張 凱 馮 虎 廖湘華

（1.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上海；2.卡斯柯信號有限公司，200071，上?！蔚谝蛔髡?，助理工程師）

城市軌道交通信號系統(tǒng)是保證列車運行安全、提高運輸效率的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備，其技術(shù)含量高、研制難度大，是實現(xiàn)裝備制造國產(chǎn)化的關(guān)鍵。信號系統(tǒng)一般包括列車自動防護（ATP）、列車自動駕駛（ATO）、列車自動監(jiān)控（ATS）等子系統(tǒng)。其中ATS技術(shù)較早為國內(nèi)所掌握，當前眾多國內(nèi)企業(yè)和科研機構(gòu)正開展ATP、ATO技術(shù)的研究。仿真是一種對新設(shè)備測試檢驗的有效手段。通過對要測試設(shè)備的外圍環(huán)境進行模擬和控制，可以進行多方面的性能測試和調(diào)試。本文研究利用LabVIEW平臺開發(fā)車載ATP設(shè)備檢測平臺的技術(shù)和方法。實踐證明其具有高效、靈活、低成本的特點［1］。

1 車載ATP設(shè)備仿真測試需求

ATP子系統(tǒng)具有檢測列車位置，實現(xiàn)列車運行安全間隔控制，監(jiān)督列車運行速度，實現(xiàn)列車超速防護控制，防止列車誤退行等非預期移動，為列車車門、站臺屏蔽門等的開閉提供安全監(jiān)控信息等功能。不同制式的信號系統(tǒng)，其車地之間的通信方式、通信內(nèi)容有很大不同。本仿真檢測平臺是針對采用歐式信標和里程計、用數(shù)字軌道電路傳遞機車信號的準移動閉塞信號系統(tǒng)制式。車載ATP設(shè)備接口示意如圖1所示。

圖1 車載ATP設(shè)備接口示意圖

仿真測試平臺是對車載ATP設(shè)備外部的對接設(shè)備及其關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)進行仿真，為車載ATP設(shè)備的開發(fā)提供室內(nèi)運行調(diào)試環(huán)境，對其室內(nèi)系統(tǒng)驗證過程提供計算機輔助測試工具。由圖1可見，仿真測試平臺需要仿真的有里程計、列車信號、信標、列車信息管理系統(tǒng)（TIMS）和驅(qū)動繼電器的信號。其中里程計和信標共同實現(xiàn)列車的測速和定位功能。仿真檢測平臺所仿真的編碼里程計根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生4路有不同相位的脈沖信號，車載ATP可據(jù)此計算出列車的位移和方向。歐式信標則在列車的信標天線接近時產(chǎn)生一定長度的FSK（頻移鍵控）調(diào)制信號，并在信標天線通過其正上方時產(chǎn)生電平突變的脈沖信號TopLoc；車載ATP可根據(jù)調(diào)解出的信號ID（標識號）和信標的中心位置，實現(xiàn)列車在線路地圖中的精確定位。數(shù)字軌道和傳輸環(huán)線所傳輸?shù)牧熊囆盘杽t包括了所在區(qū)段的線路地圖和區(qū)域控制器所產(chǎn)生的速度限制，采用了CPFSK（連續(xù)相位頻移鍵控）調(diào)制信號。繼電器信號本身是高低電平信號，可以歸類為脈沖信號。TIMS則采用了串行接口和車載ATP設(shè)備進行通信。

2 仿真檢測平臺的實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計

室內(nèi)仿真測試平臺由仿真機和終端機兩部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真機主要負責場景仿真、信號I／O（輸入／輸出）及數(shù)據(jù)存儲，采用美國國家儀器公司的PXI系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。終端主要負責用戶操作、信息呈現(xiàn)及數(shù)據(jù)存儲，可以部署在普通個人電腦或工控機上。終端機和仿真機之間的通信通過局域網(wǎng)進行。

本仿真檢測平臺的軟件可以劃分為數(shù)據(jù)層、仿真層和用戶界面（UI）層。數(shù)據(jù)層（存在于仿真機上和終端機上）負責數(shù)據(jù)的存儲、訪問、同步、通信功能。仿真層負責嚴格定時、同步、實時處理和車載ATP接口仿真功能。UI層負責非實時的用戶控制（即人工界面操作）和界面顯示功能。

