列控中心仿真测试技术的发展与应用_张大威

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几种仿真测试实例
基于着色 Petri 网 （ Colored Petri Net ） 的建
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列控中心仿真的核心问题
模与仿真 Petri 网建 模 方 法 是 形 式 化 建 模 方 法 的 一 种， 是一种系统的数学和图形描述、分析工具，具有图 形结 构 和 很 强 的 直 观 意 义 。 对于并发、 异步、 分
库所颜色集 INTxINTxSTRING INTxINTxSTRING INTxINTxSTRING INTxINTxSTRING INTxINTxSTRING INTxINTxSTRING INTxINTxINTxINTxSTRING INTxINTxINTxINTxSTRING
功能处理软件，生成信息实时监控界面，监控信息 正确接收和运行， 满足列控仿真系统平台的实现 需求。 例如： 列控中心系统顶层 CPN 模型如图 1 所 示，它包含 CBI、 TCI、 CTC 、 LEU 和 TCC 5 个替 代变迁，分别标识与列控中心信息交互子系统在列 控系统中的逻辑位置，各子系统与列控中心间交互 的信息传递用相应的库所予以设定 。列控中心与各 设备间的交互库所含义如表 1 所示。 通过层次化的建模技术，分别建立系统层、处 理层和功能层 3 层模型，使软件系统功能过程更加 直观和具体。除上面所描述的系统顶层外，列控中
心系统处理层、轨道电路占用信息处理层、临时限 速命令处理层、 临时限速功能层、 进路报文处理 层、进路报文功能层、应答器报文处理子网等均可 依此建模。 TOOLS 状态空间工具 在此基础上， 利用 CPN对模型的有界性 （ 确认库所资源不会无限增大而 导致系统运行终止 ） 和活性 （ 确认系统没有死循 环和死节点， 每个状态都是良好状态 ） 等性质进 行分析，验证轨道电路占用信息报文处理层模型和 进路报文功能层功能的正确性， 利用 “状态转移 查询” 确认系统对进路报文的处理， 最终完成对 功能层模型的确认工作，获得可靠的模型依据，从 而实现从功能需求到列控中心系统功 能模型化的建模过程。 在完成仿真模型的建立和验证后， 参照模型的体系架构， 结合实验室设 备， 在 计 算 机 操 作 平 台 上 使 用 C + + Builder 编程语言实现列控中心系统仿 真器 软 件 的 设 计， 并 通 过 集 成 测 试、 系统联调等步骤逐步提高仿真器软件 的 质 量， 最 终 实 现 仿 真 系 统 的 设 计 完善。 4. 2 测试 SED_ TSL （ ScenarioEvent Driven Test Script Language ） 是一种基于场景 —事件 驱 动 的 测 试 脚 本 语 言。 SED _ TSL 定义的测试脚本以被测系统的实际 运营场景为基础， 将运营场景定义为 相应的测试场景， 在测试场景中以测 基于 SED_ TSL 脚本技术的仿真
模型本身应便于模拟系统的各种行为 。同时，为使 仿真系统可以满足评价、分析、测试等性能，系统 还要能随时反映各子系统或功能模块之间的动态特 性，记录当前的各种状态和彼此关系 ，以便获取各 种参数。因此，列控中心仿真的核心问题首先是仿 真模型的建立，其次是仿真系统的开发。
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列控中心仿真系统功能需求
列控中心仿真系统主要是依据列控中心的技术 规范、接口协议、系统功能需求、设备配置等进行 仿真，做到与列控中心的功能相一致，一般包括地 面轨道电路编码、区间信号机点灯、有源应答器报 文生成与临时限速处理、区间方向控制、接口通信 等。列控中心仿真系统根据不同的外部设备配置 ， 应能够对系统功能进行自我调节 。虽然中继站和无 配线车站列控中心不具备与联锁相关的功能 ，没有 站内轨道电路编码和方向控制功能 、区间运行方向 和闭塞控制功能等，但所设计的标准车站列控中心 仿真系统应该涵盖列控中心的所有功能 ，对于中继 站和无配线车站，可以在此基础上进行一定的功能 屏蔽。 地面轨道电路编码，根据列车进路和轨道区段 状态等信息，进行站内和区间轨道电路的载频 、低 频信息编码。实现对轨道区段状态的识别并对轨道 电路分路不良、进出站信号机异常关闭、站内轨道 电路故障等情况采取相应的防护措施 。 区间信号机点灯， 根据区间闭塞分区占用情 况，完成对区间通过信号机的点灯控制 。 临时限速处理与有源应答器报文生成 ，根据列 车进路信息、临时限速设置信息和应答器报文定义 原则，实现应答器报文的实时组帧、 编码、 校验， 判断和发送信号降级信息， 并向相关的 LEU 发送 报文。 区间方向控制，根据联锁改方命令、区间闭塞 分区空闲状态，实现对区间运行方向的控制。 通信接口，按照接口通信协议的要求，接收列 控中心各通信接口的信息，经内部相关模块处理后 发送到通信接口，再输出到外围设备。
