列控中心仿真測試系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

余云飛（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著我國鐵路客運專線建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，客運專線列控中心應(yīng)用軟件的生產(chǎn)需求逐年增大。相比于既有線列控中心，客專列控中心功能龐大，外部接口多，接口形式復(fù)雜，且實驗室列控中心系統(tǒng)目標平臺數(shù)量有限，無可視化運行狀態(tài)顯示功能，其外部接口設(shè)備諸如軌道電路移頻柜、LEU-應(yīng)答器設(shè)備等，占地面積大，安裝條件不具備，在實驗室搭建由真實列控中心設(shè)備和外部接口設(shè)備（或部分外部模擬設(shè)備）構(gòu)成的客專列控中心測試環(huán)境難度很大，且搭建效率和使用質(zhì)量皆無法滿足日益增加的列控中心軟件開發(fā)及測試需求。因此，一個功能結(jié)構(gòu)完整、配置靈活、搭建及使用簡潔高效，可大面積部署的仿真測試系統(tǒng)對于緩解日益擴大的生產(chǎn)與研發(fā)及測試間的矛盾將會起到積極的推動作用。

列控中心仿真測試系統(tǒng)（簡稱TCCT）是針對CTCS-2級客運專線列控中心接口開發(fā)的基于PC及W in d ow s操作系統(tǒng)的列控中心軟件調(diào)試及測試平臺，通過實現(xiàn)列控中心對外通信接口單元仿真和外部通信設(shè)備邏輯仿真，以及列控中心主機單元設(shè)備的仿真，為列控中心軟件的開發(fā)及測試過程提供相應(yīng)解決方案。

2 列控中心設(shè)備接口概述

如圖1所示，列控中心主機柜內(nèi)設(shè)備由列控中心主機單元及對外通信接口設(shè)備構(gòu)成。列控中心應(yīng)用軟件運行于主機單元，通過柜內(nèi)通信接口單元、PIO驅(qū)采單元、站間通信接口單元等通信接口設(shè)備，實時與計算機聯(lián)鎖、鄰站列控中心、臨時限速服務(wù)器、軌道電路、繼電電路、LEU電子單元等外部通信設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，完成信號狀態(tài)的輸入及輸出。

TCCT先后實現(xiàn)PC機上列控中心主機單元外部設(shè)備及主機單元的仿真，使列控中心應(yīng)用軟件開發(fā)及測試效率得到大幅提升。

余云飛，男，碩士畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，工程師。主要研究方向包括列控中心仿真測試技術(shù)、自動化測試技術(shù)，列控中心軟件測試技術(shù)研究，曾參與CTCS-2級客運專線列控中心測試系統(tǒng)研究、城際鐵路列控系統(tǒng)研究、LKD2-T1型列控中心系統(tǒng)研究等項目。

3 TCCT設(shè)計實現(xiàn)

隨著客運專線列控中心開發(fā)及測試需求的不斷深化，TCCT的研發(fā)過程大致按如下3個階段進行。

1）通信接口單元及外部通信設(shè)備仿真器的開發(fā)及應(yīng)用；

2）列控中心主機單元仿真器開發(fā)及其與列控中心外部通信設(shè)備仿真在PC機上的對接；

3）系統(tǒng)配置部署的實現(xiàn)。

各階段的研究成果在相應(yīng)時期都能極大促進了列控中心產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

3.1 主機單元外部設(shè)備仿真器設(shè)計實現(xiàn)

列控中心主機單元的外部設(shè)備包含柜內(nèi)通信接口單元設(shè)備及外部通信設(shè)備。依據(jù)列控中心對外通信接口規(guī)范及內(nèi)部總線通信協(xié)議，將主機單元以外的所有通信接口單元及與該通信接口單元相關(guān)的外部通信設(shè)備用PC環(huán)境替代，通過PC及安裝于其上的數(shù)據(jù)通信采集設(shè)備實現(xiàn)外部設(shè)備仿真與主機單元的數(shù)據(jù)交互。仿真器主要包含如下。

1）軌道電路移頻柜功能邏輯仿真及C I-TC2通信接口單元仿真實現(xiàn)列控中心與軌道電路之間編碼信息的實施下發(fā)及列車軌道狀態(tài)的實施采集。

2）LEU應(yīng)答器功能邏輯仿真及C I-T IU通信接口單元仿真實現(xiàn)列控中心到應(yīng)答器報文信息的實時顯示。

3）CTC設(shè)備邏輯仿真及CI-GS通信接口單元仿真實現(xiàn)列控中心與CTC設(shè)備間的信息交互。

4）繼電電路邏輯仿真及P IO驅(qū)采單元仿真實現(xiàn)列控中心與繼電電路之間的驅(qū)動控制及采集獲取。

5）計算機聯(lián)鎖功能邏輯仿真，臨時限速服務(wù)器功能仿真和鄰站列控中心功能仿真及站間通信接口仿真實現(xiàn)了列控中心與外部網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互。

