車載接口仿真系統實現

謝再盛

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

車載系統是列控系統的關鍵組成部分，不同車載系統可以實現列車狀態監控、列車運行控制、車地實時通信等多種功能。車載系統以車載主機為核心，通過多種I/O、通信單元、人機界面和外圍傳感器共同構成車載系統的神經網絡。

由于車載系統結構復雜，不同系統測試方法、硬件組成和接口定義也不盡相同，所以一般搭建測試環境都比較復雜。而且，由于測試環境屬于針對車載系統的定制開發，環境通用性較差，無法同時支持多種系統的測試任務，無形中增加了搭建成本。

本文從車載測試環境搭建需求出發，針對地鐵CBTC系統、國鐵CTCS-2及CTCS-3系統、歐洲ETCS-2系統中車載運行控制子系統的測試及仿真運行需要，開發通用車載接口仿真系統。通過業務劃分將車載接口仿真系統劃分為信息管理、邏輯控制、接口硬件3部分。其中信息管理用于測試任務編輯、下達和執行管理；邏輯控制用于適配不同車載系統軟硬件接口邏輯；接口硬件用于統一管理、調用測試資源。

車載接口仿真系統針對不同車載系統測試任務，實時提供車載系統所需的模擬I/O信號、速傳脈沖信號、車輛傳感器信號、CAN通信、MVB通信、應答器報文信號等，通過接收分析車載系統的狀態和數據輸出，完成車載系統動態運行指標測試，能夠支持多種車載運行環境模擬。

1 系統概述

為了滿足車載接口仿真系統的通用適配性和測試多樣性，將車載接口仿真系統進行解耦設計，劃分為信息管理層、運行邏輯層、接口執行層3個組成部分。

信息管理層用于下發測試腳本，收集測試數據和系統執行狀態，實現系統運行管理和測試數據分析。

運行邏輯層用于仿真系統測試邏輯實現，內部基于不同列控系統的運行參數，構建運行模型，實現車載系統的運行場景匹配。

接口執行層由能夠模擬車載系統外部接口對象的各類硬件組成，通過接收模型運行機下發的運行命令，控制各硬件資源提供車載系統運行接口條件，采集車載系統的輸出狀態。系統架構如圖1所示。

圖1 車載接口仿真系統架構Fig.1 Architecture of onboard interface simulation system

2 系統構成

根據系統架構劃分，信息管理層和運行邏輯層分別由信息服務器和模型運行機組成，系統功能主要由軟件功能實現。接口執行層由接口管理平臺組成，因為直接和車載接口匹配，所以包含硬件測試資源和軟件驅動接口。

信息服務器和模型運行機均由通用計算機實現，接口管理平臺由一臺基于通用總線的測試主機和其他外圍設備構成。

信息服務器軟件采用B/S服務器設計，包含前端交互部分、腳本數據庫部分和數據分析部分。

模型運行機軟件采用事件型多進程架構，包含列車運動模型、運行線路模型、車輛通信協議模型和車輛I/O接口模型。

接口管理平臺采用模塊化設計，硬件由主機單元、適配接口單元、可控應答器、波形發生器、GSM-R模擬機、司控交互顯示屏和電源等7部分組成。其中主機單元采用通用總線工業主機，包含機箱、CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡。

機箱：安裝CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡等功能板卡。

CPU卡：安裝于機箱內，運行接口管理平臺程序，接收模型運行機的命令，驅動機箱中各板卡輸出和采集信號，并將車載設備關鍵數據反饋模型上位機。CPU卡包含USB、以太網、VGA等外部接口，通過外部接口與電源、可控應答器、波形發生器和GSM-R模擬機連接。

