基于DTECS的通用地鐵網絡控制仿真測試系統

鐘盛++吳昌友++湯長春++賀曉梅++張森

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司 技術中心，湖南 株洲 412001；2.湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 412000）

摘 要：基于DTECS的通用地鐵網絡控制系統的仿真測試系統是針對列車分布式網絡通信和控制系統進行開發的仿真測試系統。介紹了系統構成、硬件及軟件實現等。該仿真測試系統的設計及搭建主要是為了達到對地鐵網絡控制系統的開發、調試、試驗室驗證和在產品交付后出現問題時對故障進行再現分析的目的。

關鍵詞：DTECS；地鐵；網絡控制；仿真測試系統

中圖分類號：U285.4+7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.010

近年來，我們已經逐步建設了相關地鐵車型的列車網絡控制系統（TCMS）的仿真測試系統，將測試與調試任務由原來的現場調試前移到現在的試驗室測試，但在測試過程中，仍然存在以下問題：被測系統關聯的外圍系統缺乏/不完善，通信協議管理通用性差，自動化測試程度低，測試用例無法自動生成，測試數據/結果無法長期保存，不能形成測試報告。

以上的這些問題是在地鐵網絡控制系統測試過程中限制其進度和成本的主要問題，造成更多的人員參與，給列車網絡的測試帶來了很多不確定因素。在長時間的測試過程中，重復性的工作對測試人員的精力、判斷力以及對測試的時間進度和成本開支都帶來了極大的影響。因此需要開發新的通用的地鐵仿真測試系統彌補以上不足，降低測試人員的工作強度，提高測試效率，降低測試的成本。

1 仿真測試系統硬件構成

1.1 系統簡介

通用地鐵網絡控制系統仿真測試系統是從開發人員和測試人員的使用角度出發，能夠輔助進行系統方案驗證、調試環境構建、子系統聯合調試、設計驗證及測試、故障注入重現等功能而開發的具有實物和軟件虛擬設備共存的半實物仿真測試系統。該系統的硬件由被測網絡控制系統、仿真計算機、顯示與

控制終端、串口服務器、IO測試機箱、以太網交換機、司機操縱臺等組成。其總體結構描述見圖1.

1.2 被測系統設計

1.2.1 被測系統

網絡控制系統采用DTECS（Distribute Train Electric Control System）系統。DTECS系統是株洲中車時代電氣股份有限公司開發的基于TCN協議的分布式列車網絡通訊與控制系統。網絡控制系統劃分為車輛控制級和列車控制級兩級。車輛控制級總線采用MVB多功能車輛總線?？梢赃x用中繼模塊REP作為列車級總線和車輛級總線的網關，采用EMD介質的MVB多功能車輛總線實現列車級的數據傳輸，也可以選用MVB與WTB通訊接口模塊GWM作為列車級總線和車輛級總線的網關，采用WTB雙絞式列車總線實現列車級的數據傳遞。

地鐵車輛按照不同的功能與硬件配置分為2種車型，即帶司機室的拖車Tc車和動車M車。不同車型由數量不同的車輛控制模塊VCMe、事件記錄模塊ERMe、中繼器REP、數字量輸入輸出模塊DXMe、數字量輸入模塊DIMe、模擬量輸入輸出模塊AXMe、人機接口單元HMI和必要的總線終端器構成。圖2為北京地鐵14號線的網絡控制系統拓撲結構，采用4動2拖的編組形式。

1.2.2 試驗環境搭建

為了滿足更多地鐵車型的仿真、測試及擴展需要，測試臺被測網絡控制系統按照6動2拖的編組原型設計，采用八節編組的方式，每節編組使用一個機柜，其MVB網絡節點設備按地鐵網絡項目應用估計的最大數目來配置，每節車廂的網絡設備及其對應的陪試設備（比如IO測試機箱、串口服務器、以太網交換機）均安裝在各自的機柜中，各機柜之間只存在重聯通訊線和供電電源線的連接。這樣的設計能使每個機柜都能獨立形成一節車廂的網絡控制系統及其相關設備的真實電氣環境，通過重聯插座的連接、延長線連接插座的配置和各個MVB網絡節點設備的供電可以構成與整車車載1∶1的網絡控制系統試驗環境。

