城市轨道交通全自动运行系统仿真验证平台的设计与实现

路向阳，陈华国，雷成健，廖 云，周开成

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

城市轨道交通运行系统一般由信号系统、车辆、综合监控和通信系统（包括车载、地面及旅客信息系统等）、站台门系统、供电系统以及必要的辅助设备（检测装置、开关/按钮等）等多个系统设备组成。这些系统或设备在设计与制造完成之后、投入实际应用之前，一般需要进行单系统和现场系统的测试。单系统测试是指信号系统、车辆、综合监控及通信系统、站台门系统等设备分别按照相关产品标准的要求，在生产制造场所和具有资质的第三方检验场所完成所需的各种层级、各种类别的试验。现场系统测试是指在实际运营线路中对构成运行系统的各个系统设备的功能、性能进行测试，以及整个系统的测试和验证。

城市轨道交通全自动运行（fully automatic operation，FAO）系统是自动化等级较高的城市轨道交通自动化运行系统。FAO系统根据运营计划，必要时根据控制中心的远程指令实现列车运营全过程的自动化。在FAO系统中，各个系统设备之间的联动将根据场景文件的描述由系统自动进行，而不是由人工根据自身判断启动操作或处置流程，因而显著地增加了各个系统设备之间的耦合程度，使得系统更为复杂[1-2]。对于FAO系统的现场测试，由于系统所包含的各类设备一般由不同的供应商提供，整个系统组织十分庞大且系统之间耦合关系错综复杂，现场测试往往需要投入大量人力和时间，不仅效率低下，而且存在技术和安全风险。为了尽量压缩线路从建设至开通的时间周期、节约成本，国际上有的国家/地区采用“外场测试”的办法，即在用户现场线路之外另找一处试验场所，尽量模拟真实运营线路的现场条件，对FAO系统进行测试[3]。一方面，外场测试建设成本依然很高，且外场测试提供的测试条件往往与实际应用现场的条件存在较大差距，不可能对FAO系统进行全面测试，特别是对涉及全局性的复杂场景功能的验证，更是无能为力；另一方面，外场测试受各种条件的影响，一般需要一年左右甚至更长的时间，所需开销一般以亿元计[4]，且外场测试完成后，仍需进行现场测试。为此，本文提出了一种FAO仿真测试验证平台（简称“仿真实验室”）方案，其通过建立可输入线路真实数据的实验室仿真测试验证平台来对FAO系统进行尽可能全面、详细的测试与验证，作为外场测试的补充，以缩短现场测试的时间，甚至完全取消外场测试。文章详细介绍了该仿真测试验证平台的设计方案和核心要点。

1 FAO系统仿真实验室的特点、功能及设备配置

1.1 特点

与通常的实验室往往针对某一个设备在固定地点运行的功能与性能验证不同，FAO仿真实验室着重针对整个车队在整个线路上运营的各个场景的动态功能与性能的验证，系统庞大、耦合关系复杂；随着全线各次列车的运行，列车的位置、运行状态以及各个系统的状态都在动态变化。FAO仿真实验室的主要特点是：（1）要满足FAO各种场景功能与性能验证的特殊需求；（2）FAO被试系统规模庞大、耦合关系错综复杂；（3）既存在FAO内各子系统互为验证的需求又存在需要仿真实验室提供系统运行外部条件的需求；（4）必须引入虚拟设备。

外场测试虽然受建设成本和条件的限制，不能用于验证FAO完整的、全线全系统的、体现在最终运营线路上运行的功能，但是由于构成FAO的各个系统设备都已完成各自的功能和性能测试，因此，FAO仿真实验室的特点将突出表现在其对FAO系统整体功能方面的验证，特别是各个系统之间的耦合、联动功能以及部分性能的验证。FAO系统通过仿真实验室测试、验证之后，在现场实物测试的周期将大大缩短。

