列车网络控制软件仿真测试系统及仿真测试装置

摘要

本发明提供一种列车网络控制软件仿真测试系统及仿真测试装置。其中仿真测试装置包括人机交互单元、受控对象创建单元、车载电气连接创建单元、仿真接口创建单元和仿真控制单元。列车网络控制软件仿真测试系统包括至少一组牵引控制单元测试系统。牵引控制单元测试系统包括仿真测试装置及至少一套包含有中央控制单元的网络控制系统核心设备。中央控制单元接入至车辆总线和列车总线；仿真测试装置接入至车辆总线；中央控制单元与仿真测试装置硬线电气连接；两个或两个以上的牵引控制单元测试系统中的仿真测试装置之间经以太网连接。本发明可直接服务于列车网络控制系统软件的开发及测试，可快速搭建实验模型，缩短开发周期，降低经济成本。

说明书

技术领域

本发明涉及列车网络控制技术，尤其涉及一种列车网络控制软件仿真测 试系统及仿真测试装置。

背景技术

列车网络控制系统是高速动车组的神经中枢，其控制和管理着列车的 牵引系统、制动系统、高压系统、辅助供电、空调、行车安全设备、车门、 照明等子系统。列车网络控制系统在列车运行和维护中起着极其重要的作 用。而诸多子系统，涉及多个专业领域，不但各子系统之间的网络通讯协 议十分复杂，基于网络通讯的逻辑控制算法和故障诊断策略也十分复杂。 设计和实现如此复杂和庞大的系统，无论是在设计和实现系统的网络通讯 协议和内部逻辑控制算法上，还是在列车运行后期维护中的故障诊断上， 都迫切需要一个地面仿真测试试验平台，以满足列车网络控制系统的设 计、开发、验证、维护的各个阶段，实现对列车的网络通讯协议、逻辑控 制算法、网络控制系统性能、故障诊断策略等方面的分析及测试验证，支 持列车网络控制系统的联调联试，及早地、最大程度地通过仿真测试试验 平台排除可能的设计错误，快速定位故障查找原因，降低实车运行带来的 各种技术风险和成本。

发明内容

本发明提供一种列车网络控制软件仿真测试系统及仿真测试装置，服务 于列车网络控制软件的设计、开发和测试，以提高开发的灵活性和适应性， 缩短开发周期。

本发明的第一个方面是提供一种仿真测试装置，包括：

人机交互单元，用于接收输入的实验需求信息和执行结果，该实验需求 信息包括：受控对象需求信息、电气线路需求信息、接口需求信息及实验参 数信息；

受控对象创建单元，用于依据接收的所述受控对象需求信息创建相应的 受控设备模型；

车载电气连接创建单元，用于依据接收的所述电气线路需求信息创建相 应的车载电气线路模型以实现各受控设备模型之间的电气连接；

仿真接口创建单元，用于依据接收的所述接口需求信息创建相应的接口 驱动模型以实现各受控设备模型之间的数据通信；以及，

仿真控制单元，用于接收所述实验参数信息，并依据该实验参数分别按 照预设的各功能程序执行以实现所述受控设备模型、车载电气线路模型以及 接口驱动模型的功能，输出执行结果。

本发明的另一个方面是提供一种列车网络控制软件仿真测试系统，包 括：至少一个牵引控制单元测试系统，所述牵引控制单元测试系统包括网络 控制系统核心设备及仿真测试装置；其中，

所述仿真测试装置为上述的仿真测试装置；

所述的网络控制系统核心设备包括至少一个中央控制单元(Central  Control Unit，简称CCU)；

所述的中央控制单元接入至车辆总线和列车总线；

所述的中央控制单元与所述仿真测试装置硬线电气连接，实现模拟/数字 输入/输出信号的交互；

所述仿真测试装置接入至所述车辆总线；

两个或两个以上的牵引控制单元测试系统中的仿真测试装置之间经以太 网连接。

本发明第一个方面的技术效果是：本发明提供的列车网络控制软件仿 真测试系统，可以直接应用于高速动车组网络控制系统软件的设计、开 发、验证；为整车控制逻辑、故障诊断逻辑的开发提供测试平台，减少 实车考核带来的各种风险。

