CN103926843A - 实现轨道交通信号系统通用仿真方法及仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法及仿真系统，仿真方法包括1)用例管理模块在FEP服务器数据库中建立相应的用例表；2)跑车模块把列车的控制命令往FEP服务器发送；3)FEP服务器接收控车命令；4)把接收到的消息发送给通信转发模块；5)通信转发模块把消息分发给不同的设备或者模拟器；6)模拟器接收到FEP服务器转发的消息，并通过解析；7)被测信号系统接收控制命令；仿真系统包括测试操作终端、FEP服务器、故障注入工具、模拟器和被测信号系统。与现有技术相比，本发明具有可以有效满足轨道交通信号系统的测试、检验和培训，可以通过半实物半仿真的方式灵活配置以节省成本、时间和空间等优点。

Description

实现轨道交通信号系统通用仿真方法及仿真系统

技术领域

本发明涉及一种轨道交通信号系统仿真技术，尤其是涉及一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法及仿真系统。

背景技术

轨道交通信号系统从设计、施工、监控和系统运营是一个系统的过程，涉及工程量大、投资高、系统复杂，而仅仅凭借经验，难以迅速发现掌握问题，因而不可能对已经建成的某条线路进行长期和全面的技术试验、人员培训等。借助于计算机仿真的手段对设备进行测试就能很好的解决这些问题。为了保证轨道交通信号系统的可靠运行，除了在设计中采用严格的方法外，在工程实施前必须对其进行严格的测试，在人员上岗前以及操作人员日常的专业培训也必须提供接近实际的仿真培训环境，大量事实显示，发生重大的行车事故往往都是因为操作人员业务不精所造成的，因此强化员工的专业水平是每一个运营部门重中之重的任务。然而，由于实际因素制约，若在现场通过实物进行系统完整测试或进行员工培训工作，每时每刻都会影响到行车安全，甚至是生命财产安全，且要耗费大量的人力和物力，因此难以进行。建立通用的城市轨道交通系统调度员仿真培训平台，可以为列车控制系统研究人员提供方便的研究平台，同时为地铁运营部门人员的培训，提高员工的专业业务水平提供强有力的仿真支持，因此具有十分重要的意义。实际上，将计算机仿真技术应用到城市轨道交通系统的仿真测试和操作人员的仿真培训上已成了一种必然的发展方向。

在现实使用中，由于种种原因，国内外对轨道交通信号系统仿真培训的研究与开发在技术上还存在以下一些问题：

1)可扩展性：随着轨道交通规模的扩大，线路上的车辆数量也大量增加，因此仿真系统必须能够具备容纳不断增加的仿真的车辆数量的需求。

2)通用性：目前的仿真平台都是针对特定厂商、特定型号的列车控制系统，不具有通用性。当对不同的系统进行测试时，通常需要大量的开发工作，影响了测试工作的效率。

3)易用性：为了完成测试和培训，需要进行相应的仿真模型配置、用例的设计、场景的设计、测试和培训结果分析。尽管目前的仿真平台可以对上述工作提供支持，但是从总体上缺乏一个有效的测试管理平台，并且无法对以前的测试配置进行重用。在各个环节上，也有提高其易用性的需求。

4)混合仿真：在实际仿真中，被测对象可以是模拟的，也可以是实际的，对车辆仿真中，可以是自动的，也可以是通过人员模拟驾驶的。仿真平台需要能够适应各种不同的配置方案，解决时间同步、人机交互、虚实切换等技术。

5)全方位的集成环境：目前业内在使用的信号人员仿真培训平台缺乏完整的全方位的地铁运营仿真环境，不能同时提供和真实环境接近的全方位环境：如仿真的联锁CBI，仿真的ATS，仿真的MSS，仿真的BM模式和仿真的CBTC模式等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法及仿真系统，可以有效满足轨道交通信号系统的测试、检验和培训，可以通过半实物半仿真的方式灵活配置以节省成本、时间和空间。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用例管理模块启动后，设备初始化模块对信号真实或仿真设备信息进行初始化，并按照设定的用例结构在FEP服务器数据库中建立相应的用例表；

