目標(biāo)控制器數(shù)字孿生系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

許 婧，楊 碩，季志均

（卡斯柯信號有限公司 聯(lián)鎖系統(tǒng)開發(fā)部，上海 200072）

目標(biāo)控制器（OC，Object Controller）系統(tǒng)可取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的繼電電路和監(jiān)測電路，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、電碼化設(shè)備等軌旁設(shè)備的驅(qū)動和采集[1]。OC系統(tǒng)目前被集成于第二代智能安全型全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)[2]、列車自主運(yùn)行系統(tǒng)[3]、列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)[4-5]中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于OC系統(tǒng)是在定制的母板上運(yùn)行嵌入式軟件，研發(fā)成本高、定制周期長，若其存在硬件設(shè)計(jì)問題，需要耗費(fèi)較長時(shí)間進(jìn)行修正。此外，OC系統(tǒng)具備分布式系統(tǒng)和二乘二取二系統(tǒng)的特點(diǎn)，配置靈活多變，負(fù)載種類繁多，為驗(yàn)證多種應(yīng)用場景，需要搭建復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、投入大量的硬件資源；OC系統(tǒng)的研發(fā)和測試團(tuán)隊(duì)受限于硬件資源和實(shí)驗(yàn)室空間，能搭建的真實(shí)環(huán)境數(shù)量較少，開發(fā)調(diào)試工作和測試工作易形成資源沖突，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度滯后。

數(shù)字孿生技術(shù)是指通過數(shù)據(jù)的交互融合，設(shè)計(jì)虛擬模型并建立虛擬系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)的映射關(guān)系，進(jìn)而“鏡像”實(shí)體的技術(shù)[6-7]。數(shù)字孿生技術(shù)最早被應(yīng)用于飛機(jī)的故障預(yù)測[8]，目前，已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星[9]、電力[10]、智慧城市[11]等多個(gè)領(lǐng)域。

針對OC系統(tǒng)面臨的問題，本文研究和設(shè)計(jì)一種OC數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過分析虛擬實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測真實(shí)OC設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果，及時(shí)修正研發(fā)方向，從而降低研發(fā)成本、提升研發(fā)效率。

1 OC系統(tǒng)組成

OC系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)（MCC，Master Control Computer）的驅(qū)動命令，控制室外的信號設(shè)備，并將室外設(shè)備的狀態(tài)返回給MCC。OC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，每種控制模塊完成一個(gè)獨(dú)立的功能。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 OC系統(tǒng)組成

OC系統(tǒng)采用二乘二取二架構(gòu)。二取二是指每個(gè)控制模塊內(nèi)部采用雙通道架構(gòu)，每個(gè)通道各有1個(gè)運(yùn)算單元，獨(dú)立得出2個(gè)運(yùn)算結(jié)果，結(jié)果一樣則輸出，不一樣則不輸出?？刂颇K中的某些關(guān)鍵電路采用雙通道差異化設(shè)計(jì)，能夠有效減少共因失效產(chǎn)生的幾率。二乘二取二是指系統(tǒng)中相同的2個(gè)控制模塊互為冗余、相互獨(dú)立，即使出現(xiàn)了交叉故障，只要互為冗余的2個(gè)控制模塊不同時(shí)失效，系統(tǒng)仍能保持正常功能。

1.1 安全通信模塊

用于執(zhí)行OC系統(tǒng)與MCC間的通信，通過L1安全紅網(wǎng)和L2安全藍(lán)網(wǎng)接收來自MCC的命令，根據(jù)鐵路信號安全協(xié)議-I（RSSP-I，Railway Signal Safety Protocol-I）和FSFB/2（Fail Safe Field Bus second generation）協(xié)議控制GUEST模塊，并且將OC系統(tǒng)的狀態(tài)上傳給MCC。同時(shí)，安全通信模塊參與維護(hù)系統(tǒng)通信，通過L3維護(hù)網(wǎng)送出OC系統(tǒng)的維護(hù)和診斷信息，支持簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP，Simple Network Management Protocol）、簡單文件傳輸協(xié)議（TFTP，Trivial File Transfer Protocol）、用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）、簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP，Simple Network Time Protocol）協(xié)議。互為冗余的安全通信模塊A和B之間通過L7內(nèi)網(wǎng)相連。

