车载接口仿真系统实现

谢再盛

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

车载系统是列控系统的关键组成部分，不同车载系统可以实现列车状态监控、列车运行控制、车地实时通信等多种功能。车载系统以车载主机为核心，通过多种I/O、通信单元、人机界面和外围传感器共同构成车载系统的神经网络。

由于车载系统结构复杂，不同系统测试方法、硬件组成和接口定义也不尽相同，所以一般搭建测试环境都比较复杂。而且，由于测试环境属于针对车载系统的定制开发，环境通用性较差，无法同时支持多种系统的测试任务，无形中增加了搭建成本。

本文从车载测试环境搭建需求出发，针对地铁CBTC系统、国铁CTCS-2及CTCS-3系统、欧洲ETCS-2系统中车载运行控制子系统的测试及仿真运行需要，开发通用车载接口仿真系统。通过业务划分将车载接口仿真系统划分为信息管理、逻辑控制、接口硬件3部分。其中信息管理用于测试任务编辑、下达和执行管理；逻辑控制用于适配不同车载系统软硬件接口逻辑；接口硬件用于统一管理、调用测试资源。

车载接口仿真系统针对不同车载系统测试任务，实时提供车载系统所需的模拟I/O信号、速传脉冲信号、车辆传感器信号、CAN通信、MVB通信、应答器报文信号等，通过接收分析车载系统的状态和数据输出，完成车载系统动态运行指标测试，能够支持多种车载运行环境模拟。

1 系统概述

为了满足车载接口仿真系统的通用适配性和测试多样性，将车载接口仿真系统进行解耦设计，划分为信息管理层、运行逻辑层、接口执行层3个组成部分。

信息管理层用于下发测试脚本，收集测试数据和系统执行状态，实现系统运行管理和测试数据分析。

运行逻辑层用于仿真系统测试逻辑实现，内部基于不同列控系统的运行参数，构建运行模型，实现车载系统的运行场景匹配。

接口执行层由能够模拟车载系统外部接口对象的各类硬件组成，通过接收模型运行机下发的运行命令，控制各硬件资源提供车载系统运行接口条件，采集车载系统的输出状态。系统架构如图1所示。

图1 车载接口仿真系统架构Fig.1 Architecture of onboard interface simulation system

2 系统构成

根据系统架构划分，信息管理层和运行逻辑层分别由信息服务器和模型运行机组成，系统功能主要由软件功能实现。接口执行层由接口管理平台组成，因为直接和车载接口匹配，所以包含硬件测试资源和软件驱动接口。

信息服务器和模型运行机均由通用计算机实现，接口管理平台由一台基于通用总线的测试主机和其他外围设备构成。

信息服务器软件采用B/S服务器设计，包含前端交互部分、脚本数据库部分和数据分析部分。

模型运行机软件采用事件型多进程架构，包含列车运动模型、运行线路模型、车辆通信协议模型和车辆I/O接口模型。

接口管理平台采用模块化设计，硬件由主机单元、适配接口单元、可控应答器、波形发生器、GSM-R模拟机、司控交互显示屏和电源等7部分组成。其中主机单元采用通用总线工业主机，包含机箱、CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡。

机箱：安装CPU卡、DI卡、DO卡、Serial卡、AIO卡，MVB卡和CAN卡等功能板卡。

CPU卡：安装于机箱内，运行接口管理平台程序，接收模型运行机的命令，驱动机箱中各板卡输出和采集信号，并将车载设备关键数据反馈模型上位机。CPU卡包含USB、以太网、VGA等外部接口，通过外部接口与电源、可控应答器、波形发生器和GSM-R模拟机连接。

