面向ATP车载设备的通用仿真测试平台研究

张 宇，李 昂，王 飞，程林芳

列控系统是保障高铁安全高效运行的核心装备，在投入使用之前，需对包含ATP车载设备在内的列控关键设备进行完备的系统测试。目前国内各主要信号设备厂商都建立了各自的列控仿真测试平台，各测试平台基本可满足自身信号产品的功能测试需要，但在进行设备间的互联互通测试或在测试过程中需切换不同型号信号设备时，大部分测试平台不能提供很好的支持。基于上述原因，开展面向ATP车载设备的通用仿真测试平台研究是十分必要的。通过对列控车载设备接口适配等关键技术的研究，以通用性、易用性和可扩展性为目标，设计并构建兼容多种型号ATP车载设备的通用仿真测试平台，标准化功能测试环境，脚本化测试序列，为列控系统的测试和问题分析提供技术支持。

1 总体设计

1.1 架构设计

面向ATP车载设备的通用仿真测试平台以ATP车载设备为被测对象，采用真实设备和仿真模拟设备相结合的方式，以系统功能、接口和现场试验仿真测试为重点，确保ATP车载设备功能和性能满足设计要求。仿真测试平台架构示意见图1。

图1 仿真测试平台架构示意

仿真测试平台包括车载仿真测试主机、RBC仿真和ISDN仿真。RBC仿真和ISDN仿真主要用于模拟在GSM-R网络覆盖条件下，实现RBC与ATP车载设备间的无线消息交互。车载仿真测试主机是平台的核心，用于向ATP车载设备提供行车所需的各种信号，模拟列车在ATP车载设备控制下运行。该主机在设计原理上参照ATP车载设备与外围设备的接口，通过模拟车载外部设备的电源接口、列车接口、速度传感器、应答器信息接收天线和轨道电路信息接收天线等外围设备的输入和输出［1-2］，同时考虑外围设备的故障插入，满足ATP车载设备的功能测试、性能测试和接口测试要求［3］。

仿真测试平台在设计中充分考虑了测试平台的通用性、易用性和可扩展性：支持多种型号ATP车载设备的速度传感器信号；车载仿真测试主机通过专用应答器可模拟在指定窗口时间输出应答器报文，车载设备通过BTM天线接收应答器报文，该方式支持所有型号的ATP车载设备；车载仿真测试主机可通过扩展板卡的方式支持多路DI/DO信号和模拟多个速度传感器，满足不同型号ATP车载设备的需求；支持通过软件控制ATP车载设备上、下电，提高测试效率；支持通过RBC仿真和ISDN仿真实现车地无线消息交互，在无真实RBC的情况下满足CTCS-3级ATP车载设备的系统测试需求。

在满足ATP车载设备仿真测试需求的基础上，通过统一的对外接口，平台可与各类地面仿真测试平台互联，支持接入真实或模拟的地面设备，搭建列控系统综合仿真测试环境［4］，进一步满足系统功能验证、系统演示、关键设备功能测试、工程运营线路试验室模拟等多种需求。

1.2 主要特点

面向ATP车载设备的通用仿真测试平台主要特点如下。

1）可参与构建不同等级的列控系统仿真测试环境，满足CTCS-2级、CTCS-3级列控系统、高铁ATO和新型列控系统车载设备的试验室测试要求。

2）可适配多种型号的ATP车载设备，满足不同型号设备开展互联互通测试的要求，通过配置组合，满足ATP车载设备和列控系统地面设备的试验室仿真测试要求。

3）支持以脚本方式对ATP车载设备进行测试，实现测试场景的数据固化和存储，满足试验室系统测试、现场问题试验室复现，以及针对ATP车载设备的故障插入等。

4）软硬件一体化的仿真测试平台，可快速构建ATP车载设备仿真测试环境，方便移动和部署。

2 关键技术

2.1 仿真测试平台关键模块建模

2.1.1 主机硬件建模

在仿真测试平台架构基础上，根据平台通用性的设计目标，充分考虑各型号ATP车载设备外部接口特点、功能测试需求和设备操作的便捷性，采用模块化的方法设计平台关键硬件模块，即车载仿真测试主机。车载仿真测试主机硬件结构见图2。

图2 车载仿真测试主机硬件结构

车载仿真测试主机硬件由5个功能单元组成。

1）数字信号仿真处理单元（DSPU）。模拟车辆继电器接口信号，实现数字量输入输出。

2）模拟信号仿真处理单元（SSPU）。实现速度信号、轨道电路信号、应答器信号、相位防护及选择，以及相位调理功能。

3）对外接口单元（IFU）。提供6个连接器端口，包括电源、DI、DO、速度传感器信号、轨道电路信号和应答器信号端口，通过仿真平台的连接器实现车载仿真测试主机与ATP设备的连接；提供220 V、110 V和24 V电源开关，用于控制车载仿真测试主机与ATP电源的上、下电。

