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铁路与轨道交通 |
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ATP设备国产化辅助开发仿真平台的设计 |
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作者： |
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摘 要：针对ATP设备国产化的要求，本文介绍了一个完整的辅助开发仿真平台的设计思路、设计过程以及设计方案。
关键词：ATP设备国产化、辅助开发、仿真
引言：
同其他运输方式相比，铁路运输具有能力大、能耗低、污染小等显著特点。为了更好的发挥铁路运输（包括大型铁路、地铁、轻轨等）的优势，铁路的自动化控制设备的性能便显得尤其重要。但是目前国内的研发工作，对于新研发设备的试验、功能的验证、甚至在开发过程中的调试上，手段仍然比较落后。我们传统的铁路设备开发过程、在设备样品制成后，主要是通过人工的方法，例如通过控制模拟盘的开关，控制继电器的吸起或落下，再通过人工的方法来观察设备的响应情况，以此来判断系统工作的正确性。最终，我们还需要，把设备安装到试验道上，进行长时间的测试，以保证其稳定性、安全性、可靠性。
无疑，这个开发的过程是繁琐的、无论从时间或投资来考虑，效率都比较低。存在的主要问题是：人力资源的浪费，我们大量的优秀工程师，不得不花大量的时间去扳动继电器的开关；物力的浪费，每次试验，我们都需要制作相应的模拟盘；财力的浪费，每次试验道的开通试验都意味着巨大的开销。随着计算机技术发展的日新月异，计算机仿真技术，已经作为一门相对成熟的技术，普遍应用于各个行业，为各行业的快速发展提供了有利的技术保障。例如，航空、航天模型的研制，有利的缩短了航空技术研制开发的过程；各种通信模型的建立，有助于我们更好的研究不同通信模式的优缺点，以及它们之间协作起来的瓶颈，方便我们进行设计、优化。因此，我们试图建立一个铁路的仿真模型，它的主要目的是，向铁路的自控设备提供一个铁路实际情况的仿真环境。通过它，我们的设备开发过程，不再需要大量的人力用在搭建测试环境上；通过它，我们的设备在室内就可以进行比较全面的测试，避免过多的试验道测试的开销。目前，它的主要任务是为中国铁路通号总公司开发的ATP设备提供相应的仿真测试平台。
1. ATP设备的工作原理
ATP设备可以简单的分为区控中心、车载设备、轨道电路三大部分。如下图所示：
图1 ATP设备原理图
这里鉴于篇幅所限，简单的概括一下它们的功能。
区控中心通过联锁控制线路的设备，和通过轨道电路接收列车的位置，进行相应的限速编码编制，然后再通过轨道电路发送到各区段轨面上。 轨道电路接收区控中心发送的限速编码，调制后发送到轨面上，并从轨道上接收轨道的占用信息，获取列车的运行位置，发送给区控中心。 车载设备从轨面上接收限速编码，同时检查现有的列车运行状态，如果列车超速，则进行制动。
我们把整个ATP的工作过程抽象一下，如下图所示：
图2. 业务流程图
其中，车载设备、区控中心，以及轨道电路，我们都有实际开发出的设备。为了让这个工作过程可以在室内完整的实现，需要我们做的就是在室内仿真出列车和线路来，然后通过向实际设备提供相应的接口，我们完全可以实现在室内向实际设备提供完整的运行环境。
2. 设计方案
2.1. 系统的结构
根据以上的分析，我们设计并实现了两个主要模型，设备运行环境模型和列车动力学模型。 其中，列车动力学用来仿真实际运行中的列车，向车载设备提供运行的环境。设备运行环境模型仿真铁路线路的各种组成设备，包括线路、轨道、道岔、区段，以及它们的拓扑关系。有了这两个模型，就相当于向实际的ATP设备提供了运行的基础环境。 为了使仿真试验的效率更高，我们还设计并实现了模拟列车驾驶台、模型控制显示、模拟区控中心、模拟车载设备、轨道电路仿真模型、轨道电路测试等软件。
整个系统的结构图如下： 
2.2. 各个模块功能的介绍
设备运行环境模型
这个软件模块用于实现对现实世界中轨道线路设备及轨道电路的仿真，仿真设备在控制系统控制下的各种状态，动作。通过对实际控制设备控制对象的这种仿真，为设备的测试提供工作的环境。
列车动力学模型
这个软件模块仿真单个列车的运行状态，仿真列车的速度、运行距离、牵引力、制动力等属性和状态，为实际车载设备的测试提供被控的实体模型，提供测试的环境。
模拟机车驾驶台
这个软件用于模拟机车驾驶台的功能。通过它，可以控制列车动力学，相当于通过驾驶杆来控制列车的运行状态。为测试车载设备的功能提供一个完整列车运行仿真。
模型控制显示
这个软件用于对整个仿真系统中的各个模型进行控制。通过它，可以进行模型的选择，模型的配置，运行的启动、终止等控制；还可以对系统中的各种设备模型进行控制，手动控制它们的状态、强制设置各种故障，观察实际设备的反应，完成各种测试任务。
各种ATP设备的仿真软件
由于整个ATP系统运行的完整性要求，而且为了在测试时，即使缺少某些ATP设备，通过用软件来仿真各种ATP设备，也可以实现完整的测试过程。
各种对ATP设备的接口软件
通过这些软件，可以把实际设备和仿真模型完全隔离开来。当模型或ATP设备升级后，只需要简单修改一下接口软件，就可以完成系统的升级了。
3. 这样设计的目的
保证两个主要模型的通用性
在这个设计中，列车动力学模型、设备运行环境模型，被各种专门的接口软件完全和实际设备隔离开来。这样，如果要有新的铁路自动化设备接入，只需要修改接口软件就可以了，可以保证主要模型的一次开发，多次应用的能力。
保证整个系统应用的灵活性
通过对区控中心的软件模拟，可以使得我们在实际区控中心没有接入时，也可以对车载设备提供完整的测试环境。
保证系统的实用性
通过系统提供的和模拟机车驾驶台相连的驾驶杆，试验人员可以简单的进行列车牵引、制动、惰行等控制，极大的方便了对车载设备的测试过程。通过系统的控制显示软件，可以监视系统中各个模块的运行情况，监视模型中每个设备的状态变化，并能人工设置各种故障，完全再现现场的种种可能，实现对设备的完全测试。
4. 实现方式的选择
系统的骨干部分建立在DCOM组件基础上，可以保证软件的可移植性。DCOM好处之一在于，当我们对其中的一些组件进行升级改造的时候，可以减少对其它组件的影响。 系统中每个模块都是一个独立的组件，他们可以被分配到不同的机器上运行，也可以置于同一台机器上运行，可以根据模型仿真的数据量及系统性能而定。
5. 结束语
按照国家ATP国产化的要求，我们进行了辅助开发平台设计开发。本系统的开发与实际设备的开发紧密结合，同时也考虑了系统将来的扩展能力，为实际设备的开发提供了有力的支持，取得了良好的效益。
参考文献：
[1] Averill M.Law W.David Kelton 《仿真建模与分析》 第三版。
[2] 毛保华，通用列车运行模拟软件系统研究，《铁道学报》，2000， Vol.22
[3] 张 勇，基于移动自动闭塞条件的列车运行仿真系统，《系统仿真学报》，1999，Vol.11
[4] 郭彤城，ATP铁路运行仿真系统的设计与实现，《系统仿真学报》，1999，Vol.11.
文章出处：中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会首届中青年专家论文集
原文作者：曹崇育（中国铁路通信信号集团公司研究设计院）(end)
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(3/11/2005) |
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