基于HLA的CBTC仿真测试系统研究与设计

刘 佳

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070 2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 概述

作为新一代轨道交通的神经系统——CBTC信号系统的集成，其涉及专业多、技术性强、系统复杂，通常由多个操作人员协同完成操作，这对系统复杂接口集成测试及操作人员培训提出了更高的要求。

高层体系结构（High Level Architecture, HLA）是一种先进的支持可重用、互操作的分布式交互仿真框架，能够提供将构造仿真、虚拟仿真和实况仿真集成在一起，联邦成员可互操作的综合环境。CBTC仿真系统采用基于HLA作为仿真平台框架，构建地理线路模型、列车动力学模型、轨旁设备模型仿真物理世界对应的实物场景，采用仿真代理技术、接口平台技术将无差别可切换的接入车载ATP子系统、车载ATO子系统、ZC子系统、联锁子系统、ATS子系统或者它们的数字仿真模型。同时，构建车载模拟驾驶软件、地面模拟操作软件作为人机交互界面，从而实现了CBTC系统车载和地面信号设备互联达到动态仿真的目标。

2 HLA框架简介

基于HLA的分布式仿真支撑框架总体采用两级结构。第一级由HLA的运行支撑环境RTI（Run Time Infrastructure）和各联邦成员组成，RTI为整个联邦提供联邦管理、时间管理和数据分发等服务；第二级由联邦成员的内部结构构成，联邦成员内部包含HLA接入框架、事件调度器、消息分发器及模块（module）等结构。软件支撑框架为分布式仿真提供底层的支撑功能。实现仿真系统各个模块间的消息交互，事件调度、时间推进等功能。软件框架结构如图1所示。

HLA接入框架实现了一种通用的用于联邦成员接入HLA的代码框架，它提供缺省的联邦成员大使实现、管理者联邦成员、HLA消息代理、联邦成员初始化及仿真时间推进流程，并提供经过封装的RTI服务接口。事件调度器是离散事件调度机制的具体实现，提供按仿真时间顺序执行联邦成员内部事件的服务。消息分发器采用总线型消息传递结构，实现带有轻量级发布订阅功能的内部消息交互机制。模块是比联邦成员更细的系统结构单元，用于封装系统中各种设备及对象的仿真模型，采用一致的结构与对外接口，具备收发消息、产生事件以及处理事件等功能，是系统中具有完整结构的最小单元。

3 仿真测试系统设计与实现

3.1 CBTC仿真系统设计

基于HLA的CBTC仿真测试系统包括实物模型层、仿真接口层、仿真平台层3个部分。

1）实物模型层可以是系统测试对象，也可以是系统测试对象抽象的模型。设备模型层包括组成CBTC系统的ATP子系统、ATO子系统、ATS子系统、联锁子系统、轨旁信号设备等及其各设备的数字仿真模型。实物设备或者信号设备模型通过仿真接口层无差别接入仿真平台层，实现虚实互换，虚实互传。

2）仿真接口层由车载接口和地面接口组成，是设备模型层与仿真平台层之间的模拟软、硬件的仿真接口，提供设备与仿真平台间的通讯协议转换，实现被测设备的接入和输入输出的模拟，并对相应设备进行控制。被测试的设备模型通过仿真接口接收仿真平台的测试指令，执行既定功能并将输出结果反馈给仿真平台层。

3）仿真平台层包括分布式仿真支撑框架、仿真模型、数据配置、人机交互界面和实物代理等。a.分布式仿真支撑框架基于符合HLA规范的RTI软件研发，实现仿真系统的运行过程调度及控制等。b.仿真模型是实物对象在计算机中的表示，系统对列车、地理线路和轨旁信号设备建立仿真模型。c.人机界面由列车模拟操作界面、地面模拟操作界面组成。列车模拟操作界面是仿真系统接收测试人员模拟司机控车，反馈和显示测试结果及列车运行曲线的人机交互界面；地面模拟操作界面是实现仿真过程中图形图表、站场和区间线路平面动态显示以及列车运行状态报告等功能的模块。同时，仿真测试人员可利用人机界面对仿真系统的进行数据配置和故障模拟操作等。d.实物代理采用基于中间件技术，由车载代理和地面代理组成，分别用于无差别接入车载设备和地面设备及其替代的仿真模型，实现真实系统和虚拟仿真系统之间的数据虚实互换、互操作及时序配合，并提供实物接口层至仿真平台层之间的协议转换。e.数据配置包括地理线路模型、列车模型、轨旁信号设备模型的数据参数、设备状态信息等，模拟真实运行场景的线路车辆数据，如图2所示。

基于HLA的CBTC仿真测试系统有如下特点。

1）分布式仿真框架易于集成，可扩展性好。

分布式仿真框架封装成底层的支撑功能，使用统一的接口完成各个模块间的消息交互，事件调度、时间推进等功能。分布式仿真系统扩展性体现在：a.列车联邦可扩展成n个独立的列车模型。b.线路联邦可扩展成n段配置的线路模型。每个独立的联邦运行在独立的计算机上，这种分布式处理提高了车地通信的数据处理能力，如图3所示。

2）基于事件驱动的仿真推进机制，仿真系统因果性和可重复性得到保证。

在仿真过程中，事件根据时间戳有序插入事件队列中等待被执行。事件时间戳属性描述了事件发生的先后关系，保证了系统的因果次序。对于基于事件驱动的仿真推进机制，在仿真时间的任何时刻，只要将新产生的事件按时间戳排序插入到事件队列，并且按照FIFO处理事件，仿真系统的因果性就可以得到保证。运行仿真系统的室内测试可以重复试验，都会得到相同的结论。如图4所示。

列车模型推进机制用于完成列车动力学状态推进和产生新的动力学状态推进事件插入系统事件队列。状态推进过程中列车位移的矢量叠加。列车模型模拟车辆的动力学特性，以一个仿真周期为时间间隔，先通过计算阻力和当前档位的牵引力的合外力，利用牛顿第二定律获得加速度，运用运动学基本方程模拟列车动力学特性得到列车的速度和位移； 然后在局部线路缓存数据中定位列车位置，同时，依次产生仿真推进事件插入仿真系统的事件队列。仿真系统的虚拟时钟到达一个仿真周期时间后，仿真推进事件被系统执行。

3.2 界面设计

基于HLA的CBTC仿真测试系统运行界面包括地面模拟操作界面、列车模拟操作界面等。地面模拟操作界面需要运行图仿真模拟。列车模拟操作界面需要显示司机模拟驾驶操作、人机交互显示、列车运行速度相关曲线显示。如图5、6所示。

4 结束语

基于HLA的CBTC仿真测试系统是在半实物仿真测试系统基础之上发展起来的更先进的仿真测试系统。在半实物仿真测试系统的基础之上采用仿真代理技术、接口平台技术可无差别切换的接入车载系统、地面系统及其数字仿真模型，实现虚实互换、虚实互传。其具有通用性强、成本低、不受硬件设备制约等多项优点，可以有效地用于 CBTC车载地面软件测试、CBTC功能展示等多种场合，具有良好的应用前景，推动CBTC相关研发测试工作。

在未来，该仿真系统地发展方向为将仿真模型一体化设计，成为产品预研仿真、性能评估的平台，同时与专业技能培训等需求相融合，进一步扩大其应用的范围。

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