ATP設(shè)備國產(chǎn)化輔助開發(fā)仿真平臺的設(shè)計
摘 要：針對ATP設(shè)備國產(chǎn)化的要求，本文介紹了一個完整的輔助開發(fā)仿真平臺的設(shè)計思路、設(shè)計過程以及設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞：ATP設(shè)備國產(chǎn)化、輔助開發(fā)、仿真
引言：
同其他運輸方式相比，鐵路運輸具有能力大、能耗低、污染小等顯著特點。為了更好的發(fā)揮鐵路運輸（包括大型鐵路、地鐵、輕軌等）的優(yōu)勢，鐵路的自動化控制設(shè)備的性能便顯得尤其重要。但是目前國內(nèi)的研發(fā)工作，對于新研發(fā)設(shè)備的試驗、功能的驗證、甚至在開發(fā)過程中的調(diào)試上，手段仍然比較落后。我們傳統(tǒng)的鐵路設(shè)備開發(fā)過程、在設(shè)備樣品制成后，主要是通過人工的方法，例如通過控制模擬盤的開關(guān)，控制繼電器的吸起或落下，再通過人工的方法來觀察設(shè)備的響應(yīng)情況，以此來判斷系統(tǒng)工作的正確性。最終，我們還需要，把設(shè)備安裝到試驗道上，進行長時間的測試，以保證其穩(wěn)定性、安全性、可靠性。
無疑，這個開發(fā)的過程是繁瑣的、無論從時間或投資來考慮，效率都比較低。存在的主要問題是：人力資源的浪費，我們大量的優(yōu)秀工程師，不得不花大量的時間去扳動繼電器的開關(guān)；物力的浪費，每次試驗，我們都需要制作相應(yīng)的模擬盤；財力的浪費，每次試驗道的開通試驗都意味著巨大的開銷。隨著計算機技術(shù)發(fā)展的日新月異，計算機仿真技術(shù)，已經(jīng)作為一門相對成熟的技術(shù)，普遍應(yīng)用于各個行業(yè)，為各行業(yè)的快速發(fā)展提供了有利的技術(shù)保障。例如，航空、航天模型的研制，有利的縮短了航空技術(shù)研制開發(fā)的過程；各種通信模型的建立，有助于我們更好的研究不同通信模式的優(yōu)缺點，以及它們之間協(xié)作起來的瓶頸，方便我們進行設(shè)計、優(yōu)化。因此，我們試圖建立一個鐵路的仿真模型，它的主要目的是，向鐵路的自控設(shè)備提供一個鐵路實際情況的仿真環(huán)境。通過它，我們的設(shè)備開發(fā)過程，不再需要大量的人力用在搭建測試環(huán)境上；通過它，我們的設(shè)備在室內(nèi)就可以進行比較全面的測試，避免過多的試驗道測試的開銷。目前，它的主要任務(wù)是為中國鐵路通號總公司開發(fā)的ATP設(shè)備提供相應(yīng)的仿真測試平臺。
1. ATP設(shè)備的工作原理
ATP設(shè)備可以簡單的分為區(qū)控中心、車載設(shè)備、軌道電路三大部分。如下圖所示：
圖1 ATP設(shè)備原理圖
這里鑒于篇幅所限，簡單的概括一下它們的功能。區(qū)控中心通過聯(lián)鎖控制線路的設(shè)備，和通過軌道電路接收列車的位置，進行相應(yīng)的限速編碼編制，然后再通過軌道電路發(fā)送到各區(qū)段軌面上。 軌道電路接收區(qū)控中心發(fā)送的限速編碼，調(diào)制后發(fā)送到軌面上，并從軌道上接收軌道的占用信息，獲取列車的運行位置，發(fā)送給區(qū)控中心。 車載設(shè)備從軌面上接收限速編碼，同時檢查現(xiàn)有的列車運行狀態(tài)，如果列車超速，則進行制動。
我們把整個ATP的工作過程抽象一下，如下圖所示：
圖2. 業(yè)務(wù)流程圖
其中，車載設(shè)備、區(qū)控中心，以及軌道電路，我們都有實際開發(fā)出的設(shè)備。為了讓這個工作過程可以在室內(nèi)完整的實現(xiàn)，需要我們做的就是在室內(nèi)仿真出列車和線路來，然后通過向?qū)嶋H設(shè)備提供相應(yīng)的接口，我們完全可以實現(xiàn)在室內(nèi)向?qū)嶋H設(shè)備提供完整的運行環(huán)境。2. 設(shè)計方案
2.1. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)以上的分析，我們設(shè)計并實現(xiàn)了兩個主要模型，設(shè)備運行環(huán)境模型和列車動力學(xué)模型。 其中，列車動力學(xué)用來仿真實際運行中的列車，向車載設(shè)備提供運行的環(huán)境。設(shè)備運行環(huán)境模型仿真鐵路線路的各種組成設(shè)備，包括線路、軌道、道岔、區(qū)段，以及它們的拓撲關(guān)系。有了這兩個模型，就相當(dāng)于向?qū)嶋H的ATP設(shè)備提供了運行的基礎(chǔ)環(huán)境。 為了使仿真試驗的效率更高，我們還設(shè)計并實現(xiàn)了模擬列車駕駛臺、模型控制顯示、模擬區(qū)控中心、模擬車載設(shè)備、軌道電路仿真模型、軌道電路測試等軟件。