图1示出城市轨道交通的运营组织分层示意[5]，FAO仿真实验室的被测系统应能完整实现运营管理与监控层以及列车运营层的功能。运营计划层中的列车时刻表由实验室测试系统提供，其内容作为被测系统的输入；此外，分布在轨旁、车站、车辆段的辅助设备（如点式应答器、计轴等）的状态信息、开关/按钮信息及线路基础信息也是被测系统的输入内容，其也由实验室测试部分根据实际项目的配置提供。相应被测系统的输出信息主要是其与底层设备的交互信息。各个子系统都存在大量的输入/输出信息，这些信息大部分是大系统（被测系统）内部各子系统在运行中交互的真实信息，如信号系统与列车的交互信息（互相“喂”数据），信号系统、列车等与控制中心大屏和调度员工作站上显示和交互（设置或确认等指令信息）的信息，这些信息都是被测系统运行所需的或产生的真实信息。

图1 城市轨道交通运营组织分层示意Fig. 1 Representative hierarchical figure of urban rail transit operation organization

仿真实验室包含测试部分和被测部分，能够对FAO各种运营场景以及各专业系统的联动进行外部测试条件的模拟和对被测的FAO系统功能和部分性能进行测试。外部环境条件主要涉及线路数据、供电设备及其参数、轨旁设备的布置和参数、通信设备、异常事件或者故障的设置（由测试部分来仿真或者设置）；而各子系统具备双重身份，既是被测部分，又是其他子系统的外部环境条件。

通过输入某条线路的数据，被测系统就能被部分或整体平移，成为该线路真实的FAO核心系统；实验系统也能被提交给运营部门，用于日后运营方案的调整、评估及优化等。

虽然被测的FAO系统最大限度地采用真实的设备和软件（即实际产品），但是FAO仿真实验室需要涵盖具体线路的所有车、车站及其全系统运行涉及的所有设备，无法在实验室做到实物在数量上的1:1，因此，除了实物设备，仿真实验室不可避免地要引入虚拟设备。虚拟设备的引入以不降低测试、验证在功能和性能方面的系统性、真实性和准确性要求为准则，其也是FAO实验室的一个关键。

1.2 功能及设备配置

虽然图1所示的城市轨道交通的运营组织分层示意具有一定的确定性，但实现该运营组织模型的FAO系统可以存在多种构成形式，在具体设备功能划分和数量方面具有一定的差异。图2示出其中一种可能的FAO系统逻辑结构示意[2]。下面将以图2所示结构实现的FAO系统为例来阐述FAO系统仿真实验室的功能及设备配置，图中FiSCADA为FSCADA和iSCADA在数据处理与监控层面的融合体。

运营计划由仿真实验室测试部分提供，通过仿真实验室被测系统加载不同的运营计划并对此进行测试与评估，可以对运营计划进行优化。

运营控制中心（operation control center，OCC）人机界面采用1:1真实的设备和软件，包括OCC大屏、各个调度员工作站或终端、通信设备（如TETRA）等，大屏、调度员工作站上所显示的内容和操作命令与真实的OCC相同。

控制中心调度员通过控制大厅系统设备实时监控整条线路的各个系统，借助列车自动监控（automatic train supervision，ATS）系统，将信号系统设备状态数据、线路状态数据、轨旁设备和列车的部分数据实时传输到控制中心的控制大厅；借助综合监控系统，将地面机电设备、站台门、消防设备、广播、视频监控系统（closed circuit television，CCTV）等的状态信息实时传输到控制中心显示；借助电力监控系统（power supervisory control and data acquisition，PSCADA)，控制中心可以实时监控供电系统状态；借助列车数据采集与监控系统（fleet supervisory control and data acquisition，FSCADA)，控制中心可以实时监测、记录列车各设备的状态信息，并为列车运行提供故障诊断和智能运维等服务。

图2 一种FAO系统逻辑结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of a FAO system logic structure

