列車核心技術(shù)之一，為了更好的驗證列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及列車其他子系統(tǒng)控制功能，便于列車離線維護及驗證，開發(fā)能夠?qū)α熊嚲W(wǎng)絡(luò)化控制功能進行驗證的半實物仿真平臺顯得尤為重要。

1 仿真平臺結(jié)構(gòu)

1.1 03A02/04A02列車控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

上海地鐵03A02/04A02列車控制網(wǎng)絡(luò)分為TMS網(wǎng)絡(luò)（列車監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)）和TCS網(wǎng)絡(luò)（列車控制網(wǎng)絡(luò)）。TCS網(wǎng)絡(luò)中，PCU、EBCU、ACU、ATC均通過MVB與MPU相連，接入到TCS網(wǎng)絡(luò)，向MPU發(fā)送各子系統(tǒng)信息，接受MPU的輪詢調(diào)度;RIOM通過MVB與MPU相連，采集車輛信息發(fā)送給MPU做綜合判斷;ERM通過MVB與MPU相連，接受MPU輪詢調(diào)度，記錄TCS網(wǎng)絡(luò)所有子系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息等;MPU作為總線管理器，綜合判斷列車各子系統(tǒng)信息，向各子系統(tǒng)發(fā)送控制指令。TMS網(wǎng)絡(luò)中，MDCU、HVAC、PIS、TDS通過MVB與CCU相連，接入到TMS網(wǎng)絡(luò)，向CCU發(fā)送子系統(tǒng)信息，接受CCU的輪詢調(diào)度;RIOM通過MVB與CCU相連，采集車輛信息發(fā)送給CCU進行判斷;DDU作為人機交互接口，通過MVB接入到TMS網(wǎng)絡(luò)，接受CCU輪詢調(diào)度，顯示列車各系統(tǒng)狀態(tài)信息。

1.2 試驗臺結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)對03A02/04A02型列車控制系統(tǒng)的仿真，本套仿真平臺針對目標車型控制系統(tǒng)的特點，通過模擬列車部分系統(tǒng)的電氣輸入輸出特性，研制并搭建了一套列車控制系統(tǒng)半實物仿真平臺系統(tǒng)。

半實物仿真系統(tǒng)平臺是指純虛擬仿真系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)與真實系統(tǒng)一致）中的一部分被真實設(shè)備取代之后的系統(tǒng)，一般用于對真實設(shè)備進行測試驗證。在邏輯結(jié)構(gòu)上，半實物仿真系統(tǒng)仍然是與真實系統(tǒng)一致的，只不過某些軟件對象被換成了實物設(shè)備。這種“虛實互換”是通過一種代理結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。

TCMS模擬試驗臺與列車TCMS主要設(shè)備（CCU/DDU/ERM等）按照與車上相同的拓撲結(jié)構(gòu)連接在一起，并通過軟件仿真的方式模擬其他子系統(tǒng)設(shè)備的功能，實現(xiàn)列車控制系統(tǒng)的半實物仿真。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 仿真建模及實現(xiàn)

本文采用的仿真建模原則為：前期采用黑箱建模得到系統(tǒng)的外特性;中期采用灰箱建模，深入系統(tǒng)內(nèi)部進行仿真建模;后期采用白箱建模，明確系統(tǒng)的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和機制。

建模完成后需要通過Java編程實現(xiàn)，主程序?qū)崿F(xiàn)子系統(tǒng)仿真和整車原理仿真。通過建立每個子系統(tǒng)類的方式來實現(xiàn)各子系統(tǒng)的仿真;通過在固定格式的Excel中編寫整車邏輯的方式來實現(xiàn)整車原理的仿真;通過狀態(tài)更新類來實現(xiàn)各子系統(tǒng)和整車原理狀態(tài)更新輸出。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 子系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

建模完成后子系統(tǒng)模型通過Java建立子系統(tǒng)類，可依據(jù)類設(shè)計文檔和方法詳細流程文檔進行編程，來實現(xiàn)子系統(tǒng)的模型。子系統(tǒng)的仿真建模需要底層設(shè)備、器件的模型作為仿真環(huán)境。以下以PCU和ACU子系統(tǒng)作為一類抽象設(shè)備來分析建模。

2.1.1 PCU/ACU子系統(tǒng)的外圍模型

構(gòu)建的PCU/ACU子系統(tǒng)的外圍仿真模型如圖3所示，其具有如下特點：設(shè)備對象之間通過輸入輸出變量對象進行連接;PCU/ACU子系統(tǒng)通過變量對象實現(xiàn)與其他設(shè)備對象進行信息傳遞的具體方式為：如果網(wǎng)絡(luò)輸入變量A1發(fā)生變化，會觸發(fā)PCU/ACU子系統(tǒng)的相關(guān)功能，進而根據(jù)具體的功能來設(shè)置輸出變量，假設(shè)為電氣輸出變量B2，則以B2為輸入的設(shè)備會進一步被觸發(fā)。

2.1.2 PCU/ACU子系統(tǒng)的內(nèi)部模型

構(gòu)建的PCU/ACU子系統(tǒng)的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，當系統(tǒng)的輸入變量A1、A2變化時，以這些變量為輸入變量的功能X、Z觸發(fā)，并產(chǎn)生功能的輸出變量C1、C2、B2;PCU/ACU子系統(tǒng)內(nèi)部的一些功能具有來自系統(tǒng)外部的輸入變量，如功能X、Z;而另一些功能不具有來自系統(tǒng)外部的輸入變量，只以系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的變量作為輸入變量，如功能Y。

2.2 整車電氣原理仿真實現(xiàn)

整車硬件電路是列車控制系統(tǒng)的重要組成部分，其仿真可以根據(jù)既定格式和規(guī)則編輯。列車半實物仿真軟件可以讀取邏輯原理，并在半實物仿真軟件中進行綜合處理。

2.2.1 器件真值表

通過梳理車輛電氣原理圖，形成器件真值表，如圖5所示，在半實物仿真軟件讀取后可以通過真值表來判斷相應(yīng)繼電器觸點或空開的值。

2.2.2 邏輯表達式

邏輯表達式根據(jù)車輛電氣原理圖中的邏輯關(guān)系，并利用器件真值表進行編寫，如“司機室激活”對應(yīng)的邏輯表達式為：

3 結(jié)論

本文的半實物仿真平臺通過分析網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)之間的接口和功能進行分界，建立模型，通過Java語言實現(xiàn)仿真系統(tǒng)功能設(shè)計。半實物仿真平臺能夠方便地完成列車維護、人員培訓(xùn)及離線功能驗證。

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