适用于STP 仿真测试平台的LKJ 模拟系统研究

闫 石，唐汇东，栾德杰，杨华昌

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081)

无线调车机车信号和监控系统(STP)是保证站内调车作业安全的关键设备，当前已经在全路范围内推广使用。在STP 研制和推广过程中，为满足对STP 设备的调试、测试、认证，以及对用户的培训等需求，均需搭建STP 仿真测试平台[1]。而列车运行监控装置(LKJ)是STP 仿真测试平台中的重要组成部分，针对真实LKJ 设备无法支持STP 自动化测试、部分异常场景使用真实LKJ 设备不易模拟等问题，设计一种适用于STP 仿真测试平台的LKJ 模拟系统，可为STP 的开发调试、测试认证、培训演示等提供有力的技术支撑。

1 STP 仿真测试平台

STP 仿真测试平台用于铁路车站STP 系统的站场改造数据仿真测试、作业场景再现、调车作业人员仿真培训等。在站场改造后进行数据仿真测试，可提高站场设备改造后STP 系统开通运营的效率和数据成熟度，避免由于数据测试错漏而产生的调车作业安全防护风险；在发生调车作业事故后或用户需要时进行作业场景再现，可对特定调车作业场景进行模拟，还原现场情况并分析调车作业过程，有利于精准定位事故原因或查找潜在的作业安全隐患；对调车作业人员进行仿真培训，可提高调车作业操作及管理人员对STP 系统、调车过程的直观了解程度和操作熟练度，有利于更好发挥STP 在调车作业中的安全防护功能，并提高作业效率[2]。

1.1 STP仿真测试平台架构

在STP 研制和推广过程中，需对STP 设备执行严格的测试与验证，以确保STP 设备的安全性、可靠性和功能完整性[3]，而测试环境是执行测试的基础。当使用全实物设备搭建测试环境时，费时费力，而且难以实现自动化测试，另外由于在某些场合(如现场培训、功能演示等)受到资源条件的限制，搭建真实环境变得更加困难。为此，设计一种基于半实物的STP 仿真测试平台，以实现对LKJ、计算机联锁、无线通信、应答定位器、调车作业单等系统的仿真模拟。STP 仿真测试平台架构如图1 所示。STP 仿真测试平台用于支撑STP系统的单元测试、集成测试、接口测试、产品认证测试和培训演示等需求。

图1 STP 仿真测试平台架构Fig.1 Architecture of STP simulation test platform

1.2 STP仿真测试平台设备连接

在STP 仿真测试平台中，STP 仿真测试平台设备连接图如图2 所示，其中STP 地面控制主机、车载控制主机、电务终端、车务终端、作业单打印机为真实被测STP 设备，其他模拟单元可根据需要替换为真实设备，实现对测试环境的灵活配置。

在仿真测试平台中，LKJ 2000 监控装置若采用真实的LKJ 设备，在测试时，需测试人员手动操纵LKJ 模拟测试仪，给出机车速度、方向等机车工况，操作起来非常繁琐，且存在以下问题：①真实LKJ 设备接口复杂，且LKJ 基础数据制作技术壁垒高[4]，搭建基于真实LKJ 的STP 仿真测试环境费时且费力；②真实LKJ 设备无法支持自动化的STP 测试过程，如在STP 测试过程中机车速度调节、机车手柄方向控制等均需由测试人员手动操作，导致测试任务繁琐，严重影响对STP 设备的测试效率；③部分异常场景使用真实LKJ 设备不易模拟，导致难以对STP 设备执行全面的测试。为此，研究设计适用于STP 仿真测试平台的LKJ 模拟系统，以实现对STP 设备的自动化测试、故障分析等功能。

图2 STP 仿真测试平台设备连接图Fig.2 Equipment connection diagram of STP simulation test platform

2 LKJ 模拟系统设计

2.1 硬件设计

LKJ 模拟系统物理层采用加装CAN 卡的工控机实现。为方便现场培训演示等需要，系统支持在加装了USB 转CAN 卡的计算机上运行。当部署完成后，LKJ 模拟系统与STP 车载主机、模拟联锁系统等设备进行网络连接。LKJ 模拟系统网络连接图如图3 所示。

