多分辨率建模在CTCS-3级列控系统车载设备仿真与测试中的应用

宋海锋，袁 磊2，吕继东，刘 雨

(1.北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044;2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044)

列车运行控制系统(简称列控系统)是保证现代高速列车行车安全、提高运输效率的核心[1]。CTCS-3级列控系统车载设备是列车控制系统的重要组成部分。随着列车速度的提升，对列控系统车载设备各方面的要求也越来越高，因此在实际上线之前需要对其进行充分的测试。由于现场测试具有很大的不便性，所以车载设备在实验室的仿真测试起到了重大作用。

列控系统车载设备仿真测试过程牵涉到很多信息细节，为了使测试更加直观，将其中测试信息以图形显示界面的方式呈现出来，在提高仿真逼真度的同时也提高了测试效率；然而如何合理地组织相关信息，在有限的显示界面中能够就技术人员关心的问题最大限度提供细节，为此，本文将多分率建模的思想应用到显示界面的设计中，并通过LabView进行系统仿真，仿真结果证明了该方法的可行性。

1 多分辨模型概述

人类对问题的认知思维方式多种多样，从不同的视角、不同的关心程度来分析和处理问题是一种常见的思维方式，尤其在处理较为复杂的问题时尤为重要。随着现在系统的不断扩大，仿真在系统测试过程中起着无可替代的作用，根据对系统中问题的关心程度不同，建立与之对应的不同分辨率模型，并将各个不同的分辨率模型相互关联起来进行仿真研究是复杂系统建模与仿真未来发展的一种趋势[2]。

因此，多分辨率建模的思想在20世纪末成为建模与仿真领域的研究热点，成为今后复杂系统中分布式交互仿真的重点内容之一。美国国家科学研究委员会认为多分辨率建模是现代建模与仿真技术所面临的最基本的挑战之一[2]。

在多分辨率建模研究过程中，建模方法是重点之一。到目前为止，国内外提出的一些多分辨率建模方法主要有聚合解聚法、视点选择法、多分辨率实休法、IHVR 法等[3-4]。

多分辨率在本文中的定义为：在建模、仿真过程中，以信息交互的细节层次不同为准则，对列控系统车载测试平台显示界面建立多分辨率模型，这些不同分辨率的模型相互作用、协调运行来完成显示界面的仿真与测试工作，以达到提高仿真逼真度和提高测试效率的目的。

2 CTCS-3列控系统车载测试平台图形显示界面设计的提出

在列控系统车载平台测试中，是以测试序列的形式来对车载设备进行测试，车载设备本身就是一个实物的控制设备，而测试序列只是以数据库形式存在[5]，这就使得在测试过程中不能直观地看到现在车载设备是在什么情况下工作的。例如，现在列车的速度、制动方式、所处区间等都不能单纯地从车载设备上显示出来；而现有的一些信息显示方式依旧是以文本显示为主体，不够形象地展示列车、站场、线路的信息，不能完整地给用户提供一个友好的人机交互界面。

因此，为了使测试更加直观，有一个完整的图形显示界面是必须的，此界面除了可以完成以往信息显示的全部工作外，还能提供动态的动画显示，支持序列测试的实时在线进行和回放测试等功能。

3 多分辨率建模在图形显示界面设计中的应用

图形显示界面对整个过程中的信息交互和整体流程都有涉猎，如何组织这些信息，更加有效地呈现给测试者，是整个系统开发首要解决的问题。根据CTCS-3级列车控制系统车载测试平台的整体构架，以及图形显示界面在整个测试过程中的作用，结合多分辨建模进行以下系统级分析。

3.1 图形显示界面的功能与车载测试系统架构

列控系统车载测试平台图像显示界面的意义主要在于让用户可以不用了解复杂的数据库组成和数据传输方式，以及列控系统车载平台的系统组成、车载设备的操作和分析，就可以清楚看到当前测试序列的信息和车载设备的反应。

CTCS-3级列控系统包括地面设备和车载设备。地面设备由ZPW-2000系列轨道电路、应答器与轨旁电子单元(line side electronic unit，LEU)、列控中心、无线闭塞中心、临时限速服务器、GSM-R通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机(vital computer,VC)、GSM-R无线通信单元、人机界面、轨道电路信息接收单元、应答器信息传输模块、记录单元、列车接口单元等组成[5]。