2)用例建立以后，跑车模块和故障注入操作界面会自动进行平台设备的初始化，跑车模块把列车的控制命令往FEP服务器发送；

3)FEP服务器接收测试操作终端发过来的控车命令，并交给服务器内核处理模块；

4)服务器内核处理模块把接收到的消息，发送给通信转发模块；

5)通信转发模块一方面把接收到的消息交给存储模块存储到数据库中，另一方面把消息根据不同的目的地ID分发给不同的设备或者模拟器；

6)各种不同的模拟器，接收到FEP服务器转发的消息，并通过解析，实现对被测信号系统或者真实信号系统的控制；

7)被测信号系统接收控制命令后，进行不同的动作，同时把反馈信息回送给各种不同的模拟器；

8)模拟器再把反馈信息返回给FEP服务器，再通过FEP服务器转发给测试操作终端，并同时把结果存储到数据库；

9)测试操作终端通过查询数据库，实现对结果的查询和分析。

一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，包括测试操作终端、FEP服务器、故障注入工具、模拟器和被测信号系统，所述的FEP服务器分别与测试操作终端、模拟器连接，所述的故障注入工具与模拟器连接，所述的模拟器和被测信号系统连接。

所述的测试操作终端包括用例管理模块、跑车模块和故障注入模块；

所述的用例管理模块建立相应的用例表，用来记录发送与接收的消息，并通过数据库查询进行结果的辅助分析；

所述的跑车模块可对多辆仿真车辆通信进行控制，实现跑车操作；

所述的故障注入模块在用例执行的过程中，注入各种故障类消息，实现特殊场景的模拟。

所述的FEP服务器包括服务器内核模块、数据库和ACE通信层，所述的服务器内核模块分别与数据库和ACE通信层连接，所述的ACE通信层分别与测试操作终端、模拟器连接。

所述的服务器内核模块包括通信转发模块、执行回放模块和存储模块，所述的通信转发模块分别与执行回放模块和存储模块连接，所述的执行回放模块和存储模块分别与数据库连接，所述的通信转发模块与ACE通信层连接。

所述的FEP服务器支持所有的网络，包括安全网、非安全网和测试网，能对所有网络上的数据包进行控制和访问；同时FEP服务器具备通信节点的动态扩展能力，只要是遵守iVP简单通信协议结构的消息节点，都可通过配置的方式动态加入到该仿真系统中。

所述的故障注入工具采用动态库DLL的方式工作，可以模拟器调用并实现故障注入。

所述的模拟器包括仿真或真实CC、仿真或真实ATS、仿真或真实MSS、仿真或真实联锁、联锁适配器、仿真轨旁设备、NI仿真机车。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过本发明，可以有效满足轨道交通信号系统的测试、检验和培训，可以通过半实物半仿真的方式灵活配置以节省成本、时间和空间。所具备的特点可满足以下用户使用群：

1、轨道交通信号系统供应商

1)为轨道交通信号系统的产品开发和工程实施提供室内运行、调试、测试、测量环境和／或工具；

2)对于轨道交通信号系统各子系统分别由不同供应商提供的工程项目，各供应商可分别在本测试平台预调，以减少等待各供应商同步联调的时间。

2、轨道交通信号系统运营商

(1)作为员工操作培训平台；

(2)作为设备或软件的检修试验平台；

(3)作为事故事后追踪和模拟的仿真平台。

3、轨道交通信号系统试验中心

(1)向各个轨道交通信号系统供应商提供集成调试环境；

(2)对于实物有限的场合，可构建部分实物、部分仿真的试车环境。

4、轨道交通信号系统认证机构

(1)向各个轨道交通信号系统供应商提供认证测试服务，发放许可证。

5、学校等科研院所

(1)向研究人员提供仿真实验平台。

附图说明

图1为本发明仿真方法的流程图；

图2为本发明仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法，包括以下步骤：

1)用例管理模块启动后，设备初始化模块对信号真实或仿真设备信息进行初始化，并按照设定的用例结构在FEP服务器2数据库中建立相应的用例表；

2)用例建立以后，跑车模块和故障注入操作界面会自动进行平台设备的初始化，跑车模块把列车的控制命令往FEP服务器2发送；

3)FEP服务器2接收测试操作终端1发过来的控车命令，并交给服务器内核处理模块；

4)服务器内核处理模块把接收到的消息，发送给通信转发模块；

5)通信转发模块一方面把接收到的消息交给存储模块存储到数据库中，另一方面把消息根据不同的目的地ID分发给不同的设备或者模拟器：

6)各种不同的模拟器，接收到FEP服务器2转发的消息，并通过解析，实现对被测信号系统或者真实信号系统的控制；

7)被测信号系统接收控制命令后，进行不同的动作，同时把反馈信息回送给各种不同的模拟器；

8)模拟器再把反馈信息返回给FEP服务器2，再通过FEP服务器2转发给测试操作终端1，并同时把结果存储到数据库；

9)测试操作终端1通过查询数据库，实现对结果的查询和分析。

如图2所示，一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，包括测试操作终端1、FEP服务器2、故障注入工具3、模拟器和被测信号系统，所述的FEP服务器2分别与测试操作终端1、模拟器连接，所述的故障注入工具3与模拟器连接，所述的模拟器和被测信号系统连接。

