轨道交通ATC设备通用化自动测试装置研发

何沛燊，刘元丰，刘桂雄

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640; 2.中车广东轨道交通车辆有限公司，广东 江门 529100)

0 引 言

列车自动控制系统(automatic train control,ATC)是以技术手段对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，以保证列车安全运行、高效率运行的系统，对各系统之间控制信号状态检测十分重要[1-3]。目前ATC设备连通情况检测主要根据测试标准，逐个触发ATC设备信号，观察车载设备的响应情况，以确认控制信号正常与否。文献[4]研制车载ATC设备的离线检测系统，但其系统仅支持固定车型的测试，通用化受到限制。文献[5]研制车载ATC系统功能测试平台，但没有测试过程溯源信息记录，也没有集成测试结果诊断系统。文献[6]研制车载ATC设备中列车自动防护(automatic train protection, ATP)子系统测试平台，也不支持多车型通用化测试功能。文献[7]研制列车控制系统功能安全性测试系统，检查设备间控制信息是否正常，同样没有测试过程溯源信息记录。由于不同车型线路定义不一、测试项目众多，需要频繁切换测试线路，且车载设备位置不一，人工手动测试存在测试繁琐、测试过程不规范、测试过程数据不可溯源、测试效率低等问题。为解决以上问题，本文研制轨道交通ATC通用型自动智能测试平台，结合计算机技术，利用可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)作为控制单元代替人工切换测试线路，实现测试装置的通用化、自动化、数字化，以及测试过程数据可溯源。

1 轨道交通ATC设备通用化自动测试装置测试需求与总体框架设计

1.1 测试装置需求分析

图1为轨道交通ATC系统功能示意图，ATC系统机柜与车载设备通过通信线相连，建立与车载设备的双向通信，实现对车载设备的控制[8]。在GB/T 50578-2018《城市轨道交通信号工程施工质量验收标准》[9]的“列车自动控制”部分中提及，对列车自动控制系统外部接口进行检验以及对信号车载设备接受车辆输入、向车辆输出的信息进行检验时需要对接口进行全部检查，检查系统通信通道正常。在CJ/T 407-2012 《城市轨道交通基于通信的列车自动控制系统技术要求》 “功能要求”部分，规定需要检查的ATC系统控制项目[10]，表1 为ATC系统控制测试项目表。

根据测试要求可知，在进行轨道交通车辆ATC系统测试时，主要是对系统的110V DC控制信号通信状况进行检测，实际测试中需要频繁切换线路与输入输出状态，并实时获取线路导通情况，不同车型的测试流程、线路定义各不相同。因此，研制轨道交通ATC设备自动测试装置的需求有：1）自动化，采用上位机实时控制与监测测试线路，实现机器代人，测试过程自动化；2）通用化，采用线路全自定义设计，可录入不同车型配置，适配不同车型的测试，减少后期投入；3）数据可溯源与检修建议，测试过程实时采集并上传至上位机，自动处理与存储，测试完成后输出测试报表、诊断检修建议。

图1 ATC系统功能示意图

表1 ATC系统控制测试项目表

1.2 通用化自动测试装置功能结构框架

根据上述测试需求，设计如图2所示的轨道交通ATC设备通用化自动测试装置框架，装置由测试上位机、测试下位机组成，使用50芯连接器连接测试装置与车载设备。其中：测试上位机包括测试控制软件、数据库，测试控制软件为测试控制核心，提供人机交互界面并与测试下位机进行通信，通信采用Modbus通信协议[11]。控制测试下位机进行自动测试；上位机数据库用于记录测试溯源数据。测试下位机由PLC、继电器、光电耦合器、110 V直流电源等组成，PLC输出节点与继电器配合控制线路切换，PLC输入节点用于读取控制信号，光电耦合器采集线路导通信息，110 V直流电源提供控制信号。测试装置工作时，PLC输出节点控制继电器切换控制信号接入线路，模拟车载ATC设备输出控制信号，为不同车载设备输出控制信号；车载设备进行操作，以及输入信号至测试装置，利用光电耦合器监测采集线路导通信息，并由测试上位机控制读取PLC输入节点获取，完成车载设备与ATC设备间输入输出控制测试。