车载测试系统的构架如图1所示。

图1 车载设备测试平台结构

该车载测试平台图形显示界面在完善整个测试平台系统的同时，使测试更加直观明了地进行。它可以在测试中提供测试序列的选择、回放、实时展示等功能选择操作，在测试序列测试过程中实时显示当前列车上电状况、驾驶台激活与否，以及可以以动画的形式显示列车动态运行状态。例如当实际列车速度越高时，在显示界面上可以直观地看到动画中的列车移动速度变化，其余的速度、控制等级、关键步骤描述等信息都可以直观地在界面上显示。其次，RBC管辖显示、RBC电台切换、MA信息更新、无线消息更新功能，区间站场图占用显示、应答器的出现和应答器ID等所有的序列信息，都可以完整地给用户呈现出来。

3.2 系统的成员划分

整个车载设备测试过程中牵涉到的部件和元素十分复杂，在显示界面中要一一将其包含在内，因此需要对其进行相应的分类，整体成员划分如图2所示。

图2 不同分辨率成员划分

在一个模型里，高、低分辨率对象的划分是相对而言的。为了方便对列控系统车载设备的研究，对CTCS-3级列控系统车载测试平台的组成部分进行高、低分辨率成员的划分。在对CTCS-3级列控系统车载测试平台基本结构了解的基础上，应用部分分布式划分成员的方法，针对CTCS-3级列控系统车载测试平台的独特性，可以对CTCS-3级系统有个整体的成员划分。低分辨率的对象在一个成员中实现，与之对应的所有高分辨率的对象在另一个成员中实现。这样对列控系统整体采用一致的成员划分方式，既保证了模型的可重用，又方便模型的扩展。

3.3 系统的多分辨率实现

整个图形显示界面主要分为5部分，文本信息显示部分、功能选择部分、RBC消息交互部分、列车动画显示部分以及站场图显示部分。针对测试过程中，对列车、车载设备、地面设备以及车地信息交互过程的侧重点和细节层次的不同，在现有的基础上，对图像显示界面建立基于多分辨率模型设计的框架。

本设计中依据测试序列中主要关注的车载设备的通信和控制层面的信息，来对系统实现多分辨率的划分。

例如，站场图占用显示，站场图在一定程度上并不是车载设备测试过程中主要的测试参数，所以可以分别作为低分辨率对象来考虑；文本信息显示的主要功能是提示当前车载设备执行的关键步骤，以文字的方式进行显示，较站场图部分分辨率要求要高一个层次，在设计中划分为中分辨率对象；列车动画显示及RBC消息交互为车载设备测试中的重点内容，涉及到车载设备与RBC的信息交互和车载设备控制反应，因此划分为高分辨率对象。

将整个系统划分成为3种分辨率模型，其模型及应用场合如图3所示。

图3 3种分辨率模型及功能

4 基于多分辨率建模的界面设计的具体实现

根据上述划分，具体细节包括如下部分。

4.1 低分辨率模型设计

地面线路情况显示在测试中的主要目的是显示站名、股道、正线、道岔及线路编号，显示进出站信号机灯位，但不显示色灯的颜色。这些功能在一定程度上都是辅助测试工作，将其列为低分辨率模型设计的范畴，如图4所示。

图4 站场图与区间占用

站场图的显示和切换，根据读取列车现在所处的位置、车长以及区间长度和确定列车所在的区间。

当列车初始上电启动时，读取所处区间或者站场的公里标，作为列车起始公里标；当列车位置发生变化时，检测车头所处位置，从区间信息数据库中读取区间的具体信息，匹配区间占用位置去区间占用数。

线路信息数据库为站场显示和区间占用提供了数据信息，列车的位置信息由解析适配程序的速度消息中解析出来，共同完成区间占用显示。

4.2 中分辨率模型设计

序列信息显示(如图5所示)用来显示列车现在处于的状态，以及关键步骤，较站场图包含的信息量多，给测试者提供字面上的信息，划分为中分辨率模型。主要包括以下部分，其部分子项和成员如图6所示。

图5 序列信息显示

图6 序列信息显示部分子项和成员

行驶线路信息：描述列车当前所处的运营状况或运营场景，根据实际情况需要实时地进行信息刷新。

应答器组信息：对当前或者即将与列车进行通信的应答器组进行描述，可显示的内容有应答器组名称、功能、应答器个数。

关键步骤描述：当测试平台执行到某一关键步骤时，展示界面的关键步骤描述框中即显示出当前正在执行的关键步骤的描述信息，并在显示数秒之后自动消失。同时，列车会对应相关的关键步骤的操作，实时显示动画，如激活驾驶台时列车车灯点亮等。

