陳增熙，徐中偉，梅 萌，

（1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.上海軌道交通技術(shù)研究中心，上海 201103）

列車控制系統(tǒng)以其高性能、高安全性的特點(diǎn)逐漸成為我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的首選解決方案，是確保行車安全的重要裝備。列車控制系統(tǒng)主要包括地面設(shè)備和車載設(shè)備，地面設(shè)備提供線路信息、目標(biāo)距離和進(jìn)路狀態(tài)，車載設(shè)備生成目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式曲線。列控中心（TCC）作為列車控制系統(tǒng)地面設(shè)備的核心，其安全性攸關(guān)整個(gè)鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行，應(yīng)具備高安全、高可靠、高性能的特點(diǎn)，在投入運(yùn)行之前必須經(jīng)過嚴(yán)格的基于標(biāo)準(zhǔn)站的制式檢測(cè)[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外TCC信號(hào)工程設(shè)計(jì)安全性主要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，耗費(fèi)了大量的人力、物力，還難以對(duì)鐵路規(guī)范要求的測(cè)試案例進(jìn)行完整測(cè)試[4-5]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為這一問題提供了實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試解決方案，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種仿真測(cè)試解決方案，節(jié)省了工程周期與測(cè)試成本，但是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試過程問題一直都困擾著工程人員[6]。

本文根據(jù)CTCS-3級(jí)TCC制式檢測(cè)平臺(tái)中驅(qū)動(dòng)采集接口可視化與站場(chǎng)圖可視化的功能需求，提出了一種基于西門子S7-300PLC與WinCC平臺(tái)的可視化解決方案，解決了TCC安全測(cè)試中設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化的問題，保證了測(cè)試人員在測(cè)試過程中能夠?qū)CC運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)[7-8]。

1 TCC制式檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

通過研究真實(shí)列車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與外部接口，提出一種TCC制式檢測(cè)平臺(tái)，利用軟硬件結(jié)合方式仿真模擬TCC的各個(gè)外接設(shè)備，搭建一個(gè)與實(shí)際車站功能一致的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境。

1.1 TCC外接設(shè)備構(gòu)成

根據(jù)中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)鐵集團(tuán)）印發(fā)的《高鐵列控中心接口暫行技術(shù)規(guī)范》，按功能可將TCC外接設(shè)備劃分為7個(gè)部分： ZPW-2000系列軌道電路、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）、地面電子單元（LEU/BDU）、調(diào)度集中（CTC）、臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）、相鄰TCC以及信號(hào)集中監(jiān)測(cè)（CSM），各個(gè)子系統(tǒng)功能如下。

（1） ZPW-2000系列軌道電路：對(duì)于站內(nèi)軌道電路，TCC根據(jù)本進(jìn)路及前方進(jìn)路狀態(tài)，按照軌道電路信息編碼規(guī)則，生成對(duì)應(yīng)各個(gè)軌道區(qū)段的信息碼，區(qū)段恢復(fù)后發(fā)送檢測(cè)碼。對(duì)于無岔站根據(jù)進(jìn)路狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的信息碼。對(duì)于區(qū)間軌道電路，列控中心根據(jù)前方閉塞分區(qū)占用狀態(tài)及前方車站接車進(jìn)路開通情況，按照軌道電路信息編碼邏輯，生成信息碼控制條件。

（2） 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）：負(fù)責(zé)向TCC發(fā)送接發(fā)車進(jìn)路、通過進(jìn)路及信號(hào)機(jī)開放等信息；接收TCC發(fā)送的輸出進(jìn)站信號(hào)機(jī)點(diǎn)黃燈、接近區(qū)段軌道電路發(fā)黃碼控制條件。

（3） 地面電子單元（LEU/BDU）：負(fù)責(zé)接收TCC發(fā)送的報(bào)文，根據(jù)接收的報(bào)文信息來判斷被測(cè)車站TCC是否進(jìn)行正確處理。

（4） 調(diào)度集中（CTC）：負(fù)責(zé)對(duì)某一區(qū)段內(nèi)的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行集中控制，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行直接指揮、管理。

（5） 臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）：負(fù)責(zé)向TCC下達(dá)臨時(shí)限速調(diào)度命令，將不同限速起點(diǎn)里程、速度、長(zhǎng)度、執(zhí)行時(shí)間等相關(guān)信息向TCC發(fā)送，接收TCC的執(zhí)行處理回執(zhí)，并將臨時(shí)限速設(shè)置情況在站場(chǎng)顯示終端上明確顯示。