在建立列控中心仿真系统之前，首先要构造一 个尽可能与原系统相匹配和反映真实情况的模型 ， — 6 —
RAILWAY SIGNALLING ＆ COMMUNICATION
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布、并行、不确定性或随机性的信息处理 构造 Petri 网模型并进行分析， 就可以得 到系统结构和动态行为方面的信息 ，从而 对系统进行客观的评价和改进。 同济大学在 2008 年提出了基于着色 Petri 网的安全构件模型及相应的构件组 装算法。北京交通大学根据列控系统功能 需求，利用着色 Petri 网建立功能处理模 TOOLS 型，用着色 Petri 网建模工具 CPN建立相应的仿真模型，并利用状态空间工 具分析系统功能的完整性和逻辑正确性， 用 C++ Builder 程序设计和实现软件系统
表1 库所名称 zyCBI jl zyCTC ls balise zh code zy
列控中心系统层输入输出库所表 交互对象 CBI CBI CTC CTC LEU LEU TCI TCI 库所含义 发送联锁的占用信息 进路信息 发送调度集中的占用信息 临时限速报文 发送 LEU 的应答器报文 LEU 回执信息 发送轨道电路的编码信息 轨道电路占用信息
铁道通信信号 2012 年第 48 卷第 11 期
节点、控制仿真测试过程并进行实时监控 ，用模块 事件记录器记录仿真测试过程中各节点产生的重要 信息，用分析确认模块判断信息的正确性并进行分 析； 2004 年，意大利佛罗伦萨大学为意大利列车 控制系统 SCMT 开发出了硬件在环 HIL （ Hardware In the Loop） 测试系统，它是一个基于仿真技术的 ATP 测试系统。 1. 2 中国铁路仿真测试技术发展 我国铁路系统仿真测试工作起步较晚 ，起初主 要是针对列车调度算法等具体问题的仿真 。随着大 规模客专建设和 CTCS 系统全面投入使用， 对列车 运行控制系统的仿真测试变得越来越迫切 。由于在 列控系统设计和实施方面没有太多成熟经验可以借 鉴，而列控系统实施过程中有很多问题需要研究 ， 如设计方案优化问题、系统适应性问题、技术条件 可行性问题等，都需要在事前进行研究分析，如果 仅仅通过现场试验来做事后修改 ，不但浪费人力物 力、影响运输生产，而且有很多问题受现场试验条 件限制无法得到及时发现和解决 。换言之，即使在 设备开通前进行过严格的测试，但在投入使用后仍 可能还会出现某些问题。这就促使有关设计研发单 位和科研院所考虑运用计算机仿真实验的方式替代 现场试验，通过仿真现场很难人工设置的各种故障 和情况，对列控中心的功能逻辑等进行验证 。 北京交通大学轨道交通控制与国家安全重点实 验室自 2005 年起， 开始建设轨道交通控制与安全 3 级列控系统仿真测试 综合试验平台，包括 CTCSR 网络平台和行车指挥平台； 针对列 平台、GSM控系统的仿真研究，以西南交通大学交通控制实验 室、北京交通大学轨道交通与安全国家重点实验 室、同济大学、兰州交通大学和中国铁道科学研究 院等科研院校和研究部门为代表 ，所做的工作包括 系统原型开发、控制算法和城轨列控建模仿真、列 控中心等地面列控设备和车载 ATP 仿真测试研究 等； 中国铁道科学研究院研究建立了基于列控系统 功能测试的专家系统，实现测试过程的自动判断和 统计，提出可能的故障原因和故障对策 。国内列控 中心仿真模型所使用的大多是面向对象编程的计算 机语言，具体来说，开发环境主要有 VC ++ 、 C++ Builder 等。
张大威： 中国铁道科学研究院研究生部 工程师 100081 北京 0921 收稿日期： 2012铁道部运输局电务部
设、维护和使用部门所关注。计算机仿真测试技术 为解决上述问题提供了行之有效的手段 。
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仿真测试技术发展
国外铁路仿真测试技术发展