信号系统采用该线路实际应用的信号系统实物产品，不过仅配置控制中心、车站、车辆段轨旁、车载有代表性的子系统硬件产品设备，且至少各配1套；其余可采用虚拟设备，其功能和外部接口与真实产品的完全相同。信号系统的输入，除了上文提到的来自上层的运营计划和指令以外，还有大量轨旁设备、辅助设备、开关的设置与状态信息，这些信息一方面由测试系统给出，另一方面也来自信号系统与其他被测系统在运行过程中的交互。测试系统和其他被测系统也能根据实验需要，模拟异常场景和各种故障情况。FAO系统（被测系统）与外部环境条件的交互主要体现在信号系统的仿真部分，针对信号系统的仿真测试是整个FAO系统仿真测试的主体和关键。

对于车辆，仅仿真与FAO系统控制逻辑密切相关的部分车辆电气，其中列车网络控制系统采用该线路列车实际应用的网络控制系统实物产品，但是硬件数量只1套，其余采用虚拟设备；牵引系统（涉及牵引/电制动性能）以及车辆的运动采用仿真方式。车辆系统的输入/输出数据基本上在FAO系统（被测系统）内部体现、消化，牵引供电数据属于仿真实验室内部数据，线路的坡道等数据体现为列车运行仿真器和ATO的输入。

综合监控系统采用该线路实际应用的真实的综合监控系统产品，但是硬件只有控制中心、车站、车辆段有代表性的几套设备，其余采用虚拟设备以软件方式实现，其特性与真实产品的完全相同。综合监控系统的输入数据由测试系统和其他被测系统提供。综合监控系统的输出数据基本上在FAO系统（被测系统）内部体现、消化。

站台门系统采用该线路实际应用的真实产品，但是硬件只有1套，其余采用虚拟设备以软件方式实现，其外特性与真实产品的完全相同。站台门系统的输入/输出数据基本上在FAO系统（被测系统）内部体现、消化。

牵引供电系统采用纯数字仿真方式。基于牵引变电所、供电网和负荷的数学模型，建立每个采样时刻的电网络潮流方程并求解，实现系统动态运行过程的模拟。

旅客信息系统仅在一个车站和一节车厢内各设置1套有代表性的实物设备，该车站和车厢的旅客信息系统与其他被测系统在列车运行过程中按照FAO的场景联动。

车地无线通信采用以太网替代。上述被测系统的对外接口硬件与软件（数据及其协议）本身不做任何修改。为了把庞大的仿真实验系统模块化，增加一个数据中间转换层，通过数据组包和拆包实现对接。

由此，构建模拟一条线路全线（包括所有车站、所有列车）的“真实的”FAO系统，以运营计划为输入（必要时运营控制中心人员通过调度员工作站发出确认或干预指令），在测试系统按照具体线路及其设备配置给出的运行条件下，各系统（以信号系统作为中枢和纽带）按计划自动运行，运营人员通过人机界面实时监控，实现FAO系统的日常运营，在此基础上对FAO系统进行场景功能测试和验证。

由于FAO场景既反映了运营的理念与需求，同时又是FAO系统中各装备、各岗位功能设置的依据和系统之间联动的逻辑纽带[6]，因此，作为FAO系统仿真测试验证平台，实验室首先应提供场景仿真测试功能。场景仿真测试功能具体指仿真实验室通过控制各仿真子系统的协同运行，验证关键运营场景（包括正常场景和异常场景）工作流程，并体现各系统在场景中的功能及系统间的联动。其次，与传统的有人驾驶系统相比，FAO系统增加了一些特殊的场景功能需求，如列车跳跃（JOG）、雨雪模式、车门与站台门对位隔离等[7]，这些功能对系统的性能提出了更高的要求，有必要对此进行仿真测试及验证。

