ATP設(shè)備國產(chǎn)化輔助開發(fā)仿真平臺的設(shè)計(jì)
摘 要：針對ATP設(shè)備國產(chǎn)化的要求，本文介紹了一個(gè)完整的輔助開發(fā)仿真平臺的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)過程以及設(shè)計(jì)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(yùn)輸方式相比，鐵路運(yùn)輸具有能力大、能耗低、污染小等顯著特點(diǎn)。為了更好的發(fā)揮鐵路運(yùn)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(yàn)、功能的驗(yàn)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(yàn)道上，進(jìn)行長時(shí)間的測試，以保證其穩(wěn)定性、安全性、可靠性。
無疑，這個(gè)開發(fā)的過程是繁瑣的、無論從時(shí)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(fèi)，我們大量的優(yōu)秀工程師，不得不花大量的時(shí)間去扳動繼電器的開關(guān)；物力的浪費(fèi)，每次試驗(yàn)，我們都需要制作相應(yīng)的模擬盤；財(cái)力的浪費(fèi)，每次試驗(yàn)道的開通試驗(yàn)都意味著巨大的開銷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的日新月異，計(jì)算機(jī)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(gè)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(diǎn)，以及它們之間協(xié)作起來的瓶頸，方便我們進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化。因此，我們試圖建立一個(gè)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(gè)鐵路實(shí)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(jìn)行比較全面的測試，避免過多的試驗(yàn)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(jìn)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(yùn)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(shí)檢查現(xiàn)有的列車運(yùn)行狀態(tài)，如果列車超速，則進(jìn)行制動。
我們把整個(gè)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(shí)際開發(fā)出的設(shè)備。為了讓這個(gè)工作過程可以在室內(nèi)完整的實(shí)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(shí)現(xiàn)在室內(nèi)向?qū)嶋H設(shè)備提供完整的運(yùn)行環(huán)境。2. 設(shè)計(jì)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主要模型，設(shè)備運(yùn)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(shí)際運(yùn)行中的列車，向車載設(shè)備提供運(yùn)行的環(huán)境。設(shè)備運(yùn)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?fù)潢P(guān)系。有了這兩個(gè)模型，就相當(dāng)于向?qū)嶋H的ATP設(shè)備提供了運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境。 為了使仿真試驗(yàn)的效率更高，我們還設(shè)計(jì)并實(shí)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(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：
設(shè)備運(yùn)行環(huán)境模型
這個(gè)軟件模塊用于實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)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(shí)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(gè)軟件模塊仿真單個(gè)列車的運(yùn)行狀態(tài)，仿真列車的速度、運(yùn)行距離、牽引力、制動力等屬性和狀態(tài)，為實(shí)際車載設(shè)備的測試提供被控的實(shí)體模型，提供測試的環(huán)境。
模擬機(jī)車駕駛臺
這個(gè)軟件用于模擬機(jī)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(yùn)行狀態(tài)。為測試車載設(shè)備的功能提供一個(gè)完整列車運(yùn)行仿真。
模型控制顯示
這個(gè)軟件用于對整個(gè)仿真系統(tǒng)中的各個(gè)模型進(jìn)行控制。通過它，可以進(jìn)行模型的選擇，模型的配置，運(yùn)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(jìn)行控制，手動控制它們的狀態(tài)、強(qiáng)制設(shè)置各種故障，觀察實(shí)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(gè)ATP系統(tǒng)運(yùn)行的完整性要求，而且為了在測試時(shí)，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(shí)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(shí)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(jì)的目的
保證兩個(gè)主要模型的通用性
在這個(gè)設(shè)計(jì)中，列車動力學(xué)模型、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境模型，被各種專門的接口軟件完全和實(shí)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(gè)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(shí)際區(qū)控中心沒有接入時(shí)，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(shí)用性
通過系統(tǒng)提供的和模擬機(jī)車駕駛臺相連的駕駛桿，試驗(yàn)人員可以簡單的進(jìn)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(gè)模塊的運(yùn)行情況，監(jiān)視模型中每個(gè)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(shí)現(xiàn)對設(shè)備的完全測試。
4. 實(shí)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(jìn)行升級改造的時(shí)候，可以減少對其它組件的影響。 ? 系統(tǒng)中每個(gè)模塊都是一個(gè)獨(dú)立的組件，他們可以被分配到不同的機(jī)器上運(yùn)行，也可以置于同一臺機(jī)器上運(yùn)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(jìn)行了輔助開發(fā)平臺設(shè)計(jì)開發(fā)。本系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)際設(shè)備的開發(fā)緊密結(jié)合，同時(shí)也考慮了系統(tǒng)將來的擴(kuò)展能力，為實(shí)際設(shè)備的開發(fā)提供了有力的支持，取得了良好的效益。
參考文獻(xiàn)：
[1] Averill M.Law W.David Kelton 《仿真建模與分析》 第三版。
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[3] 張 勇，基于移動自動閉塞條件的列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》，1999，Vol.11
[4] 郭彤城，ATP鐵路運(yùn)行仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》，1999，Vol.11.
文章出處：中國交通運(yùn)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(tuán)公司研究設(shè)計(jì)院）
