城市轨道交通车载列车自动防护设备仿真检测平台研究

张 凯 冯 虎 廖湘华

（1.上海申通轨道交通研究咨询有限公司，201103，上海；2.卡斯柯信号有限公司，200071，上海∥第一作者，助理工程师）

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全、提高运输效率的关键系统设备，其技术含量高、研制难度大，是实现装备制造国产化的关键。信号系统一般包括列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）、列车自动监控（ATS）等子系统。其中ATS技术较早为国内所掌握，当前众多国内企业和科研机构正开展ATP、ATO技术的研究。仿真是一种对新设备测试检验的有效手段。通过对要测试设备的外围环境进行模拟和控制，可以进行多方面的性能测试和调试。本文研究利用LabVIEW平台开发车载ATP设备检测平台的技术和方法。实践证明其具有高效、灵活、低成本的特点［1］。

1 车载ATP设备仿真测试需求

ATP子系统具有检测列车位置，实现列车运行安全间隔控制，监督列车运行速度，实现列车超速防护控制，防止列车误退行等非预期移动，为列车车门、站台屏蔽门等的开闭提供安全监控信息等功能。不同制式的信号系统，其车地之间的通信方式、通信内容有很大不同。本仿真检测平台是针对采用欧式信标和里程计、用数字轨道电路传递机车信号的准移动闭塞信号系统制式。车载ATP设备接口示意如图1所示。

图1 车载ATP设备接口示意图

仿真测试平台是对车载ATP设备外部的对接设备及其关联子系统进行仿真，为车载ATP设备的开发提供室内运行调试环境，对其室内系统验证过程提供计算机辅助测试工具。由图1可见，仿真测试平台需要仿真的有里程计、列车信号、信标、列车信息管理系统（TIMS）和驱动继电器的信号。其中里程计和信标共同实现列车的测速和定位功能。仿真检测平台所仿真的编码里程计根据车轮的转动，产生4路有不同相位的脉冲信号，车载ATP可据此计算出列车的位移和方向。欧式信标则在列车的信标天线接近时产生一定长度的FSK（频移键控）调制信号，并在信标天线通过其正上方时产生电平突变的脉冲信号TopLoc；车载ATP可根据调解出的信号ID（标识号）和信标的中心位置，实现列车在线路地图中的精确定位。数字轨道和传输环线所传输的列车信号则包括了所在区段的线路地图和区域控制器所产生的速度限制，采用了CPFSK（连续相位频移键控）调制信号。继电器信号本身是高低电平信号，可以归类为脉冲信号。TIMS则采用了串行接口和车载ATP设备进行通信。

2 仿真检测平台的实现

2.1 总体设计

室内仿真测试平台由仿真机和终端机两部分组成，其系统结构如图2所示。仿真机主要负责场景仿真、信号I／O（输入／输出）及数据存储，采用美国国家仪器公司的PXI系统作为开发平台。终端主要负责用户操作、信息呈现及数据存储，可以部署在普通个人电脑或工控机上。终端机和仿真机之间的通信通过局域网进行。

本仿真检测平台的软件可以划分为数据层、仿真层和用户界面（UI）层。数据层（存在于仿真机上和终端机上）负责数据的存储、访问、同步、通信功能。仿真层负责严格定时、同步、实时处理和车载ATP接口仿真功能。UI层负责非实时的用户控制（即人工界面操作）和界面显示功能。

原则上仿真层与被测设备通过二者之间的仿真接口就构成了完整的闭环系统。但是，为了测试平台能透视和（或）截获被测设备内部及（或）中间环节的信息，以供人工分析和判别，数据层还接收被测车载ATP设备单向反馈的信息。这里“单向”是指车载ATP设备可以向测试平台发送数据，但反向不可。

数据层还使得各功能模块的动态加载成为可能。例如，无论UI层运行与否，只要仿真层赖以运行的数据存在，则仿真机就可与被测车载ATP设备构成一个封闭的运行系统，即车载ATP设备具备了室内运行条件。在仿真层运行过程中，随时可加载UI层的功能模块、流程控制脚本程序，不需中断仿真层的运行。

图2 仿真测试平台逻辑结构示意图

2.2 硬件设计和实现

长期以来，自动测试系统都是为特定的应用采用专门的硬件和软件。尽管这种做法存在成本高、扩展性差和特定应用限制等缺点，但仍然被选用。然而，随着科技的不断进步，商业化的测试技术性能已经赶上甚至超过了专用自动测试系统的性能。功能齐全的硬件和软件架构可以实现从设计验证试验到高度自动化生产的应用，而且具有更快的开发速度、更低的成本。