图2 轨道交通ATC设备自动测试装置框架图

为满足设计需求，设计基于PLC线路自动控制器方案，实现测试过程自动控制与记录。与此同时，利用该控制方法可设定PLC每个输入输出节点对应的ATC设备通信线芯定义，实现测试设备通用化。以读取Y0~Y7软元件为例，Modbus通信协议如表2所示。根据PLC通信协议，利用Python语言编写用于自动测试的控制函数。

表2 Modbus通信协议表

1）输出继电器Y强制开关函数Yforce (number,state)，通信正常返回值06H，通信错误返回值15H。

2）辅助继电器M强制开关函数Mforce (number,state)，通信正常返回值06H，通信错误返回值15H。

3）读取软元件状态函数：Read PLC 64(KIND)，正常读取当前接通软元件列表。

上位机利用以上3个控制函数与PLC建立实时通信、信息读取与控制，方便地实现测试线路的切换。

1.3 多车型通用化可编程方案

轨道交通发展迅速，现役、在研的轨道交通车辆车型众多，测试装置应具备通用性，兼容多种车型的测试，减少设备换代升级投入。图3所示为多轨道交通车型通用化可编程方案。根据轨道交通车辆ATC设备控制线路数量，采用输入输出节点数大于等于ATC设备通信线路数量的PLC，根据当前车型测试需求，定义PLC输入、输出节点对应控制或读取的控制线路，并根据自动测试流程调整不同控制线路的测试顺序。切换车型时，调整PLC输入输出节点对应线路定义与自动测试流程，即可完成测试装置与待测车型匹配，实现测试设备通用化。

图3 多车型通用化可编程方案

以用于故障排查的通用化单项测试模式界面(如图4)为例，其核心功能为信号输入指示灯控件与信号输出切换开关控件，分别对应输入测试与输出测试功能，使用前编写特定Excel格式测试工艺文件，测试进行时选 择对应车型工艺文件读入测试控制软件，工艺文件将信号输入指示灯与PLC的输入节点、输出信号切换开关与PLC的输出节点相关联，将相应线路定义与PLC节点绑定并显示。工艺文件读取完成后，按软件前面板显示内容进行操作即可完成单项测试。

图4 通用化单项测试界面

实际使用中，该通用化方案兼容多种轨道交通车型的ATC设备测试，大幅提升测试设备兼容性。

2 测试控制软件设计

2.1 软件功能结构

测试控制软件基于Python语言与LabVIEW软件进行开发，利用LabVIEW软件搭建程序主界面，使用Python语言编写数据处理程序与PLC通信函数。Python语言高效、灵活，配合LabVIEW软件，能编写出功能强大的虚拟仪器软件[12-13]。

图5为测试控制软件的功能结构，包括有系统初始化模块，测试过程控制模块以及测试数据处理模块。系统初始化模块负责软件登录，建立与硬件设备的通信，检查硬件设备的完整性，并从配置文件中解密并读取测试项目的测试策略、线芯定义以及专家系统的测试知识库；测试过程控制模块负责控制PLC，监控记录线路状态，自动记录测试信息，实现测试过程的可溯源[13]；测试数据处理模负责对测试数据进行专家系统分析、存储以及报表打印。

图5 自动测试软件功能结构

图6为测试控制软件的主界面，默认为自动测试模式。软件设置有自动测试、手动测试、诊断模式3个工作模式。

图7为初始模块的工作流程图，软件启动时，首先解密配置文件，从中读取测试配置文件，配置文件包含线芯定义，测试流程以及专家系统的逻辑集；随后系统将会与PLC建立连接，确认PLC设备的完整性，提高PLC设备运行可信度[14]；最后连接数据库，记录软件登录时间，当初始化完成后，软件进入待测试状态。