原則上仿真層與被測設(shè)備通過二者之間的仿真接口就構(gòu)成了完整的閉環(huán)系統(tǒng)。但是，為了測試平臺能透視和（或）截獲被測設(shè)備內(nèi)部及（或）中間環(huán)節(jié)的信息，以供人工分析和判別，數(shù)據(jù)層還接收被測車載ATP設(shè)備單向反饋的信息。這里“單向”是指車載ATP設(shè)備可以向測試平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，但反向不可。

數(shù)據(jù)層還使得各功能模塊的動態(tài)加載成為可能。例如，無論UI層運行與否，只要仿真層賴以運行的數(shù)據(jù)存在，則仿真機就可與被測車載ATP設(shè)備構(gòu)成一個封閉的運行系統(tǒng)，即車載ATP設(shè)備具備了室內(nèi)運行條件。在仿真層運行過程中，隨時可加載UI層的功能模塊、流程控制腳本程序，不需中斷仿真層的運行。

圖2 仿真測試平臺邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件設(shè)計和實現(xiàn)

長期以來，自動測試系統(tǒng)都是為特定的應用采用專門的硬件和軟件。盡管這種做法存在成本高、擴展性差和特定應用限制等缺點，但仍然被選用。然而，隨著科技的不斷進步，商業(yè)化的測試技術(shù)性能已經(jīng)趕上甚至超過了專用自動測試系統(tǒng)的性能。功能齊全的硬件和軟件架構(gòu)可以實現(xiàn)從設(shè)計驗證試驗到高度自動化生產(chǎn)的應用，而且具有更快的開發(fā)速度、更低的成本。

PXI規(guī)格于1998年正式制定。它具有完整的硬件和軟件相容規(guī)范，可以滿足絕大多數(shù)測試系統(tǒng)的要求，并充分利用了計算機PCI總線架構(gòu)。PXI規(guī)格在硬件模塊易于裝卸的前提下提供了優(yōu)良的機械整合性。其規(guī)范的開放性可以組成模塊化的測試系統(tǒng)，不同平臺的儀器也能容易地集成到PXI的測試系統(tǒng)。鑒于此，仿真機選用NI公司生產(chǎn)的PXI系列設(shè)備，包括控制器和若干塊（種）模塊化儀器，使用 LabVIEW 軟件開發(fā)環(huán)境［2］進行開發(fā)。LabVIEW軟件使用圖形化編輯語言設(shè)計實時數(shù)據(jù)采集和控制程序，可以方便地建立各種虛擬儀器，模擬出被測設(shè)備所需要的各種信號。仿真機的控制器上運行實時操作系統(tǒng)LabVIEW RT，數(shù)據(jù)采用文件方式存儲。LabVIEW、LabVIEW Real－Time模塊以及RT系列硬件，為數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)帶來可靠確定的實時性能。本仿真檢測平臺所采用硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于PXI設(shè)備輸入、輸出脈沖信號的電平為5 V，車載ATP設(shè)備輸入信號電壓一般高于此值（典型系統(tǒng)為24V），因此信號交互之前需要經(jīng)過低、高電平轉(zhuǎn)換；同時PXI設(shè)備所輸出的FSK等調(diào)制信號為單端信號，需要進行差分轉(zhuǎn)換。為此，自制信號調(diào)理模塊，包括差分轉(zhuǎn)換器和高低電平轉(zhuǎn)換器。

圖3 仿真檢測平臺硬件結(jié)構(gòu)

2.3 軟件設(shè)計和實現(xiàn)

本仿真檢測平臺采用以數(shù)據(jù)交換而不是以邏輯控制為中心的設(shè)計思路，來劃分子系統(tǒng)和子系統(tǒng)內(nèi)部的模塊。各功能模塊通過共享數(shù)據(jù)來互相耦合，從而實現(xiàn)測試系統(tǒng)在靈活性上的要求。以下分為數(shù)據(jù)層、UI層、仿真層三個方面來描述軟件系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。

2.3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)裝載一般發(fā)生在仿真檢測平臺系統(tǒng)運行的初始化階段，從離線配置文件中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存（即數(shù)據(jù)池中的靜態(tài)數(shù)據(jù)）中。