PXI规格于1998年正式制定。它具有完整的硬件和软件相容规范，可以满足绝大多数测试系统的要求，并充分利用了计算机PCI总线架构。PXI规格在硬件模块易于装卸的前提下提供了优良的机械整合性。其规范的开放性可以组成模块化的测试系统，不同平台的仪器也能容易地集成到PXI的测试系统。鉴于此，仿真机选用NI公司生产的PXI系列设备，包括控制器和若干块（种）模块化仪器，使用 LabVIEW 软件开发环境［2］进行开发。LabVIEW软件使用图形化编辑语言设计实时数据采集和控制程序，可以方便地建立各种虚拟仪器，模拟出被测设备所需要的各种信号。仿真机的控制器上运行实时操作系统LabVIEW RT，数据采用文件方式存储。LabVIEW、LabVIEW Real－Time模块以及RT系列硬件，为数据采集和控制系统带来可靠确定的实时性能。本仿真检测平台所采用硬件结构如图3所示。

由于PXI设备输入、输出脉冲信号的电平为5 V，车载ATP设备输入信号电压一般高于此值（典型系统为24V），因此信号交互之前需要经过低、高电平转换；同时PXI设备所输出的FSK等调制信号为单端信号，需要进行差分转换。为此，自制信号调理模块，包括差分转换器和高低电平转换器。

图3 仿真检测平台硬件结构

2.3 软件设计和实现

本仿真检测平台采用以数据交换而不是以逻辑控制为中心的设计思路，来划分子系统和子系统内部的模块。各功能模块通过共享数据来互相耦合，从而实现测试系统在灵活性上的要求。以下分为数据层、UI层、仿真层三个方面来描述软件系统的设计和实现。

2.3.1 数据层

数据装载一般发生在仿真检测平台系统运行的初始化阶段，从离线配置文件中读取数据到内存（即数据池中的静态数据）中。

数据层的数据分布在终端机和仿真机上。数据池中的存储数据可分为静态数据、动态数据和功能性全局变量。功能性全局变量也是动态数据，主要用于同一机器上功能模块之间的共享数据，故单独列出。从线路地图研究中可知，动态数据往往与静态数据一一对应。把同一对象的各属性按分类分别存储，以改善访问性能。

仿真机或终端机上的各功能模块大多并行运行，因此通过数据而不是控制传递来互相藕合协调。主要采用以下形式：

1）直接访问数据池中的数据——对于较复杂的数据结构（例如数组、结构），数据池提供对单个元素进行访问的方法。

2）事件——这主要用于UI中对控件操作的响应处理。

3）队列——这主要用于终端机上两模块间需要传递不可丢失的数据。

4）FIFO（先入先出缓冲区）——这主要用于仿真机上两模块间需要传递不可丢失的数据。

5）通知——这主要用于仿真机上相关模块间的互相同步。

终端机与仿真机之间的信息交换，即终端机数据池与仿真机数据池之间的信息交换，采用网络共享变量，或网络FIFO的形式。仿真机、终端机的网络同步模块把自身数据池中的数据周期性地复制到网络共享变量或网络FIFO中，LabVIEW RT引擎将自动把网络共享变量或网络FIFO传递到终端机、仿真机上。

各功能模块不得直接访问网络共享变量和网络FIFO，而是通过网络同步模块来有效地隔离网络传递的抖动性，并避免终端机干扰仿真机的可能性。网络同步模块的周期性还确保了数据传递在终端机数据池与仿真机数据池之间的这一段时间延迟的固定性。由于各功能模块访问数据池也具有周期性，确保了从数据源到数据池、从数据池到数据目的地的时间延迟也是固定的，因此，从数据源到数据目的地的时间延迟是固定的。

2.3.2 UI层

UI层运行在终端机上，主要分为仿真机中各功能模块的UI、驾驶台、线路地图三大块。

为了确保仿真机的实时性，把各仿真功能模块都切割成两部分：窗口界面和逻辑处理。窗口界面运行在终端机上，逻辑处理运行在仿真机上。窗口界面与逻辑处理之间的通信链为“数据池－网络同步模块－网络共享变量或网络FIFO、网络同步模块－数据池”，为避免窗口界面影响逻辑处理的性能，没有使用LabVIEW RT所支持的“前面板通信”方式。