1.3 陪測系統設計

1.3.1 IO測試機箱設計

每個機柜配置一個陪試的IO測試機箱，IO測試機箱提供與被測TCMS網絡控制系統Remote IO設備相對應數量的模擬和數字信號的輸入輸出。

每個機柜最大數量的IO配置如下：

數字量輸出接口 96路（110 VDC）

數字量輸入接口 32路（110 VDC）

模擬量輸入接口 12路（0～10 V）

12路（0～20 mA）

模擬量輸出接口 12路（0～10 V）

12路（4～20 mA）

1.3.2 司機操縱臺

司機操縱臺由與裝車一致的司控器、手柄、開關、按紐、儀表等組成，并構建與車載環境一致的電氣線路，以更貼進真實的操縱環境。它通過以下2種方式接入到仿真測試臺：①硬線信號直接通過連接器轉接到被測的網絡控制系統中；②硬線信號通過采集執行單元處理后，將數據打包以通訊的方式接入到顯示與控制群組計算機。

1.3.3 串口服務器

串口服務器將IO測試機箱的RS422通訊接口、RCM模塊的RS485/RS232通訊接口、網卡板的RS232通訊接口以及GWM/VCM/ERM模塊的串行調試通訊接口集合統一集中連接至以太網網絡，可以實現以下3種功能：①仿真計算機模擬與被測網絡控制系統相關聯的對象（比如牽引、制動、空調等）通過以太網、串口服務器、MVB通訊接口設備與被測系統的CCU進行數據交互；②開發人員用開發PC機通過WiFi或直接連入以太網網絡，集中對被測網絡控制系統的CCU設備進行串口調試、維護更新程序；③串口服務器配合以太網交換機實現仿真計算機集中控制各個機柜的IO測試機箱。

1.3.4 以太網交換機

通過以太網交換機將串口服務器、各個帶有以太網接口的模塊等連接起來，以便于PC機統一控制、管理、監視各以太網設備，并可通過單點對整車的以太網接口設備進行調試、軟件升級及故障數據下載等。

通過多個以太網交換機構建成以太網網絡，串口服務器、直流程控電源和帶以太網接口的被測模塊均接入進來，實現統一管理、控制。

1.3.5 實時仿真系統

實時仿真系統的主要實現以下2個功能：①測試總控網絡和機車網絡之間的上下行數據交互，測試總控網絡采用DDS（實時數據轉發）中間件，機車網絡采用UDP，因此上下行數據交互主要實現DDS與UDP之間的協議轉換；②各仿真模型的運行，包括輪軌系統模型、制動與風源模型、車載電氣模型、牽引/輔助變流器模型、信號及線路模型、PIS/EDCU/HVAC/CCTV模型等。這2個功能要求實時仿真系統具有強大的并行計算能力。

2 軟件架構

2.1 測試總控系統

測試總控系統測試過程的總控管理設備，實現了對測試過程的統一調度管理。測試總控系統各軟件提供了與用戶交互的UI界面和提供操作服務。

測試總控軟系統各軟件基于Java/Eclipse RCP 插件技術開發，使用EMF搭建系統陣模型，使用SWT/JFace 界面風格。Eclipse RCP是一項位于Eclipse平臺核心的功能，包括對可移動以及可疊加的窗口組件（編輯器和視圖）、菜單、工具欄、按鈕、表格、樹形結構等的支持。SWT，即“Standard Widget Toolkit”，它是一個Java平臺下開放源碼的Native GUI組件庫，也是Eclipse平臺的UI組件之一。從功能上來說，SWT與AWT/SWING是基本等價的。SWT以方便、有效的方式提供了便攜式的（即Write Once，Run Away）帶有本地操作系統觀感的UI組件。Eclipse平臺的界面就是基于SWT開發而成的。在SWT之上，Eclipse提供了更為敏捷的界面控件JFace。它不僅提供了更加高效的API，而且在數據綁定方面具備強大的功能特點。

2.2 虛擬司機操縱臺

實物司機控制臺提供真實的司機操縱器、微機顯示器、開關、按鈕等司機操作部件，通過硬線或以太網的方式與仿真測試臺連接。

測試總控系統包含與之相對應的虛擬司機操縱臺軟件，能同步顯示實物司機操縱臺的信息，實物司機操縱臺的操作優先級高于虛擬司機操縱臺，即當實物司機操縱臺激活后，虛擬司機操縱不能進行任何操作動作，但能同步顯示實物司機操縱臺的狀態。虛擬司機操縱臺軟件界面如圖3所示。

