城轨列车半实物仿真测试台的设计与实现

王　欣

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



城轨列车半实物仿真测试台的设计与实现

王欣

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

介绍了半实物仿真测试台的结构及MVB设备的功能、原理，同时分类梳理城轨半实物测试台的通信接口，结合列控系统与子系统之间的测试需求，总结提出了搭建城轨列车半实物仿真测试台的技术方案。

城市轨道交通； 网络控制； 半实物仿真

随着我国城市化进程的加速，城轨列车在城市交通中的重要性也日益突出起来，同时随着网络技术的逐渐成熟，列车控制网络系统已经成为现代城轨车辆的关键技术之一。由于列车网络控制系统涉及的子系统众多，且各子系统之间通讯协议、逻辑控制算法、故障诊断策略复杂，要设计和实现如此复杂庞大的列车网络控制系统，迫切需要一个开发和测试平台，来真实的模拟城轨列车的网络环境，实现对列控网络通讯协议、逻辑控制算法、人机界面、网络控制系统性能、故障诊断策略等方面的分析验证功能，城轨半实物仿真平台的建立能够满足上述需求，同时也将大大提高研发效率、缩短开发与测试周期，降低实车测试带来的各种技术和成本风险。

1　城轨列车半实物仿真测试台

1.1半实物仿真测试台结构

半实物仿真测试台在中国铁道科学研究院机车车辆研究所对各类车载网络设备已有研究成果的基础上，研制并搭建基于TCN的城轨列车网络控制系统软硬件开发及测试平台，能够为城轨列车网络控制系统的开发、测试提供有力平台支撑。如图1所示，仿真测试平台主要由2个司控台和6个电气柜两大部分组成。

司控台：司控台中包括城轨列车实际所需的足够的按钮、开关、及仪器仪表等。每个司控台中放置的设备包括4个紧凑式输入输出工作站(Compact IO)、1个工控机和1个人机接口显示屏(HMI)；

电气柜：每个电气柜模拟一节车，电气柜1～3模拟一个半车，电气柜4～6模拟另一半车。端车电气柜1、6中各放置1个VCU、1个PLC组和1个输入输出站(IOS)；中间车电气柜2，3，4，5中各放置1个PLC组和1个IOS；

MVB网络：MVB网络以总线形式，连接平台中所有Compact IO、工控机、HMI、IOS和车辆控制单元(VCU)等网络设备；

以太网：每个半车中的工控机和所有PLC通过以太网交换机连接，两个半车中的以太网交换机通过以太网连接。

硬线连接：在各电气柜内，将PLC的输入和IOS的输出以及PLC的输出和IOS的输入一一对应连接。

图1　仿真测试台结构图

1.2半实物仿真测试台原理

半实物仿真测试平台中车辆电路、子系统等都是采用软件模拟，因此平台中所有硬线控制信号均模拟为软件信号进行传输。所以平台系统能正常运行的关键在于TCN网络数据及控制数据的正确传输。

下面以一个简单信号流方式说明本平台中各类数据的传输：

图2　网络信号流说明

VCU -> IOS：VCU通过MVB总线向IOS发送开关开闭命令(例如闭合车辆电路继电器)；

IOS-> PLC：IOS在接收到MVB数据后进行对应的开关动作，其开关状态通过硬线信号由相应端口PLC进行采集；

PLC -> 工控机：PLC在采集到硬线信号后，由程序映射至对应的车辆电路软件开关上，在车辆电路软件模型中进行开闭动作，并向工控机中的各个仿真子系统反馈需要监控的开关和线路状态；

