动车组制动系统软件开发集成测试平台研制

章 阳， 华 皛， 于 伟， 肖会超

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

在制动系统软件开发的阶段，开发人员需要借助调试设备验证各个软件模块是否符合软件设计需求规范；在软件开发完成后，需要对软件进行详细的功能测试，以检测其是否完全符合制动控制系统需求规范；在软件设计变更后，需要依据变更需求说明对变更项点进行测试，以确认软件变更的可行性。在软件发布之后的运用过程中，若现车发生故障，需要有试验手段来模拟现场工况，进行故障复现，以支持故障定位与原因分析。

因此，需要研制一套动车组制动系统软件开发集成测试平台，通过模拟制动系统电子控制单元(EBCU)的外部工作环境，支持单板、单车和列车的软件开发调试和集成测试，并能模拟列车运用工况，进行故障复现和排查。

1 功能需求分析

动车组制动系统软件开发集成测试平台，主要功能需求包括配置管理、网络配置、数据监控、负载模型配置、司控台模拟、虚拟车辆、制动试验、手动测试、自动化测试、历史数据管理及故障注入等。

1.1 配置管理

配置管理指软件开发集成测试平台可对主仿真节点/子仿真节点中的负载板卡、负载模型、总线协议等参数进行统一配置，在测试开始前自动完成软硬件配置校验，建立制动系统正常运行所需要的外部环境。

1.2 网络配置

既有动车组的控车主干网，均采用MVB和WTB，而以太网控车是未来的发展趋势，目前，各主机厂已开始进行以太网控车方案研究，所以，制动系统软件开发集成测试平台，除了WTB，还必须具备ETB和TRDP网络，实现以太网控车功能的测试。

1.3 数据监控

软件开发集成测试平台应提供两种模式的监控界面，一是通用数据监控界面，采用列表和波形图的方式进行数据呈现；二是组态监控界面，提供列车常用的控件库，由用户自由编辑监控界面样式，并可将当前设计的组态界面以文件的方式进行保存，便于备份和复用。

1.4 负载模型配置

为实现列车级软件测试，软件开发集成测试平台需要实现列车速度仿真、被控对象仿真、CCU接口、TCU接口、安全环路逻辑等，实现基于真实IO数据的负载模型。同时需要预留真实负载接口，可将真实负载接入到测试系统中，构建整车制动环境。该模块需支持LabVIEW等仿真工具的仿真模型DLL算法直接导入。

1.5 司控台模拟

软件开发集成测试平台需实现司控台功能模拟，包括列车主控端占用、运行方向开关、司控器、紧急制动UB按钮、停放制动按钮、撒沙开关、BP救援开关、保持制动切除开关、制动状态和参数显示、制动试验交互界面、故障代码显示界面等。测试服务节点中的自动测试序列在执行时，司控台界面控件的数据显示需实时更新。由于不同项目司控台界面及操作内容有所不同，故司控台模拟模块应支持灵活配置。

1.6 虚拟车辆

软件开发集成测试平台应能满足短编、长编动车组的测试需求，因动车组是对称结构，故可按短编动车组设计测试平台，通过列车制动环境模拟设备加载其余车辆模型，充当列车制动系统中的其他网络节点，进行长编动车组制动系统的功能级测试。

1.7 制动试验

软件开发集成测试平台需支持制动试验功能，在制动试验过程中，各模拟车辆能自动响应指令、反馈状态，并可模拟正常工况和故障工况。考虑到不同项目的制动试验流程有所不同，制动试验交互界面应是独立的模块，可以灵活配置界面交互内容、功能以及模块的启用或禁用。

1.8 手动测试

为了模拟极限工况和故障工况，软件开发集成测试平台需提供手动测试界面，由人工控制所有仿真节点的工况模拟信号。各个仿真节点的同一个物理信号可同步控制或单独控制。手动测试功能的优先级高于模型输出。

1.9 自动测试

为提高测试效率，软件开发集成测试平台需具备自动测试功能，提供完整的测试序列编写环境和参数设置的编辑环境、流程化编辑界面和快速创建测试序列的组件。测试人员可通过配置报表结构、原始数据、比对结果、测试结果、错误警告等信息，生成可打印的文档，便于查阅。另外，测试人员可通过测试序列固化测试方法，并能够重复执行，以便对测试中发现的问题进行回归测试。

1.10数据管理

为方便分析被测对象在特定工况下的响应特性，并对测试数据数据进行归档和追溯，软件开发集成测试平台应能对测试的过程数据进行存储和回放。

1.11故障注入

根据制动系统故障诊断功能测试需求，软件开发集成测试平台需实现针对所有IO的开路、短路、对电源短路、对地短路、不同管脚之间短路等故障形式的测试。EBCU负载仿真单元也需具备所有IO的开路、短路、对电源短路、对地短路、不同管脚之间短路等故障形式的模拟。因此，需要有故障注入模块，且该模块具有手动和程控两种激活方式，使测试更加灵活便捷。