本发明另一个方面的技术效果是：本发明提供的仿真测试装置，灵活性 和适应性高，可快速搭建任意车载被控对象的实验模型为不同系统提供测试 服务，有效缩短开发周期，降低经济成本。

附图说明

图1为本发明提供的仿真测试装置实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的列车网络控制软件仿真测试系统的实施例一的结构 示意图；

图3为本发明提供的列车网络控制软件仿真测试系统的实施例二的结构 示意图。

具体实施方式

如图1所述，本发明提供的仿真测试装置实施例的结构示意图。本实施 例的仿真测试装置包括：人机交互单元1、受控对象创建单元3、车载电气 连接创建单元4、仿真接口创建单元5和仿真控制单元2。其中，所述人机交 互单元1用于接收输入的实验需求信息和执行结果。该实验需求信息包括： 受控对象需求信息、电气线路需求信息、接口需求信息及实验参数信息。所 述受控对象创建单元3用于依据接收的所述受控对象需求信息创建相应的受 控设备模型。所述车载电气连接创建单元4用于依据接收的所述电气线路需 求信息创建相应的车载电气线路模型以实现各受控设备模型之间的电气连 接。所述仿真接口创建单元5用于依据接收的所述接口需求信息创建相应的 接口驱动模型以实现各受控设备模型之间的数据通信。所述仿真控制单元2 用于接收所述实验参数信息，并依据该实验参数分别按照预设的各功能程序 执行以实现所述受控设备模型、车载电气线路模型以及接口驱动模型的功 能，输出执行结果。其中，上述实现需求信息中所述的实验参数信息，在实 际的列车网络控制中可以具体是司机控制台发出的控制指令信息。

使用本实施例所述的仿真测试装置可搭建任意实验模型，能有效的 缩短系统开发周期，降低经济成本。本实施例可为各子系统供应商或开 发人员提供各种测试服务，帮助验证子系统所能实现的功能。

上述实施例中，所述的接口驱动模型包括：车辆总线接口驱动模型、模 拟/数字输入/输出接口驱动模型和/或以太网接口驱动模型。其中，车辆总线 接口驱动模型可以是：MVB(Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线) 总线接口驱动模型、CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)接 口驱动模型或其它类现场总线接口驱动模型。车辆总线接口驱动模型用于为 经车辆总线连接的各功能模块提供控制信息输入或输出的接口。所述模拟/ 数字输入/输出接口驱动模型用于为中央控制单元和经电气线路与仿真测试 装置连接的外接设备提供模拟信号或数字信息的输入或输出接口。例如对高 压系统参数，如网压和网流等的采集以及对外部关键设备，如主断器的直接 控制。所述以太网接口驱动模型用于为经以太网连接的两个仿真测试装置提 供数据信息输入或输出接口，并模拟列车两个牵引单元间的硬线电气连接信 号。另外，为能满足不同类型控制系统的测试实验，上述实施例中，所述的 车载电气连接创建单元创建的车载电气线路模型包括：高压电气线路子模 型、中压电气线路子模型和低压电气线路子模型中的任意一个或任意组合。

如图2所述，本发明提供的列车网络控制软件仿真测试系统实施例一的 结构示意图。本实施例所述列车网络控制软件仿真测试系统包括一个牵引控 制单元测试系统。所述牵引控制单元测试系统包括仿真测试装置7及至少一 套网络控制系统核心设备。其中，所述仿真测试装置7可以是上述提供的仿 真测试装置实施例。所述的网络控制系统核心设备包括中央控制单元。所述 的中央控制单元接入至车辆总线8和列车总线9，以实现列车级和车辆级网 络的通信和信息共享。所述的中央控制单元与所述仿真测试装置7硬线电气 连接，如图中所示的经硬线电气线路11连接，为中央控制单元提供模拟和数 字输入输出信号。所述仿真测试装置7接入至所述车辆总线8，与网络控制 系统核心设备之间实现网络通信并实现车辆级网络的通信与信息共享。中央 控制单元采用与实际列车一样的硬件，并且装载的软件是将来要装车运行的 被测软件，其中，中央控制单元的控制软件用于实现整车的逻辑控制和管理 功能。通常情况下，列车的一个牵引控制单元中包括两套网络控制系统核心 设备，如图2所示，这两套网络控制系统核心设备的中央控制单元分别为第 一中央控制单元601和第二中央控制单元602，这种双机冗余设计可以在一 个中央控制单元出现故障时，另一个可以完全代替其工作，提高了系统的可 靠性。