工控机 -> VCU：工控机在接收到相关状态后，采用其对应的子系统模型进行软件计算，并将计算结果通过MVB总线发送给VCU进行控制；

工控机 -> PLC：工控机在接收到相关状态后，采用其对应的子系统模型进行软件计算，并将计算结果通过以太网发送给PLC车辆电路进行执行；

PLC -> IOS：PLC 将车辆电路的动作状态映射到相应的端口，由IOS采集；

IOS -> VCU：IOS将监控的端口状态，通过MVB总线的过程数据传输给VCU进行相关的控制；

VCU -> 工控机：VCU通过MVB总线将控制指令及相关状态信息传输给工控机，工控机通过各子系统模型配置的端口读取相关信息，以用于各子系统的计算和处理。

通过上述方案可以看到，由于整个网络通道已经连通，而在各电气柜内，将PLC的输入和IOS的输出以及PLC的输出和IOS的输入一一对应连接，因此，在进行模拟不同的车型的时候，不需要重新配置或更改硬件，只需修改软件程序，即能适应不同的列控网络系统的设计和仿真的需求，从而大大提高测试台的通用性和适用性。

1.3平台的网络拓朴

为了使半实物仿真平台具有真实的网络环境，其网络产品的配置与实车完全一致，拓扑结构如图3所示。

列车为4动2拖6辆编组列车，其网络拓扑由列车级MVB与车辆级MVB两级物理网络构成。6辆编组的列车中，每节车本身都有一个MVB物理网段，连接

图3　半实物仿真平台网络拓扑

本车内所有的MVB网络设备，实现车辆级控制；然后通过中继器连接到列车级MVB总线进行通信，实现列车级控制。两个半车内的部件及布置完全一致的，图3所示为一个半车的网络拓扑图。

(1) 每一个列车中有两个互为冗余的车辆控制单元(VCU)。运行时一个作为主VCU，负责列车的控制、监视和诊断；另一作为从VCU，监控主VCU状态，当主VCU故障或发送主从切换时，从VCU替代主VCU成为主，进行列车的控制、监视和诊断；

(2) 牵引控制功能在VCU中实现；

(3) 在每个车辆上都设有IOS，负责模拟量和数字量的输入、输出；

(4) 在每个端车中分别装有1个HMI，用于显示列车状态、故障诊断信息；

(5) 每个车辆上安装了一个中继器(REP)模块。车辆级的MVB总线通过REP与列车级的MVB总线段连接；

(6) 逆变器控制单元ICU、制动控制单元BCU、辅助逆变器APS、门控单元EDCU、空调控制单元ACCU、旅客信息系统PIS等通过MVB总线连接到列车网络控制系统上。网络控制系统的设备配置如表1所示。

表1　网络控制系统设备配置表

1.4网络设备

城轨列车网络控制系统主要包含车辆控制单元(VCU)、人机接口显示屏(HMI)紧缩型输入输出工作站(Compact IO)、中继器(REP)、输入输出站(IOS)等网络设备。

(1) 车辆控制单元(VCU)

VCU是在通用CPCI总线的技术上加入本控制单元特有的信号，实现了扩展性的CPCI总线技术；除了CPCI总线外，在背板上还包含数字和模拟的IO信号；具有MVB、以太网接口。车辆控制单元作为城轨列车网络控制的核心单元，采集与车辆运行状况有关的各种信息，并对这些数据进行逻辑判断处理后，发送到牵引、制动、辅助供电、空调、旅客信息系统等连接到列车网络上的各子系统，从而对各子系统进行控制、监视和故障诊断。车辆控制单元逻辑框图如图4所示。

图4　车辆控制单元控制框图

就其重要性而言，VCU相当于人类的大脑，一旦出现故障，就会造成严重的影响，甚至使列车运行发生瘫痪。所以在方案中采用双VCU的方式，在每列车的都安装有两台VCU，互为冗余，列车上电后，其中一台将成为主控VCU，另外一台将成为从控VCU。如果一台VCU发生故障的情况下，另外一台VCU能够接管全部的管理功能，保证列车可继续正常运营。

VCU是列控网络系统的核心设备，主要完成如下中央控制功能和牵引控制功能：

①高速断路器的开合控制；②车门控制和车门状态信号的处理；③交流负载管理控制；④发出与联锁状态有关的牵引和制动信号；⑤在故障情况下切除个别故障部件；⑥为所有连接到MVB的子系统提供主时钟；⑦将运行和故障信息传送给HMI；⑧指令评估(制动指令比牵引指令的优先级高)；⑨输入指令和信号的真实性检查；⑩设定点处理：根据ATC/司机的请求进行牵引和电制动控制；○11控制冲击以获得良好的平稳性；○12监控功能如超速监控，后溜监控，风机监控。

