基于最小系统的CBTC仿真测试平台.doc

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摘 要 论述如何提高基于通信的列车控制( CBTC) 系统的开通进度和质量是需要研究的问题。提出一种基于最小系统的搭建 CBTC 仿真测试平台的方法，阐述确定最小系统的原理，并通过示例进行说明验证。基于该方法，成功完成北京地铁亦庄线的 CBTC 测试任务，介绍CBTC 仿真测试平台的架构和功能。 关键词 城市轨道交通 最小系统 测试需求 基于通信的列车控制 仿真测试平台 北京地铁亦庄线 1 研究背景 随着通信技术、控制技术、计算机技术的迅速发展，城市轨道交通的信号制式也得到了很大的发展，CBTC技术( communication-based train control，基于通信的列车控制) 作为一种能够适应高速度、高密度的轨道交通发展要求的先进的信号制式，已经成为了当前城市轨道交通中的首选信号制式［1］。北京交通大学研发的 CBTC 系统虽然打破了国外的技术垄断，但如何提高开通质量和保证开通进度，是需要进一步研究的大问题。 一般来讲，信号系统是轨道交通建设过程中的后期工程，如果能够在轨道交通建设的前期或中期启动相关CBTC 系统功能测试，就可以大大缩短信号系统的建设周期。CBTC 系统包括多个子系统，需要采用很多新技术，全部都进行现场试验是不现实的，需要对各个子系统的功能进行验证，并确保系统集成后功能的完整性。在实验室搭建 CBTC 仿真测试平台，通过实验室仿真测试环境对即将上线运行的信号设备进行测试，对于缩短CBTC 系统的建设周期、提高系统的安全性和可靠性是非常困难的，因为需要消耗巨大的人力、物力、财力，并且具有一定的安全隐患。因此，在实验室内搭建一套仿真测试平台来进行 CBTC 系统的测试验证是非常必要的。 2 最小系统原理和方法 CBTC 系统之所以处于轨道交通建设的后阶段，根本原因是因为硬件设施不到位，但是影响 CBTC 系统开通进度和质量的却是其设备软件所实现的功能状况。最小系统的目的就是实现硬件最小化、功能最大化，同样在构建测试平台时，硬件会基于最小系统构建的测试平台，以尽可能低的成本( 不仅包括设备成本，还包括时间成本) ，达到较高的测试覆盖率。构建基于最小系统的测试平台主要有以下 4 步。 1) 确定测试需求。构建测试平台时，必须明确测试平台要完成的测试需求都有哪些( 见图 1) 。测试需求应当根据被测对象的功能需求规范来完成，在完成测试需求时可以不对预期结果作要求，但是必须明确将来要进行的测试内容。

2) 根据测试需求确定设备需求。对于每一条测试需求，应当明确所需要的测试环境是什么。例如，进行车载定位测试时对设备的要求与进行区域控制器移动授权测试时对设备的要求肯定是不一样的，因此必须明确每条测试需求所对应的设备需求。在填写时，可以参考表 1 的要求来填写。

3) 提取最小系统。最小系统原则上是要进行的所有测试需求的所要求设备的并集。从表 1 中可以看到: 对于 TR1，在测试时需要使用设备 A 和 D; 对于 TR2，需要使用设备 B 和D。如果要进行 TR1和 TR2的测试，所构建的测试平台只需要包含设备 A、B、D。当然，在某些特殊的情况下，如果构建实际设备的成本远高于在现场或者其他环境下进行测试的测试成本，则可以适当考虑将该部分测试需求从期望的测试需求中转换到其他环境下的测试需求中。 4) 构建与最小系统适配的仿真设备。在完成最小系统的模型后，必须保证最小系统与仿真设备间的接口都是真实的，这样才可以确保测试平台测试的正确性和可信性。在确定仿真模型时，可以采用模型抽象、模型表示、模型组织的思路，完成仿真模型的设计与实现( 见图2) 。

3 最小系统的应用 对于分布式仿真测试平台，图3 是一种典型的架构，其中实际设备作为被测对象。在构建测试平台时，应当把被测对象做成最小系统，这对于缩减平台构建成本和提高测试效率是非常有帮助的。

1) 确定测试需求。车载控制器的功能主要有列车精确定位、监控列车速度、管理屏蔽门、管理折返、管理 ZC 切换等。 2) 根据测试需求确定设备需求。测试需求对应有设备需求，如表 2 所示。