进一步地，如图2和3所示，上述的各实施例中所述的列车网络控制软 件仿真测试系统中所述网络控制系统核心设备还包含司机显示屏，所述的司 机显示屏通过总线接入到车辆总线中，该司机显示屏采用实际列车上使用的 司机室显示屏。中央控制单元和司机显示屏之间通过MVB总线进行通讯， 并通过MVB总线和仿真测试装置交换数据和共享信息。司机显示屏除了为 司机提供人机交互接口，作为整车故障诊断系统的核心设备，还运行列车网 络控制系统的诊断软件以实现对整车的故障诊断。所述显示屏的设置是为了 更好地模拟列车的控制网络，测试者可通过列车中实际使用的显示屏观察到 列车运行过程中控制和管理的相关运行状态信息，并能够对整车进行故障诊 断同时实时显示故障信息。同样，所述司机显示屏采用双机冗余设计，在一 个司机显示屏出现故障时，另一个司机显示屏可代替工作。如图2和3所 述，设置两个司机显示屏分别为第一司机显示屏1001和第二司机显示屏 1002。

本实施例采用实际列车中的网络控制系统核心设备和仿真测试装置来构 建列车网络控制软件仿真测试系统，可以对中央控制单元的硬件功能及中央 控制单元的数据库、装载的应用软件进行验证。采用本实施例所述的列车网 络控制软件仿真测试系统无需搭建实际的硬件实验平台，除网络控制系统核 心设备以外的各设备均通过仿真测试装置来实现，降低了实验平台的搭建成 本、缩短了整个列车控制网络的开发周期。当列车控制系统的网络拓扑中的 某一个或几个设备发生变化时，只需改变仿真测试装置中创建的受控设备模 型、车载电气线路模型或接口驱动模型即可，无需花费大量人力和时间重新 搭建实际设备。另外，列车网络控制软件仿真测试系统易于扩展，几乎不用 做任何改动，列车网络控制软件仿真测试系统就可以在8辆编组和16编组列 车进行功能切换或扩展，模拟动车组的重联和解编下的各种工况。

现有技术中，列车都具有至少两个牵引控制单元，例如8辆编组的列车 具有2个牵引控制单元，16辆编组的列车具有4个牵引控制单元。为使本发 明所述的列车网络控制软件仿真测试系统与实际列车的控制网络拓扑结构相 符，本发明提供了列车网络控制软件仿真测试系统的第二个实施例。如图3 所示，本实施例所述列车网络控制软件仿真测试系统包括两个牵引控制单元 测试系统。这两个牵引控制单元测试系统结构相同，可用于模拟8辆编组的 列车网络控制系统。其中，每一个牵引控制单元测试系统的结构同上述实施 例一中所述的牵引控制单元测试系统。各牵引控制单元测试系统中的仿真测 试装置通过以太网12进行数据交互，以模拟实现两个仿真测试装置构成的 两个牵引控制单元模型之间的硬线连接。当然，本发明所述的列车网络控制 软件仿真测试系统中还可以包括两个以上的牵引控制单元测试系统以满足不 同编组的列车的控制实验。例如，列车网络控制软件仿真测试系统中包括4 个牵引控制单元测试系统，可用于模拟16辆编组的列车的四个牵引单元。 实际上，动车组通常配置有2个或4个牵引控制单元，其中牵引控制单元的 硬件配置和接口配置大部分是完全相同，采用本实施例相同的牵引控制单 元、相同的硬件模块或相同的接口驱动模型可直接复制获得，仅需对特殊的 模块进行重新设计，大大减少重复工作量，而且使整个系统也易于维护。

