基于模块化设计的动车组整车验证仿真的研究与开发*

穆瑞琦

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

在动车组整车研制项目中，研制过程的风险和不确定性难以捕获，列车网络控制系统作为动车组的神经中枢，关系到列车运行的安全和稳定。因此，通过搭建有效的地面仿真平台，在实验室环境中全面测试列车网络系统的设计错误，在一定程度上加速模拟故障，定位故障原因，能够有效地降低实车运行中的各种技术风险和成本。

由于研发的多样性，不同人员研发的模块在集成后也会产生更多的约束。一个完整可行的仿真测试平台能实现对列车网络控制系统有效的各级验证。根据需求快速更改相应的仿真测试程序，配合列车网络控制软件的调试，从而提高整体项目的研发进度，减少研发周期。平台运行的仿真程序软件基于模块化设计的理念，搭建系统架构快速便捷，既可采用自顶向下的总体架构设计，也可采用自底向上的功能实现。

1 仿真平台的构成

1.1 动车组的网络系统结构

以一种典型的网络结构为例，动车组的网络系统一般采用符合IEC 61375-1标准的TCN结构［1］，即列车级和车辆级两级总线式拓扑结构。列车总线WTB用于连接各个车辆，进行列车级的过程控制；车辆总线MVB用于连接车辆内的设备，进行车辆内的通信控制和过程控制。WTB总线和MVB总线可以通过网关进行数据的相互转发。一列8辆编组的动车组由2个牵引单元构成，每个牵引单元为1个MVB网段（4个车辆），每个网段连接多个子系统的网络设备。网络控制系统的核心部件是中央控制单元CCU和司机显示屏HMI，其中CCU实现了整车的控制逻辑，HMI实现了司机的人机交互接口及故障诊断。被控的子系统通过MVB网络接口或通过通用网络接口设备数字量和模拟量输入输出连接到MVB网络上［2］。网络控制系统如下图1所示。

图1 网络控制系统及设备示意图

1.2 动车组网络控制仿真平台的结构

针对不同车型和不同目的而搭建的网络控制仿真试验台有所差别，这里采用一种动车组仿真的实现概述仿真平台的基础框架构成。

考虑平台的灵活性和经济性，结合纯硬件仿真和纯软件仿真的优缺点，仿真平台采用半实物仿真的结构［2］。除司机控制台的控制手柄和按钮外，实物设备还包括中央控制单元CCU、司机显示屏HMI、输入输出设备、温度采集设备等。由于场地限制和成本等原因，可用软件仿真代替司机控制台实物。而在仿真系统实现的同时，预留与真实控制单元连接的各种硬线和网络接口，使仿真系统能实现硬件在环的仿真功能，具备对单个子系统控制单元独立测试的能力。

仿真平台主要分为车载电气控制柜、PLC开关控制柜、软件仿真控制台3大部分［2］。车载电气控制柜由车载网络设备和输入输出IO连接的开关、继电器等构成的硬线控制回路构成，与实车一样，每节车辆对应1个车辆电气柜，如图2所示。PLC开关控制柜主要实现仿真子系统与网络控制系统之间硬线接口的信号转换，柜内安装PLC控制系统和110 V信号驱动继电器，每2辆车的硬线接口集成在1个PLC电气柜中，如图3所示。此外，PLC柜安装有指示灯和控制按钮，显示仿真子系统的一些重要的状态信号，或将手动输入信号通过按钮传送到仿真系统中。软件仿真控制台主要负责智能子系统的功能模拟和仿真。按照牵引单元的分布分别在多台仿真计算机上实现，每台计算机对应1个牵引单元。在仿真计算机上使用Control Build仿真软件平台实现对各受控子系统进行功能仿真，包括牵引、制动、辅助、空调、门等多个列车上的受控子系统。仿真控制台通过以太网与PLC电气柜通信，并通过计算机上集成MVB通讯网卡，实现仿真子系统与其他网络设备之间的MVB网络通讯［2］。

图2 车辆电气控制柜

图3 PLC开关电气柜

1.3 列车网络控制系统半实物仿真平台的功能

仿真平台满足高速动车组网络控制系统试验的需要，实现对通信网络及协议、控制电路、控制逻辑等关键技术和控制工作流程的仿真试验、功能验证、安全性评估、特定故障工况复现分析和对策辅助支持功能，并提供开放接口支持与其他实物子系统进行联调试验，最终使半实物仿真系统成为有效的高速动车组网络控制系统设备性能测试和分析平台，并可用于司机操作人员培训。