3) 提取最小系统。从表 2 可以看出，如果要完成其中所列出的测试需求，最小系统只需要包含本端VOBC( 车载控制器) 、对端 VOBC、查询应答器系统、无线 DCS( 数据通信系统) 。
4) 构建与最小系统适配的仿真设备。由于 VOBC与 ZC( 区域控制器) 、CI( 计算机联锁) 、速度传感器等均有直接接口，为了构建完整的 VOBC 测试平台，需要进行仿真 ZC、仿真 CI、仿真速度传感器的开发，并通过与实际设备的调试进行不断的优化。图 4 是实际应用的车载控制子系统的仿真测试平台。

4 亦庄线仿真测试平台 亦庄线仿真测试平台是基于最小系统建立的综合仿真测试平台，提供了可视化的线路和列车运行环境，设定了与轨旁设备、车载设备以及地-车通信之间的透明接口，实现了对目前城市轨道交通领域中点式、连续式以及点-连式列车运行控制系统相关技术的仿真，同时能够完成列车运行控制系统核心设备的功能测试。 4． 1 仿真测试平台的需求 1) 可以进行国产自主研发的车载控制器( VOBC)子系统的测试和验证，要求功能均可以进行测试，接口完全真实。 2) 可以进行国产自主研发的区域控制器( ZC) 子系统的测试和验证，要求功能均可以进行测试，接口完全真实，并可以进行部分的压力测试。 3) 可以进行国产自主研发的 CBTC 核心设备间的集成测试。 4) 可以进行亦庄线工程项目的集成测试，包括协议测试和点对点测试。 5) 可以进行亦庄线工程项目中的确认测试，包括点式 ATP( 列车自动防护) 部分、点式 ATO( 列车自动驾驶)部分、CBTC ATP 部分、CBTC ATO 部分以及多车部分，除与线路数据的准确性相关的用例不做 要求外，其余均可以进行测试。 简言之，亦庄线仿真测试平台是亦庄线现场测试的基础，需要满足全生命周期的测试过程覆盖。 4． 2 仿真测试平台的架构 亦庄线仿真测试平台主要由控制中心、实际车站、仿真车站、仿真测试环境、车辆模型及车载设备、轨旁设备 6 大区域组成( 见图 5) 。由于已经保证 VOBC 子系统( 车载 ATP/ATO 系统) 、地面 ATP 设备在实验室内与现场的接口和逻辑保持完全一致，所以通过此平台测试完毕的设备，可以不经任何修改，直接应用于现场。在图 6 中，虚线内描述的是亦庄线仿真测试平台中的最小系统。 在构建仿真测试平台时，提取信号系统中的核心设备和典型设备作为最小系统的雏形，选取功能和接口全覆盖的最小子集作为最小系统的首选模型，采用功能接口全部预留和增量式的整体架构，搭建实验室最小系统( 见图 6) ，包括 2 套车载控制器、1 套真实 CI、1 套真实区域控制器、1 套真实数据存储单元、1 套真实车站 ATS 和 1 套真实中心 ATS。

另外，为了提高测试人员在测试过程中的沉浸感，进而实现可视化测试的目的，该平台也配置了三维视景仿真系统作为支撑。 4． 3 仿真测试平台的功能 在亦庄线 CBTC 仿真测试平台中，涵盖了所有与信号系统相关的设备或者组件，确保了所有状态都是可观和可控的，可以实现信号系统的全功能仿真( 见图7) 。平台采用桩模块的思路，实现不同目的仿真测试平台的转换，通过进行不同的软件和数据配置，CBTC 系统集成仿真与测试平台可以实现全线所有线路的仿真测试和单一集中站实际设备的集成测试与系统测试。

如果将亦庄线仿真测试平台中的设备配置为与现场完全一致的软件和数据，就可以为现场出现的问题提供一个室内问题复现和分析的平台，大大提高解决问题的效率。 5 结语 覆盖最小系统模型的仿真测试平台可以作为科研阶段的成果验证平台，也可以作为工程阶段的系统设计检验平台、软件测试平台，还可以作为运行阶段的状态分析平台。同样，在现场也需要选取最小系统( 如采用 3站2 区间样板段) 作为初期动车调试的测试和验证平台。通过针对最小系统的测试，可以大大提高工程质量，加快工程进度。 总之，CBTC 系统是一个庞大的分布式控制系统。针对大系统建设和调试的特点，应当有针对性地选择最小系统并构建测试平台; 通过在这个测试平台上进行硬件最小化、功能最大化的测试验证，从而实现缩短建设周期、提高开通质量的目标。
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