再进一步地，为了更真实的实现列车的控制网络，如图2和3所示，上 述各实施例中，所述的仿真测试装置的受控对象创建单元创建的受控设备模 型包括：高压系统模型、牵引系统模型、制动系统模型、辅助供电系统模 型、车门系统模型、空调系统模型、照明系统模型和火灾报警系统模型。

其中，动车组的高压系统由紧急断开环、牵引单元中间直流环节、 过分相装置、车顶高压线路隔离开关、受电弓、主断路器和主变压器等 部件构成。在测试实验时，上述实施例中仿真测试装置创建的高压系统 模型包括：车顶高压线路隔离开关功能实现子模型、主断路器功能实现 子模型和受电弓功能实现子模型。通过这些功能实现子模型的设置实现 了紧急断开环的控制、车顶隔离开关的控制、主断路器的控制和受电弓 的控制。

一般的动车组至少由两个对称布置的牵引单元组成，包括牵引控制 单元(Traction Control Unit，简称TCU)和牵引执行单元。例如8辆编组的 动车组01至04号车组成一个牵引单元，05至08号车组成另一个牵引单元。 一个牵引执行单元的具体设备包括牵引变压器、牵引变流器、牵引电机 和牵引传动装置。在测试实验过程中，只需实现牵引系统主电路，电机 模型，牵引控制单元和MVB交互功能这四部分。因此，在测试实验时， 上述实施例中仿真测试装置创建的牵引系统模型包括：牵引系统主电路 功能实现子模型、电机功能实现子模型和牵引控制单元功能实现子模型。 通过建立这几个功能实现子模型即可实现TCU的关断和接通控制，TCU 负载断开控制、牵引变流器状态监测、牵引设定值处理、对TCU生成的 牵引指令、牵引设定值分配、确定列车最大限速、为自动速度控制计算 列车最大牵引力，牵引力限值，输出当前牵引力和当前电制力。

制动系统由制动控制单元(Brake Control Unit，简称BCU)和产生制 动力的制动执行机构组成。在列车上，有两种制动力，一种是牵引系统 产生的电制动力；另一种就是制动系统产生的摩擦制动力。这两种制动 力之间的相互作用由BCU、TCU和CCU(Central Control Unit，中央控制 单元)进行调节控制。因此，在测试实验时，上述实施例中仿真测试装置 创建的制动系统模型包括：制动控制器功能实现子模型和制动执行机构 功能实现子模型。通过上述两功能实现子模型实现制动控制单元及制动 执行机构的功能模拟，实现制动控制过程的动态仿真和MVB通信。制动 系统模型应能模拟以下几个功能：紧急制动、常用制动、停放制动、自 动速度控制，并且实现了对紧急制动环、制动缓解环、停放制动监视环、 乘客紧急制动环、转向架监视环和火警监视环的功能。

现有列车中，8辆编组的动车组在02车和07车上的变压器上配备有一 个单辅助变流器单元，它们与头车的牵引变流器中间回路相连，在05车 和04车分别配备了一个双辅助变流器，分别与03车和06车的牵引变流器 的中间回路相连。在双辅助变流器和单辅助变流器的输入端之间有一根 电缆相连接，当一个牵引变流器失效时，可以从另一个继续有效的牵引 变流器同时给辅助变流器供电，即交叉供电。因此，在测试实验时中， 上述实施例中仿真测试装置创建的辅助供电系统模型主要包括：单辅助 变流器功能实现子模型、双辅助变流器功能实现子模型、蓄电池充电机 功能实现子模型及车载交直流负载功能实现子模型。辅助供电系统模型 实现了辅助变流器的功能模拟，对辅助负载设备的功能模拟，实现了辅 助设备及车载各种交直流负载设备的启动及关断过程的模拟，实现了辅 助变流器交叉供电过程的模拟，实现对蓄电池、充电机、直流110V负载 设备等的启动、正常运转及关断过程的动态仿真和MVB通信仿真。

