基于機車半實物仿真平臺應用層的設計及實現

張雁勛 趙貝 安志勝

摘 ?要： 機車控制系統存在部分硬件選型不確定、功能或更改等因素，故對部分模塊進行圖形化建模，結合故障注入系統，搭建了機車半實物仿真平臺，完成了半實物仿真平臺應用層的設計。應用層包括仿真系統的搭建、故障注入、機車邏輯功能控制及顯示屏界面展示。研究表明，半實物仿真平臺的設計能對機車控制邏輯進行全面的測試;能提前暴露邏輯測試存在的缺陷及問題，驗證了不同供應商通信網絡一致性和硬件的可靠性。

關鍵詞： 半實物仿真;應用層;仿真系統;故障注入;機車邏輯;顯示屏

中圖分類號： TP391 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.025

本文著錄格式：張雁勛，趙貝，安志勝，等. 基于機車半實物仿真平臺應用層的設計及實現[J]. 軟件，2020，41（06）：117120

【Abstract】： There are some uncertain factors about hardware selection and functions in the locomotive control system， combining with graphically modeled of some devices and the fault injection system， the locomotive hardware and the application layer of the hardware in the loop simulation platform are built. The application layer includes the construction of simulation system， fault injection， locomotive logic function control and display screen interface. The research shows that the design of hardware in the loop simulation platform can test the locomotive control logic comprehensively， expose the defects and problems of logic test in advance， and verify the consistency of communication network and the reliability of hardware of different suppliers.

【Key words】： Loop simulation; Application layer; Simulation system; Fault injection; Locomotive control logic; Display screen

0 ?引言

半實物仿真平臺是中車大同電力機車有限公司自主研發，用于展示機車控制邏輯功能、模擬故障輸入輸出等的一套地面測試體系。試驗臺的搭建，有助于提高公司車載微機網絡方面的研發能力;有助于解決新型機車研制過程中及批量配屬機車中微機網絡系統技術核心問題、慣性質量問題;車載微機的自主研發和生產可以有效縮短項目研發周期。

1 ?半實物仿真平臺功能概述

半實物仿真采用的是軟件與實物硬件聯合仿真的方法，與純軟件仿真相比更加接近于實際網絡和設備工況，更加真實的反應網絡相關參數、性能[1]。

1.1 ?半實物仿真平臺的組成

機車半實物仿真平臺以HXD21000型八軸電力機車為原型，采用分布式網絡布置，通過對牽引系統、制動系統等建模，結合網絡控制單元、機車操縱臺、HiGale仿真機、故障注入系統等搭建而成。半實物仿真平臺的構成如圖1所示。

網絡控制單元包括CCU（中央控制單元）、RIOM（遠程輸入輸出模塊）、GW（網關）、ACU（輔助控制單元）、TCU（牽引控制單元）、BCU（制動控制單元）等。其中ACU、TCU及BCU為仿真模型，CCU、RIOM、GW為真件。機車操縱臺為八軸電力機車實際操縱臺，包括兩個互為冗余的HMI（司機顯示單元）、司控器、扳鍵開關組、電笛、風笛等。故障注入系統包括WTB故障注入模塊，還包括了與真實機車司機室操縱臺上相同的所有開關量、電壓模擬量和電流模擬量[2]。

1.2 ?半實物仿真平臺的設備功能

HiGale仿真機完成機車行為模型，即車輛動力學模型、空氣制動系統模型（BCU）、牽引系統模型（TCU）和輔助系統模型（ACU）等[3]。

故障注入系統可根據需求實時注入各種故障，主要設備包括WTB故障注入設備、110 V開關量故障注入設備、0～24 V模擬量故障注入設備等。

互為冗余的兩個CCU實現機車車輛控制功能，包括設備監視、總線管理、機車邏輯控制、機車牽引/制動特性控制等;RIOM接受信息采集和傳遞;GW用于網絡之間的數據傳輸;HMI用于機車控制及運行狀態監控實時顯示。網絡控制單元（即CCU、RIOM、GW）及顯示屏采用Selectron公司的設備，Selectron公司的產品廣泛應用于地鐵、機車、城軌車輛等。

結合仿真系統及故障注入系統，接入網絡單元及顯示屏設備，進行微機網絡控制系統（TCMS）的邏輯仿真測試和故障注入測試，用于TCMS系統功能測試及故障節點的預測等。

2 ?軟件介紹

（1）Matlab（包含HiGaleTarget自動代碼生成軟件+RTD驅動軟件）：Matlab Simulink實現列車主控制器、各個子控制系統、被控對象的圖形化建模;HiGale Target：實現模型的一鍵編譯、下載到仿真機;RTD：實現仿真模型與其他設備間的MVB通信。