所述的测试操作终端1包括用例管理模块、跑车模块和故障注入模块；所述的用例管理模块建立相应的用例表，用来记录发送与接收的消息，并通过数据库查询进行结果的辅助分析；所述的跑车模块可对多辆仿真车辆通信进行控制，实现跑车操作；所述的故障注入模块在用例执行的过程中，注入各种故障类消息，实现特殊场景的模拟。

所述的FEP服务器2包括服务器内核模块21、数据库22和ACE通信层，所述的服务器内核模块21分别与数据库22和ACE通信层连接，所述的ACE通信层分别与测试操作终端1、模拟器连接。

所述的服务器内核模块21包括通信转发模块211、执行回放模块213和存储模块212，所述的通信转发模块211分别与执行回放模块213和存储模块212连接，所述的执行回放模块213和存储模块212分别与数据库22连接，所述的通信转发模块211与ACE通信层连接。

所述的FEP服务器2支持所有的网络，包括安全网、非安全网和测试网，能对所有网络上的数据包进行控制和访问；同时FEP服务器2具备通信节点的动态扩展能力，只要是遵守iVP简单通信协议结构的消息节点，都可通过配置的方式动态加入到该仿真系统中。

所述的故障注入工具采用动态库DLL的方式工作，可以模拟器调用并实现故障注入。由于采用DLL方式，可以极大程度上实现程序和代码的复用。故障注入工具采用INI配置文件的方式实现故障消息的动态配置，在故障注入工具中，带有API HOOK钩子功能，可以钩住任意要修改的消息，并调用载体本身的发送函数，实现消息的消息体结构篡改、延迟、故障注入次数等控制。

所述的模拟器包括仿真或真实CC、仿真或真实ATS、仿真或真实MSS、仿真或真实联锁、联锁适配器、仿真轨旁设备、NI仿真机车。

可采用真实的CC、ATS、MSS，也可采用仿真CC、ATS、MSS。其中仿真CC单个程序可仿真最多256辆列车，同时遵循真实的信号逻辑。仿真ATS、MSS和真实的ATS、MSS功能完全一致；

仿真联锁采用单个联锁VLE板仿真单站的方式，极大程度上可以减少设备的空间占用率和成本。通过联锁适配器，可以对仿真联锁实现操作，具备的信号逻辑和真实联锁一致。

采用虚拟现实技术，实现所有轨旁设备的虚拟仿真，包括信号机、道岔、轨道、信标、屏蔽门等轨旁设备。

利用美国国家仪器公司的NI机箱设备，及相应的板卡实现编码里程计、信标等模拟信号的仿真，同时利用数字输入输出板，实现CC车载机架的继电器接口仿真。

本发明可实现以下仿真：

1)仿真某条地铁线的所有相关线路设备，包括轨道、二次侦测设备(轨道电路或计轴设备)、道岔、信号机、信标、站台、紧急按钮、屏蔽门、防淹门、计算机联锁接口继电器等；

2)仿真1～256辆虚拟列车(如果该条地铁线容量足够大)，包括列车位置、车头和车尾位置、列车前轮和后轮位置、信标天线位置等的计算和显示；

3)用NI设备仿真1套真实机车，包括车辆继电器、编码里程计、信标天线、TIMS(列车信息管理系统)；

4)在Windows环境下设计出一套仿真驾驶台，能同时控制256辆机车；

5)仿真1～256套自动列车防护子系统和自动列车驾驶子系统；

6)仿真1～24套区域控制器；

7)仿真1套线路控制器；

8)仿真1～24套计算机联锁子系统；

9)仿真1套自动列车监控子系统；

10)仿真1套MSS系统，为后续维保工作打下基础。

本发明的专业术语解释如下：

iCMTC：Intelligent Communicate Moving-Block Controller，基于通信的移动闭塞控制系统，自主化的地铁列车控制系统；