驾驶台汇集了仿真功能模块UI中比较常用的控件，显示线路地图，实时绘制出实际速度线、输出速度线及反馈速度线，捕获线路设备的操作，并刷新设备状态显示。

2.3.3 仿真层

仿真层主要有牵引与制动、列车定位、信标天线、脉冲输出、列车信号接收线圈、数字I／O、TIMS等模块。其中里程计、信标天线模块的外部输出是汇聚到“脉冲输出”这个模块后一起同步输出的。牵引控制模块计算列车的运行和所处位置，向其它各个轨旁设备模块发出同步通知。在此对部分模块的工作机制进行介绍（其中，机车信号接受线圈模块工作机制与信标天线模块类似）。

1）牵引控制模块：牵引与制动模块周期性地读取仿真机数据池中的牵引与制动加速率、坡度、是否紧急制动等信息，来计算实际脉冲数、齿号、方向、加速率、速率、列车横坐标等，并存到数据池中。系统仿真了影响列车行驶的各种力量，包括牵引力、重力轨道分量、制动力、轨道磨擦力和空气阻力，以便仿真列车后退以及测试车载设备对坡度的处理。

牵引与制动模块将根据列车虚拟运行的精确位置，直接计算编码里程计的各路脉冲值，并决定是否向信标天线模块、列车信号接收线圈（包括线圈数据预备、CPFSK调制、CPFSK输出子模块等）发送同步指令及指令内容。牵引控制模块算法流程见图4所示。为了仿真打滑、空转、锁轴等车轮转动与列车实际位移不一致的情况，还设置了里程计脉冲值调整子模块。当此模块激活时，对计算脉冲进行相应的延迟或其它处理。

2）列车定位模块：列车定位模块周期性地从仿真机数据池中读取实际横坐标及线路图中的上下文信息，计算列车的实际位置、坡度，以及当前和前方的信标、当前和前方的轨道电路载频。

3）脉冲输出模块：该模块包括高速数字合成模块和高速数字输出模块。仿真机所产生的各种脉冲值并不单独立即输出，而是以功能性全局变量的形式存储在仿真机数据池中；由高速数字合成子模块周期性地将各个脉冲值合成为一个32位的数字，每隔一预定时间段后，将该数字插入到FIFO存储器中。高速数字I／O子模块则负责将其中的数字提交给高速数字I／O板卡发送给车载设备。高速数字合成子模块与高速数字I／O子模块将形成一个闭环控制，使得这个FIFO中元素进出保持平衡。

图4 牵引控制模块算法流程图

4）信标天线模块：信标天线模块由天线数据预备、中心脉冲计算子模块、FSK、FSK输出子模块等构成。当天线数据预备子模块监视到当前信标和（或）前方信标发生变化时，则从仿真机数据池中提取新信标的数据，组装为相应的信标数据帧。中心脉冲计算子模块根据牵引与制动模块的同步指令启动、终止计算天线数据预备子模块预备的某一数据帧的脉冲值。FSK调制子模块根据牵引与制动模块的同步指令启动、终止对天线数据预备模块预备的“某一”信标数据帧的调制过程。其调制出的FSK调制信号将通过相应的FIFO存储器传到FSK输出子模块，从而发给被测车载ATP设备。FSK调制子模块与FSK输出子模块不需要闭换控制，因为当列车距离信标较远时，FSK输出模块不需输出信号。

3 结语

本仿真检测平台采用虚拟仪器开发平台，根据准移动制式信号系统实际情况，开发了车载ATP设备的仿真检测平台。仿真检测平台模拟了车载设备在实际运行时的环境，实现了室内试运行和检测；开发采用了商业PXI硬件平台和图形化开发语言，有效地降低了开发难度，提高了开发效率。仿真检测平台各模块之间并行运行，其应用具有可选性，且易于扩展和改造。仿真检测平台已应用于相关产品的开发和测试中，有效地促进了车载ATP设备的开发效率，降低了开发成本［1］。

［1］上海申通轨道交通研究咨询有限公司.城市轨道交通CBTC系统车载设备和ATS技术研究报告［R］.上海：上海申通轨道交通研究咨询有限公司，2010.

［2］Johnson G W.LabVIEW graphical programming：practical applications in instrumentation and control［M］.Texas.USA：McGraw－Hill School Education Group，2006.