基于机车半实物仿真平台应用层的设计及实现

张雁勋 赵贝 安志胜

摘  要： 机车控制系统存在部分硬件选型不确定、功能或更改等因素，故对部分模塊进行图形化建模，结合故障注入系统，搭建了机车半实物仿真平台，完成了半实物仿真平台应用层的设计。应用层包括仿真系统的搭建、故障注入、机车逻辑功能控制及显示屏界面展示。研究表明，半实物仿真平台的设计能对机车控制逻辑进行全面的测试;能提前暴露逻辑测试存在的缺陷及问题，验证了不同供应商通信网络一致性和硬件的可靠性。

关键词： 半实物仿真;应用层;仿真系统;故障注入;机车逻辑;显示屏

中图分类号： TP391    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.025

本文著录格式：张雁勋，赵贝，安志胜，等. 基于机车半实物仿真平台应用层的设计及实现[J]. 软件，2020，41（06）：117120

【Abstract】： There are some uncertain factors about hardware selection and functions in the locomotive control system， combining with graphically modeled of some devices and the fault injection system， the locomotive hardware and the application layer of the hardware in the loop simulation platform are built. The application layer includes the construction of simulation system， fault injection， locomotive logic function control and display screen interface. The research shows that the design of hardware in the loop simulation platform can test the locomotive control logic comprehensively， expose the defects and problems of logic test in advance， and verify the consistency of communication network and the reliability of hardware of different suppliers.

【Key words】： Loop simulation; Application layer; Simulation system; Fault injection; Locomotive control logic; Display screen

0  引言

半实物仿真平台是中车大同电力机车有限公司自主研发，用于展示机车控制逻辑功能、模拟故障输入输出等的一套地面测试体系。试验台的搭建，有助于提高公司车载微机网络方面的研发能力;有助于解决新型机车研制过程中及批量配属机车中微机网络系统技术核心问题、惯性质量问题;车载微机的自主研发和生产可以有效缩短项目研发周期。

1  半实物仿真平台功能概述

半实物仿真采用的是软件与实物硬件联合仿真的方法，与纯软件仿真相比更加接近于实际网络和设备工况，更加真实的反应网络相关参数、性能[1]。

1.1  半实物仿真平台的组成

机车半实物仿真平台以HXD21000型八轴电力机车为原型，采用分布式网络布置，通过对牵引系统、制动系统等建模，结合网络控制单元、机车操纵台、HiGale仿真机、故障注入系统等搭建而成。半实物仿真平台的构成如图1所示。

网络控制单元包括CCU（中央控制单元）、RIOM（远程输入输出模块）、GW（网关）、ACU（辅助控制单元）、TCU（牵引控制单元）、BCU（制动控制单元）等。其中ACU、TCU及BCU为仿真模型，CCU、RIOM、GW为真件。机车操纵台为八轴电力机车实际操纵台，包括两个互为冗余的HMI（司机显示单元）、司控器、扳键开关组、电笛、风笛等。故障注入系统包括WTB故障注入模块，还包括了与真实机车司机室操纵台上相同的所有开关量、电压模拟量和电流模拟量[2]。

1.2  半实物仿真平台的设备功能

HiGale仿真机完成机车行为模型，即车辆动力学模型、空气制动系统模型（BCU）、牵引系统模型（TCU）和辅助系统模型（ACU）等[3]。

故障注入系统可根据需求实时注入各种故障，主要设备包括WTB故障注入设备、110 V开关量故障注入设备、0～24 V模拟量故障注入设备等。

互为冗余的两个CCU实现机车车辆控制功能，包括设备监视、总线管理、机车逻辑控制、机车牵引/制动特性控制等;RIOM接受信息采集和传递;GW用于网络之间的数据传输;HMI用于机车控制及运行状态监控实时显示。网络控制单元（即CCU、RIOM、GW）及显示屏采用Selectron公司的设备，Selectron公司的产品广泛应用于地铁、机车、城轨车辆等。

结合仿真系统及故障注入系统，接入网络单元及显示屏设备，进行微机网络控制系统（TCMS）的逻辑仿真测试和故障注入测试，用于TCMS系统功能测试及故障节点的预测等。

2  软件介绍

（1）Matlab（包含HiGaleTarget自动代码生成软件+RTD驱动软件）：Matlab Simulink实现列车主控制器、各个子控制系统、被控对象的图形化建模;HiGale Target：实现模型的一键编译、下载到仿真机;RTD：实现仿真模型与其他设备间的MVB通信。

