用于车载控制器测试的半实物仿真平台

摘要

本发明公开了一种用于车载控制器测试的半实物仿真平台，包括：传感器运行系统、车载控制器、软件仿真列车系统以及供电系统；传感器运行系统包括：旋转支架；驱动旋转支架转动的驱动电机；固定在旋转支架上的加速度传感器和多普勒雷达；信号机查询器；速度传感器，用于测定旋转支架的速度；所述速度传感器、加速度传感器、多普勒雷达以及信号机查询器均为轨道列车中实际使用的型号。本发明采用真实的轨道列车传感器，并通过将速度传感器、加速度传感器、多普勒雷达以及信号机天线设置在旋转支架不同的位置，使这些传感器按照其真实的工作原理运行，为车载控制器提供真实的传感器输入与输出，从而为车载控制器提供一个与真实运行环境极为仿真环境。

说明书

技术领域

本发明属于车载控制器设计和测试技术领域，具体是涉及一种用于车 载控制器测试的半实物仿真平台。

背景技术

车载控制器(Carbone Controller)是一种用于轨道交通控制系统的安 全计算机平台，主要由一系列具有功能模块的板卡组成。车载控制器主要 用来采集高铁线路或者地铁线路中的速度传感器，加速度传感器，多普勒 雷达，信标查询器等车载传感器的信号。

随着科技进步和时代发展，自动化控制系统越来越多的被用于地铁与 高铁线路中，车载控制器作为地铁或者高铁列车不可获取的一部分，对其 进行测试与认证成为保证安全性不可或缺的一部分。在车载控制器研发与 测试的过程中，为了保证其安全性，可靠性与可用性，需要对车载控制器 进行一系列比较严格的测试。出于安全性的考虑，并不能直接将车载控制 器安装于轨道列车进行现场测试，并且现场测试需要耗费巨大的人力与物 力代价。随着仿真技术的发展，研究人员根据传感器的工作原理与输入输 出特性，建立传感器模型，为车载控制器提供仿真的传感器信号。

目前文献报道的比较典型的半实物仿真车载系统中，信号系统通过牵 引电机控制器控制牵引电机运动，牵引电机带动测速传感器和传送带运 动，测速传感器产生速度信号，安装在传送带的无源应答器和有源应答器 产生应答器信号，车载信号系统(车载控制器)采集速度信息与应答器信 号(车载信号系统软件开发用半实物仿真平台，尹力明，刘俊艳，程佳， 城市轨道交通研究，2011年第四期，40-44)。通过仿真技术建立传感器模 型，为车载控制器提供仿真的传感器信号，虽然能够模拟传感器地功能， 测试车载控制器某些性能。但是，这些仿真的传感器信号与真实的传感器 的信号还是有很大区别的，并且即使就某一传感器建立半实物仿真系统， 也只能从某一方面测试车载控制器的单项性能。并不能较为全面地测试车 载控制器的所有性能。并且由于缺少车载控制器的运行环境与场景，这些 测试系统对车载控制器进行的测试还是很不全面和完备的。

发明内容

本发明提供了一种用于车载控制器测试的半实物仿真平台，该仿真平 台结构简单，通过采用真实的轨道列车传感器，为车载控制器提供真实的 传感器输入和与真实运行环境极为仿真的测试环境，用于车载控制器的开 发与测试时，能够更加全面的测试车载控制器的各方面的性能。

一种用于车载控制器测试的半实物仿真平台，所述车载控制器用于轨 道列车中，包括：传感器运行系统、用于采集传感器运行系统发出的感应 信号并发出相应控制信号的车载控制器、用于接收车载控制器的控制信号 并控制传感器运行系统的运行的软件仿真列车系统以及供电系统；所述传 感器运行系统包括：