国外铁路部门对仿真技术的研究与应用十分重 视，早在上世纪 70 年代， 就开始利用计算机仿真 技术对铁路线路设计、运输组织方案进行验证和评 估，目前已开发出列车调度、列车运行和站内闭塞 监视等功能的仿真系统。 在路网能力仿真方面，英国 Incontrol 研究所和 Railned 等多个铁路部门合作研究了 Simone 铁路路 网能力仿真系统； SYSTRA 公司开发了 RAILSIM 铁 Technology RAIL 路线路能力优化仿真系统； AEA公司开发了 VAMPIRE 轮轨关系仿真系统。 在欧洲列车控制系统 ETCS 领域， 欧洲铁路研 究中心开发了 ETCS 仿真系统， 能够仿真 ETCS 等 级 0 —2 级的功能； 在对无线闭塞中心 RBC （ Radio Block Centre） 的测试中， P. di Tommaso 运用仿真 方法制定出了列车与 RBC 数据通信异常情况下的 测试案 例， 以 此 来 验 证 RBC 系 统 的 安 全 性 和 可 靠性。 在列控车载系统仿真方面，欧洲铁路运输管理 系统 ERTMS （ European Rail Traffic Management System） 的 UNISIG 工作组搭建了分布式交互仿真测 试系统，利用场景发生器产生仿真场景和测试序 列，通过这些仿真场景和测试序列加载各仿真测试 — 5 —
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2012 年 11 月 第 11 期
பைடு நூலகம்
铁 道 通 信 信 号 RAILWAY SIGNALLING ＆ COMMUNICATION
November 2012 Vol. 48 No. 11
列控中心仿真测试技术的发展与应用
张大威
要： 列控中心仿真测试是确保 CTCS 系统安全的一项重要内容。 介绍了列控中心仿真测试的 意义和内容； 描述了国内外铁路列控系统仿真的发展历程和研究现状 ； 对目前国内几种主要的仿 摘 真测试模型或系统作了简介； 最后还指出了当前列控中心仿真研究存在的一些不足之处 。 关键词： 列控中心； 仿真； 测试； 应用 Abstract： The train control centre （ TCC ） simulation and test is an important part of ensuring China Train Control system （ CTCS） safety． In this paper，the author introduces the meanings and contents of TCC simulation and test． The development and situation of TCC simulation in the world are described， especially some typical simulation model and software are introduced． In the end，some lacks of TCC simulation and test research are provided． Key words： Train Control Centre （ TCC ） ； Simulation； Test； Application 近年来，我国高铁建设事业伴随着世界范围内 铁路行业的复兴而蓬勃发展，拥有中国自主知识产 2 、CTCS3 级列车运行控制系统被广泛 权的 CTCS应用于客运专线建设中，为确保运输安全发挥着极 其重要的作用。 在整个 CTCS 系统中，列控中心是具有中国特 2 级列控系统地 色的安全控制设备， 它既是 CTCS3 级列控系统 面信号设备的核心部分， 也是 CTCS地面信号控制降级后最重要的后备系统 ，可根据联 锁提供的轨道电路占用信息和进路信息 、 CTC （ 或 临时限速服务器 ） 提供的临时限速信息以及站间 安全通信信息等， 通过编码计算产生行车许可命 令，利用有源应答器发送应答器报文、 驱动 ZPW2000 轨道电路发码、 控制区间信号机点灯， 并通 过轨道电路和应答器将行车许可信息传送给车载控 制子系统，从而实现对列车的连续控制。 列控中心的安全性要求极高，按照国际功能安 全基础标准 IEC61508 对安全性完整性等级的划分 4 级安全设备 （ Safe方法，列控中心被定义为 SILty Integrity Level ） ， 与计算机联锁系统同属最高的 安全完整性等级。因此在开通运营前对列控中心的 测试和验证尤为重要， 如何让测试验证过程经济、 高效、规范、 完 整， 越 来 越 为 铁 路 研 发 设 计、 建