2 FAO系统仿真实验室的系统架构

由于FAO系统间接口形式多样、交互的数据量大[8]，考虑到场地、成本等因素，完全按照1:1的实物配置和真实的接口形式进行仿真平台的搭建既不现实也无必要，因此，本仿真实验室的总体结构形式为基于计算机网络的半实物半仿真系统，通过采用真实设备和虚拟设备相结合的方式，基于“虚实融合”的设计理念，通过完整、统一的接口设计，不但实物设备和虚拟设备可灵活配置，能实现虚实互换和互控，而且能够进行可视化、高覆盖度的综合测试，进而模拟FAO系统运行的全过程[9]。

仿真实验室由信号系统、车辆电气、综合监控、站台门、旅客信息系统、供电、FiSCADA、仿真管理和控制中心人机界面等9个子系统组成。其中控制中心大屏、控制中心各调度员工作站为全实物，信号系统、车辆电气、综合监控、站台门和旅客信息系统为半实物半仿真结构，供电、列车动力学、车地通信、FiSCADA和仿真管理部分为纯仿真或纯软件结构。

仿真实验室系统顶层架构基于以太网通信，通过3层交换机构建两个通信网络：仿真系统数据网和仿真系统管理网。子系统间的通信全部由仿真系统数据网承载，采用点对点的方式实现数据交互。与系统管理相关的数据由仿真系统管理网承载，通过仿真管理子系统实现仿真实验室的集中管理及控制。

由于仿真实验室涵盖了FAO系统所有的核心子系统，并且通过系统集成和系统管理实现了各子系统间正常数据交互和协同运行，因此仿真实验室能够模拟真实的FAO大系统的运行过程，设置各设备的状态和触发设备故障，从而实现各种运营场景的仿真测试。

仿真实验室能够实现灵活的虚实互换和互控，当需要进行某些特殊场景功能的仿真时，通过将与这些功能相关的设备由虚拟设备换成实物设备，或者由简化的虚拟设备换成详细的虚拟设备，即可实现对这些功能的仿真测试。例如，要实现“列车跳跃”仿真测试，则只需将简化的列车牵引和制动系统模型切换为详细的牵引和制动系统模型，同时增加真实的传动控制单元（DCU）和制动控制单元（BCU），就能完成“列车跳跃”控制算法性能的测试和验证。FAO系统仿真实验室的系统构成如图3所示。

图3 FAO仿真实验室的系统构成Fig. 3 System composition of the FAO emulation laboratory

3 设计关键问题

为了使仿真尽可能真实、可行、可移植且模块化，需解决接口管理、仿真系统管理、虚拟列车仿真、虚拟车站仿真及信号系统运行环境仿真等关键问题。

3.1 接口管理

FAO系统仿真实验室包含多个子系统，系统间存在大量数据交互，通过完整、统一的接口设计从而实现实时、可靠的信息传输是仿真实验室正常运行的前提条件，同时也是实现仿真实验室灵活的配置、便捷的调试及维护的基础。

在子系统内部，为实现“虚实互换”，所有设备（实物设备和虚拟设备）之间均采用以太网通信。对于实物设备，通过配置信号调理单元完成非以太网接口与以太网接口之间的相互转换，以及接口协议的转换；对于虚拟设备，直接通过以太网与其他设备通信；最后通过交换机形成内部局域网，实现内部数据交互（图4）。

图4 子系统内部接口管理Fig. 4 Management of interfaces in a subsystem

图5 子系统间接口管理Fig. 5 Management of the interfaces among subsystems

在子系统间，基于以太网通信架构，通过三层交换机构成星型网络拓扑结构。各子系统通过设置IP地址和通信端口，采用点对点的通信方式实现数据交互；各子系统配置专用的数据组/拆包服务器，负责数据的组包和拆包，管理数据包的接收和发送。如图5所示，将子系统1输出至子系统2的所有数据通过组/拆包服务器组成一个总包后通过三层交换机发送至子系统2，再由子系统2的组/拆包服务器将数据包拆解成若干个小包，最后通过子系统2的内部交换机发送至子系统2的相应设备，反之亦然，从而完成两个子系统间的数据交互。