仿真器軟件依照相應(yīng)的使用需求及操作需求進行模塊設(shè)計和劃分，如圖2所示。

站場U I是TCCT的對外操作接口。通過在U I與仿真層之間定義仿真設(shè)備的控制命令，仿真器可根據(jù)U I下發(fā)的操作指令，進行設(shè)備信息修改，并將修改之后的信息實時發(fā)送至列控中心，完成一個測試條件的設(shè)置，如在U I辦理一條列車進路，通過TCP端口下發(fā)U I指令，最終由計算機聯(lián)鎖仿真器將辦理成功的進路信息實時發(fā)送至列控中心；通過在仿真層與U I之間定義仿真設(shè)備狀態(tài)信息的反饋命令，U I可周期接收仿真器上傳的站場狀態(tài)信息并顯示，站場狀態(tài)信息即列控中心的運行狀態(tài)信息反饋，可按照信號設(shè)備劃分為：如軌道區(qū)段的編碼信息、應(yīng)答器報文信息、信號機點燈信息、區(qū)間方向信息以及繼電器驅(qū)動狀態(tài)等。U I與仿真器之間的命令及狀態(tài)交互示意如圖3所示。

同時，仿真器U I與仿真設(shè)備之間的控制協(xié)議也是自動化測試引擎腳本指令的研發(fā)依據(jù)。

設(shè)備仿真層實現(xiàn)列控中心外部通信設(shè)備邏輯功能以及通信接口單元功能仿真，為使TCCT提供盡可能多而靈活的操作指令，仿真器的邏輯設(shè)定為：在實現(xiàn)真實設(shè)備工作邏輯的基礎(chǔ)上，可按照用戶自定義需求進行異常測試條件的設(shè)置，如計算機聯(lián)鎖模擬可提供人工鎖閉和解鎖命令，并制造如下測試條件，當列車正常占壓前方軌道區(qū)段，出清后方軌道區(qū)段時，后方軌道區(qū)段持續(xù)發(fā)送后方軌道區(qū)段鎖閉至列控中心，直到人工設(shè)置該軌道區(qū)段解鎖為止。

由于列控中心現(xiàn)場測試需利用臨時限速服務(wù)器仿真以及鄰站列控中心仿真進行列控中心初始化以及臨時的站間改方操作，為便于上述功能模塊在現(xiàn)場的安裝使用，臨時限速服務(wù)器仿真及鄰站列控中心仿真使用單獨進程，并提供專項U I，以便其脫離系統(tǒng)獨立運行。

各仿真器通過相應(yīng)的通信接口設(shè)備（如CAN卡，IN IO2卡或以太網(wǎng)接口）與列控中心主機單元進行周期數(shù)據(jù)交互。

外部設(shè)備仿真在PC機上實現(xiàn)列控中心主機單元的外圍接口環(huán)境模擬，使得搭建一個列控中心集成測試環(huán)境時，僅需一臺列控中心的主機單元，一臺PC，相應(yīng)的CAN采集卡，IN IO2卡以及以太網(wǎng)接口。需特別說明，這里只需要一個以太網(wǎng)接口，通過實現(xiàn)IP地址在網(wǎng)卡的自動添加，在一個以太網(wǎng)同時設(shè)置計算機聯(lián)鎖，臨時限速服務(wù)器以及多個站間列控中心的IP地址。

3.2 主機單元仿真器設(shè)計實現(xiàn)

通過外部設(shè)備仿真可極大簡化列控中心應(yīng)用軟件的測試環(huán)境搭建過程，但是，被測應(yīng)用軟件仍需運行于主機單元，對于軟件開發(fā)人員在開發(fā)過程的調(diào)試以及開發(fā)測試人員進行類似代碼走查性質(zhì)的軟件測試過程，其軟件代碼的運行狀態(tài)仍不可見，且集成測試的效率也仍然受限于主機單元的數(shù)量，無法進行大面積的數(shù)據(jù)測試及回歸測試。所以，在外部設(shè)備仿真開發(fā)完成的條件下，還需要進一步將主機單元的運行過程移植到PC。