图3 LKJ 模拟系统网络连接图Fig.3 Network connection diagram of LKJ simulation system

2.2 软件设计

LKJ 模拟系统软件采用面向对象的设计方法，使用VC++开发，运行于Windows 环境下，具有安装方便、参数配置灵活、可快速部署等优点。

（1）软件层次划分。LKJ 模拟系统软件层次图如图4 所示，软件主要划分为3 个层次：数据通信层通过CAN 总线与STP 车载主机及车载显示器交互信息，通过以太网或串口通信方式与联锁模拟系统通信；逻辑运算层完成测试脚本解析、控制模式产生、限速曲线计算等功能；界面显示层展示通信内容，并模拟LKJ 显示器按键操作。

（2）界面设计。设计的LKJ 模拟系统软件界面如图5 所示，界面提供了LKJ 显示器的警惕、解锁、进入调车等按键功能；可设置手柄位置、设置平调发送命令；可显示当前速度、辆数及工况等信息；可显示接收来自STP 车载主机的信息包，并可查看对应的内容解析。

2.3 工作流程

LKJ 模拟系统在实现时采用多线程并发处理，从而提高系统响应的实时性。各个线程的功能划分如下。

（1）消息接收线程。消息接收线程主要用来监视通信接口，并接收从外界发送过来的数据。当接收到数据后，依据协议拆解包，而后把数据内容存入消息队列供应用服务线程读取。

（2）应用服务线程。该线程是软件的应用层工作者线程，该线程负责执行软件的主要业务逻辑，如机车控制模式与限速曲线计算、机车速度和位移模拟等。应用服务线程以周期的方式进行调度，响应周期为10 ms。

（3）UI 线程。UI 线程是软件的用户界面线程，负责用户界面显示和用户操作响应。

应用服务线程和UI 线程之间采用线程消息进行通讯；应用服务线程和消息接收线程之间采用消息队列机制，基于生产者消费者模型，由消息接收线程产生消息并存入消息队列，由应用服务线程从该消息队列中读取消息并执行响应。3 个线程的工作关系及流程如图6 所示。

图4 LKJ 模拟系统软件层次图Fig.4 Software hierarchy of LKJ simulation system

图5 LKJ 模拟系统软件界面Fig.5 Software interface of LKJ simulation system

图6 3 个线程的工作关系及流程Fig.6 Work flow and relation of the three threads

3 LKJ 模拟系统功能分析

LKJ 模拟系统作为STP 仿真测试平台的主要组成部分，其使用CAN 总线与被测STP 车载设备通信，可模拟真实LKJ 设备向STP 车载控制主机提供工况、限速、控制模式等信息，支持对STP 设备的自动化测试，并可提供故障注入功能。LKJ 模拟系统还通过串口或网络与联锁模拟系统相连，向联锁模拟系统发送或转发机车速度、工况、里程等信息，以便联锁模拟系统将仿真车列与LKJ 关联，从而根据LKJ 提供的速度、工况和里程信息控制仿真车列在虚拟的站场中自动走行，并自动占用、出清轨道电路，最终实现仿真测试平台的闭环模拟控制。LKJ 模拟系统功能架构如图7 所示。

图7 LKJ 模拟系统功能架构Fig.7 Functional architecture of LKJ simulation system

3.1 模拟仿真功能

LKJ 模拟系统的模拟仿真功能是对真实LKJ 设备及其机车接口的功能模拟，具体包括控制模式计算功能和机车工况模拟功能。

（1）控制模式计算。LKJ 模拟系统根据STP 车载控制主机提供的前方进路信息，计算当前所属的控制模式，并依据车列辆数、接风管条件、进路停车点等信息生成模式限速曲线，监控仿真车列运行。LKJ 模拟系统可实现的STP 系统控制模式分为限速控制模式和停车控制模式。STP控制模式如图8 所示，其中限速控制模式包括牵引控制模式、推进控制模式、限速道岔侧向过岔控制模式、存车线走行控制模式、限速区段控制模式，停车控制模式包括停车信号防护模式、尽头线走行模式、一度停车防护模式、出站调车控制模式等。