DI、DO卡：安裝于機箱內，輸出ATP采集條件，采集ATP輸出狀態。

AIO卡：安裝于機箱內，AO部分用于輸出電壓、電流信號，模擬列車傳感器信號提供給車載系統。AI部分采集電壓、電流信號，監控列車模擬量輸出狀態。

MVB通信板卡：安裝于機箱內，模擬車輛和車載系統之間MVB通信。

CAN通信板卡：安裝于機箱內，模擬車輛和車載系統之間CAN通信。

Serial通信板卡：安裝于機箱內，模擬車輛和車載設備之間RS-422/RS-485通信。

適配接口單元與車載系統的重載接口連接，將主機單元的數字I/O信號與車載接口的電平和邏輯關系進行隔離轉換，針對不同車輛接口調整對應電平和連接關系。同時，適配接口單元內含速度轉接板，用于發送PWM信號，提供車載系統速傳脈沖信息。

（可控應答器：通過CPU板卡USB接口控制，發送報文信號，提供車載設備應答器報文信息。）

（波形發生器：通過CPU板卡USB接口控制，發送FSK信號，提供車載設備軌道電路信號。）

GSM-R模擬機：通過CPU板卡以太網接口控制，發送GSM-R無線信號，提供車載設備GSM-R無線數據。

司控交互顯示屏通過主機單元控制，可針對不同車輛的司控要求，提供加減速和I/O的軟件界面控制。

電源：通過CPU板卡USB接口控制，輸出可控電壓和電流，提供車載系統的運行供電和適配接口單元內的接口供電。系統結構如圖2所示。

圖2 車載接口仿真系統結構Fig.2 Structure of onboard interface simulation system

3 業務流程

3.1 信息管理層

測試人員根據車載測試對象，編制測試腳本，并將腳本儲存在腳本數據庫內。測試時，測試人員選取適宜的測試腳本，載入測試軟件內。

測試軟件按照以太網協議將腳本信息依次發送至模型運行機。測試軟件實時記錄并分析模型運行機和接口管理平臺上傳的測試執行狀態和測試結果數據，通過數據比對進行結果評判。測試軟件周期處理模型運行機和接口管理平臺的運行狀態和執行狀態，監控系統健康狀態。

3.2 運行邏輯層

模型運行機接收到信息管理層下發的腳本信息后，模型軟件根據腳本內容調用車載接口模型、車輛運動模型和測試線路參數，并按照協議封裝通信數據，將含有通信數據的腳本信息轉化為命令序列，周期發送至接口管理平臺。

模型運行機周期性接收接口管理平臺反饋的執行狀態和上行通信數據。模型運行機判斷接口管理平臺反饋的執行狀態，確認其接收和執行完整性，并進行命令中斷、命令等待、命令重發等決策處理。模型運行機將接口管理平臺的上行數據，通過協議進行解構，將應答數據轉化為命令序列返回接口管理平臺，將結果特征值發送至信息管理層。

3.3 接口執行層

接口管理平臺通過主機單元實時調用各硬件資源，按照隊列的方式依次執行命令序列。

接口管理平臺將車載系統返回的通信數據和接口狀態實時上傳至信息管理層和運行邏輯層。接口管理平臺將命令執行狀態和平臺運行狀態周期上傳至信息管理層和運行邏輯層。

4 系統優勢

1）車載接口仿真環境中測試腳本、運行邏輯、硬件接口3部分相互獨立，修改任意部分不會造成其他部分的連帶修改。

2）車載接口仿真環境中通過信息服務器將測試腳本分離出來，便于測試業務的搭建和修改。

3）車載接口仿真環境中通過模型運行機將測試邏輯和數據模型分離出來，便于測試邏輯的適配修改。

4）車載接口仿真環境中接口管理平臺基于通用總線主機，方便各硬件資源擴展。

5 總結

車載接口仿真系統通過頂層設計，構建了一套用于實現車載運行測試的通用類真實仿真環境。該系統通過在信息管理層實現腳本管理技術，在運行邏輯層實現模型、協議和邏輯封裝技術，在接口執行層實現硬件模塊和接口匹配技術，理論上能夠滿足一套仿真系統支持多套車載系統，一套仿真系統滿足各種測試任務的要求。該系統目前已應用于深度自主化實驗室和工廠車載系統測試環境，為測試效率提升和測試成本控制提供有力的支撐。