列车网络控制系统半实物仿真平台研究

列车网络控制系统半实物仿真平台研究

作者：孔佳麟

来源：《科技创新与应用》2019年第09期

摘; 要：以上海地铁03A02/04A02列车控制系统为原型，通过分析其网络拓扑结构、硬件电路原理及列车控制功能，梳理各子系统之间的通信接口，利用Java和数据库技术，搭建了半实物仿真平台，实现对整车原理及子系统功能的仿真。半实物仿真平台对于列车维护、人员培训、离线功能验证等有重要作用。 关键词：仿真;网络;建模

中图分类号：U270 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）09-0063-02

Abstract： Based on the prototype of Shanghai Metro 03A02/04A02 train control system， by analyzing its network topology， hardware circuit principle and train control function， combing the communication interface between subsystems， using Java and database technology， the hardware-in-the-loop simulation platform is built. The simulation of the principle and subsystem function of the whole vehicle is realized. Hardware-in-the-loop simulation platform plays an important role in train maintenance， personnel training， off-line function verification and so on. Keywords： simulation; network; modeling

轨道交通产业近几年发展迅速，随着列车长时间使用，列車维护、人员培训、功能离线验证等成为新的发展需求。网络控制系统是列车核心技术之一，为了更好的验证列车网络控制系统及列车其他子系统控制功能，便于列车离线维护及验证，开发能够对列车网络化控制功能进行验证的半实物仿真平台显得尤为重要。 1 仿真平台结构

1.1 03A02/04A02列车控制网络拓扑结构

上海地铁03A02/04A02列车控制网络分为TMS网络（列车监视网络）和TCS网络（列车控制网络）。TCS网络中，PCU、EBCU、ACU、ATC均通过MVB与MPU相连，接入到TCS网络，向MPU发送各子系统信息，接受MPU的轮询调度;RIOM通过MVB与MPU相连，采集车辆信息发送给MPU做综合判断;ERM通过MVB与MPU相连，接受MPU轮询调度，记录TCS网络所有子系统状态信息和故障信息等;MPU作为总线管理器，综合判断列车各子系统信息，向各子系统发送控制指令。TMS网络中，MDCU、HVAC、PIS、TDS通过MVB与CCU相连，接入到TMS网络，向CCU发送子系统信息，接受CCU的轮询调度;RIOM通过MVB与CCU相连，采集车辆信息发送给CCU进行判断;DDU作为人机交互接口，通过MVB接入到TMS网络，接受CCU轮询调度，显示列车各系统状态信息。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

1.2 试验台结构

为了实现对03A02/04A02型列车控制系统的仿真，本套仿真平台针对目标车型控制系统的特点，通过模拟列车部分系统的电气输入输出特性，研制并搭建了一套列车控制系统半实物仿真平台系统。

半实物仿真系统平台是指纯虚拟仿真系统（结构与真实系统一致）中的一部分被真实设备取代之后的系统，一般用于对真实设备进行测试验证。在逻辑结构上，半实物仿真系统仍然是与真实系统一致的，只不过某些软件对象被换成了实物设备。这种“虚实互换”是通过一种代理结构来实现的。

TCMS模拟试验台与列车TCMS主要设备（CCU/DDU/ERM等）按照与车上相同的拓扑结构连接在一起，并通过软件仿真的方式模拟其他子系统设备的功能，实现列车控制系统的半实物仿真。其拓扑结构如图1所示。 2 仿真建模及实现

本文采用的仿真建模原则为：前期采用黑箱建模得到系统的外特性;中期采用灰箱建模，深入系统内部进行仿真建模;后期采用白箱建模，明确系统的内外部结构和机制。

建模完成后需要通过Java编程实现，主程序实现子系统仿真和整车原理仿真。通过建立每个子系统类的方式来实现各子系统的仿真;通过在固定格式的Excel中编写整车逻辑的方式来实现整车原理的仿真;通过状态更新类来实现各子系统和整车原理状态更新输出。实现结构如图2所示。

2.1 子系统仿真实现

建模完成后子系统模型通过Java建立子系统类，可依据类设计文档和方法详细流程文档进行编程，来实现子系统的模型。子系统的仿真建模需要底层设备、器件的模型作为仿真环境。以下以PCU和ACU子系统作为一类抽象设备来分析建模。 2.1.1 PCU/ACU子系统的外围模型

构建的PCU/ACU子系统的外围仿真模型如图3所示，其具有如下特点：设备对象之间通过输入输出变量对象进行连接;PCU/ACU子系统通过变量对象实现与其他设备对象进行信息传递的具体方式为：如果网络输入变量A1发生变化，会触发PCU/ACU子系统的相关功能，进而根据具体的功能来设置输出变量，假设为电气输出变量B2，则以B2为输入的设备会进一步被触发。

2.1.2 PCU/ACU子系统的内部模型

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

构建的PCU/ACU子系统的内部功能结构如图4所示，当系统的输入变量A1、A2变化时，以这些变量为输入变量的功能X、Z触发，并产生功能的输出变量C1、C2、

B2;PCU/ACU子系统内部的一些功能具有来自系统外部的输入变量，如功能X、Z;而另一些功能不具有来自系统外部的输入变量，只以系统内部产生的变量作为输入变量，如功能Y。 2.2 整车电气原理仿真实现

整车硬件电路是列车控制系统的重要组成部分，其仿真可以根据既定格式和规则编辑。列车半实物仿真软件可以读取逻辑原理，并在半实物仿真软件中进行综合处理。 2.2.1 器件真值表

通过梳理车辆电气原理图，形成器件真值表，如图5所示，在半实物仿真软件读取后可以通过真值表来判断相应继电器触点或空开的值。 2.2.2 逻辑表达式

逻辑表达式根据车辆电气原理图中的逻辑关系，并利用器件真值表进行编写，如“司机室激活”对应的逻辑表达式为： 3 结论

本文的半实物仿真平台通过分析网络拓扑结构，对网络控制系统与各系统之间的接口和功能进行分界，建立模型，通过Java语言实现仿真系统功能设计。半实物仿真平台能够方便地完成列车维护、人员培训及离线功能验证。 参考文献：

[1]王欣.城轨列车半实物仿真测试台的设计与实现[J].铁道机车车辆，2016，36（3）：101-106.

[2]李美华，矫德余，孙昊雯.列车网络控制系统半实物仿真平台设计及应用[J].铁道机车车辆，2018，38（1）：23-25.

[3]殷培强，孔佳麟，王曙.列车网络控制系统自动化测试平台设计及研究[J].铁道车辆，2018，56（10）：26-28.