旋转支架；

驱动所述旋转支架转动的驱动电机；

固定在旋转支架上的加速度传感器和多普勒雷达；

信号机查询器，包括信号机天线、固定应答器FB和可变应答器TB， 所述信号机天线固定在所述旋转支架上；

速度传感器，用于测定旋转支架的速度；

所述速度传感器、加速度传感器、多普勒雷达以及信号机查询器均为 轨道列车中实际使用的型号。

本发明的用于车载控制器测试的半实物仿真平台主要用于轨道列车 中，特别适用于地铁系统中。其中加速度传感器主要用于测量圆盘边缘的 线加速度，速度传感器主要用于测量圆盘边缘的线速度，多普勒雷达主要 用于测量圆盘边缘的线速度与圆盘边缘转过的距离，信号机天线主要用于 测量信标信号。所述速度传感器、加速度传感器、多普勒雷达以及信号机 天线均为轨道列车中实际使用的型号，实现了对测试车载控制器提供真实 的传感器输入与输出。根据实际列车结构的不同，可适当增减传感器的个 数和类型。

为进一步提高了仿真平台的真实性，同时便于加速度传感器、多普勒 雷达以及信号机天线的布置，作为优选，所述旋转支架包括底端与所述驱 动电机的输出轴联动的转轴、以及固定在转轴顶端的圆盘；所述速度传感 器、加速度传感器、多普勒雷达以及信号机天线以保持所述圆盘的动平衡 为原则分布在该圆盘顶面。

所述的速度传感器可选择接触式和非接触式速度传感器，实际使用过 程中为便于传感器的布置，作为优选，所述的速度传感器为接触式速度传 感器，该速度传感器与所述圆盘之间通过齿轮传动。接触式旋转式速度传 感器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦 力带动传感器的滚轮转动。采用齿轮传动结构，降低了对接触式速度传感 器上滚轮的磨损。实际装配时，传动用的齿轮与接触式速度传感器上滚轮 同轴设置，且所述圆盘四周设有与所述齿轮啮合的啮合齿。

速度传感器、加速度传感器、多普勒雷达以及信号机天线需要通过信 号线或者电源线与供电系统以及车载控制器相连，为便于电源线或者信号 线的布置，防止转轴转动过程中磨损电源线或者信号线，作为进一步优选， 所述转轴为中空结构，该转轴外壁周向布置有若干导电体，导电体外壁通 过碳刷与供电系统以及车载控制器的信号接收端相连，导电体内壁至少具 有一部分穿过所述转轴的侧壁与转轴内腔连通；所述加速度传感器、多普 勒雷达以及信号机天线通过线路分别与转轴内腔内的导电体连通。导电体 可采用将导电涂层制成喷涂在转轴上直接形成，也可选择利用导电材料直 接加工成型，然后再安装在转轴相应的位置即可。

为进一步减低旋转支架的整体重量，降低能耗，作为更进一步优选， 所述圆盘为环状结构，通过若干连接件与所述转轴相互固定。为便于线路 的布置，可在所述连接件顶面设置导线槽，实际安装时，直接将线路布置 在导线槽内即可，连接件的布置位置可根据速度传感器、加速度传感器、 多普勒雷达以及信号机天线安装的位置确定，以进一步便于线路的布置。

为实时了解软件仿真列车系统的执行情况，作为优选，所述软件仿真 列车系统内还设有监测模块，用于监测软件仿真列车系统的执行信号，并 将该信号反馈给车载控制器。

为便于车载控制器与软件仿真列车系统之间信息的传输，可在所述车 载控制器与软件仿真列车系统之间设有信号转换系统。信号转换系统主要 用于将车载控制器输出的信号转换为数字信号，同时将软件仿真列车系统 反馈的数字信号转换为车载控制器需要输入的信号。软件仿真列车系统与 传感器运行系统之间也可以根据实际需要增添信号转换模块。

本发明中信号转换系统以及软件仿真列车系统的软件一般在工控机 中运行。信号转换系统的硬件一般包括机箱与电平转换板，电平转换板直 接与工控机相连，软件运行于工控机中，由采集模块与通讯模块构成。采 集模块采集车载传感器的IO信号；通讯模块与软件仿真列车系统的通讯 模块通讯，传递传感器信息。

本发明中的软件仿真列车系统由通讯模块、速度与加速度计算模块、 显示模块和定位模块组成。通讯模块负责与信号转换系统的通讯模块通 讯，速度与加速度计算模块用于计算仿真列车的速度和加速度信息，定位 模块用于定位仿真列车位置，显示模块用于显示虚拟列车的运行状态的线 路信息。