（6） 相鄰TCC：負(fù)責(zé)與本站TCC交互數(shù)據(jù)，以獲取分界處相鄰軌道電路的編碼信息和進(jìn)出站信號(hào)機(jī)的狀態(tài)信息，控制本轄區(qū)區(qū)間信號(hào)機(jī)的點(diǎn)燈控制邏輯。

（7） 信號(hào)集中監(jiān)測(cè)（CSM）：負(fù)責(zé)接收TCC發(fā)送給實(shí)際車站微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各類監(jiān)測(cè)信息，與各模擬系統(tǒng)和TCC的交互信息比較，判定其發(fā)送信息是否正確。

1.2 TCC制式檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

客運(yùn)專線CTCS-3級(jí)TCC制式檢測(cè)平臺(tái)是一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)站的TCC測(cè)試系統(tǒng)，主要由可編程邏輯控制器（PLC）服務(wù)器、測(cè)試平臺(tái)輔引擎以及測(cè)試平臺(tái)主引擎組成。其中，ZPW-2000系列軌道電路的通信盤通過CAN總線與被測(cè)TCC成對(duì)冗余連接。CBI、鄰站TCC、TSRS與被測(cè)TCC之間采用RJ45以太網(wǎng)接口按冗余配置連接。LEU/BDU、CTC通過RS422串口與被測(cè)TCC雙系交叉連接。驅(qū)動(dòng)采集接口通過數(shù)字線纜與TCC驅(qū)采板直接相連。

TCC制式檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，每種設(shè)備均同時(shí)接入A網(wǎng)與B網(wǎng)，形成安全冗余結(jié)構(gòu)。平臺(tái)由4個(gè)車站共同組成了一條包含規(guī)范要求元素的鐵路測(cè)試線，其中，同濟(jì)站為真實(shí)的被測(cè)TCC，學(xué)院站、中繼站、滬西站由平臺(tái)進(jìn)行仿真。

圖1 TCC制式檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口仿真

2.1 驅(qū)動(dòng)采集繼電器要求與硬件選型

TCC制式檢測(cè)平臺(tái)數(shù)字采集模塊的采集繼電器對(duì)TCC驅(qū)動(dòng)繼電器電平狀態(tài)進(jìn)行采集，采集到的繼電器信息會(huì)傳遞給梯形圖程序，進(jìn)行具體邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果將通過TCC制式檢測(cè)平臺(tái)數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)繼電器輸出。TCC制式檢測(cè)平臺(tái)采集繼電器主要包括區(qū)間改方繼電器、區(qū)間通過信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈繼電器、站內(nèi)發(fā)碼方向繼電器、列控代驅(qū)繼電器。TCC制式檢測(cè)平臺(tái)通過邏輯運(yùn)算后輸出的驅(qū)動(dòng)繼電器主要包括區(qū)間方向繼電器、區(qū)間通過信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈繼電器、區(qū)間方向切換繼電器、站內(nèi)發(fā)碼方向繼電器、列控代采繼電器。除此之外，區(qū)間軌道繼電器與站內(nèi)軌道繼電器無需采集與邏輯運(yùn)算，直接由TCC制式檢測(cè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)繼電器輸出。由于TCC安全測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)量大，繼電器跳變頻繁，要求測(cè)試平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采集繼電器能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，要選用高可靠的繼電器作為驅(qū)動(dòng)采集接口，仿真實(shí)際設(shè)備。TCC制式檢測(cè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)采集關(guān)系表如表1所示。

S7-300PLC是專為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算電子設(shè)備，其設(shè)計(jì)目的是取代傳統(tǒng)的繼電器。通過其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的核心部分。WinCC視窗控制中心是過程監(jiān)視系統(tǒng)，集生產(chǎn)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)相互之間的整合，其能夠控制PLC實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，優(yōu)異的圖形化界面可顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

表1 TCC制式檢測(cè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)采集關(guān)系表

2.2 接口仿真設(shè)計(jì)方案

TCC制式檢測(cè)平臺(tái)采用S7-300PLC仿真數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口，采用WinCC實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)采集接口狀態(tài)可視化功能，被測(cè)TCC與S7-300PLC之間使用鐵路信號(hào)專用線纜相連接，所有的通信連接遵循雙網(wǎng)雙系原則。TCC制式檢測(cè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)繼電器和采集繼電器之間的邏輯關(guān)系代碼使用LAD編程。WinCC與PLC間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，通過內(nèi)部變量實(shí)現(xiàn)WinCC界面基本圖形元素與PLC硬件地址一一映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)TCC制式檢測(cè)平臺(tái)數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與可視化。TCC制式檢測(cè)平臺(tái)與被測(cè)TCC連接示意圖如圖2所示。

