基于DTECS的通用地铁网络控制仿真测试系统

钟盛++吴昌友++汤长春++贺晓梅++张森

（1.株洲中车时代电气股份有限公司 技术中心，湖南 株洲 412001；2.湖南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 412000）

摘 要：基于DTECS的通用地铁网络控制系统的仿真测试系统是针对列车分布式网络通信和控制系统进行开发的仿真测试系统。介绍了系统构成、硬件及软件实现等。该仿真测试系统的设计及搭建主要是为了达到对地铁网络控制系统的开发、调试、试验室验证和在产品交付后出现问题时对故障进行再现分析的目的。

关键词：DTECS；地铁；网络控制；仿真测试系统

中图分类号：U285.4+7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.010

近年来，我们已经逐步建设了相关地铁车型的列车网络控制系统（TCMS）的仿真测试系统，将测试与调试任务由原来的现场调试前移到现在的试验室测试，但在测试过程中，仍然存在以下问题：被测系统关联的外围系统缺乏/不完善，通信协议管理通用性差，自动化测试程度低，测试用例无法自动生成，测试数据/结果无法长期保存，不能形成测试报告。

以上的这些问题是在地铁网络控制系统测试过程中限制其进度和成本的主要问题，造成更多的人员参与，给列车网络的测试带来了很多不确定因素。在长时间的测试过程中，重复性的工作对测试人员的精力、判断力以及对测试的时间进度和成本开支都带来了极大的影响。因此需要开发新的通用的地铁仿真测试系统弥补以上不足，降低测试人员的工作强度，提高测试效率，降低测试的成本。

1 仿真测试系统硬件构成

1.1 系统简介

通用地铁网络控制系统仿真测试系统是从开发人员和测试人员的使用角度出发，能够辅助进行系统方案验证、调试环境构建、子系统联合调试、设计验证及测试、故障注入重现等功能而开发的具有实物和软件虚拟设备共存的半实物仿真測试系统。该系统的硬件由被测网络控制系统、仿真计算机、显示与

控制终端、串口服务器、IO测试机箱、以太网交换机、司机操纵台等组成。其总体结构描述见图1.

1.2 被测系统设计

1.2.1 被测系统

网络控制系统采用DTECS（Distribute Train Electric Control System）系统。DTECS系统是株洲中车时代电气股份有限公司开发的基于TCN协议的分布式列车网络通讯与控制系统。网络控制系统划分为车辆控制级和列车控制级两级。车辆控制级总线采用MVB多功能车辆总线。可以选用中继模块REP作为列车级总线和车辆级总线的网关，采用EMD介质的MVB多功能车辆总线实现列车级的数据传输，也可以选用MVB与WTB通讯接口模块GWM作为列车级总线和车辆级总线的网关，采用WTB双绞式列车总线实现列车级的数据传递。

地铁车辆按照不同的功能与硬件配置分为2种车型，即带司机室的拖车Tc车和动车M车。不同车型由数量不同的车辆控制模块VCMe、事件记录模块ERMe、中继器REP、数字量输入输出模块DXMe、数字量输入模块DIMe、模拟量输入输出模块AXMe、人机接口单元HMI和必要的总线终端器构成。图2为北京地铁14号线的网络控制系统拓扑结构，采用4动2拖的编组形式。

1.2.2 试验环境搭建

为了满足更多地铁车型的仿真、测试及扩展需要，测试台被测网络控制系统按照6动2拖的编组原型设计，采用八节编组的方式，每节编组使用一个机柜，其MVB网络节点设备按地铁网络项目应用估计的最大数目来配置，每节车厢的网络设备及其对应的陪试设备（比如IO测试机箱、串口服务器、以太网交换机）均安装在各自的机柜中，各机柜之间只存在重联通讯线和供电电源线的连接。这样的设计能使每个机柜都能独立形成一节车厢的网络控制系统及其相关设备的真实电气环境，通过重联插座的连接、延长线连接插座的配置和各个MVB网络节点设备的供电可以构成与整车车载1∶1的网络控制系统试验环境。