图8 STP 控制模式Fig.8 STP control mode

（2）机车工况模拟。LKJ 模拟系统可通过软件的方式模拟机车工况，而后按照车列加、减速运行模型计算出当前速度，将速度值沿时间积分得到车列走行位移值，走行全过程实时进行车列完整性检查，并实时计算车列前端至前方信号机之间的距离。而后将机车运行速度、累计走行位移、车列前端至前方信号机实时距离等信息通过CAN 总线发送给STP 车载控制主机，从而在STP 车载控制主机的LKJ 接口上模拟出测试所需的外部运行环境，用于STP 自身功能仿真和调试。

在对STP 设备执行自动化测试时，系统还可基于测试脚本，按照时间触发或事件触发的方式自动设置机车工况，并根据模式限速曲线自动调节机车速度，从而实现按限速曲线启动、加速、定速、减速运行，按停车曲线停车等功能。

3.2 故障注入功能

STP 系统的车载相关条件(速度、位移、工况等)均从LKJ 设备中获取，而这些车载相关条件是完成STP 安全防护功能的基础，因而有必要研究在LKJ 设备或其外界环境存在故障时STP 系统的控制行为，提升STP 系统在异常场景下的安全性，从而确保现场调车作业安全。

利用真实LKJ 设备进行故障注入具有很大的局限性。从现场运行反馈的数据来看，机车速度、位移、工况等相关故障的发生具有明显的随机性、偶然性和多样性，而且从实际运行中采集到的故障条件下的数据样本十分有限，导致故障样本具有稀缺性；真实的LKJ 设备是封装后的模块，尽管对真实LKJ 设备进行破坏性试验可以实现故障注入，但是不具备经济性，也不具备可重复性，难以形成足够多的测试样本；机车速度、位移、工况等变量彼此相互关联，导致故障产生的影响在空间上具有迁移特性，在时间上具有演变特性[5]，使得利用真实LKJ 设备进行故障注入难以实现对故障严重程度的精准模拟。

使用LKJ 模拟系统实现故障注入，通过控制发往STP 车载主机输入接口上的数据，模拟实际控车场景中与机车速度、位移、工况等相关的各种故障(如通信故障、车列走行时的轮滑、空转等)，为STP 车载设备测试创建异常场景，从而给STP 设备故障测试创造条件。通过将机车速度、位移、工况等作为随机变量，对现场反馈的故障样本进行随机抽样，而后由LKJ 模拟系统软件合成给STP 车载主机的输入数据，可生成大量、随机的故障测试场景，实现各种故障的组合，可解决故障样本不够的问题；无需对真实LKJ 设备进行破坏性试验，且具备可重复性，显著降低了故障注入的成本；通过软件逻辑充分利用测试数据与经验，以分层、分解和组合的方式进行故障注入[6]，可实现对故障严重程度的精准模拟。

3.3 数据交互功能

LKJ 模拟系统的数据交互功能包括与STP 车载控制主机之间的数据通信功能、与仿真平台联锁模拟系统之间的数据通信功能，以及与用户之间的数据交互功能。

（1）与STP 车载控制主机之间通信。物理层采用CAN 总线连接，协议层采用真实LKJ 设备与STP 车载主机之间的通信协议，信息交互采用周期的方式进行。信息传递方向为双向传递，LKJ 模拟系统向STP 系统车载主机传递机车速度、工况、里程值、限速、平调信号、制动及卸载等信息，STP 车载主机向LKJ 模拟系统传输前方信号机名称及显示状态、前方开放进路、停留车位置。

（2）与仿真平台模拟联锁系统通信。物理层采用串口或者TCP/IP 网络，协议层采用自定义的通信协议。由LKJ 模拟系统单方向给联锁模拟系统传递信息，传输内容包括机车速度、工况、LKJ 里程值。为方便测试环境搭建和故障诊断，LKJ 模拟系统在用户界面上设置有上述通信的对应指示灯，并提供通信数据的记录、下载和分析功能。