2 系统架构设计

由于动车组以8辆、16辆编组型式为主，考虑到使用的灵活性和方便性，制动系统软件开发集成测试平台设计成与8辆编组的动车组1：1的型式，对于超过8辆以上编组的动车采用虚拟车辆的方式实现；另外，预留一个可以进行实物负载扩展的仿真节点，用于载入真实被控对象进行测试。因此，软件开发集成测试平台采用主从式架构，包含2个测试服务节点、1个主仿真节点、8个子仿真节点、1个真实负载节点以及附属测试设备，系统整体架构的拓扑关系如图 1所示。

图1 系统架构拓扑

整个系统的结构与8辆编组的动车组制动系统结构一致，分为两个MVB网段，列车骨干网为WTB。同时，为满足以太网控车功能测试，分为两个TRDP以太网网段，列车骨干网为ETB。主仿真节点和各子仿真节点之间采用反射内存进行互相通讯。测试服务节点、主仿真节点计算机、子仿真节点计算机与对应的仿真节点之间采用以太网通讯。

主仿真节点1个，具有TCN网络管理、CAN网络管理、ECN网络管理功能，可模拟CCU、TCU、HMI与制动系统的通信接口、模拟司控台，并能实现基于通信总线的虚拟车辆功能。主仿真节点采用定制的PXI机箱，运行实时操作系统，安装在定制的35U机柜中，通过CAN、MVB、TRDP总线板卡实现列车级制动管理，对全列BCU工作状态进行监测与控制，负责实现虚拟车辆所需的MVB、TRDP端口数据转发功能。监测计算机主要用于人机交互和参数配置。

子仿真节点8个，对应8辆车的制动控制单元配置，包含EBCU和仿真负载。EBCU中运行被测软件，仿真负载用于模拟EBCU的输入信号(如压力传感器、速度传感器、环路状态继电器、制动指令线、隔离塞门、压力开关等)和采集EBCU的输出信号(如空压机启动指令、门控指令、EP阀控制信号、防滑阀控制信号等)。仿真负载由仿真负载板卡和监测计算机组成，放置在35U机柜中。监控计算机主要用于人机交互界面和参数配置，运行Windows系统。仿真负载板卡运行实时操作系统，根据测试服务节点计算机给出的指令输出仿真信号给EBCU，或采集EBCU的输出信号。在测试服务节点计算机控制子仿真节点时，子仿真节点监测计算机只能进行数据监控，不能对其执行的任务进行重新配置。

真实负载节点1个，主要由仿真负载板卡、真实负载接口、监控计算机、MVB、CAN、TRDP组成，配置2个PXI机箱，放置在35U机柜中。

测试服务节点2个，每个测试服务节点各包含1台高性能商用计算机/工作站，运行Windows操作系统。测试服务节点负责整个系统(1个主仿真节点、8个子仿真节点、1个真实负载节点)的设备管理和参数配置，并在测试过程中实时监控主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点的过程数据，可按需要将某一时段的过程数据以文件的形式导出存储，也可编辑运行多个自动化测试序列，并自动生成报表。

仿真节点、真实负载节点可单独配置、单独运行，进行单板或单车测试；也可通过测试服务节点集中配置，进行单元或列车级测试。主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点采用上位机(监控计算机)搭配下位机(PXI)的方式搭建。上位机运行基于Windows操作系统的服务软件HilLab Client，用于仿真负载模型监控、仿真环境管理和配置、实时过程数据监测等；下位机运行实时操作系统(LabVIEW RT，HiLab Server)，确保仿真负载模型实时运行。

软件开发集成测试平台采用3个55寸的4K分辨率显示器(每个显示器可分割为4个1080P的显示区域)，用于测试服务节点、主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点的监控计算机的显示和人机交互。

3 硬件设计

动车组制动系统软件开发集成测试平台硬件包括操作台、显示设备、仿真节点、网络设备、测试服务节点等，架构如图2所示。

3.1 主仿真节点

软件开发集成测试平台包含1个主仿真节点。主仿真节点具有TCN网络管理、CAN网络管理、ECN网络管理功能，可模拟列车总线与制动系统接口，与制动系统进行交互，并能实现基于通信总线的虚拟车辆功能。其主要由PXI设备、TCN&ECN网关、MVB板卡、TRDP板卡、以太网交换机等硬件组成，PXI机箱预留可用于扩展RS232/RS485通信的板卡插槽。