1.2 GUEST模塊

GUEST模塊是OC系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制各種信號設(shè)備的板卡（如狀態(tài)采集板卡、道岔驅(qū)動板卡、信號機(jī)驅(qū)動板卡等），根據(jù)驅(qū)動命令控制室外的信號設(shè)備，并采集室外設(shè)備的狀態(tài)。OC系統(tǒng)內(nèi)2個(gè)相同種類的GUEST模塊可互為冗余，例如：GUEST模塊Ai與GUEST模塊 Bi兩兩配對使用，并通過L4電纜連接到軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、安全繼電器、電碼化設(shè)備、零散設(shè)備等室外設(shè)備。GUEST模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GUEST模塊結(jié)構(gòu)示意

各類GUEST模塊的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由以下2部分組成。

（1）母板。其上集成了特定的硬件組件，例如采集電路、驅(qū)動電路、隔離電路、熔絲電路及與這些部件接口的部分現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）；

（2）安全控制單元（VCU，Vital Control Unit）扣板。基于二取二架構(gòu)的模塊，其上集成了CPU_A、CPU_B、Flash存儲器和隨機(jī)存取存儲器（RAM，Random Access Memory）。

1.3 背板

用于實(shí)現(xiàn)OC系統(tǒng)內(nèi)部的連接和通信，提供電源接口、地址信息接口、配置數(shù)據(jù)接口、連接安全通信模塊和各GUEST模塊的控制器局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）總線接口等。

1.4 CAN總線

每個(gè)GUEST模塊具有2個(gè)獨(dú)立的CAN通信接口，可以通過背板連接在2個(gè)獨(dú)立冗余的CAN總線上。正常工作時(shí)，安全通信模塊通過2個(gè)CAN總線（CAN_A、CAN_B）與GUEST模塊通信。

2 OC數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

OC數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)包括分析與統(tǒng)計(jì)層、測試層、系統(tǒng)環(huán)境層、硬件仿真層等4層。各層相互獨(dú)立、充分耦合，通過接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)物理隔離、邏輯相通，便于功能擴(kuò)展和系統(tǒng)集成，根據(jù)不同使用場景的需求，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 OC數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)示意

（1）硬件仿真層可實(shí)現(xiàn)對OC數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的快速構(gòu)建和部署，根據(jù)應(yīng)用場景的需要組成多配置項(xiàng)、多機(jī)測試環(huán)境?？稍谕ㄓ糜?jì)算機(jī)中虛擬運(yùn)行多片CPU及芯片外設(shè)，將要測試的嵌入式軟件的二進(jìn)制代碼裝載到不同的虛擬安全通信模塊和虛擬GUEST模塊中。

（2）系統(tǒng)環(huán)境層是整個(gè)OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心層，可實(shí)現(xiàn)對真實(shí)OC系統(tǒng)各應(yīng)用場景的全系統(tǒng)虛擬。系統(tǒng)環(huán)境層在OC數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，動態(tài)加載CPU模擬器、外設(shè)芯片構(gòu)成虛擬實(shí)例，從而完成整個(gè)OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行，包括運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。虛擬實(shí)例可通過接口管理與其他相關(guān)測試系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行環(huán)境。在系統(tǒng)環(huán)境層中，可根據(jù)場景需求，完成執(zhí)行環(huán)境和通信協(xié)議的配置。

（3）測試層對測試用例進(jìn)行管理，根據(jù)測試需要完成故障注入，并將需要運(yùn)行的測試指令傳輸?shù)较到y(tǒng)環(huán)境層。

（4）在測試執(zhí)行后，系統(tǒng)環(huán)境層將測試執(zhí)行期間收集到的測試數(shù)據(jù)發(fā)送到分析統(tǒng)計(jì)層，在分析與統(tǒng)計(jì)層對故障相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障原因分析和記錄，最終由分析統(tǒng)計(jì)層輸出測試結(jié)果。