车门系统包括内门系统和外门系统。内门是车厢与车厢之间通道门， 外门是旅客和司机上下车的车门。内门包括手动外端门、自动外端门、 单扇滑动门、双扇滑动门和内藏门。外门包括端部通道门和第三入口门。 在动车组上，每个车门都有一个车门控制单元(Door Control Unit，简称 DCU)，但是每节车中仅有一个DCU连接到MVB总线，该DCU称作主 DCU。每节车上各DCU之间通过CAN总线相连。上述实施例中所述车门 系统模型包括：车门控制单元功能实现子模块及车门执行机构功能实现 子模块。该车门系统模型应能够实现对内门的状态监视，对外门的集中 控制、分散控制及远程控制功能的仿真及MVB通信仿真。

空调系统安装在每辆车的车顶上，每辆车都装有一套废排单元。在 入口处，把循环通风采暖器集成在端墙、门口过道顶板或柜子盖上。在 每一个司机室都装有一套独立于客室的空调系统，可以精确地进行单独 调节。对于8辆编组的动车组来说，1列动车组上共有8个空调，每个空调 与CCU和其它空调之间进行通信。每个牵引单元内的空调中有一个主控 空调，通常为端车空调，如果端车空调发生故障则后继车的空调成为主 控空调。因此在测试实验时，上述实施例中所述空调系统模型应能实现 对空调系统的温度调节如制冷、制热、防冻保护、过热保护、预冷、预 热等工作模式的控制仿真及MVB通信功能的仿真。所述空调系统模型包 括：空调控制单元功能实现子模型及空调执行机构功能实现子模型。

照明系统分内部照明和外部照明。动车组的头车安装信号照明设备。 信号照明由1个上部信号头灯，2个头灯，2个信号灯以及2个指示联挂准 备就绪信号灯组成。上述实施例中所述的照明系统模型应能实现外部照 明和内部照明的各种控制功能，并在软件环境中实时显示灯的状态。

火灾报警控制系统由传感器、火灾报警环路和火灾报警控制中心组成。 其中：传感器包括烟雾传感器、温度传感器等，用于采集可能的火灾信号。 火灾报警环路独立于列车总线，不与MVB相连。火灾报警环路中包括接触 器，根据实际情况断开或连通火灾报警环路。火灾报警控制单元与CCU通 信连接。在测试实验时，上述实施例中所述仿真测试装置创建的火灾报警系 统模型包括：传感器功能实现子模型、火灾报警控制单元功能实现子模型及 报警执行设备功能实现子模型；通过这几个功能子模型即可实现火灾报警系 统中各种控制工况及火灾发生后各种保护措施的模拟。

列车上除为列车各种交流、直流设备提供供电的高压、中压、低压电气 线路外，为了确保列车的安全可靠运行，独立于列车网络控制系统外，列车 还设计有硬线控制回路和列车线，作为冗余备份控制和保护列车。在测试实 验时，上述实施例中所述仿真测试装置创建的车载电气线路模型主要完成对 牵引单元内的高压、中压、低压等各种级别电气线路的功能模拟及仿真，模 拟的设备和线路包括车载的各种控制和保护开关、继电器、指示灯、司机控 制器等电气器件以及器件间电气连接线路、安全环路、列车线等电气硬线线 路，还包括与这些设备和线路相连的车辆输入输出接口网络设备。通过该模 型可实现对车载电气线路、安全环路、列车线等电气设备和电气线路的功能 模拟和验证。此外，对新设计的列车电气线路可以在实物搭建前，利用搭建 的模型对设计进行快速的分析和验证。

实际应用时，上述各实施例中所述的仿真测试装置可通过一台运行 ControlBuild(自控软件设计工具，以下简称CB)仿真软件的工控计算机 来实现。仿真测试装置可在CB仿真软件的环境下开发创建所需的被控对 象模型包含两部分仿真，一部分为动车组的低压、中压和高压电气系统 等车载电气线路的仿真，另一部分是列车各受控子系统的仿真，如高压 系统模型、牵引系统模型、制动系统模型、辅助供电系统模型、车门系 统模型、空调系统模型、照明系统模型和火灾报警系统模型。