3.2 仿真系统管理

FAO仿真实验室是一个多节点、分布式系统，各子系统均存在或多或少的虚拟设备，这些设备在仿真测试开始前需要对其进行同步、初始化等操作；同时，在进行场景的仿真测试时，需要设置一系列场景参数和场景触发指令，因此，仿真实验室需要一个规划管理的角色——仿真管理系统[8]。仿真管理系统的主要功能包括仿真资源管理、仿真系统初始化配置、仿真系统同步、场景预设、仿真测试过程控制、信息记录及回放等。

在仿真实验室中，配置专用的仿真管理工作站，并通过仿真管理网与各子系统的仿真工作站、OCC调度员工作站、大屏控制器等相连共同构成仿真管理系统，其总体结构如图6所示。

图6 仿真管理系统总体结构Fig. 6 Overall composition of the emulation management system

3.3 虚拟列车仿真

为实现FAO完整运营场景的仿真测试，仿真实验室要求具备实现全线列车仿真的功能。然而，由于系统规模等因素的限制，仿真实验室仅配置了1套车载网络系统实物，也就是仅有1列车能够实现半实物仿真，其他列车需采用纯软件的方式进行模拟（称之为“虚拟列车”），从而在硬件配置最小化的条件下实现全线列车仿真。

在建立虚拟列车的模型时，主要考虑对其关键电气系统如逻辑电路、牵引、制动和车门的外特性以及列车的动力学和运动学特性、能耗特性、对外接口等进行模拟。对于信号系统等与车辆系统关联的子系统而言，虚拟列车与半实物列车并无区别，信号系统在控车时，无须分辨控制和管理的列车是半实物列车还是虚拟列车。因此，虚拟列车至少需要具备以下功能：

（1）列车牵引/制动控制、车门控制的仿真能力。虚拟列车按正常运行考虑，列车初始处于停车状态，在收到唤醒命令及电网电压建立后，车上所有电气设备准备就绪正常工作状态，车门初始处于关闭状态。

（2）支持信号系统唤醒、休眠时相关设备正常状态反馈功能。

（3）模拟列车牵引/制动特性及与列车运行仿真器数据交互的能力，实现列车动力学和运动学特性、能耗特性的仿真。

（4）模拟列车网络、逻辑电路与信号系统之间的数据交互能力，虚拟列车可根据信号系统的指令实现对列车的牵引、制动、车门开关控制等功能。

虚拟列车由车辆仿真工作站和列车运行仿真器共同实现，其中车辆仿真工作站负责逻辑电路、牵引、制动和车门等列车关键电气设备的外特性和接口模拟，列车运行仿真器负责列车动力学和运动学特性、能耗特性模拟，其功能实现框图如图7所示。

图7 虚拟列车功能实现框图Fig. 7 Block diagram of function realization of virtual train

3.4 虚拟车站仿真

与列车仿真类似，FAO系统仿真实验室要实现对全线车站的仿真。在站台门仿真系统中，配置了一个车站的部分实物（图3），能够实现一个车站的站台门半实物仿真；而全线其他车站的站台门系统，则需要采用纯软件模拟（称之为“虚拟车站”）。虚拟车站首先需具备的功能是对站台门系统外特性及其对外接口的模拟，对于信号、综合监控等与站台门系统相关联的其他子系统而言，半实物车站和虚拟车站并无区别，信号系统在控制站台门时，无须分辨当前车站是半实物车站还是虚拟车站。因此，虚拟车站至少应该具备以下功能：