实际轨道列车系统中，信号机天线一般间隔分布在整条轨道上，仅在 特定的场合下才能检测到信号。为进一步提高仿真平台的真实性，作为优 选，所述供电系统中还设有一控制单元，该控制单元用于控制信号机查询 器的定时通断电以及驱动电机的驱动电流大小。信号机查询器的定时通断 电的时间间隔，可根据轨道列车系统中信号机天线的实际布置情况确定。 通过对驱动电机的驱动电流大小的控制，实时控制驱动电机的转速。

本发明中所述的车载控制器一般由一系列具有功能模块的板卡组成， 可采用多种现有的计算机平台，例如可由常见的三取二安全计算机平台构 成或者二取二安全计算机平台构成。常用的三取二安全计算机平台三取二 安全计算机平台的硬件结构包括：三块CPU板，三块信号采集SAC板， 两块通讯COM板，两块ATO板，三块IO板。其中SAC板用来采集传感 器运行系统中各个传感器的信号，SAC板通过三取二安全计算机平台的后 出线与碳刷相连，通过碳刷与滑块的接触，可以实现与传感器信号线的连 接。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明采用真实的轨道列车传感器，并通过将速度传感器、加 速度传感器、多普勒雷达以及信号机天线设置在旋转支架不同的位置，使 这些传感器按照其真实的工作原理运行，为车载控制器提供真实的传感器 输入与输出，从而为车载控制器提供一个与真实运行环境极为仿真环境。

(2)本发明为车载控制器提供了一套完整的仿真方案设计，仿真环 境中的传感器可以根据实际需求增加或者减少，这些增加或者减少并不会 对车载控制器仿真平台的功能与完备性带来任何影响，仿真平台的适用性 更广，即可以用于车载控制器的单板测试阶段，也可用于车载控制器的集 成测试与系统测试阶段等，测试车载控制器的性能广。

附图说明

图1为本发明用于车载控制器测试的半实物仿真平台的结构示意图；

图2为图1所示用于车载控制器测试的半实物仿真平台中传感器运行 系统的俯视结构示意图；

图3为图2所示传感器运行系统的主视结构示意图；

图4为图3所示传感器运行系统中A部分的局部剖视放大结构示意 图；

图5为本发明中车载控制器的一种实施方式的结构示意图。

图6为本发明用于车载控制器测试的半实物仿真平台的硬件结构示意 图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行 清晰、完整的描述，显然，描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护的 范围。

如图1和图6所示，一种用于车载控制器测试的半实物仿真平台，包 括：传感器运行系统44；车载控制器41，用于采集传感器运行系统发出 的感应信号，并根据接收的感应信号，发出相应的控制信号；软件仿真列 车系统，用于接收车载控制器的控制信号，并根据接收的控制信号，控制 传感器运行系统的运行；信号转换系统，用于对车载控制器以及软件仿真 列车系统进行信号转化的；供电系统43，对整个仿真平台内的硬件提供电 源，供电系统同时包括一个软件控制单元，用于控制信号机查询器的定时 通断电与电机驱动电流的大小。

如图2、图3和图4所示，传感器运行系统包括：旋转支架1；驱动 旋转支架1转动的驱动电机2；固定在旋转支架1的加速度传感器4和多 普勒雷达5；信号机查询器，包括信号机天线6、固定应答器FB和可变应 答器TB，信号机天线6固定在旋转支架1上，固定应答器FB和可变应答 器TB布置在旋转支架1下方，模拟实际列车的运行状态；速度传感器3， 用于测定旋转支架1的速度；速度传感器3、加速度传感器4、多普勒雷 达5以及信号机查询器均为轨道列车中实际使用的型号。

旋转支架1包括底端与驱动电机2的输出轴联动的转轴1a、以及固定 在转轴1a顶端的圆盘1b，转轴1a与驱动电机2之间可通过链条、皮带或 者齿轮等部件传动，一般情况下选择将驱动电机的驱动轴与圆盘1b的中 心轴相连，用于驱动圆盘的转动，圆盘的线速度最高可达100km/h。加速 度传感器4、多普勒雷达5以及信号机天线6以保持圆盘1b的动平衡为原 则分布在该圆盘1b顶面边缘。速度传感器3为接触式速度传感器，通过 齿轮与圆盘1b传动，测定圆盘1b边缘部位的线速度。速度传感器3与圆 盘1b之间的齿轮与接触式速度传感器3上滚轮同轴设置，且圆盘1b四周 设有与齿轮啮合的啮合齿。