(2) 人机接口显示屏(HMI)

HMI是配置在列车的两个端车，每端一个，主要为司机提供各个子系统的状态显示，同时实现列车故障诊断和信息保存等功能。人机接口显示屏外观图如图5所示。

图5　人机接口显示屏实物图

HMI 硬件组成主要包括CPU 电路(包括MVB 通信部分)、电源模块、显示器模块、存储器及外围接口电路。是一款功耗低、易安装、质量轻的车载计算机装置，其主要硬件参数如表2所示。

表2　人机接口显示屏主要性能参数

在HMI中，主要包含如下两个层面的诊断。第1层面子系统层面，第2个层面是列车层面。两个层面的诊断互为补充，形成完整的列车诊断系统。为司机提供故障的详细信息及故障处理建议，实现全列车的牵引、制动等各子系统控制指令的下发及整车的操作和控制。高效的诊断系统，能够提高列车故障的检修效率，保证列车正常运行。

(3) 紧凑式工作站输入输出模块(Compact IO)

Compact IO作为具有许多固定的输入和输出通道的紧凑装置的分布式输入和输出工作站，用于接收司机室内的专门信号，例如，来自按钮、开关、指示器、断路器、编码插头和主控制器。一个Compact IO有2×16 二进制输入、1×8 二进制输出以及两个数字式位置编码器接口的数字输入，模块的硬件样式如图6所示。

图6　Compact IO实物图

Compact IO是和多功能车辆总线连接的一个紧凑式I/O 接口模块，提供扩展功能，其主要性能参数如表 3所示。

表3　Compact IO主要性能参数

(4) 中继器

MVB中继器提供了在不同的EMD介质的MVB网段之间的物理连接。在节点数目超过32个或者传输距离超过200 m的MVB网络中必须使用中继器。MVB中继器的外观如图7所示。

(5) 输入输出工作站(IOS)

IOS是连接到车辆总线(MVB)，可输入输出列控系统的数字和模拟处理信号的接口模块。IOS由供电模块、接口模块、数字输入模块、数字输出模块和总线模块几大部分组成。可按照实际需求，对IO的输入输出数量进行相应扩展，因此其灵活性较强。输入、输出和基座壳体设计立体效果图如图8所示。

图7　MVB中继器外观图

图8　输入、输出壳体设计立体效果图

输入输出工作站主要技术参数如表4所示

表4　输入输出工作站主要技术参数

2　系统软件

为实现城轨列车半实物仿真平台的开发及测试功能，主要需要完成VCU软件、PLC软件、子系统仿真软件等3部分的软件开发。VCU、PLC软件和子系统仿真软件均将在统一的北京纵横机电技术开发公司自主TCMS-DP开发平台中完成。

2.1VCU软件

VCU应用软件是运行在自主研制车辆控制单元(VCU)上，主要实现TCMS的逻辑控制功能、TCN网络通信等功能的应用软件。

由于TCMS-DP可以支持为用户的不同软硬件平台自动生成C代码，可进一步编译成特制平台的二进制代码，通过良好的划分，将生成的代码分为平台相关和平台无关的两部分，对于专有的平台只需很短时间即可实现对特定软硬件平台的定制。

基于上述原因，自主研制的VCU硬件系统采用了TCMS-DP作为应用软件开发平台。但是VCU硬件板卡(包括CPU板卡及IOM板卡、MVB板卡、二进制输入输出板卡)却采用了QNX操作系统。这样基于TCMS-DP的VCU应用软件就需要完成板卡驱动库的开发，以及相关功能模块库的开发。如图9所示为模块库开发界面。

图9　基于TCMS-DP的C代码功能模块编程界面

TCMS-DP开发平台符合IEC 61131-3标准，支持图形化编程，所以在TCMS实现的过程中,采用功能块的编程方式，逻辑清晰，便于在线调试。如图10所示模块化编程的界面：