主仿真节点中建立2个TCN网关，每4辆车组成一个MVB网段，MVB网段内部通过MVB网络通讯，两个MVB网络之间通过WTB网络进行通讯。TCN网关与MVB板卡、EBCU之间的物理连接关系如图3所示。

ECN(Ethernet Consist Network)网关设备主要包含(Ethernet Router Unit)以太网路由单元和ESU(Ethernet Switch Unit)以太网交换机单元等设备。ECN网络在设计上参考TCN网络布局，即每4辆车使用一组ETB(列车以太骨干网，Ethernet Train Backbone)路由器和交换机组成一个TRDP网段，两个TRDP网段的ETB交换机使用网线/光纤建立通信连接，布局关系如图4所示。

3.2 子仿真节点

软件开发集成测试平台包含8个子仿真节点，每一台子仿真节点中安装仿真负载板卡，用于采集EBCU的输出信号和模拟EBCU的输入信号(如制动指令、压力、速度、列车环路状态、隔离塞门状态等)。由于被测EBCU的板卡数量较多，为方便测试，测试平台的仿真负载板卡与EBCU的板卡一一对应，被测EBCU板卡与仿真负载板卡通过测试线缆直连。测试平台中共设计6类仿真负载板卡：TEX01B、TEX02B、TEX01C、TEX02C、TEX05C和TMC02C，分别与EBCU的EX01B、EX02B、EX01C、EX02C、EX05C和MC02C对应。

每个子仿真节点测试机柜中包含一个电源分配箱。有两个功能，一是向EBCU分配供电线路，二是为仿真负载板卡的参考电平分配线路。

3.3 测试服务节点

测试服务节点负责统一配置其他各节点的测试环境，可统一监控所有节点的输入输出信号。测试服务节点执行具体的测试工作和数据维护，可以进行自动化测试脚本编写与执行。测试服务节点可用于模拟司控台的司机室占用、司控器指令、停放制动按钮、紧急制动按钮、撒沙开关等各种操作，执行整个测试平台中各仿真节点的测试任务管理和配置、数据存储、生成测试报表和故障注入等功能，同时可总览所有仿真节点信息(如输入输出信号、测试过程数据等)。

图2 系统硬件架构

图3 MVB/WTB网关与MVB、EBCU线缆连接关系

图4 ECN网络拓扑结构

3.4 真实负载节点

真实负载节点用于单车EBCU测试和单板测试，配置单节车测试的所有电气接口、网络接口，也为接入真实负载信号预留扩展接口。真实负载节点与断线测试箱配合使用，可实现实物负载(传感器/执行器)的数据采集/控制，如图5。

图5 真实负载节点结构图

3.5 共享内存网络

主仿真节点(1台)、子仿真节点(8台)、真实负载节点(1台)上分别配备1块反射内存卡，这10个节点通过光纤与2个反射内存交换机构成星型内存共享网络。主仿真节点和4台子仿真节点与1个反射内存交换机构成一个内存共享网络，真实负载节点和另外4台子仿真节点与1个反射内存交换机构成内存共享网络，2个交换机之间采用光纤建立数据镜像通信连接，如图 6。使用共享内存网络，可以确保主仿真节点的控制指令在1 ms内到达子仿真节点，子仿真节点从收到指令到仿真负载板卡产生输出的时间为硬件线路传输时间(板卡通道输出的建立时间一般为微秒级)，所以只要控制了指令在网络中的传输时间，主仿真节点发出指令到子仿真节点的仿真负载板卡产生输出的时间间隔远小于25 ms，各子仿真节点仿真负载板卡首次输出响应时间远小于10 ms。

图6 共享内存网络连线关系

3.6 时钟同步网络

动车组制动系统软件开发集成测试平台中的多仿真节点等同为分布式仿真系统，如果分布式硬件不进行硬件同步，板卡输入和输出的采样就不会同时发生，另外随着时间的推移，尽管系统被配置为同样的速率，分布系统中不同节点在各自时钟的工作下也会产生时间上的漂移。不同测试节点采用相同的时钟源可以确保板卡采样和输出的同步性。故测试节点中的PXI机箱设计10 MHz的同步时钟，采用PXI机箱时钟级联的方式实现，如图7，确保整个系统在长时间运行后，不同PXI机箱中的仿真负载板卡的采集和输出能够同步。

图7 PXI机箱时钟同步连线关系

4 软件设计

动车组制动系统软件开发集成测试平台软件功能包括系统配置、数据监控、负载模型调参、司控台模拟、虚拟车辆、手动测试、自动测试、历史数据管理等。

4.1 软件架构

动车组制动系统软件开发集成测试平台软件其采用主从式架构，如图8，提供二次开发扩展接口。使用人员可根据测试需要，配置整车、单车、单板测试所需的EBCU负载及模型的参数信息，该配置信息使用标准的XML文件格式，并以项目工程文件的方式管理不同列车车型的测试配置参数。