1.3 陪测系统设计

1.3.1 IO测试机箱设计

每个机柜配置一个陪试的IO测试机箱，IO测试机箱提供与被测TCMS网络控制系统Remote IO设备相对应数量的模拟和数字信号的输入输出。

每个机柜最大数量的IO配置如下：

数字量输出接口 96路（110 VDC）

数字量输入接口 32路（110 VDC）

模拟量输入接口 12路（0～10 V）

12路（0～20 mA）

模拟量输出接口 12路（0～10 V）

12路（4～20 mA）

1.3.2 司机操纵台

司机操纵台由与装车一致的司控器、手柄、开关、按纽、仪表等组成，并构建与车载环境一致的电气线路，以更贴进真实的操纵环境。它通过以下2种方式接入到仿真测试台：①硬线信号直接通过连接器转接到被测的网络控制系统中；②硬线信号通过采集执行单元处理后，将数据打包以通讯的方式接入到显示与控制群组计算机。

1.3.3 串口服务器

串口服务器将IO测试机箱的RS422通讯接口、RCM模块的RS485/RS232通讯接口、网卡板的RS232通讯接口以及GWM/VCM/ERM模块的串行调试通讯接口集合统一集中连接至以太网网络，可以实现以下3种功能：①仿真计算机模拟与被测网络控制系统相关联的对象（比如牵引、制动、空调等）通过以太网、串口服务器、MVB通讯接口设备与被测系统的CCU进行数据交互；②开发人员用开发PC机通过WiFi或直接连入以太网网络，集中对被测网络控制系统的CCU设备进行串口调试、维护更新程序；③串口服务器配合以太网交换机实现仿真计算机集中控制各个机柜的IO测试机箱。

1.3.4 以太网交换机

通过以太网交换机将串口服务器、各个带有以太网接口的模块等连接起来，以便于PC机统一控制、管理、监视各以太网设备，并可通过单点对整车的以太网接口设备进行调试、软件升级及故障数据下载等。

通过多个以太网交换机构建成以太网网络，串口服务器、直流程控电源和带以太网接口的被测模块均接入进来，实现统一管理、控制。

1.3.5 实时仿真系统

實时仿真系统的主要实现以下2个功能：①测试总控网络和机车网络之间的上下行数据交互，测试总控网络采用DDS（实时数据转发）中间件，机车网络采用UDP，因此上下行数据交互主要实现DDS与UDP之间的协议转换；②各仿真模型的运行，包括轮轨系统模型、制动与风源模型、车载电气模型、牵引/辅助变流器模型、信号及线路模型、PIS/EDCU/HVAC/CCTV模型等。这2个功能要求实时仿真系统具有强大的并行计算能力。

2 软件架构

2.1 测试总控系统

测试总控系统测试过程的总控管理设备，实现了对测试过程的统一调度管理。测试总控系统各软件提供了与用户交互的UI界面和提供操作服务。

测试总控软系统各软件基于Java/Eclipse RCP 插件技术开发，使用EMF搭建系统阵模型，使用SWT/JFace 界面风格。Eclipse RCP是一项位于Eclipse平台核心的功能，包括对可移动以及可叠加的窗口组件（编辑器和视图）、菜单、工具栏、按钮、表格、树形结构等的支持。SWT，即“Standard Widget Toolkit”，它是一个Java平台下开放源码的Native GUI组件库，也是Eclipse平台的UI组件之一。从功能上来说，SWT与AWT/SWING是基本等价的。SWT以方便、有效的方式提供了便携式的（即Write Once，Run Away）带有本地操作系统观感的UI组件。Eclipse平台的界面就是基于SWT开发而成的。在SWT之上，Eclipse提供了更为敏捷的界面控件JFace。它不仅提供了更加高效的API，而且在数据绑定方面具备强大的功能特点。

2.2 虚拟司机操纵台

实物司机控制台提供真实的司机操纵器、微机显示器、开关、按钮等司机操作部件，通过硬线或以太网的方式与仿真测试台连接。

测试总控系统包含与之相对应的虚拟司机操纵台软件，能同步显示实物司机操纵台的信息，实物司机操纵台的操作优先级高于虚拟司机操纵台，即当实物司机操纵台激活后，虚拟司机操纵不能进行任何操作动作，但能同步显示实物司机操纵台的状态。虚拟司机操纵台软件界面如图3所示。