數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)分布在終端機和仿真機上。數(shù)據(jù)池中的存儲數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和功能性全局變量。功能性全局變量也是動態(tài)數(shù)據(jù)，主要用于同一機器上功能模塊之間的共享數(shù)據(jù)，故單獨列出。從線路地圖研究中可知，動態(tài)數(shù)據(jù)往往與靜態(tài)數(shù)據(jù)一一對應。把同一對象的各屬性按分類分別存儲，以改善訪問性能。

仿真機或終端機上的各功能模塊大多并行運行，因此通過數(shù)據(jù)而不是控制傳遞來互相藕合協(xié)調(diào)。主要采用以下形式：

1）直接訪問數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)——對于較復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（例如數(shù)組、結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)池提供對單個元素進行訪問的方法。

2）事件——這主要用于UI中對控件操作的響應處理。

3）隊列——這主要用于終端機上兩模塊間需要傳遞不可丟失的數(shù)據(jù)。

4）FIFO（先入先出緩沖區(qū)）——這主要用于仿真機上兩模塊間需要傳遞不可丟失的數(shù)據(jù)。

5）通知——這主要用于仿真機上相關(guān)模塊間的互相同步。

終端機與仿真機之間的信息交換，即終端機數(shù)據(jù)池與仿真機數(shù)據(jù)池之間的信息交換，采用網(wǎng)絡(luò)共享變量，或網(wǎng)絡(luò)FIFO的形式。仿真機、終端機的網(wǎng)絡(luò)同步模塊把自身數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)周期性地復制到網(wǎng)絡(luò)共享變量或網(wǎng)絡(luò)FIFO中，LabVIEW RT引擎將自動把網(wǎng)絡(luò)共享變量或網(wǎng)絡(luò)FIFO傳遞到終端機、仿真機上。

各功能模塊不得直接訪問網(wǎng)絡(luò)共享變量和網(wǎng)絡(luò)FIFO，而是通過網(wǎng)絡(luò)同步模塊來有效地隔離網(wǎng)絡(luò)傳遞的抖動性，并避免終端機干擾仿真機的可能性。網(wǎng)絡(luò)同步模塊的周期性還確保了數(shù)據(jù)傳遞在終端機數(shù)據(jù)池與仿真機數(shù)據(jù)池之間的這一段時間延遲的固定性。由于各功能模塊訪問數(shù)據(jù)池也具有周期性，確保了從數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)池、從數(shù)據(jù)池到數(shù)據(jù)目的地的時間延遲也是固定的，因此，從數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目的地的時間延遲是固定的。

2.3.2 UI層

UI層運行在終端機上，主要分為仿真機中各功能模塊的UI、駕駛臺、線路地圖三大塊。

為了確保仿真機的實時性，把各仿真功能模塊都切割成兩部分：窗口界面和邏輯處理。窗口界面運行在終端機上，邏輯處理運行在仿真機上。窗口界面與邏輯處理之間的通信鏈為“數(shù)據(jù)池－網(wǎng)絡(luò)同步模塊－網(wǎng)絡(luò)共享變量或網(wǎng)絡(luò)FIFO、網(wǎng)絡(luò)同步模塊－數(shù)據(jù)池”，為避免窗口界面影響邏輯處理的性能，沒有使用LabVIEW RT所支持的“前面板通信”方式。

駕駛臺匯集了仿真功能模塊UI中比較常用的控件，顯示線路地圖，實時繪制出實際速度線、輸出速度線及反饋速度線，捕獲線路設(shè)備的操作，并刷新設(shè)備狀態(tài)顯示。

2.3.3 仿真層

仿真層主要有牽引與制動、列車定位、信標天線、脈沖輸出、列車信號接收線圈、數(shù)字I／O、TIMS等模塊。其中里程計、信標天線模塊的外部輸出是匯聚到“脈沖輸出”這個模塊后一起同步輸出的。牽引控制模塊計算列車的運行和所處位置，向其它各個軌旁設(shè)備模塊發(fā)出同步通知。在此對部分模塊的工作機制進行介紹（其中，機車信號接受線圈模塊工作機制與信標天線模塊類似）。