（1）站台门正常开启、关闭动作的仿真能力；

（2）站台门故障隔离、车门故障对位隔离的仿真能力；

（3）站台门正常及故障状态的模拟；

（4）模拟站台门与信号系统、综合监控之间的数据交互能力，虚拟车站可根据信号系统的命令实现对站台门的开关控制功能。

综合监控的仿真配置了运营控制中心综合监控和3站2区间的车站综合监控二级实物系统，每个实物车站配置了与现场一致的值班员工作站，监视、控制全站各专业系统及设备的运行状态。在全线其他车站，配置虚拟工作站，通过对真实工作站的功能和界面进行一定的裁剪，使其仅具备对车站关键机电设备状态的监视功能，而不具备对设备的控制功能，从而实现全线车站综合监控系统仿真。真实车站和虚拟车站设备自动化系统（building automation system，BAS）的数据、火灾报警系统（fire alarm system，FAS）数据和车站机电设备数据均由综合监控仿真工作站进行模拟。综合监控仿真子系统总体构成如图8所示。

图8 综合监控仿真子系统构成Fig. 8 Composition of ISCS emulation subsystem

3.5 信号系统运行环境仿真

信号系统是FAO的核心子系统，其承担调度、监控、列车运行控制、轨旁信号设备状态控制等任务。在仿真实验室中，信号系统仿真采用半实物半仿真结构，其中ATS、计算机联锁（computer interlocking，CI）、区域控制器（zone controller，ZC）和车载自动列车控制（automatic train control，ATC）等设备部分采用实物，部分采用虚拟设备（单机版设备）；而线路、轨旁设备（如道岔、信号机、计轴等）、联锁输入输出（input output，IO)、应答器轨旁电子单元（lineside electronic unit，LEU）、应答器传输模块（balise transmission module，BTM）等皆为虚拟仿真，构成信号系统虚拟环境（图9）。

图9 信号系统虚拟环境仿真结构示意Fig. 9 Block diagram of virtual environment emulation structure for signaling system

信号系统虚拟环境具备以下功能[9]：

（1）轨旁设备仿真。主要用来完成测试场景线路中轨旁信号设备状态、控制及故障注入的仿真。

（2）LEU仿真。仿真LEU读取线路数据中的应答器静态配置数据、LEU与应答器映射报文配置表数据，同时接收CI发送的信号状态、临时限速等信息检索报文，并向BTM发送应答器相应报文信息。

（3）BTM仿真。接收仿真车辆发出的列车位置和LEU发出的应答器位置信息，判断列车是否正跨压应答器，当列车应答器天线实际位置在应答器范围内时，将相应应答器报文向车载ATP/ATO发出。

（4）联锁IO仿真。模拟联锁控制对象与真实或虚拟联锁设备的接口，实现轨旁设备的控制及其状态的反馈。

（5）线路建模。用于实现正线线路（包括正线、停车线、折返线、联络线、出入段转换轨、保护区段等；各种线路的长度、坡度、平曲线半径、竖曲线半径、线路限速等）和车辆段-停车场线路（包括驻车位、洗车库、列检库、牵出线等）的建模。

（6）轨旁界面仿真。可显示整条运营线路站场图，实现对轨旁信号设备状态的显示和修改，以及列车位置和状态的显示。

4 结语

经过近2年的努力，本文所述FAO系统仿真实验室已初步建设完成，能够对FAO的各种运营场景进行功能方面的测试、验证以及部分场景的性能测试。我们下一步将重点完善牵引供电部分的仿真以及列车牵引特性与运动性能方面的仿真，使其具备全线列车运行对牵引电网的影响的仿真，以及根据牵引电网的情况对全线列车节能运行性能进行比较准确的定量仿真，从而对列车运营计划的优化起到参考作用；并完善其人机协同优化设计（包括界面设计、系统融合、数据挖掘），从而进一步提高系统效率及人机交互效率，探索运维与运控系统协同控制。

另外，本文所述的FAO系统仿真平台，亦可配置为FAO运营部门的培训平台，为培养专业技术队伍和多职能运维人员、加强中心调度员的管控和处置能力、提升集中实时控制管理水平提供辅助支持。