2 列车网络控制系统仿真软件详解

2.1 仿真程序总体结构

以一列8辆车编组的仿真软件为例介绍仿真软件基础构成。在仿真软件控制台上，列车网络控制软件的子系统仿真程序主要运行在仿真计算机的Control Build软件平台上，用以辅助调试及验证网络控制程序。整个仿真系统按照整体应用结构分为应用库（Applications）、细化库（Specific Li⁃braries）、标准库（Standard Libraries）3部分。

（1）应用库常见模块

在应用库中建立顶层架构文件，仿真开发程序顶层根据动车组牵引单元可以划分为1车～4车和5车～8车2个部分。其主要功能为进行模型架构搭建。其中包括：Assembly Model组合组件，通过调用库中的模块对列车功能进行整体搭建和组合；Scenario场景环境，对环境参数进行快速配置；Variable List变量列表，对变量进行实时监控；Syn⁃optic动画组件，快速连接人机交互动画作为仿真的输入信号等。从而在顶层完成设置场景，操作台动画界面，变量检测界面，环境配置界面等功能。

（2）细化库常见模块

细化库中包括按照车厢划分的1车～8车，由于1车和8车、2车和7车、3车和6车的对称性而对相同模块进行模块复用，并根据不同列车型号进行相应更改。

常用的子系统模块按照功能划分，模拟相应子系统动作并为逻辑接口传递变量信号。为建立子系统模块，按照列车功能可大致分为：牵引系统，制动系统，高压系统，辅助供电系统，门控系统，空调系统，旅客信息系统等［3］。针对复杂子系统的控制逻辑会进行单独的模型设计，其具有的控制功能会与下层的执行机构模型的反馈信号相互连接。模块化结构设计既有利于仿真过程中各个子系统的协同开发，各个系统的调试测试，也可以在仿真平台接入真实控制子系统时，方便快速地实现仿真模块的裁剪。

通常在不具备足够电气设备和线路的半实物仿真平台上，按照车辆电气图的结构划分，配合每个车的电路建立对应的低压电气图，并根据真实线路连接信息尽量完整复原，以便通过仿真计算机实现子系统信号与半实物平台信号的交互。利用低压电器元件模型以实物电路为基础绘制低压电器图，低压电器图和复杂元件模型按照不同的功能分解为若干个功能组，再以功能组为基础元素构建车厢模型，最终将列车模型组合成整车模型。

（3）标准库常见模块

标准库中建立了低压电器元件的模型库。针对不同类型的二极管、开关、继电器、电阻等，建立了不同的基础元件模型。对于复杂的电气部件模型，如传感器、电源、电机、继电器、接触器、定时器等，建立了可以直接调用的模块。对于较为复杂的大型电器元件可以采用符合IEC 61131-3标准的语言如结构化文本ST，顺序功能图，梯形图，功能块图或C语言等能够描述复杂逻辑的语言自行设计建模。

2.2 主要仿真子系统实现功能

仿真软件对于各个受控子系统进行功能仿真，主要模拟动车组各个子系统的功能。主要模块架构如图4所示。

图4 8辆编组列车仿真模型示意图

高压子系统模型主要仿真列车高压系统各环节的功能，包括紧急断开环节、牵引单元中间直流环节、车顶高压线路隔离开关、受电弓、主断路器、CCU接收的硬线信号等，并实现其主要功能。牵引子系统模型主要仿真牵引系统主电路、主变压器、牵引变流器、电机模型、TCU牵引控制、TCU电制控制、MVB交互功能、故障与诊断系统等。辅助供电子系统仿真模型主要仿真辅助供电子系统、辅助变流器、电池充电机、440 V交流负载、110 V负载的管理。制动系统模型主要仿真各级BCU最大空气制动力及电制动力的计算、各级BCU关于空气制动力及电制动力设定值的计算、BCU对电制动力和空气制动力的分配、紧急制动的控制、常用制动的控制、停放制动施加与缓解的控制、制动系统与自动速度控制ASC之间的关系设计、制动子系统的外围接口、列车动力学模型。车门控制子系统模型主要仿真中心车门控制系统、高级车门控制、司机控制和故障与诊断系统。空调控制子系统模型仿真空调系统的网络结构、空调系统供电、空调的控制模式。照明子系统仿真内部照明、灯控单元、外部照明。火灾报警子系统主要模拟火灾响应及系统诊断，包括读取火灾报警信号、火灾报警系统测试信号、断开火灾报警环、声光报警信息、关闭火灾车厢的空调系统、火灾报警系统故障报告、旁路火灾报警系统、旁路火灾报警环等。