圖2 TCC制式檢測(cè)平臺(tái)與被測(cè)TCC連接示意圖

2.3 驅(qū)動(dòng)采集邏輯處理

TCC制式檢測(cè)平臺(tái)的采集繼電器先采集被測(cè)TCC的驅(qū)動(dòng)繼電器狀態(tài)，然后進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果通過驅(qū)動(dòng)繼電器輸出。運(yùn)算邏輯使用LAD編程實(shí)現(xiàn)，梯形圖程序通過以太網(wǎng)通信方式燒錄到PLC的SD卡中。以區(qū)間方向繼電器為例，運(yùn)算邏輯梯形圖代碼具體實(shí)現(xiàn)如圖3、圖4所示。

區(qū)間方向繼電器前節(jié)點(diǎn)中I1與I2為TCC制式檢測(cè)平臺(tái)采集繼電器，M1、M2、M3、M4為TCC制式檢測(cè)平臺(tái)內(nèi)部設(shè)置的中間變量，可以在WinCC里面配合事件觸發(fā)與c腳本進(jìn)行故障注入，仿真出測(cè)試案例要求的故障場(chǎng)景。Q1與Q2為TCC制式檢測(cè)平臺(tái)區(qū)間方向驅(qū)動(dòng)繼電器。區(qū)間方向繼電器前后節(jié)點(diǎn)的真值表如表2和表3所示。

圖3 區(qū)間方向繼電器前節(jié)點(diǎn)

圖4 區(qū)間方向繼電器后節(jié)點(diǎn)

表2 區(qū)間方向繼電器前節(jié)點(diǎn)真值表

表3 區(qū)間方向繼電器后節(jié)點(diǎn)真值表

3 數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口可視化設(shè)計(jì)

3.1 端口配置模型

TCC制式檢測(cè)平臺(tái)是能夠接入不同廠家不同型號(hào)TCC的通用仿真測(cè)試平臺(tái)，要求能夠根據(jù)測(cè)試車站數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集端口進(jìn)行任意配置，端口配置模型的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。配制方法如下：（1）配置TCC制式檢測(cè)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采集端口數(shù)量，要能夠滿足測(cè)試車站數(shù)據(jù)的要求；（2）根據(jù)具體車站數(shù)據(jù)提供的繼電器類型與該類型繼電器數(shù)量進(jìn)行配置，確定每一個(gè)數(shù)字端口具體的邏輯功能，并留有預(yù)留端口方便進(jìn)行擴(kuò)展。在未配置數(shù)據(jù)之前，TCC制式檢測(cè)平臺(tái)的所有數(shù)字端口只根據(jù)硬件模塊分為驅(qū)動(dòng)模塊與采集模塊，具體配置后才會(huì)確定其類型；（3）確定每一個(gè)端口對(duì)應(yīng)的接插件標(biāo)號(hào)與PLC硬件地址。接插件的設(shè)計(jì)是為了保證平臺(tái)接口通用性以及測(cè)試廠家通信線纜制作。TCC制式檢測(cè)平臺(tái)以接插件為基本單位，每個(gè)接插件配置32個(gè)數(shù)字端口點(diǎn)位，驅(qū)動(dòng)采集模塊各配置12個(gè)接插件，接插件對(duì)于任意廠家的TCC都是通用的。以同濟(jì)站為例，同濟(jì)站的數(shù)字端口配置數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 同濟(jì)站數(shù)字端口配置數(shù)據(jù)

其中，繼電器類型與端口數(shù)量為同濟(jì)站所要求配置的設(shè)備類型及占用的數(shù)字端口數(shù)量，繼電器類型有驅(qū)動(dòng)與采集之分。對(duì)應(yīng)的接插件標(biāo)號(hào)與PLC硬件地址是指PLC尋址映射信息，對(duì)應(yīng)PLC驅(qū)采模塊的具體點(diǎn)位。由表可知，在滿足車站數(shù)據(jù)配置要求的同時(shí)，TCC制式檢測(cè)平臺(tái)還留有一定數(shù)量的預(yù)留端口作為擴(kuò)展口，端口配置模型實(shí)現(xiàn)了PLC硬件地址與定義的內(nèi)部變量一一映射功能，即PLC硬件地址對(duì)應(yīng)唯一的內(nèi)部變量，滿足任意車站數(shù)據(jù)配置要求。

