基于ControlBuild 的列车电气逻辑仿真测试平台设计

卢益明，刘司宇

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 063035）

随着电子技术的快速发展，轨道交通等电气系统的设计越来越复杂，而系统的验证、维修等工作的难度也随之增加。通过软件仿真技术，实现电气系统的全数字化是行之有效的解决方案。

目前现有的电气设计工具，能设计复杂的电气系统，但是大部分软件没有仿真能力，无法模拟电气系统控制逻辑。对于设计质量的检验主要依赖人工核查和调试阶段的实车验证，缺少在设计阶段的工具验证手段，不利于设计质量的提高和稳定，也影响生产效率。并且在现有的电气设计工具上进行仿真功能二次开发的方法，很难将专有仿真软件的仿真功能完全体现，如电气设备库逻辑定制化、图形界面实例化、测试脚本定制化等仿真功能。

为此，文中介绍了一种基于ControlBuild 的列车电气逻辑仿真测试平台。该平台能够实现由电路图到电气仿真模型的自动转换，并能够对电气仿真模型进行自动测试，最终实现列车级控制电路设计验证。

1 平台介绍

1.1 ControlBuild 电路仿真特点

电路往往作为被控对象或控制逻辑的一部分存在于整个系统中。考虑到应用的广泛性和复杂性，ControlBuild 为电气逻辑仿真提供了单独的支持。通过在系统中建立与实际电路图在外观上几乎完全一致的电路仿真模型，ControlBuild 可以进一步实时地计算和更新对应电路的状态。

ControlBuild 电路仿真的突出特点包括：

（1）内置电气元件模型库支持常见的电气元器件，如电源、开关、继电器等。而对有特殊特性的元件，可以定制开发。

（2）支持将整个电路通过多页实现。

（3）仿真时，实时更新各元件状态，并以特定方式直观显示，如开关开断状态、电路导通时对应线路显示为红色，否则显示为灰色等。

（4）可以与其他语言（如C 语言等）所编写的组件同时仿真，并可通过接口变量进行通讯［1］。

1.2 平台功能

平台主要实现了对电路设计文件自动生成电气仿真模型，再通过编写测试脚本的方式，利用自动化测试工具进行测试仿真，并输出测试报告。

平台采用配置文件和数据库结合的方法，按照预定义的设计规则进行设计规范检查，最终实现电路图到电气仿真模型的自动转换。能够对电路图中所有的元器件、连线等进行解析，能够对电路图高度复原，且能够自动根据设计规范进行设计错误筛查。可提升电路图设计质量，规范电路图设计的模块化、标准化；平台利用修改配置文件的方法，实现电路图元器件的内部逻辑仿真。不仅可以将列车实际生产中涉及的输入输出I/O 设备、司机控制器、多档开关、按钮、继电器、蜂鸣器、二极管端子排等电气设备1∶1 地进行电气特性还原，完全模拟实物动作状态，还能够按列车实际电气特性线路1∶1 地进行电气线路通断电模拟。能够解决电路图中元器件无法仿真，黑盒逻辑无法控制等问题。增加了电气系统控制逻辑的灵活性和可控性；平台引进了一种电气仿真模型搭建的工程架构。保证了电路模型设计质量，并且适用于多种数字化模型［2］。减轻了建模工作量，为后续电气系统测试提供了便利；平台中的自动化测试功能能够对电路图单页、单车、列车的功能进行自动脚本测试，能够对电路图设计进行仿真验证，并自动输出测试报告，提升了电气仿真模型功能验证效率。方便测试资源积累，减少了回归测试投入资源和成本。

2 平台总体设计方案

2.1 由电路图到电气仿真模型的自动转换方案

由电路图自动转换到电气仿真模型一般需要经过电路图信息读取、配置文件数据库处理和电气仿真模型生成3 大过程，自动转换方案如图1所示。

图1 由电路图到电气仿真模型的自动转换方案

（1）电路图信息读取

主要通过自动转换工具通过正确合法使用电路图设计软件API 接口对电路图的信息进行读取，以及对电气系统的其他信息进行配置等。涉及内容主要包含：电气系统列车信息配置、提取电路图中的列表信息、设备名称针脚及连接信号、电路图元器件库读取、电路图黑盒设备识别等。

自动转换工具能够解析电路图中的所有元器件信息，并对其中无法识别的元器件输出日志文件，用于自定义。

自动转换工具能够对电路图连线（包括页内连线、功能组间连线、车间连线等）进行解析，并在解析过程中对其进行检查，将功能组间设计错误，包括线号缺失、设备信息缺失、跨接线信息错误、多档开关信息缺失、带二极管的端子信息缺失、设备重名等错误信息输出为日志文件，方便设计者进行故障检测。

（2）配置文件数据库处理

主要通过自动转化工具将列车配置信息、电气仿真模型命名规则、电路图和电气仿真模型元器件对应规则、电路图和电气仿真模型黑盒设备对应规则等信息以配置形式存储到本地，并在自动转换过程中，利用数据库处理的方法，将电路图及电气系统信息转换到电气仿真模型中。