2.3 被测系统关联对象仿真

与网络控制系统相关联的对象如下所列，仿真测试台需要通过仿真的形式模拟其功能，为被测系统提供一个模拟的外部环境：①牵引/辅助变流器仿真。包括DCU控制、水循环系统、接触器控制、牵引电机模型等功能。该仿真模型提供整列地铁车辆6个TCU和24个牵引电机模型。通过以太网分别与各车的网卡板通信。牵引/辅助变流器仿真模型软件界面如图4所示。②制动及风源仿真。包括BCU控制、空气管路原理、电磁阀控制、空气制动原理等功能。该仿真模型提供整列地铁车辆制动及风源系统的模型。通过以太网与各车的网卡板通信。③轮轨仿真。根据线路、气候等数据计算车轮与轨道间的关系参数，用于修正牵引变流器仿真模型的实际牵引力、实际速度等参数的结果。④信号及线路仿真。包括ATP和ATO的功能，并能结合线路数据进行线路计算，实现地铁车辆中的自动驾驶的功能。⑤车载电气仿真。模拟与网络控制系统相关联的继电器、接触器、自动开关、压力开关等设备的工作原理，建立虚拟的车辆电气系统。⑥智能装置仿真。模拟PIS、EDCU、HVAC和CCTV等智能设备的工作原理。

2.4 通信协议管理

为了满足数据格式的多样性和变化性需要，采用通信协议管理软件，对网络通信协议进行统一的管理和配置。网络控制系统自动化测试平台其核心为数据，而测试系统都需要遵循机车网络通信协议。作为系统的核心，对通信协议的处理方式直接影响测试系统的可靠性、通用性和易用性。机车网络通信协议通过Excel管理，通信协议中的数据都具有较复杂的结构，例如一条数据中包含多个数据域，数据格式包含嵌套的情况，在数据传输过程中，数据的流向也是复杂的，并且在不同的测试任务中，数据格式也是变化的。

2.5 自动化测试

为了尽量减少测试过程的人工操作，提高系统的自动化程度，测试系统应用软件方式实现自动化测试功能。自动化测试软件集开发、测试序列的编辑与执行为一体，提供了测试指令的编辑和管理、测试序列的编辑与管理、测试序列的执行与调试、测试结果判读及报告自动生成等功能；并提供了测试库，用于仿效测试过程中的人工测试步骤，包括各类测试指令。自动化测试软件界面如图5所示。

2.6 数据中心

数据中心的主要功能有以下2个：①在测试过程中，数据服务器将所有的测试指令和数据都存入到数据库中。由于测试过程中数据存储量很大，因此数据库需要具有较高的性能，能

从网络中订阅数据，存储到数据库中。②车辆运行数据和故障数据能够通过有线/无线的方式录入到数据中心中，任何一个测试平台均可从数据中心中调用数据进行在线监视和离线分析。

2.7 测试系统状态监视

网络控制系统测试过程中，由于测试模块很多，包括实时仿真系统、自动化测试软件、测试监控软件、测试分析软件、被测系统等，这些功能模块如果出现了异常，将导致测试异常。所以测试平台需要提供了集中式的监控环境，对整个试验网络的连接状态进行实时监控，并能够及时反映各试验节点的工作状态。

2.8 配置管理

仿真平台应能管理所有的配置文件，提供统一的配置文件编辑环境，用户能够在各软件上同步或更新配置库中的配置文件。

在配置库中，每个工程都有独立的文件夹，内部包含了一整套配置文件。在测试编辑阶段，各软件都需要通过配置库，同步或更新一个工程下的配置文件，每个软件都只能在配置库中访问2个子文件夹。其中，一个是通信协议配置文件夹，同步系统通信配置文件，且该文件只读；另一个是与自己相关的文件夹，同步各自的配置文件，各软件在加载配置文件后，可以编辑、修改和保存。在完成修改后，各软件能够对配置库中的文件进行更新。每个软件在编辑过程中可以打开多个工程，加载不同的配置文件，并进行复制、粘贴、修改等操作。

3 结束语

开发出更贴进真实运行状况的试验室仿真环境和全面、高效的测试环境，能够有效地降低地铁网络控制系统在产品全生命周期过程中的研发成本、维护成本、检修成本、调试成本及其他无形成本。基于DTECS的通用地铁网络控制系统的仿真测试系统可为该领域的研发、制造、售后提供全面的支持和提高产品在该领域的影响力及产品质量。

参考文献

[1]曾嵘，杨卫峰，刘军.列车分布式网络通信与控制系统[J].机车电传动，2009（03）.

[2]刘俊，邱伟明，何红成.120 km/h地铁列车网络控制与诊断系统[J].机车电传动，2015（06）.

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作者简介：钟盛（1982—），男，工程师，从事列车网络控制系统开发工作。

〔编辑：刘晓芳〕

文章编号：2095-6835（2016）23-0013-03