配置文件的加密采用RSA非对称加密算法，破解难度大、安全性强，在公开密钥加密和电子商业中被广泛应用[15]。操作人员在编辑完成工艺文件后，利用RSA加密程序生成加密文件，RSA加密的解密密钥存储在测试控制软件内，在读取配置文件的时利用解密密钥解密加密的配置文件。配置文件经过加密后只有测试控制软件能解密并读取，达到保密效果[16]。图8为加密效果图，与图6对比自动测试步骤流程中的显示信息已变乱码密文。

图6 测试控制软件主界面

图7 初始化流程

图8 RSA加密效果图

2.2 自动测试流程

图9为测试装置测试流程图，其具体自动测试流程为：1）测试控制软件初始化测试设置，读取测试项目、测试顺序；2）测试控制软件按照测试设置进行自动测试，利用Yforce函数控制 PLC 切换输出线路的接通、断开，实现线路自动切换；3）测试控制软件利用Read PLC 64函数对 PLC 的软元件状态进行检测，读取输出触点的状态，确定线路的接通正常，若接通正常执行下一步操作，否则判断为线路接通出错，弹出错误提示并进行专家系统错误判断排查错误，出错线路故障处理完毕后判断是否结束测试，若否则返回2）；4）测试控制软件利用Read PLC 64函数对 PLC 的输入触点进行检测，读取线路导通信息，确定测试线路的接通情况，若接通正常则进行下一步操作，否则弹出报错信息并根据测试成功项与出错项进行专家系统诊断，随后判断是否结束测试，若否则返回2）；5）判断是否结束测试，若否则返回2）。

图9 自动测试流程图

为降低测试系统学习成本，提升测试效率，测试控制软件集成专家系统对测试错误结果进行诊断，指导操作人员排查并检修故障。测试过程中某项测试出错时，测试控制软件自动进入诊断模式，专家系统根据测试知识库对测试过程数据进行诊断推理，给出相应的故障诊断信息与检修建议[17-18]，工作人员可根据故障信息进行单点调试。图10为诊断模式界面，界面提供当前故障线路、故障原因、解决措施显示框，并设置溯源数据索引功能用于翻查测试记录。

3 测试试验效果与分析

图11为研制的ATC设备通用化自动测试装置下位机实物图，与上位机一同组成轨道交通ATC设备通用化自动测试装置。

图10 诊断界面

图11 测试装置下位机实物图

使用该装置对多型号轨道交通车辆进行轨道交通车辆ATC系统通信测试(测试系统实物如图12所示)。测试过程中，设备根据工艺文件自动进行测试，测试过程中一直利用上位机记录测试信息并对结果进行分析。结果表明，该装置能兼容多种车型测试，按照给定测试顺序自动测试并给出测试结果，专家系统诊断故障并给出检修建议，全面提升测试自动化、智能化、通用化与可溯源水平。

图12 测试系统实物图

表3为本文测试方法与传统测试方法比较表。可以看出，使用通用化自动测试装置的测试方法通用性好，测试时间短，测试过程自动化，仅需将测试线路连接至ATC自动测试平台，连接上位机，在上位机软件上选择测试项目即可自动完成测试项目，其测试流程与测试方法符合测试要求，实现机器代人，提升测试效率。

表3 手动测试与自动测试效果对比表

4 结束语

1）针对轨道交通不同车型 ATC 设备通信线路定义不一，ATC 设备测试项目众多、线路切换频繁，测试步骤繁琐，测试过程不规范、测试过程数据不可溯源、测试效率低等问题，提出研发轨道交通ATC 设备通用化自动测试装置，具有重要实际意义。

2）研发利用Python语言、LabVIEW平台的测试控制软件，结合PLC自动控制技术，实现控制测试线路自动切换、自动记录测试溯源信息；集成专家系统诊断测试故障，兼容多种轨道交通车型的测试系统，测试设备的具有较好通用化特点。

3）基于Python语言编写用于自动测试的控制函数的灵活调用，多车型通用化可编程以及基于RSA加密方法应用，是本文重要创新工作。

以后将加强测试大数据的综合利用，提高测试装置及系统的智能化水平，加大推广力度。感谢中车广东轨道交通车辆有限公司对本项目研究支持。