2.3 主要仿真子系统实现方法

对于子系统和功能组件之间关系的书写采用多种搭建方式组合完成。例如：门控系统状态模拟采用梯形图，门控系统采用逻辑的功能图建立，门的执行机构控制逻辑采用Assembly Model组合组件对底层与或非逻辑模块进行逻辑组成。模型中主要功能组件，例如辅助系统模型、受电弓模型、制动控制算法等可采用ST语言进行实现；牵引控制器TCU算法模拟可采用C代码书写。各种建模语言与图形编程方式可以根据实际需求灵活变换，在模块化架构下可以快捷方便的进行复用和重构。为了方便数据传输，建立了数模转换模块，供开发人员快速调用。

2.4 主要仿真场景实现方法

各个子系统通过输入输出变量同低压电气模型进行交互。当仿真模型运行时，数字信息通过通讯程序，经由MVB网卡发送给列车中央控制单元，模拟信息通过采集设备发送给中央控制单元；中央控制单元的控制信号通过MVB网卡经由通讯程序发送给仿真程序，设置列车各种工况的模拟。

对于实现整车电气线路设计验证的低压电气图，按功能组分布与真实描述整车硬线布局的电路图一一对应，例如，其输入输出可以操作相应的开关继电器动作并向网络系统回传对应的变量反馈值。通过电气图进行线路查找，为仿真故障排查场景提供了方便的手段。完成新型动车组的整车电气线路设计后，在仿真系统中对整车电气线路进行仿真模拟，利用PLC电气控制柜实现整车电气线路仿真和网络控制系统的接口，通过分析验证列车网络控制系统及各个受控子系统的功能验证整车电气线路的设计。

2.5 列车网络控制系统仿真软件的主要特点

试验台仿真软件所有模型之间的层次和关系、各模型内的部件与子系统模型之间的层次和关系在仿真系统软件中清晰且易于管理，各个模块之间的输入输出易于查找，仿真过程、仿真库、仿真资源统一管理的功能。仿真测试工程管理功能全面，具有整体软件结构清晰，功能组件分配明确，导航及帮助文档查找方便。且操作界面为窗口形式，可以进行图形化编程，操作简单，编程快速。

仿真模型能够清晰反映输入输出电气参数在子系统、子系统部件、传统电路中的变化过程和机理，能够完成子系统、子系统部件及控制系统运行所需各组成部分的内部工作过程的、输入输出量的、控制逻辑的以及外部特性的动态仿真。各系统模型之间，模型内部子系统之间、子系统部件之间的所有输入输出及实时参数变化与真实运行系统相符。各系统模型及内部各个子系统、部件模型，可根据外部接口需要通过更改相应参数而达到要求。同时，在仿真过程中，通过预先定义和在线定义的方式可实时查看网络控制系统中各变量和仿真系统中各变量的值。

模块化的设计方式可以实现场景快速准确的搭建。比如，在子系统功能测试和验证场景中，快速替换修改过的软件模块。对于集成系统的场景测试，部分仿真程序可以被硬件实物进行等效替换，例如故障开关在真实的测试场景中根据实际情况进行开关配置。

3 结论

为了快速测试高速列车网络控制系统，搭建了相应的半实物仿真平台后，采用了基于模块化设计的动车组整车验证仿真程序，为仿真平台提供技术支持和仿真验证。平台可以服务于列车网络控制系统的设计、开发、验证、调试及后期维护等各个阶段，开发验证列车控制逻辑、网络通讯协议、故障诊断逻辑，测试分析设备和系统性能，并支持网络控制系统的联调联试工作。其中，基于模块化设计的动车组整车验证仿真程序能够逼真地模拟实际列车模型，并在完整的仿真环境中，对列车控制系统，特别是中央控制单元CCU的控制逻辑进行功能验证，从而实现在现场安装调试之前校验测试整个系统，发现并校正绝大多数设计错误和问题，并大大缩短现场安装调试的时间。