整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：
設(shè)備運行環(huán)境模型
這個軟件模塊用于實現(xiàn)對現(xiàn)實世界中軌道線路設(shè)備及軌道電路的仿真，仿真設(shè)備在控制系統(tǒng)控制下的各種狀態(tài)，動作。通過對實際控制設(shè)備控制對象的這種仿真，為設(shè)備的測試提供工作的環(huán)境。
列車動力學(xué)模型
這個軟件模塊仿真單個列車的運行狀態(tài)，仿真列車的速度、運行距離、牽引力、制動力等屬性和狀態(tài)，為實際車載設(shè)備的測試提供被控的實體模型，提供測試的環(huán)境。
模擬機車駕駛臺
這個軟件用于模擬機車駕駛臺的功能。通過它，可以控制列車動力學(xué)，相當(dāng)于通過駕駛桿來控制列車的運行狀態(tài)。為測試車載設(shè)備的功能提供一個完整列車運行仿真。
模型控制顯示
這個軟件用于對整個仿真系統(tǒng)中的各個模型進行控制。通過它，可以進行模型的選擇，模型的配置，運行的啟動、終止等控制；還可以對系統(tǒng)中的各種設(shè)備模型進行控制，手動控制它們的狀態(tài)、強制設(shè)置各種故障，觀察實際設(shè)備的反應(yīng)，完成各種測試任務(wù)。
各種ATP設(shè)備的仿真軟件
由于整個ATP系統(tǒng)運行的完整性要求，而且為了在測試時，即使缺少某些ATP設(shè)備，通過用軟件來仿真各種ATP設(shè)備，也可以實現(xiàn)完整的測試過程。
各種對ATP設(shè)備的接口軟件
通過這些軟件，可以把實際設(shè)備和仿真模型完全隔離開來。當(dāng)模型或ATP設(shè)備升級后，只需要簡單修改一下接口軟件，就可以完成系統(tǒng)的升級了。
3. 這樣設(shè)計的目的
保證兩個主要模型的通用性
在這個設(shè)計中，列車動力學(xué)模型、設(shè)備運行環(huán)境模型，被各種專門的接口軟件完全和實際設(shè)備隔離開來。這樣，如果要有新的鐵路自動化設(shè)備接入，只需要修改接口軟件就可以了，可以保證主要模型的一次開發(fā)，多次應(yīng)用的能力。
保證整個系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性
通過對區(qū)控中心的軟件模擬，可以使得我們在實際區(qū)控中心沒有接入時，也可以對車載設(shè)備提供完整的測試環(huán)境。
保證系統(tǒng)的實用性
通過系統(tǒng)提供的和模擬機車駕駛臺相連的駕駛桿，試驗人員可以簡單的進行列車牽引、制動、惰行等控制，極大的方便了對車載設(shè)備的測試過程。通過系統(tǒng)的控制顯示軟件，可以監(jiān)視系統(tǒng)中各個模塊的運行情況，監(jiān)視模型中每個設(shè)備的狀態(tài)變化，并能人工設(shè)置各種故障，完全再現(xiàn)現(xiàn)場的種種可能，實現(xiàn)對設(shè)備的完全測試。
4. 實現(xiàn)方式的選擇
系統(tǒng)的骨干部分建立在DCOM組件基礎(chǔ)上，可以保證軟件的可移植性。DCOM好處之一在于，當(dāng)我們對其中的一些組件進行升級改造的時候，可以減少對其它組件的影響。 ? 系統(tǒng)中每個模塊都是一個獨立的組件，他們可以被分配到不同的機器上運行，也可以置于同一臺機器上運行，可以根據(jù)模型仿真的數(shù)據(jù)量及系統(tǒng)性能而定。
5. 結(jié)束語
按照國家ATP國產(chǎn)化的要求，我們進行了輔助開發(fā)平臺設(shè)計開發(fā)。本系統(tǒng)的開發(fā)與實際設(shè)備的開發(fā)緊密結(jié)合，同時也考慮了系統(tǒng)將來的擴展能力，為實際設(shè)備的開發(fā)提供了有力的支持，取得了良好的效益。
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文章出處：中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會首屆中青年專家論文集
原文作者：曹崇育（中國鐵路通信信號集團公司研究設(shè)計院）