（2）HiFIDS故障注入軟件：實現110 V開關量、0～24 V模擬量、MVB/WTB總線、以太網等網絡層、電氣層和物理層的故障注入。

（3）Selectron公司CAP1131編程工具：完成對網絡控制單元的軟硬件配置。

（4）Selectron公司Maestro Designer軟件：完成對顯示屏的編程設計。Maestro Designer軟件是一款基于QT的組態設計軟件。

其中，CAP1131和Maestro Designer軟件之間共享變量名。

3 ?應用層的實現

應用層包括仿真系統搭建、故障注入系統搭建、網絡控制單元的邏輯設計、顯示屏界面設計。

3.1 ?仿真系統搭建

通過Matlab Simulink可實現圖形化建模[4]。以牽引系統為例，牽引系統Simulink模型由三部分組成：牽引電機功能模型、TCU模型及對外接口部分。牽引電機功能模型接收TCU模型發送的目標轉矩（目標牽引力或電制力）信號，經過該模塊內部的計算，將與電機本體相關的電機轉速、實際轉矩、電壓電流信號發送給CCU或TCU。

3.2 ?故障注入系統搭建

故障注入系統以串行的方式接入到傳輸線路中[5]，對整車的車輛網（采用MVB搭建）、列車網（采用WTB和以太網搭建）和機車數字輸入信號、模擬輸入信號燈信號做系統級的容錯性設計。其協議層是基于總線協議對故障進行注入。通過故障注入管理軟件HiFIDS控制故障注入設備實現不同的故障注入功能。故障注入管理軟件運行于電腦或者工控機中。

故障注入設備首先采集網絡中的數據信息并進行解析，然后根據上位機的協議層設置相關的故障類型注入故障;最后根據轉換電路輸出相應的波形，達到模擬網絡的物理層故障及模擬機車數字/模擬輸入故障等的目的。

通過此系統，可實現檢測系統/設備功能設計的缺陷，復現故障，協助故障定位等功能。

3.3 ?網絡控制單元邏輯程序

CAP1131完成對網絡控制單元邏輯程序的編寫，包括接口部分、通信模塊部分、控制程序主體[6]。主要步驟如下：

（1）定義TCMS網絡節點配置，包括CPU、擴展I/O模塊、遠程節點模塊和各個子系統模塊。選擇CPU類型后，根據選擇的CPU類型系統會自動加載相應的接口，如C_Bus接口、CAN接口、LBus通訊擴展接口。

（2）調用軟件中自帶的通信功能塊實現網絡控制單元之間的通信。

（3）應用程序組：頭文件定義或者聲明所有變量名稱及初值，聲明所用到的功能塊;程序主體即對各個功能塊（如TCU、ACU等模塊）進行編程設計。根據不同的變量的狀態，完成運行控制、計算功能、設備控制等功能。下圖4（右圖）即為里程計算的功能邏輯示意圖。

（4）任務組：定義程序組的執行順序。

（5）編譯。如果編譯通過，導出變量表和后綴名為.asc的程序。將程序刷進CCU。

3.4 ?顯示界面的實現

直接調用CAP1131工程中導出的變量表，完成顯示界面各個頁面的編程。界面主要功能是實時顯示車輛狀態信息、故障信息、狀態指示，并根據指示作出相應的調整。通過按鈕可進入子界面。顯示界面框架樹如圖4所示。將界面程序下載至HMI，通過以太網和CCU進行數據交互。

4 ?結語

以HXD21000型機車為對象構建了機車半實物仿真平臺，通過對ACU、TCU、BCU的功能仿真，結合故障注入系統，實現了對機車控制邏輯的全面測試。近兩年的投入使用，半實物仿真平臺為機車的系統設計、功能驗證提供了良好的測試平臺。

參考文獻

[1] 李美華， 矯德余， 孫昊雯. 列車網絡控制系統半實物仿真平臺設計及應用[J]. 鐵道機車車輛， 2018， 32（1）： 23-25.

[2] 王強， 楊杰. 列車MVB總線故障注入研究[J]. 鐵道通信信號， 2016， 52（1）： 52-54.

[3] 謝曲波， 胡志鵬， 黃彬. 機車網絡控制系統半實物仿真平臺的應用[J]. 鐵道機車與動車， 2018， 528（2）： 23-25.

[4] 司曉偉. 基于LabVIEW的高速列車網絡控制系統半實物仿真平臺研制[D]. 北京： 北京交通大學， 2012.

[5] 安志勝， 謝曲波， 郭振東. 基于半實物仿真平臺的多功能車輛總線故障研究[J]. 鐵道機車與動車， 2018， 533（7）： 35-37.

[6] 陳文翔. 基于TCN的CRH3型高速列車控制系統半實物仿真平臺設計[D]. 浙江： 浙江大學系統分析與集成， 2012.