DI、DO卡：安装于机箱内，输出ATP采集条件，采集ATP输出状态。

AIO卡：安装于机箱内，AO部分用于输出电压、电流信号，模拟列车传感器信号提供给车载系统。AI部分采集电压、电流信号，监控列车模拟量输出状态。

MVB通信板卡：安装于机箱内，模拟车辆和车载系统之间MVB通信。

CAN通信板卡：安装于机箱内，模拟车辆和车载系统之间CAN通信。

Serial通信板卡：安装于机箱内，模拟车辆和车载设备之间RS-422/RS-485通信。

适配接口单元与车载系统的重载接口连接，将主机单元的数字I/O信号与车载接口的电平和逻辑关系进行隔离转换，针对不同车辆接口调整对应电平和连接关系。同时，适配接口单元内含速度转接板，用于发送PWM信号，提供车载系统速传脉冲信息。

（可控应答器：通过CPU板卡USB接口控制，发送报文信号，提供车载设备应答器报文信息。）

（波形发生器：通过CPU板卡USB接口控制，发送FSK信号，提供车载设备轨道电路信号。）

GSM-R模拟机：通过CPU板卡以太网接口控制，发送GSM-R无线信号，提供车载设备GSM-R无线数据。

司控交互显示屏通过主机单元控制，可针对不同车辆的司控要求，提供加减速和I/O的软件界面控制。

电源：通过CPU板卡USB接口控制，输出可控电压和电流，提供车载系统的运行供电和适配接口单元内的接口供电。系统结构如图2所示。

图2 车载接口仿真系统结构Fig.2 Structure of onboard interface simulation system

3 业务流程

3.1 信息管理层

测试人员根据车载测试对象，编制测试脚本，并将脚本储存在脚本数据库内。测试时，测试人员选取适宜的测试脚本，载入测试软件内。

测试软件按照以太网协议将脚本信息依次发送至模型运行机。测试软件实时记录并分析模型运行机和接口管理平台上传的测试执行状态和测试结果数据，通过数据比对进行结果评判。测试软件周期处理模型运行机和接口管理平台的运行状态和执行状态，监控系统健康状态。

3.2 运行逻辑层

模型运行机接收到信息管理层下发的脚本信息后，模型软件根据脚本内容调用车载接口模型、车辆运动模型和测试线路参数，并按照协议封装通信数据，将含有通信数据的脚本信息转化为命令序列，周期发送至接口管理平台。

模型运行机周期性接收接口管理平台反馈的执行状态和上行通信数据。模型运行机判断接口管理平台反馈的执行状态，确认其接收和执行完整性，并进行命令中断、命令等待、命令重发等决策处理。模型运行机将接口管理平台的上行数据，通过协议进行解构，将应答数据转化为命令序列返回接口管理平台，将结果特征值发送至信息管理层。

3.3 接口执行层

接口管理平台通过主机单元实时调用各硬件资源，按照队列的方式依次执行命令序列。

接口管理平台将车载系统返回的通信数据和接口状态实时上传至信息管理层和运行逻辑层。接口管理平台将命令执行状态和平台运行状态周期上传至信息管理层和运行逻辑层。

4 系统优势

1）车载接口仿真环境中测试脚本、运行逻辑、硬件接口3部分相互独立，修改任意部分不会造成其他部分的连带修改。

2）车载接口仿真环境中通过信息服务器将测试脚本分离出来，便于测试业务的搭建和修改。

3）车载接口仿真环境中通过模型运行机将测试逻辑和数据模型分离出来，便于测试逻辑的适配修改。

4）车载接口仿真环境中接口管理平台基于通用总线主机，方便各硬件资源扩展。

5 总结

车载接口仿真系统通过顶层设计，构建了一套用于实现车载运行测试的通用类真实仿真环境。该系统通过在信息管理层实现脚本管理技术，在运行逻辑层实现模型、协议和逻辑封装技术，在接口执行层实现硬件模块和接口匹配技术，理论上能够满足一套仿真系统支持多套车载系统，一套仿真系统满足各种测试任务的要求。该系统目前已应用于深度自主化实验室和工厂车载系统测试环境，为测试效率提升和测试成本控制提供有力的支撑。