转轴1a为中心具有内腔的中空结构，该转轴1a外壁周向布置有若干 导电体1c，导电体1c外壁通过碳刷7与供电系统以及车载控制器的信号 接收端相连，导电体1c内壁至少具有一部分穿过转轴1a的侧壁与转轴内 腔连通；加速度传感器4、多普勒雷达5以及信号机天线6通过信号线与 电源线分别与转轴内腔内的导电体1c连通，从而使供电系统能够为加速 度传感器4，多普勒雷达5，信号机天线6供电，同时加速度传感器4，多 普勒雷达5，信号机天线6的信号可以传送给车载传感器。导电体1c为直 接喷涂在转轴1a的导电涂层。圆盘1b为环状结构，通过若干连接件1d 与转轴1a相互固定。连接件和导电体设置的数量可根据实际需要确定， 没有严格限制。连接件1d的位置与加速度传感器4、多普勒雷达5以及信 号机天线6的位置分别相对应，根据需要可选择在连接件1d顶面设置相 应的导线槽，以便与电源线或者信号线的布置。

如图5所示，车载控制器由真实的三取二安全计算机平台构成，三取 二安全计算机平台由三块CPU板、三块信号采集SAC板、两块通讯COM 板、两块ATO板、三块IO板组成。其中，ATO板和SAC板通过信号线 8采集加速度传感器4，速度传感器3，多普勒雷达5，信号机天线6的传 感器信号。CPU板负责上述传感器信号的同步表决，并通过COM板以报 文的形式发送给信号转换系统，同时IO板与信号转换系统的电平转换板 相连。

如图5和图6所示，信号转换系统的硬件由中控机42与电平转换板 45组成，电平转换板45直接与工控机42相连，信号转换系统的软件运行 于工控机42中，由采集模块与通讯模块构成。采集模块采集车载控制器 41的IO信号；通讯模块与软件仿真列车系统的通讯模块通讯，传递传感 器信息。电平转换板45将IO板的输出的24V电平转换为5V电平后由工 控机42采集转换为报文信号，传送给软件仿真列车系统；同时信号转换 系统将软件仿真列车系统输出的IO信号转换为24V电平信号，作为监测 执行信号传送给车载控制器。

软件仿真列车系统的仿真软件也运行在工控机42中，由通讯模块， 速度与加速度计算模块，显示模块，定位模块组成。通讯模块负责与信号 转换系统的通讯模块通讯，速度与加速度计算模块用于计算仿真列车的速 度和加速度信息，定位模块用于定位仿真列车位置，显示模块用于显示虚 拟列车的运行状态的线路信息。软件仿真列车系统，按照轨道列车的运行 规律与力学原理，对轨道列车进行建模，按照轨道列车的自动控制原理对 仿真列车进行控制，并使列车运行于按照真实的线路建模的轨道上，从而 使真实的车载控制器可以控制虚拟的轨道列车。软件仿真列车系统接收车 载控制器的控制信号，控制传感器运行系统的运行，从而软件仿真列车系 统可以控制真实的传感器：加速度传感器4，速度传感器3，多普勒雷达5， 信号机天线6的工作，同时可以从车载控制器获得传感器的运行数据。

本实施方式的用于车载控制器测试的半实物仿真平台实际运行过程 为：

首先利用软件仿真列车系统启动驱动电机2，驱动电机2带动圆盘1b 转动，加速度传感器4，速度传感器3，多普勒雷达5，信号机天线6开始 工作；加速度传感器4，速度传感器3，多普勒雷达5，信号机天线6将采 集的速度、加速度以及信标信号发送给车载控制器；车载控制器根据接收 的信号向软件仿真列车系统发出相应的控制信号，车载控制器软件仿真列 车系统之间通过信号转换系统进行信号转换；软件仿真列车系统接收车载 控制器的控制信号，控制传感器运行系统的运行，最后通过测试对检测的 车载控制器进行综合性能评定。

最后说明：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行 限制；尽管参照前述实施例对本发明做了详细说明，本领域的技术人员应 当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 部分技术特征进行替换；而这些修改或者替换，并不能使相应的技术方案 脱离本发明的应用范畴。