（3）与用户之间的数据交互。提供基于图形化的用户界面，为用户操作提供支持。在测试开始前，用户可以通过操作界面上的复选框、按钮等控件来配置系统的仿真参数，另外系统还提供测试脚本的导入接口，以便对STP 执行自动化测试时可加载测试脚本文件；在执行测试时，用户可通过软件界面来模拟LKJ 显示器上的操作，并实时查看测试进度；在测试完成后，系统支持报表格式选择、报表格式设定等，并提供测试日志的下载接口和用户设定格式的测试结果报表输出、打印等。

3.4 测试辅助功能

LKJ 模拟系统的测试辅助功能是对真实LKJ设备的功能扩展，用于在STP 仿真测试平台中向用户提供更加方便的测试手段，主要包括数据转发功能和数据自动测试功能。

（1）数据转发。在部分场景下(如对STP 产品的认证环节)，STP 仿真测试平台需要接入真实LKJ 设备，此时需要将真实LKJ 设备与仿真机车实现联动，为此给LKJ 模拟系统定义了“转发模式”，让其作为连接真实LKJ 设备与仿真机车的纽带。在“转发模式”下，LKJ 模拟系统配合真实LKJ 设备一起使用，其通过CAN 总线接收真实LKJ 设备的数据，并将其中的速度、工况和里程信息转发给联锁模拟系统，以便联锁模拟系统能够基于真实LKJ 设备提供的机车速度、方向等信息并结合站场工程数据实现轨道电路自动占用、出清，从而实现仿真车列在虚拟的站场中自动走行。当LKJ 模拟系统工作于“转发模式”时，STP 仿真测试平台转发模式信息流向图如图9 所示。

图9 转发模式信息流向图Fig.9 Information flow chart of forwarding mode

（2）数据自动测试。在STP 设备投入运营前会对其进行功能验证，但受到运营现场人力、物力和时间上的限制，往往只能对几种典型作业场景进行验证。现场运营场景具有多样性，功能测试难以覆盖所有的运营场景，也无法对站场所有区段和信号机均进行测试，亟需引入经济、全面、自动化的测试和验证手段。

基于LKJ 模拟系统结合联锁模拟系统，可实现对STP 站场数据的自动化测试。LKJ 模拟系统首先对整个站场进行树形建模，将车站抽象为若干棵以边缘区段为树根、以道岔为树叉的二叉树，针对每棵二叉树进行深度优先搜索[7]，控制仿真机车从树根向叶子节点走行。在走行的过程中，对途径的每个调车信号执行蓝灯防护功能测试，对每个限速道岔验证超速防护功能，对每条存车线验证停留车防护功能。在仿真机车到达叶子节点后，LKJ模拟系统控制仿真机车停车换向，并向联锁模拟系统申请换向后的走行进路，如此反复搜索，最终将整个站场区段全部遍历，整个站场信号机全部执行测试。LKJ模拟系统控制整个数据自动测试流程，并记录自动测试的全过程，且可根据用户设定按需进行报表输出，如此可以充分利用无人值守时间进行测试，从而大大提高数据仿真和自动测试效率。数据自动测试流程如图10 所示。

图10 数据自动测试流程Fig.10 Data automatic test process

4 结束语

STP 在全路范围内的推广应用为保证车站调车作业安全发挥了重要作用[8]，设计STP 仿真测试平台，对于提升STP 测试及应用效率具有重要意义。针对当前真实LKJ 设备无法支持STP 自动化测试，部分异常场景使用真实LKJ 设备不易模拟等问题，设计并实现一种可适用于STP 仿真测试平台的LKJ模拟系统，该系统具有搭建成本低、部署方便、可支持STP 自动化测试等优点。LKJ 模拟系统和其它仿真模块共同构成STP 仿真测试平台，为STP 系统工程数据测试、系统功能调试、功能展示、工程化推广及系统认证提供了方便的技术手段。