图8 列车级测试软件-硬件部署关系

4.2 系统配置模块

系统配置模块可运行在测试服务节点、主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点对应的监控计算机中。该模块用来设置并管理主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点中的PXI设备中待执行任务(硬件、模型等)的相关参数。主要包含EBCU负载(即IO参数)配置，列车通信总线端口配置(MVB、TRDP等协议实例化)，负载模型嵌入识别(Simulink、AMESim、C++创建并编译的DLL仿真负载模型导入，可自动获取模型I/O、内部参数)。该模块向使用者提供可自由扩展的API和模板，用于将实时闭环控制、系统仿真、信号处理以及信号生成等功能添加到测试系统中。

系统配置模块可对整车、单车、板卡测试所需的主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点中的负载板卡、负载模型、总线协议(MVB、TRDP)等参数进行统一配置，也可根据实验需求禁用部分不用的子仿真节点，每一个主仿真节点/子仿真节点对应的测试环境均可独立配置其硬件和负载模型参数。

4.3 数据监控模块

数据监控模块可运行在测试服务节点、主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点对应的监控计算机中，且只有测试服务节点可查看所有节点的实时过程数据。

数据监控功能用于在测试过程中实时查看与控制主仿真节点模拟的司控台操作指令，以及所有子仿真节点与EBCU的输入输出数据，便于分析测试软件逻辑、定位故障、控制模拟负载输出、仿真EBCU的外部接口信号、模拟制动工况等，并及时掌握EBCU输出状态。如图9。

数据监控功能既可运行在测试服务节点中(该模式下可监控主仿真节点和所有子仿真节点的数据)，也可运行在主仿真节点/子仿真节点对应的监控计算机中(只监控与计算机对应的主仿真节点/子仿真节点数据)。

图9 数据监控示意图

4.4 负载模型调参

负载模型调参模块可运行在测试服务节点、主仿真节点、子仿真节点、真实负载节点对应的监控计算机中，主要针对在测试运行过程中动态调整Simulink负载模型的内部参数，实现基于真实IO数据的负载模型内部参数整定，一旦参数调节完成后，才将最终整定好的参数应用在Simulink负载模型文件中。

4.5 司控台模拟

司控台模拟采用界面组态的方式实现，主要提供以下几方面的操作功能：司控器、紧急制动按钮、停放施加/缓解按钮、方向开关、撒沙开关、保持制动切除开关等。另外，模拟HMI监测列车运行状态参数，例如列车速度、总风压力、BP管压力、空簧压力、制动缸压力等。示例如图10。

图10 司控台模拟

4.6 虚拟车辆

虚拟车辆功能设计部署在主仿真节点中，当测试系统在不具备车辆模型的情况下，可将实物车辆的网络数据进行端口级(如MVB、TRDP)转发，即将实物车辆的网络数据做镜像，转换成其他车辆的数据发送出去，实现车辆总线级数据通信的虚拟，如图11。

4.7 手动测试

为模拟极限工况和故障工况，设计时提供手动测试界面，采用列车行业专用的UI控件搭建，支持手动设置由负载模型输出至模拟负载板卡的信号，提供数据多层优先级处理机制，可设置手动设置优先级高于模型输出。如图12。

图11 虚拟车辆端口协议转发示例

图12 手动测试界面示例

4.8 自动测试

自动测试提供完整的测试序列编写和参数设置的编辑环境，具备流程化编辑界面和快速创建测试序列的功能。自动测试序列编辑环境中包括控制器默认参数的定义、编辑等功能，并能将编辑的测试序列保存成文件，便于测试方法的固化和重复执行，可有效提升整个测试系统的执行效率。自动测试流程设计如图13。

图13 自动测试流程

4.9 历史数据管理

每个EBCU对应的子仿真节点，在进行测试时，可设置是否存储测试过程数据，用户可根据测试需求有选择性的保存部分变量的实时数据至测试服务器的MySQL数据库或本地磁盘中，本地磁盘存储的数据采用TDMS文件格式。对于已经存储的历史数据，可进行回放分析，如图14。

图14 历史数据回放分析界面

5 总 结

动车组制动系统软件开发集成测试平台的技术方案在系统的稳定性、易用性、灵活性等方面做了着重考虑，适用于短编、长编、联挂及17辆编组等型式的动车组制动系统软件测试。系统具备TCN和ECN两种列控总线网络，且网络架设拓扑结构与真实列车中的一致，可有效保证测试使用方式的一致性。软件和硬件均具备可扩展性，手动测试和自动测试功能适应不同的测试需求，提高测试效率。试验台建成后，能够为动车组的制动系统软件开发、测试和故障模拟等工作提供更高效和便利的支持手段。