2.3 被測系統關聯對象仿真

與網絡控制系統相關聯的對象如下所列，仿真測試臺需要通過仿真的形式模擬其功能，為被測系統提供一個模擬的外部環境：①牽引/輔助變流器仿真。包括DCU控制、水循環系統、接觸器控制、牽引電機模型等功能。該仿真模型提供整列地鐵車輛6個TCU和24個牽引電機模型。通過以太網分別與各車的網卡板通信。牽引/輔助變流器仿真模型軟件界面如圖4所示。②制動及風源仿真。包括BCU控制、空氣管路原理、電磁閥控制、空氣制動原理等功能。該仿真模型提供整列地鐵車輛制動及風源系統的模型。通過以太網與各車的網卡板通信。③輪軌仿真。根據線路、氣候等數據計算車輪與軌道間的關系參數，用于修正牽引變流器仿真模型的實際牽引力、實際速度等參數的結果。④信號及線路仿真。包括ATP和ATO的功能，并能結合線路數據進行線路計算，實現地鐵車輛中的自動駕駛的功能。⑤車載電氣仿真。模擬與網絡控制系統相關聯的繼電器、接觸器、自動開關、壓力開關等設備的工作原理，建立虛擬的車輛電氣系統。⑥智能裝置仿真。模擬PIS、EDCU、HVAC和CCTV等智能設備的工作原理。

2.4 通信協議管理

為了滿足數據格式的多樣性和變化性需要，采用通信協議管理軟件，對網絡通信協議進行統一的管理和配置。網絡控制系統自動化測試平臺其核心為數據，而測試系統都需要遵循機車網絡通信協議。作為系統的核心，對通信協議的處理方式直接影響測試系統的可靠性、通用性和易用性。機車網絡通信協議通過Excel管理，通信協議中的數據都具有較復雜的結構，例如一條數據中包含多個數據域，數據格式包含嵌套的情況，在數據傳輸過程中，數據的流向也是復雜的，并且在不同的測試任務中，數據格式也是變化的。

2.5 自動化測試

為了盡量減少測試過程的人工操作，提高系統的自動化程度，測試系統應用軟件方式實現自動化測試功能。自動化測試軟件集開發、測試序列的編輯與執行為一體，提供了測試指令的編輯和管理、測試序列的編輯與管理、測試序列的執行與調試、測試結果判讀及報告自動生成等功能；并提供了測試庫，用于仿效測試過程中的人工測試步驟，包括各類測試指令。自動化測試軟件界面如圖5所示。

2.6 數據中心

數據中心的主要功能有以下2個：①在測試過程中，數據服務器將所有的測試指令和數據都存入到數據庫中。由于測試過程中數據存儲量很大，因此數據庫需要具有較高的性能，能

從網絡中訂閱數據，存儲到數據庫中。②車輛運行數據和故障數據能夠通過有線/無線的方式錄入到數據中心中，任何一個測試平臺均可從數據中心中調用數據進行在線監視和離線分析。

2.7 測試系統狀態監視

網絡控制系統測試過程中，由于測試模塊很多，包括實時仿真系統、自動化測試軟件、測試監控軟件、測試分析軟件、被測系統等，這些功能模塊如果出現了異常，將導致測試異常。所以測試平臺需要提供了集中式的監控環境，對整個試驗網絡的連接狀態進行實時監控，并能夠及時反映各試驗節點的工作狀態。

2.8 配置管理

仿真平臺應能管理所有的配置文件，提供統一的配置文件編輯環境，用戶能夠在各軟件上同步或更新配置庫中的配置文件。

在配置庫中，每個工程都有獨立的文件夾，內部包含了一整套配置文件。在測試編輯階段，各軟件都需要通過配置庫，同步或更新一個工程下的配置文件，每個軟件都只能在配置庫中訪問2個子文件夾。其中，一個是通信協議配置文件夾，同步系統通信配置文件，且該文件只讀；另一個是與自己相關的文件夾，同步各自的配置文件，各軟件在加載配置文件后，可以編輯、修改和保存。在完成修改后，各軟件能夠對配置庫中的文件進行更新。每個軟件在編輯過程中可以打開多個工程，加載不同的配置文件，并進行復制、粘貼、修改等操作。

3 結束語

開發出更貼進真實運行狀況的試驗室仿真環境和全面、高效的測試環境，能夠有效地降低地鐵網絡控制系統在產品全生命周期過程中的研發成本、維護成本、檢修成本、調試成本及其他無形成本?；贒TECS的通用地鐵網絡控制系統的仿真測試系統可為該領域的研發、制造、售后提供全面的支持和提高產品在該領域的影響力及產品質量。

參考文獻

[1]曾嶸，楊衛峰，劉軍.列車分布式網絡通信與控制系統[J].機車電傳動，2009（03）.

[2]劉俊，邱偉明，何紅成.120 km/h地鐵列車網絡控制與診斷系統[J].機車電傳動，2015（06）.

————————

作者簡介：鐘盛（1982—），男，工程師，從事列車網絡控制系統開發工作。

〔編輯：劉曉芳〕

文章編號：2095-6835（2016）23-0013-03