4）DC110 V电源。持续稳定输出DC110 V电压，电流可调节，用于为ATP车载设备供电。

5）工控机。用于运行仿真测试平台主控软件及其他接口仿真软件，通过该设备可与地面仿真环境互联构建车地综合仿真测试环境。

平台在仿真设备硬件建模中充分考虑可扩展性需求，在硬件层面上采用模块化设计、分单元组合配置，数字信号仿真处理单元集成了DI/DO处理模块，模拟信号仿真处理单元集成了速度信号处理模块、轨道电路信号处理模块和应答器信号处理模块，模块可扩展；对外接口单元实现多种电源分配和对外接口输出。

2.1.2 主控软件建模

在仿真测试平台架构基础上，对平台主控软件进行建模，根据场景设定自动向ATP车载设备实时发送运行所需的应答器报文、高精度速度信号、轨道电路信号以及车辆侧的输出信号，同时实时接收ATP车载设备的输出信号，模拟车辆动作［5］。软件可实现以下主要功能。

1）根据车辆牵引制动参数，构建车辆动力学仿真模型，用于在控制过程中根据牵引制动状态实时生成列车速度信号。

2）根据测试场景实时发送轨道电路信息（低频和载频）和应答器报文。

3）提供简单易用的操作界面，模拟司机操作驾驶台，实时将车辆信号输出给ATP车载设备。

4）实时接收ATP输出信号，显示过分相信息和制动信息。

主控软件模块结构见图3。主控软件在系统设计上采用层次化和模块化的设计方法，有效降低系统中各子模块的耦合度，大大增强了系统的稳定性、兼容性和可扩展性，同时由于采用多进程间通信，有效提高了系统的并发性和实时性。

2.2 车载设备接口适配技术

接口适配是解决列控车载设备仿真测试平台通用性的关键。不同类型的ATP车载设备由不同厂家生产制造，其设备接口的实现方案不尽相同，造成不同厂家的仿真测试平台仅能够适配自身ATP型号，无法实现列控系统联调和车载设备互联互通测试。依据国内多种型号ATP的外部接口协议和电气特性，结合不同型号ATP对各类信号的需求差异，重点研究与ATP接口适配相关的硬件模块设计、硬件连接、软硬件配置和组件部署技术，通过软件配置、硬件拨码开关和基于跳线控制的信号类型，能够实现仿真测试平台对多种型号列控车载设备的适配［6］。主要研究内容包含：①速度信号处理模块，支持方波和正弦波信号，可通过软件控制速度信号的频率和通道波形相位，通过板卡跳线配置发送波形，同时支持多路速度传感器扩展和通道故障注入模拟；②DI处理模块和DO处理模块，通过模拟车辆继电器接口实现ATP车载设备输入信号和输出信号的驱动和采集，同时支持多路信号量的扩展，有效解决ATO车载设备和新型列控系统车载设备对继电器信号的扩展需求；③轨道电路信号处理模块，支持向ATP车载设备输出2路FSK模拟信号，同时支持对轨道电路信号的故障注入；④应答器信号处理模块，通过连接专用应答器，满足ATP车载设备在模拟运行过程中在接收窗口内通过BTM天线接收应答器报文的需求。

在上述接口适配技术基础上，为满足ATP车载设备各子系统并行开发和梯度递进的测试需求，测试平台利用虚实结合的多元模拟技术，可提供不同层次的仿真测试环境。

1）ATP采集的速度传感器、TCR和应答器3类主要模拟信号，均采用虚实结合的2种解决方案。其中：速度传感器信号可采用真实速度传感器安装在模拟电机上，通过软件驱动模拟电机生成相应的转速，为ATP提供速度信号，也可直接通过速度信号处理模块生成速度信号传输给ATP；TCR信号可将信号模拟板产生的信号接入钢轨，ATP通过TCR天线采集钢轨上的信号，也可将轨道电路信号处理模块产生的信号直接接入ATP；应答器信号可将应答器信号处理模块产生的应答器报文传送到专用应答器，通过空中接口传送给应答器接收天线，也可采用模拟的BTM模块直接接入ATP来传送报文。

2）在不具备GSM-R核心网时，设计了虚拟电台。虚拟电台可绕过GSM-R核心网，直接与无线处理模块连接，以减少对外部环境的依赖，更专注于ATP核心功能的测试。在具备GSM-R核心网时，开发了RBC仿真及ISDN仿真，并通过设计多种组合条件控制消息流程，使其可以完全替代真实RBC逻辑，实现对ATP车载设备C3级功能的测试。

基于虚实结合的多元模拟技术，测试平台能够提供更加便利的测试环境，既可采用全真实的车载外围接口设备（速度传感器、TCR天线、BTM天线等），以满足CRCC测试要求，也可采用虚拟设备实现接口适配，测试环境简化，提高测试便利性。