（3）电气仿真模型生成

首先需要搭建电气仿真模型工程架构。然后通过自动转换工具，利用数据库信息，对电气仿真模型进行自动绘制。自动生成的电气仿真模型能够满足后续对电气系统进行测试验证和进一步搭建控制系统模型的需求。

2.2 电气仿真模型工程架构搭建方案

电气仿真模型工程架构分为4 层，如图2 所示。利用自动转换工具，结合定制的元器件库和数据库配置文件，能够实现由电路图到电气仿真模型的自动绘制。

图2 电气仿真模型工程架构搭建方案

第1 层（最顶层）为列车级仿真模型，集成各车辆级模型、速度模型、MVB 总线信号、司控台等；电路模型中，车辆间跨接线连接在该层级完成。

第2 层为车辆级仿真模型，集成车辆级电路模型、各系统模型等；电路模型中，各子系统硬线I/O连接在该层级完成。

第3 层为功能组级仿真模型，集成功能组级电路模型、各类开关；电路模型中，各功能组间的电路连接在该层级完成。

第4 层为电路仿真模型（最底层），集成电路图中的各个分页；电路模型中，最底层电路页面间的连接在该层级完成。

2.3 元器件模型库定制方案

平台设计了一种铁路行业专用的元器件库。是根据电路图中涉及的数据库元器件特性和铁路行业使用的电气元器件特性，对电气仿真软件中的电路仿真元器件功能进行重新开发，形成铁路行业专用的元器件库。

对于某些项目中特殊的自建元器件，能够形成日志文件输出，用于约定转换规则，并能够方便配置增加元器件用于扩展。

可以根据设计需要对电路图黑盒设备进行逻辑编写，再利用电路图和电气仿真模型黑盒设备对应的配置进行电气特性连接，进而实现黑盒逻辑控制。

2.4 电气仿真模型自动化测试方案

对电气仿真或列车仿真的测试既可以通过ControlBuild 仿真界面以手动仿真测试的方式执行，也可以通过平台的自动化测试工具实现。

平台中的自动化测试工具，将能够按照编写好的测试用例自动生成测试脚本，测试脚本能够进行自动测试并输出测试报告，能够方便地查看转换过程中遇到的设计规则不符合项等。电气仿真模型自动化测试方案如图3 所示。

图3 电气仿真模型自动测试方案

电气仿真模型自动化测试首先要进行测试用例配置，测试用例配置主要包含元器件信息、动作和结果3 个主要因素。信息是要给出被控制元器件的具体信息，根据该信息能够去寻找电气仿真模型中的变量；动作是元器件动作，即给元器件赋值；结果是该元器件动作引起的一系列反应即引起相关的元器件值变化，通过捕捉该器件值的变化与预设值对比，判断该动作是否达到预期。

然后解析电气仿真模型中的所有变量，包括变量的名字、类型、输入/输出和变量实例等信息，将所有的信息存储到数据库中。

最后通过对测试用例信息的提取，对比数据库，提取相关变量，根据动作去自动生成逻辑代码，然后在期望值处寻找相应的变化值，去数据库中找到相应变量，根据预设结构构想去生成结果代码，最后生成ControlBuild 能够自动识别的脚本文件，并将其自动导入到电气仿真模型中。自动化测试脚本自动执行过程如图4 所示。

图4 自动化测试脚本自动执行过程

测试脚本主要包括初始化、蓄电池给电、列车激活占用等。根据整车及每个功能组的电路控制逻辑功能编写测试脚本，通过自动化测试验证电路控制逻辑的正确性。

自动化测试工具大大减少了用户编写脚本的工作量。测试质量稳定可靠、测试效率高，且能够方便地查看电气仿真模型中的设计规则不符合项等，节省了大量人力资源投入。

3 应用实例

根据文中的自动转换平台设计方案，搭建了列车电气逻辑仿真测试平台，其中电路图设计软件以E3 软件为例，电气仿真软件以ControlBuild 软件为例，配置文件以XML 配置文件为例，自动测试脚本编写以EXCEL 格式为例，执行的电气仿真测试脚本以ST 语言为例。

由电路图到电气仿真模型的自动转换平台开发实例如图5 所示。

图5 电气仿真模型实例

4 结 论

列车电气逻辑仿真测试平台能够有效地解决电路图到电气仿真模型的转换问题，并能够按照预定义的设计规则进行设计规范检查。生成的电气仿真模型开发效率高，质量稳定、可靠，与实际电路图一一对应，复原程度高。与手动绘制相比，极大地提高了效率，节约了人力成本和时间成本。

平台中的自动化测试工具，大大减少了用户编写脚本的工作量。测试质量稳定可靠、测试效率高，且能够自动输出测试结果，对测试失败用例进行日志提示和回归测试，方便技术人员进行故障诊断，缩短调试周期，提高研发设计水平，目前已在某公司多个实车项目中应用，适合在轨道交通领域推广，具有很好的发展前景。

平台生成的电气仿真模型能够作为单独模型，将其外部控制信号以输入输出的方式与其他模块进行连接，直接用于列车控制系统集成仿真测试，不仅可提升电气仿真模型开发效率，还可应用在列车控制单元软件测试中［3］，提升软件测试环境开发效率。