1）牽引控制模塊：牽引與制動模塊周期性地讀取仿真機數(shù)據(jù)池中的牽引與制動加速率、坡度、是否緊急制動等信息，來計算實際脈沖數(shù)、齒號、方向、加速率、速率、列車橫坐標等，并存到數(shù)據(jù)池中。系統(tǒng)仿真了影響列車行駛的各種力量，包括牽引力、重力軌道分量、制動力、軌道磨擦力和空氣阻力，以便仿真列車后退以及測試車載設(shè)備對坡度的處理。

牽引與制動模塊將根據(jù)列車虛擬運行的精確位置，直接計算編碼里程計的各路脈沖值，并決定是否向信標天線模塊、列車信號接收線圈（包括線圈數(shù)據(jù)預備、CPFSK調(diào)制、CPFSK輸出子模塊等）發(fā)送同步指令及指令內(nèi)容。牽引控制模塊算法流程見圖4所示。為了仿真打滑、空轉(zhuǎn)、鎖軸等車輪轉(zhuǎn)動與列車實際位移不一致的情況，還設(shè)置了里程計脈沖值調(diào)整子模塊。當此模塊激活時，對計算脈沖進行相應的延遲或其它處理。

2）列車定位模塊：列車定位模塊周期性地從仿真機數(shù)據(jù)池中讀取實際橫坐標及線路圖中的上下文信息，計算列車的實際位置、坡度，以及當前和前方的信標、當前和前方的軌道電路載頻。

3）脈沖輸出模塊：該模塊包括高速數(shù)字合成模塊和高速數(shù)字輸出模塊。仿真機所產(chǎn)生的各種脈沖值并不單獨立即輸出，而是以功能性全局變量的形式存儲在仿真機數(shù)據(jù)池中；由高速數(shù)字合成子模塊周期性地將各個脈沖值合成為一個32位的數(shù)字，每隔一預定時間段后，將該數(shù)字插入到FIFO存儲器中。高速數(shù)字I／O子模塊則負責將其中的數(shù)字提交給高速數(shù)字I／O板卡發(fā)送給車載設(shè)備。高速數(shù)字合成子模塊與高速數(shù)字I／O子模塊將形成一個閉環(huán)控制，使得這個FIFO中元素進出保持平衡。

圖4 牽引控制模塊算法流程圖

4）信標天線模塊：信標天線模塊由天線數(shù)據(jù)預備、中心脈沖計算子模塊、FSK、FSK輸出子模塊等構(gòu)成。當天線數(shù)據(jù)預備子模塊監(jiān)視到當前信標和（或）前方信標發(fā)生變化時，則從仿真機數(shù)據(jù)池中提取新信標的數(shù)據(jù)，組裝為相應的信標數(shù)據(jù)幀。中心脈沖計算子模塊根據(jù)牽引與制動模塊的同步指令啟動、終止計算天線數(shù)據(jù)預備子模塊預備的某一數(shù)據(jù)幀的脈沖值。FSK調(diào)制子模塊根據(jù)牽引與制動模塊的同步指令啟動、終止對天線數(shù)據(jù)預備模塊預備的“某一”信標數(shù)據(jù)幀的調(diào)制過程。其調(diào)制出的FSK調(diào)制信號將通過相應的FIFO存儲器傳到FSK輸出子模塊，從而發(fā)給被測車載ATP設(shè)備。FSK調(diào)制子模塊與FSK輸出子模塊不需要閉換控制，因為當列車距離信標較遠時，F(xiàn)SK輸出模塊不需輸出信號。

3 結(jié)語

本仿真檢測平臺采用虛擬儀器開發(fā)平臺，根據(jù)準移動制式信號系統(tǒng)實際情況，開發(fā)了車載ATP設(shè)備的仿真檢測平臺。仿真檢測平臺模擬了車載設(shè)備在實際運行時的環(huán)境，實現(xiàn)了室內(nèi)試運行和檢測；開發(fā)采用了商業(yè)PXI硬件平臺和圖形化開發(fā)語言，有效地降低了開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率。仿真檢測平臺各模塊之間并行運行，其應用具有可選性，且易于擴展和改造。仿真檢測平臺已應用于相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)和測試中，有效地促進了車載ATP設(shè)備的開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本［1］。

［1］上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備和ATS技術(shù)研究報告［R］.上海：上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，2010.

［2］Johnson G W.LabVIEW graphical programming：practical applications in instrumentation and control［M］.Texas.USA：McGraw－Hill School Education Group，2006.