2.2 關(guān)鍵模塊的虛擬化

OC系統(tǒng)中的安全通信模塊和GUEST模塊均以VCU為核心處理單元，擴(kuò)展不同外圍功能電路。根據(jù)真實(shí)OC系統(tǒng)中的安全通信模塊和GUEST模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的系統(tǒng)環(huán)境層中搭建相應(yīng)的虛擬模塊。

2.2.1 安全通信模塊虛擬化

安全通信模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

（1）提供3個(gè)對外網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)OC系統(tǒng)對外的網(wǎng)絡(luò)通信；提供1個(gè)對內(nèi)網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)與另一個(gè)安全通信模塊間的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信；

（2）對于二取二架構(gòu)中的每個(gè)通道，安全通信模塊的二進(jìn)制代碼和電子戳存儲在虛擬VCU的Flash中；安全通信模塊通過2個(gè)串行外設(shè)接口（SPI，Serial Peripheral Interface）通道，讀取相關(guān)配置數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在其他虛擬的Flash外設(shè)之中；

（3）通過2條虛擬的CAN總線與系統(tǒng)內(nèi)的GUEST模塊交互數(shù)據(jù)。

在OC數(shù)字孿生系統(tǒng)中，虛擬的VCU是雙通道架構(gòu)，每個(gè)通道以1個(gè)虛擬的MCF54418 CPU為核心處理器，雙通道之間通過模擬的內(nèi)部串口實(shí)現(xiàn)高頻二取二交互通信。

2.2.2 GUEST模塊虛擬化

GUEST模塊的虛擬化架構(gòu)與安全通信模塊類似，但真實(shí)OC系統(tǒng)的GUEST模塊中有眾多繼電器、自檢電路、ADC數(shù)字采樣和FPGA等硬件組件。系統(tǒng)環(huán)境層根據(jù)每類GUEST模塊的構(gòu)造，進(jìn)行硬件功能的FPGA仿真，通過虛擬的通用輸入/輸出（GPIO，General Purpose Input/Output）和FPGA接口，與VCU模塊進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)模塊自檢、驅(qū)動命令的執(zhí)行與反饋、開關(guān)量的采集和模擬量的采集等功能，為OC數(shù)字孿生系統(tǒng)提供必要的自檢和運(yùn)行條件。

硬件仿真層根據(jù)應(yīng)用場景搭建外圍設(shè)備模塊，對OC系統(tǒng)中GUEST模塊的負(fù)載進(jìn)行模擬，為OC數(shù)字孿生系統(tǒng)提供開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)。

3 基于SkyEye的開發(fā)實(shí)例

SkyEye是基于可視化建模的硬件行為級仿真平臺，支持用戶通過拖拽的方式對硬件進(jìn)行行為級別的仿真和建模?；赟kyEye搭建的嵌入式系統(tǒng)虛擬化運(yùn)行環(huán)境，研發(fā)人員可不受物理硬件限制，隨時(shí)訪問目標(biāo)系統(tǒng)，快速搭建虛擬硬件模型[12]。本文在Windows操作系統(tǒng)下，進(jìn)行基于SkyEye平臺的OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)，完成對真實(shí)OC系統(tǒng)的虛擬化。

3.1 系統(tǒng)開發(fā)框架

OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)框架如圖4所示，由OC數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建、OC數(shù)字孿生運(yùn)行環(huán)境和OC數(shù)字孿生配置管理工具構(gòu)成。

圖4 OC數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)框架示意

3.1.1 系統(tǒng)構(gòu)建

本文通過設(shè)計(jì)通用模塊和提供可配置的各類硬件外設(shè)接口，靈活構(gòu)建OC數(shù)字孿生系統(tǒng)。構(gòu)建思路如下：

（1）將通用API接口封裝成核心動態(tài)庫，支持其他模塊的接口調(diào)用；

（2）采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)的處理器、內(nèi)存總線、外圍設(shè)備等均被設(shè)計(jì)為獨(dú)立的模塊；

（3）通過硬件配置腳本靈活搭建目標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)硬件配置生成不同GUEST模塊的面板顯示，并根據(jù)程序運(yùn)行情況點(diǎn)亮面板燈；