列控中心主機單元設(shè)備仿真包含列控中心系統(tǒng)接口仿真器及列控中心應(yīng)用軟件仿真兩部分，通過外殼程序?qū)崿F(xiàn)仿真交互過程的調(diào)度。其中，列控中心應(yīng)用軟件仿真使用動態(tài)鏈接庫形式封裝。主機單元仿真器的開發(fā)基于虛擬內(nèi)存技術(shù)，在W in d ow s進程尋址空間內(nèi)開辟一塊足夠大的內(nèi)存區(qū)，根據(jù)列控中心目標平臺的系統(tǒng)內(nèi)存分配規(guī)則，劃分并規(guī)定應(yīng)用軟件與系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)交互內(nèi)存區(qū)。列控中心系統(tǒng)接口仿真器依靠內(nèi)部動態(tài)數(shù)據(jù)緩存實時與外部設(shè)備仿真器進行數(shù)據(jù)交互，并由外殼程序周期實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)緩存與虛擬內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)交互。在列控中心應(yīng)用軟件內(nèi)使用可編譯宏對應(yīng)用軟件訪問系統(tǒng)層的基地址進行重新定義，通過最小且最直觀的修改，實現(xiàn)應(yīng)用軟件對系統(tǒng)層數(shù)據(jù)的讀寫操作仿真，并向外殼程序提供應(yīng)用軟件主函數(shù)A PI，由外殼程序周期實現(xiàn)應(yīng)用軟件仿真與虛擬內(nèi)存數(shù)據(jù)的交互，從而實現(xiàn)列控中心主機單元仿真器的開發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

由圖4可以看出，為實現(xiàn)主機單元仿真器與外部設(shè)備仿真器的連接仿真，且不更改外部設(shè)備仿真器的通信調(diào)用接口，還需實現(xiàn)主機單元仿真與外部設(shè)備仿真之間的通信接口設(shè)備驅(qū)動仿真，即CAN卡設(shè)備，IN IO2卡設(shè)備以及以太網(wǎng)通信接口的驅(qū)動仿真。依照接口形式不變的原則，提供與真實驅(qū)動完全相同的驅(qū)動仿真，替換外部設(shè)備仿真的接口驅(qū)動，實現(xiàn)仿真條件下外部設(shè)備仿真與主機單元設(shè)備仿真的實時交互。至此，TCCT研究基本完成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3.3 系統(tǒng)配置部署

由于TCCT的仿真器模塊較多，且兼容各條客運專線的接口規(guī)范及多種目標平臺，必然要借助復(fù)雜的配置進行運行模式及適配規(guī)范的切換及配置。為簡化該過程的操作步驟，提高測試環(huán)境的搭建效率，提高模塊之間的集成性，需開發(fā)系統(tǒng)部署工具，使用戶通過統(tǒng)一的控制面板完成被測工程線路及車站的配置數(shù)據(jù)加載，通信協(xié)議確認以及相關(guān)仿真器模塊的部署，整個過程做到一鍵式操作，系統(tǒng)部署示意如圖6所示。

系統(tǒng)部署功能使得T C C T的整體性得到進一步提高，對于系統(tǒng)的產(chǎn)品化也有很好的推動作用。

4 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

1）集成測試過程，搭建一個三站（A、B、C）兩區(qū)間的測試環(huán)境，其左右鄰站列控中心D站和E站列控中心使用列控中心主機單元仿真器替代，其余鄰站列控中心依靠啟動TCCT內(nèi)的鄰站列控中心仿真替代，外部設(shè)備如計算機聯(lián)鎖，臨時限速服務(wù)器全部使用外部設(shè)備仿真器替代，如圖7所示。

2）列控中心應(yīng)用軟件開發(fā)調(diào)試過程，進行樞紐站A與樞紐站B站間代傳信息測試，使用配置部署工具，在PC上將A站及B站的設(shè)備仿真啟動完畢，使用IDE工具調(diào)試模式啟動A站或B站（根據(jù)調(diào)試需求）列控中心應(yīng)用軟件，進行軟件調(diào)試及測試，如圖8所示。

5 結(jié)論

由于TCCT成功將列控中心的測試環(huán)境完全移植到PC，使得列控中心測試環(huán)境的搭建不再受限于系統(tǒng)目標平臺的數(shù)量，且搭建方式更為簡便快捷，應(yīng)用軟件的開發(fā)調(diào)試過程也具備普通應(yīng)用軟件的單步調(diào)試功能。由于兼容各種接口規(guī)范及目標平臺，使得在列控中心功能日趨完善，測試需求日益多樣化的情況下，TCCT仍然完整支撐整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程的測試。

TCCT從武廣線開始逐步投入使用，現(xiàn)已成功支撐滬寧，滬杭，海南東環(huán)，廣深港，廣珠，京滬，哈大等工程線路的列控中心開發(fā)及測試，由于產(chǎn)品預(yù)留了自動化測試平臺的開發(fā)接口，隨著功能的進一步完善，基于該套系統(tǒng)的列控中心自動化測試系統(tǒng)也將在測試過程中逐步發(fā)揮更大的作用。

[1]科技運[2010] 138號 客運專線列控中心技術(shù)規(guī)范[S].