图10　基于TCMS-DP的应用软件图形化编程界面

2.2PLC软件

PLC软件是运行在工控机的TCMS-DP环境中的电气仿真软件，主要实现各车内的车辆电路功能、硬线采集与控制IO信号功能、通过以太网收发车辆电路控制和采集信息功能等；通过共享内存的访问与管理与仿真软件交互各个子系统所需采集的硬件信息和控制命令。

车辆电路作为被控对象或控制逻辑的一部分存在于整个平台系统中。而TCMS-DP软件为电路仿真提供了单独的支持。通过在系统中建立与实际电路图几乎在外观上完全一致的电路仿真模型。TCMS-DP可以实时地计算和更新对应电路的状态，同时仿真时实时更新各元件状态，并以特定方式直观显示。如电路导通时对应线路显示为红色，否则显示为灰色等；便于故障定位。由于TCMS-DP内置电气元件模型库支持常见的电气元件，如电源、开关、继电器、电机等。而对有特殊特性的元件，也可以定制开发，因此基于TCMS-DP的上述功能及特点，可以方便的在PLC中实现车辆电路的开发。如图11所示为某一安全环路的车辆电气图模型。

图11　某一安全环路的车辆电气图模型

2.3仿真软件

仿真软件是运行在工控机，主要实现BCU、ICU、APS、PIS、ACCU、EDCU、ATC等各个子系统控制器的控制模型。同时通过共享内存的访问与PLC软件通信获得车辆的电路信息；通过TCN通信网络模拟各个子系统的MVB网卡向VCU发送模拟的协议数据。

仿真软件可以根据地铁列车的结构划分为两个单元，每个单元模块内部按照车厢划分，分别包含3个车厢。每个车厢模块内部按照车辆电气图的功能组结构划分，其目的是方便实现半实物平台所不具备的电气设备和线路，也方便通过PLC实现与半实物平台信号的交互。

在仿真软件中，各个受控子系统的功能仿真在TCMS-DP软件中实现，这些仿真的受控子系统之间以及它们与真实的网络设备如VCU、HMI、IOS、COMPACT IO之间均需要MVB网络通信，才能实现城轨列车中列车网络控制系统的各种功能。作为通用仿真软件的TCMS-DP自身没有提供这样的接口，需要通过TCMS-DP软件的2次开发实现MVB网络驱动功能。根据在运行TCMS-DP软件的工控机中所集成的MVB通信网卡型号，基于网卡的底层硬件API接口函数和TCMS-DP软件的2次开发接口，开发满足仿真需求的MVB网络驱动程序。MVB数据通信的软件框图如图12所示。

图12　TCMS-DP仿真环境中实现MVB通信流程

3　结束语

通过城轨列车半实物仿真测试台可以实现对车辆控制单元，人机接口显示屏及其他网络设备的集成应用软件的测试，对网络系统的通信性能进行测试和评估，并可以实现与牵引、制动、空调、车门等子系统的接口通信和功能测试及验证。

列车网络控制系统在城市轨道交通行业中具有广泛应用，城轨半实物仿真测试台的建立有效的提高了列控网络软硬件的研发效率，明显地缩短开发周期与测试周期，降低实车运行测试带来的各种技术和成本风险。

[1]International Standard. IEC 61375-1，Part 1：Train Communication Networks[S]. geneva： 2nd Edition，04，2007.

[2]李洋涛. TCN列车网络技术现状与发展[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2012，(1)：4-7.

[3]李常贤，谢步明. TCN通信技术的自主研发[J]. 机车电传动，2006，(2)：10-13.

Design and Implementation of Semi-physical Simulation Test Platform for Subway

WANGXin

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper introduces the platform framework, the MVB Devices' function and work principle, and the communication interface of the semi-physical simulation test platform for subway. According to the testing requirements of network control system and subsystem, the technical scheme to establish the semi-physical simulation test platform for subway is proposed.

rail transit; network control; semi-physical simulation

1008-7842 (2016) 02-0101-06

男，助理研究员(

2015-12-18)

U229.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.25