3.2 基本圖形元素模型

可視化界面主要分為兩類，數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口點(diǎn)位狀態(tài)界面與站場(chǎng)圖界面?？梢暬缑嬗苫緢D形元素組成：（1）針對(duì)不同設(shè)備類型繪制基本圖形元素，組成圖形庫，要能夠表示車站數(shù)據(jù)要求的所有設(shè)備；（2）根據(jù)車站數(shù)據(jù)對(duì)基本圖形元素進(jìn)行排列組合，繪制出數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口點(diǎn)位圖與站場(chǎng)圖。TCC線路設(shè)備主要有信號(hào)機(jī)、發(fā)碼方向、軌道區(qū)段、接發(fā)車方向等。數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口點(diǎn)位圖與站場(chǎng)圖里面的每一個(gè)基本圖形元素都有自身唯一的ID，c腳本里面可以進(jìn)行識(shí)別。基本圖形元素模型實(shí)現(xiàn)了基本圖形元素ID與定義的內(nèi)部變量一一映射功能，即每一個(gè)基本圖形元素ID都對(duì)應(yīng)唯一的內(nèi)部變量。圖形元素基本圖例如圖5所示。

圖5 圖形元素基本圖例

3.3 信息映射模型

可視化工作最核心的部分就是實(shí)現(xiàn)PLC硬件地址、內(nèi)部變量、基本圖形元素ID一一映射，然后設(shè)置可視化界面輪詢更新時(shí)間。端口配置模型實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)PLC硬件地址對(duì)應(yīng)唯一的內(nèi)部變量，內(nèi)部變量可以在WinCC的變量管理器里面定義?；緢D形元素模型實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)基本圖形元素ID對(duì)應(yīng)唯一的內(nèi)部變量。通過WinCC的內(nèi)部變量，實(shí)現(xiàn)PLC硬件地址與基本圖形元素ID的一一對(duì)應(yīng)?？梢暬菍?duì)驅(qū)動(dòng)采集硬件端口狀態(tài)信息的直觀表現(xiàn)，展現(xiàn)了真實(shí)車站設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，方便了操作人員對(duì)車站設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制?？梢暬绦蜻\(yùn)行流程圖如圖6所示。

圖6 可視化程序運(yùn)行流程圖

4 CTCS-3級(jí)TCC制式檢測(cè)平臺(tái)實(shí)例

以根據(jù)規(guī)范制定的同濟(jì)站車站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建仿真測(cè)試環(huán)境。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，本文所提出的可視化方案可以滿足TCC制式檢測(cè)中數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口點(diǎn)位狀態(tài)與站場(chǎng)圖實(shí)時(shí)可視化的問題。本設(shè)計(jì)已經(jīng)為國(guó)鐵集團(tuán)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖檢測(cè)站所應(yīng)用，開發(fā)了客運(yùn)專線CTCS-3級(jí)TCC制式檢測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)已經(jīng)成功完成5個(gè)廠家、6個(gè)型號(hào)TCC的制式檢測(cè)。同濟(jì)站數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口點(diǎn)位狀態(tài)可視化界面如圖7、圖8所示，同濟(jì)站站場(chǎng)圖可視化界面如圖9所示。

圖7 同濟(jì)站數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口點(diǎn)位狀態(tài)可視化界面

圖8 同濟(jì)站數(shù)字采集接口點(diǎn)位狀態(tài)可視化界面

圖9 同濟(jì)站站場(chǎng)圖可視化界面

5 結(jié)束語

本文對(duì)TCC制式檢測(cè)平臺(tái)中設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)可視化問題進(jìn)行分析，提出了一種數(shù)字驅(qū)動(dòng)采集接口點(diǎn)位狀態(tài)與站場(chǎng)圖實(shí)時(shí)可視化方案。根據(jù)平臺(tái)需求，提出基于S7-300PLC與WinCC平臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)采集接口仿真設(shè)計(jì)，對(duì)PLC硬件地址、內(nèi)部變量、基本圖形元素ID進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)采集信息采集、傳輸及可視化?？梢暬桨笍浹a(bǔ)了原測(cè)試平臺(tái)擴(kuò)展性差、測(cè)試?yán)щy、無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等不足，降低了開發(fā)成本，提高了實(shí)際測(cè)試精確度，具有很好的應(yīng)用價(jià)值，下一步可推廣應(yīng)用到TCC制式檢測(cè)平臺(tái)其他仿真模塊，以提高整個(gè)測(cè)試平臺(tái)測(cè)試效率。