（4）實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制文件解析和加載功能。

3.1.2 運(yùn)行環(huán)境

在真實(shí)OC系統(tǒng)中，最多包含2個(gè)安全通信模塊和28個(gè)GUEST模塊。與之對應(yīng)的，在OC數(shù)字孿生系統(tǒng)中，最多虛擬30個(gè)VCU模塊同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，每個(gè)VCU包含2個(gè)CPU，并對OC系統(tǒng)的內(nèi)部通信進(jìn)行虛擬，還原真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。為實(shí)現(xiàn)60個(gè)CPU的同時(shí)運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了多VCU目標(biāo)機(jī)集成方案：啟動4個(gè)SkyEye進(jìn)程，再通過時(shí)間同步工具進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)鐘推進(jìn)，確保OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行。

通過SkyEye集成MCF54418 CPU及芯片外設(shè)仿真、時(shí)間同步工具和二進(jìn)制動態(tài)編譯等組件，提供統(tǒng)一的OC數(shù)字孿生系統(tǒng)的部署驗(yàn)證。應(yīng)用程序可直接在OC數(shù)字孿生系統(tǒng)中運(yùn)行，在與真實(shí)OC系統(tǒng)的硬件輸入條件相同、運(yùn)行時(shí)間相同時(shí)，能得到與真實(shí)運(yùn)行結(jié)果相同的輸出。運(yùn)行環(huán)境中的時(shí)間同步工具是OC數(shù)字孿生系統(tǒng)按時(shí)序運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要有2個(gè)功能：（1）實(shí)現(xiàn)單VCU模塊內(nèi)CPU_A和CPU_B的同步；（2）實(shí)現(xiàn)模塊之間的同步。

3.1.3 配置管理工具

配置管理工具基于運(yùn)行環(huán)境，提供系統(tǒng)配置管理功能，包括虛擬硬件的設(shè)備管理、OC節(jié)點(diǎn)管理、節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)管理、日志管理、軟件配置文件的加載、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間與數(shù)據(jù)同步的設(shè)置等。

3.2 VCU建模示例

通過SkyEye對VCU進(jìn)行建模，虛擬VCU內(nèi)部設(shè)計(jì)和多VCU間的通信，如圖5所示。VCU_0模塊描述VCU內(nèi)部對雙通道的規(guī)劃，以core、ram、spi、uart、flash、net、gpio、can外設(shè)為基礎(chǔ)搭建系統(tǒng)。VCU_1描述多個(gè)VCU之間通過can_linker的方式進(jìn)行通信的機(jī)制。

圖5 SkyEye環(huán)境下的VCU建模示意

4 試運(yùn)行情況

本文設(shè)計(jì)的OC數(shù)字孿生系統(tǒng)是真實(shí)OC系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)字映射，已于2023年2月，在上海地鐵3號及4號線改造工程中上線試運(yùn)行。研發(fā)人員使用OC數(shù)字孿生系統(tǒng)在真實(shí)OC硬件未制造時(shí)提前驗(yàn)證OC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件功能和系統(tǒng)性能，在發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷后及時(shí)優(yōu)化，減少了產(chǎn)品研發(fā)的迭代次數(shù)，將研發(fā)時(shí)間從半年縮短至2個(gè)月左右，節(jié)約了研發(fā)成本。在排查OC系統(tǒng)的故障時(shí)，售后人員利用OC數(shù)字孿生系統(tǒng)還原了現(xiàn)場的復(fù)雜場景，快速復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場問題，及時(shí)定位了故障原因，減少了售后工作的人力消耗。

5 結(jié)束語

本文基于OC系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了OC數(shù)字孿生系統(tǒng)，介紹了關(guān)鍵模塊的虛擬化方式，并基于SkyEye進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)已在上海地鐵3號及4號線改造工程中上線試運(yùn)行，運(yùn)行效果良好，可有效緩解開發(fā)調(diào)試工作和測試工作形成的資源沖突，縮短研發(fā)周期，同時(shí)，降低OC系統(tǒng)的維護(hù)成本，具有推廣價(jià)值。