CC：Carbone Controller，车载控制系统，包括车载ATP(列车自动防护)和车载ATO(列车自动驾驶)；

CBTC：Communication Based Train Controller，基于通信的列车控制系统；

ZC：Zone Controller，区域控制系统，相当于高铁列控系统中的无线闭塞中心；

LC：Line Controller，线路控制系统，相当于高铁列控系统中的临时限速服务器；

ATS：Automatic Train Supervision，自动列车监督系统，相当于高铁的CTC调度系统；

LATS：Local ATS，车站ATS工作站，相当于CTC中的自律机；

CATS：Centre ATS，中心ATS工作站；

CBI：Computer Based Interlock，计算机联锁；

DMI：Driver Machine Interface，人机交互界面，司机的信号显示屏；

FEP服务器：Front End Processor。仿真平台的通信管理服务器；

RS：Rolling Stock，车辆；

ACE：Adaptive Communication Environment，一种开源的自适应的网络通信环境；

MFC：Micro Foundation Class，微软标准类库；

iVP：Intelligent Validation Platform，智能仿真验证平台；

TSP：Trackside Safety Platform，轨旁安全平台。

本发明测试操作终端设有HMI，该HMI包括1)仿真线路设备操作显示界面；2)仿真列车、机车、自动列车防护子系统和自动列车驾驶子系统的操作显示界面；3)仿真区域控制器操作显示界面；4)仿真线路控制器操作显示界面；5)仿真计算机联锁子系统操作显示界面；6)仿真自动列车监控子系统操作显示界面。

本发明已经被成功应用于卡斯柯自主化轨道交通控制系统(iCMTC)的室内测试，可以同时仿真测试ATC系统、ATS系统和联锁，满足了iCMTC各个阶段的产品测试和系统测试，并成功支持了iCMTC的第三方测试见证，充当了第三方测试验证平台。同时基于该发明，我们成功开发了一套高仿真度的培训演示系统，可实现多车多模式、多信号工种角色的联动操作和培训，后续可继续基于该发明，收集更为具体的地铁运营单位的需求，研发出功能更为强大的仿真培训平台，极大程度上满足地铁运营单位的培训需求，为地铁信号人员的培训，提供强大的平台支持，同时为信号系统维保人员提供仿真平台支持，提高地铁运营方的运维能力。

Claims (8)

1.一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用例管理模块启动后，设备初始化模块对信号真实或仿真设备信息进行初始化，并按照设定的用例结构在FEP服务器数据库中建立相应的用例表；

2)用例建立以后，跑车模块和故障注入操作界面会自动进行平台设备的初始化，跑车模块把列车的控制命令往FEP服务器发送；

3)FEP服务器接收测试操作终端发过来的控车命令，并交给服务器内核处理模块；

4)服务器内核处理模块把接收到的消息，发送给通信转发模块；

5)通信转发模块一方面把接收到的消息交给存储模块存储到数据库中，另一方面把消息根据不同的目的地ID分发给不同的设备或者模拟器；

6)各种不同的模拟器，接收到FEP服务器转发的消息，并通过解析，实现对被测信号系统或者真实信号系统的控制；

7)被测信号系统接收控制命令后，进行不同的动作，同时把反馈信息回送给各种不同的模拟器；

8)模拟器再把反馈信息返回给FEP服务器，再通过FEP服务器转发给测试操作终端，并同时把结果存储到数据库；

9)测试操作终端通过查询数据库，实现对结果的查询和分析。

2.一种实施权利要求1所述的实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，包括测试操作终端、FEP服务器、故障注入工具、模拟器和被测信号系统，所述的FEP服务器分别与测试操作终端、模拟器连接，所述的故障注入工具与模拟器连接，所述的模拟器和被测信号系统连接。

3.根据权利要求2所述的一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，所述的测试操作终端包括用例管理模块、跑车模块和故障注入模块；

所述的用例管理模块建立相应的用例表，用来记录发送与接收的消息，并通过数据库查询进行结果的辅助分析；

所述的跑车模块可对多辆仿真车辆通信进行控制，实现跑车操作；

所述的故障注入模块在用例执行的过程中，注入各种故障类消息，实现特殊场景的模拟。

4.根据权利要求2所述的一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，所述的FEP服务器包括服务器内核模块、数据库和ACE通信层，所述的服务器内核模块分别与数据库和ACE通信层连接，所述的ACE通信层分别与测试操作终端、模拟器连接。

5.根据权利要求4所述的一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，所述的服务器内核模块包括通信转发模块、执行回放模块和存储模块，所述的通信转发模块分别与执行回放模块和存储模块连接，所述的执行回放模块和存储模块分别与数据库连接，所述的通信转发模块与ACE通信层连接。

6.根据权利要求4所述的一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，所述的FEP服务器支持所有的网络，包括安全网、非安全网和测试网，能对所有网络上的数据包进行控制和访问；同时FEP服务器具备通信节点的动态扩展能力，只要是遵守iVP简单通信协议结构的消息节点，都可通过配置的方式动态加入到该仿真系统中。

7.根据权利要求2所述的一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，所述的故障注入工具采用动态库DLL的方式工作，可以模拟器调用并实现故障注入。

8.根据权利要求2所述的一种实现轨道交通信号系统通用仿真方法的仿真系统，其特征在于，所述的模拟器包括仿真或真实CC、仿真或真实ATS、仿真或真实MSS、仿真或真实联锁、联锁适配器、仿真轨旁设备、NI仿真机车。