为了实现仿真系统与外部网络控制系统核心设备和/或其它仿真测试 装置间的通信，在该工控机上还扩展了MVB总线通讯网卡、以太网通讯 网卡和模拟/数字输入输出板卡。其中，MVB总线通讯网卡完成牵引单元 内车辆总线MVB总线的通信功能；以太网通讯网卡完成牵引单元间的以 太网通讯，实现对牵引单元间的硬线连接；模拟/数字输入输出板卡实现 模拟和数字信号的输入输出接口，为中央控制单元上的模拟/数字输入输 出板卡提供信号连接。

在利用本发明开发实现的列车网络控制系统软件仿真测试平台时， 各个受控子系统之间以及它们与真实的网络核心设备如中央控制单元和 司机显示屏之间均需要进行MVB网络通信，才能实现动车组中列车网络 控制系统的各种功能。作为通用仿真软件的CB自身没有提供这样的接口， 需要通过CB软件的二次开发实现MVB网络驱动功能因此，在运行CB软件 的工控计算机中集成了MVB通信网卡，基于网卡的底层硬件接口函数和 CB软件的二次开发接口，开发满足仿真需求的MVB网络驱动程序，实现 了软件仿真系统的MVB总线驱动接口驱动模型。仿真系统通过MVB总线 驱动接口驱动模型为网络控制系统的核心设备提供运行环境和信号激 励，从而使整个仿真平台形成一个闭环的控制系统，使系统能完整地模 拟整个列车网络控制系统中上层中央控制单元和下层所有受控子系统之 间的控制过程以及状态响应过程，实现列车各种运行工况的模拟。

在软件仿真测试平台中，每个牵引单元对应1个CB仿真系统，仅实现 了对牵引单元内部的电气线路仿真，对于贯穿于牵引单元之间的硬线如安全 环路、列车线等线路，由于需要牵引单元外部的信号，因此在CB内无法单 独实现模拟，需要牵引单元之间采用以太网信息传输线路状态信息，实现协 同仿真。两个仿真测试装置即两台工控计算机的CB仿真系统之间需要通过 以太网信息传输实现两个牵引控制单元之间硬线信息的传递。因为CB仿真 软件没有直接提供以太网的通讯接口，为此需要基于CB仿真软件提供的二 次开发接口，采用共享内存方式实现两个CB仿真系统之间的以太网信息传 输，从而实现整个列车的车载电气线路和各种运行工况的完整模拟。

上述软件仿真测试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，可以开发验证列车网络通讯协议、 整车控制逻辑、故障诊断逻辑以及整车电气系统，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。

软件仿真测试平台投入运行后，在12辆编组高速动车组的网络控制 软件研发中发挥了重要作用，利用该平台完成了列车控制软件的设计、 测试和验证，确保了京沪线提速试验的成功完成。该平台还多次对武广 线、京沪线运营列车上发生的故障进行模拟复现，快速准确地定位了故 障原因，及时提供了相应的解决方案。

本发明实现的列车网络控制系统软件仿真测试平台，可以直接应用 于新一代高速动车组网络控制系统的设计开发，能够全面地对列车网络 控制系统的整车控制逻辑、故障诊断逻辑、网络通信协议以及整车电气 系统实施评估和验证，排除可能的设计错误，加快产品的研发周期，降 低实车的生产调试成本和技术风险。在后期的产品维护期，软件仿真测 试平台可以模拟动车组在正常运行环境或异常条件下的各系统响应和反 馈，快速实现故障复现模拟及故障解除方案验证，准确确定软件设计缺 陷，快速定位故障查找原因。因此，列车网络控制系统软件仿真测试平 台是一个服务于列车网络控制系统研发全生命周期的开发测试平台，是 列车网络控制系统设计研发的一个必不可少的工具和手段。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替 换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。