（2）HiFIDS故障注入软件：实现110 V开关量、0～24 V模拟量、MVB/WTB总线、以太网等网络层、电气层和物理层的故障注入。

（3）Selectron公司CAP1131编程工具：完成对网络控制单元的软硬件配置。

（4）Selectron公司Maestro Designer软件：完成对显示屏的编程设计。Maestro Designer软件是一款基于QT的组态设计软件。

其中，CAP1131和Maestro Designer软件之间共享变量名。

3  应用层的实现

应用层包括仿真系统搭建、故障注入系统搭建、网络控制单元的逻辑设计、显示屏界面设计。

3.1  仿真系统搭建

通过Matlab Simulink可实现图形化建模[4]。以牵引系统为例，牵引系统Simulink模型由三部分组成：牵引电机功能模型、TCU模型及对外接口部分。牵引电机功能模型接收TCU模型发送的目标转矩（目标牵引力或电制力）信号，经过该模块内部的计算，将与电机本体相关的电机转速、实际转矩、电压电流信号发送给CCU或TCU。

3.2  故障注入系统搭建

故障注入系统以串行的方式接入到传输线路中[5]，对整车的车辆网（采用MVB搭建）、列车网（采用WTB和以太网搭建）和机车数字输入信号、模拟输入信号灯信号做系统级的容错性设计。其协议层是基于总线协议对故障进行注入。通过故障注入管理软件HiFIDS控制故障注入设备实现不同的故障注入功能。故障注入管理软件运行于电脑或者工控机中。

故障注入设备首先采集网络中的数据信息并进行解析，然后根据上位机的协议层设置相关的故障类型注入故障;最后根据转换电路输出相应的波形，达到模拟网络的物理层故障及模拟机车数字/模拟输入故障等的目的。

通过此系统，可实现检测系统/设备功能设计的缺陷，复现故障，协助故障定位等功能。

3.3  网络控制单元逻辑程序

CAP1131完成对网络控制单元逻辑程序的编写，包括接口部分、通信模块部分、控制程序主体[6]。主要步骤如下：

（1）定義TCMS网络节点配置，包括CPU、扩展I/O模块、远程节点模块和各个子系统模块。选择CPU类型后，根据选择的CPU类型系统会自动加载相应的接口，如C_Bus接口、CAN接口、LBus通讯扩展接口。

（2）调用软件中自带的通信功能块实现网络控制单元之间的通信。

（3）应用程序组：头文件定义或者声明所有变量名称及初值，声明所用到的功能块;程序主体即对各个功能块（如TCU、ACU等模块）进行编程设计。根据不同的变量的状态，完成运行控制、计算功能、设备控制等功能。下图4（右图）即为里程计算的功能逻辑示意图。

（4）任务组：定义程序组的执行顺序。

（5）编译。如果编译通过，导出变量表和后缀名为.asc的程序。将程序刷进CCU。

3.4  显示界面的实现

直接调用CAP1131工程中导出的变量表，完成显示界面各个页面的编程。界面主要功能是实时显示车辆状态信息、故障信息、状态指示，并根据指示作出相应的调整。通过按钮可进入子界面。显示界面框架树如图4所示。将界面程序下载至HMI，通过以太网和CCU进行数据交互。

4  结语

以HXD21000型机车为对象构建了机车半实物仿真平台，通过对ACU、TCU、BCU的功能仿真，结合故障注入系统，实现了对机车控制逻辑的全面测试。近两年的投入使用，半实物仿真平台为机车的系统设计、功能验证提供了良好的测试平台。

参考文献

[1] 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， 32（1）： 23-25.

[2] 王强， 杨杰. 列车MVB总线故障注入研究[J]. 铁道通信信号， 2016， 52（1）： 52-54.

[3] 谢曲波， 胡志鹏， 黄彬. 机车网络控制系统半实物仿真平台的应用[J]. 铁道机车与动车， 2018， 528（2）： 23-25.

[4] 司晓伟. 基于LabVIEW的高速列车网络控制系统半实物仿真平台研制[D]. 北京： 北京交通大学， 2012.

[5] 安志胜， 谢曲波， 郭振东. 基于半实物仿真平台的多功能车辆总线故障研究[J]. 铁道机车与动车， 2018， 533（7）： 35-37.

[6] 陈文翔. 基于TCN的CRH3型高速列车控制系统半实物仿真平台设计[D]. 浙江： 浙江大学系统分析与集成， 2012.