4.3 高分辨率模型设计

列车执行序列情况所包含的列车相关响应、轨旁相关和无线消息交互是整个测试过程中最关心的环节，需要将其中的每一个部分都在界面上显示出来，提供详细的测试信息供测试者参考，所以将其按照高分辨率模型进行设计。其部分子项和主要成员的关系如图7所示。

图7 高分辨率部分子项和成员

列车动画显示包括列车状态显示、应答器组信息显示与解析、信号灯显示与解析、列车运行状态、RBC显示与切换、MA更新及过分相显示。

其中，列车状态显示主要显示车载设备一系列操作后的反应。列车状态包括列车上电、断电、常用制动与紧急制动、过分相等几个方面，驾驶台的开启与关闭，以及受电弓的升降；文本描述方面包括列车车次号、等级、模式、速度、制动方式以及无线通信状态；应答器组信息包括应答器的类别如为单组或多应答器，同时解析NID_LRBG，将应答器的内容解析完毕后，传递给低中分辨率模型文本消息框进行显示；信号灯显示与解析为当列车处在CTCS-2级时，在车尾显示机车信号，如L5、HU等，处在CTCS-3级时不予显示，机车信号设置为满足列车在测试序列中遇到CTCS-3级与CTCS-2级之间转换的功能测试列车在CTCS-2级下运行时，通过解析轨道电路码，获取色灯信号状态灯；RBC显示与切换包括RBC显示当前所管辖的列车ID、RBC编号，以及RBC切换时动态显示；MA为车载提供的信息以消息和信息包的形式进行传输，车载解包后读出消息中的内容，引导列车行车。

无线消息交互为车载设备测试过程中一个重要部分，车地之间的消息传输是否正确直接关系着测试的结果，将RBC消息交互作为高分辨率模型来设计，符合实际的测试需求。

5 基于LabView虚拟仪器仿真实现

在完成系统级的多分辨率模型划分后，要仿真实现上述的要求，考虑到整个系统逻辑关系十分复杂，界面元素丰富广泛，如果使用普通的高级语言进行编程仿真，代码工作量将会非常巨大，短时间内很难完成系统的开发与调试；而选用虚拟仪器的LabVIEW进行开发，将会大大缩短开发过程[6]，以形象的G语言的形式来完成逻辑关系的实现和界面元素的布局、控制，显示界面的驱动程序等也将比普通的高级语言方便得多。

按照多分辨率建模的规划，结合LabView自身特点，最终仿真结果如图8所示。

图8 整体界面仿真显示

从仿真结果分析可以看出，根据多分辨率建模方法设计的图形显示界面，要点显示清晰，可以准确完备地分析仿真测试的结果。同时，可以看出多分辨率建模在CTCS-3级列控系统上应用有着明显的优势，既可简化人们对CTCS-3级列控系统的理解，又利于研发人员对CTCS-3级列控系统仿真与测试的进行，同时显现出了所建模型的可重用性、互操作性等优势。

6 结束语

本文重点研究了列控车载设备仿真与测试过程中需要关心内容的整合过程，基于多分辨率建模的思想，对界面的需求进行规范深入的分析，研究了不同分辨率下建模的具体实现，从高、中、低3个分辨率层次将测试的重点内容有机地结合起来，加快了开发进度的同时使得测试重点更加突出。LabView实际仿真实现的结果表明，本文所述方法很好地满足了实际的测试需求。

[1]季学胜，唐涛. CTCS-3级列车运行控制系统综合测试平台研究[J]. 铁道通信信号， 2007， 43(7): 1-3.

[2]刘宝宏，黄柯棣. 多分辨率建模的研究现状与发展[J]. 系统仿真学报，2004，16(6): 1150-1154.

[3]蔡伯根，刘大为，上官伟，等. 基于多分辨率建模方法的CTCS-3级列控系统仿真技术[J]. 中国铁道科学，2010， 31(4): 105-111.

[4]李小琴. 基于多分辨率建模的CTCS-3级列控系统仿真技术初探[D]. 北京：北京交通大学，2009.

[5]刘雨，唐涛，李开成，等. CTCS-3级列控车载设备实验室互联互通测试方法[J]. 铁道通信信号，2011， 47(12): 4-7.

[6]刘胜. LabVIEW2009程序设计[M]. 北京: 电子工业出版社，2010: 6-10.