2.3 车辆动力学模型仿真技术

通过软件建模，结合实际动车组提供的牵引制动特性参数，构建可配置的满足多种型号动车组特性的车辆动力学仿真模型，模拟动车组实际的牵引制动逻辑，同时支持针对牵引制动特性的故障插入测试。通过对车辆动力学模型仿真的研究，可在试验室仿真实现ATP控车条件下车辆速度和位置的计算，为控车模型研究和车载设备在运营线路的试验室验证提供技术支持。车辆动力学模型仿真处理流程见图4。

图4 车辆动力学模型仿真处理流程

车辆动力学仿真模型以列车厂商提供的不同型号的车辆牵引制动参数为依据，模拟实际列车动车组牵引和制动处理逻辑，结合速度传感器相位配置、当前牵引制动手柄所代表的牵引制动等级和ATP输出的制动等级，并根据测试场景模拟的路况，对列车所受牵引力、制动力、基本阻力、坡道阻力、弯道阻力和隧道阻力等进行分析与建模，综合判断车辆受力情况，模拟列车牵引、制动、空转、打滑和分相区惰行等场景，实时计算列车速度，并通过速度信号处理模块输出给ATP车载设备。

2.4 模拟应答器技术

根据仿真测试平台通用性设计原则，为满足ATP车载设备系统功能测试需要，模拟应答器在车载设备接收窗口发送报文，通过BTM天线接收应答器报文，并按照真实车载实际传输介质传输给BTM单元，是一种有效解决ATP车载设备仿真测试接收应答器报文的解决方案，同时该方案有利于保证被测车载设备的测试完整性，使得车载设备的测试包含了BTM单元的测试。基于上述原理，设计了应答器信号处理模块和专用应答器，利用平台主控软件控制应答器报文发送内容和发送时长，模拟车载设备通过BTM天线在应答器窗口内接收到应答器报文［7］。模拟应答器发送报文原理图见图5。

图5 模拟应答器发送报文原理图

平台主控软件根据运营场景脚本实时计算列车运行距离，在到达应答器位置后向应答器信号处理模块发送应答器信息帧，该帧包含应答器报文内容和报文有效时长，用于模拟应答器在接收窗口有效范围内发送报文，供车载设备BTM单元接收应答器信息。应答器信号处理模块通过串口方式将编码后的数据发送给专用应答器，应答器在有效时长内发送该应答器报文，BTM天线接收到该报文后通过专用线缆传输给ATP车载设备的BTM单元。

2.5 基于脚本驱动的测试技术

仿真测试平台提供了硬件和软件基础，而维持平台满足多种测试的主要输入来源是可模拟运营场景信号系统实际状态的仿真测试数据。在ATP车载设备系统测试过程中，考虑到需要遍历所有测试案例，因此固化描述测试案例的仿真测试数据是十分必要的。通常的仿真测试平台中地面仿真需要依托于工程实际线路进行配置，为满足列控系统实际开通运营线路实验室仿真测试的需求，需要经常切换测试数据，而针对车载设备测试无法实现仿真测试数据的固化存储和复用；另一方面，包含地面设备仿真的测试平台无法满足对车载设备特定运营场景的快速复现和故障插入测试。基于上述原因，本平台提出了基于脚本驱动的测试技术，设计数据驱动的测试引擎，将测试案例或测试序列以脚本命令方式驱动整个仿真测试环境执行测试［8］。

仿真测试平台将测试案例或测试序列形式化为包含专用指令集合的脚本，进而驱动仿真测试平台管理和控制整个测试执行过程［9］。根据指令集合中的指令类型、指令内容和触发条件等状态量的逻辑控制，仿真测试平台按照设置条件向ATP传输相关的控制信息和状态信息，管理和控制测试事件的执行，实现时间管理、事件触发、任务调度、流程管理、子系统间的数据交互和故障注入等功能，模拟正常、特殊工况下的运营场景。

基于测试驱动引擎技术，本平台将测试案例或测试序列形式化、标准化、规范化，易于关键测试数据的固化存储和复用，方便用户编辑和修改测试脚本。同时支持脚本指令扩展和多种故障注入测试，满足特定运营场景的快速复现、车载设备的重复性测试和再现性分析，为测试结果自动分析和判定奠定了基础［10］。

3 总结

面向ATP车载设备的通用仿真测试平台以通用性为主要设计原则，结合当前我国高速铁路列车运行控制系统仿真测试的应用需求，采用模块化设计方法和虚实融合的多元模拟技术构建测试平台，通过配置选项提供多种测试仿真环境，实现实物设备和仿真模型的虚实互换和虚实互控，实际应用过程中可适配现场运营的国产化300T、300S、300H、200C、200H等多种型号ATP车载设备，同时通过模块扩展也可满足高铁ATO车载设备和新型列控系统车载设备的测试，满足ATP车载设备功能验证、仿真模拟、演示培训和现场问题复现等多种功能，是列控系统工程化实施过程的重要组成部分，为ATP车载设备的安全性和可靠性提供了保障。