ATP設備國產化輔助開發仿真平臺的設計
摘 要：針對ATP設備國產化的要求，本文介紹了一個完整的輔助開發仿真平臺的設計思路、設計過程以及設計方案。
關鍵詞：ATP設備國產化、輔助開發、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。為了更好的發揮鐵路運輸（包括大型鐵路、地鐵、輕軌等）的優勢，鐵路的自動化控制設備的性能便顯得尤其重要。但是目前國內的研發工作，對于新研發設備的試驗、功能的驗證、甚至在開發過程中的調試上，手段仍然比較落后。我們傳統的鐵路設備開發過程、在設備樣品制成后，主要是通過人工的方法，例如通過控制模擬盤的開關，控制繼電器的吸起或落下，再通過人工的方法來觀察設備的響應情況，以此來判斷系統工作的正確性。最終，我們還需要，把設備安裝到試驗道上，進行長時間的測試，以保證其穩定性、安全性、可靠性。
無疑，這個開發的過程是繁瑣的、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，我們大量的優秀工程師，不得不花大量的時間去扳動繼電器的開關；物力的浪費，每次試驗，我們都需要制作相應的模擬盤；財力的浪費，每次試驗道的開通試驗都意味著巨大的開銷。隨著計算機技術發展的日新月異，計算機仿真技術，已經作為一門相對成熟的技術，普遍應用于各個行業，為各行業的快速發展提供了有利的技術保障。例如，航空、航天模型的研制，有利的縮短了航空技術研制開發的過程；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缺點，以及它們之間協作起來的瓶頸，方便我們進行設計、優化。因此，我們試圖建立一個鐵路的仿真模型，它的主要目的是，向鐵路的自控設備提供一個鐵路實際情況的仿真環境。通過它，我們的設備開發過程，不再需要大量的人力用在搭建測試環境上；通過它，我們的設備在室內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，它的主要任務是為中國鐵路通號總公司開發的ATP設備提供相應的仿真測試平臺。
1. ATP設備的工作原理
ATP設備可以簡單的分為區控中心、車載設備、軌道電路三大部分。如下圖所示：
圖1 ATP設備原理圖
這里鑒于篇幅所限，簡單的概括一下它們的功能。區控中心通過聯鎖控制線路的設備，和通過軌道電路接收列車的位置，進行相應的限速編碼編制，然后再通過軌道電路發送到各區段軌面上。 軌道電路接收區控中心發送的限速編碼，調制后發送到軌面上，并從軌道上接收軌道的占用信息，獲取列車的運行位置，發送給區控中心。 車載設備從軌面上接收限速編碼，同時檢查現有的列車運行狀態，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. 業務流程圖
其中，車載設備、區控中心，以及軌道電路，我們都有實際開發出的設備。為了讓這個工作過程可以在室內完整的實現，需要我們做的就是在室內仿真出列車和線路來，然后通過向實際設備提供相應的接口，我們完全可以實現在室內向實際設備提供完整的運行環境。2. 設計方案
2.1. 系統的結構
根據以上的分析，我們設計并實現了兩個主要模型，設備運行環境模型和列車動力學模型。 其中，列車動力學用來仿真實際運行中的列車，向車載設備提供運行的環境。設備運行環境模型仿真鐵路線路的各種組成設備，包括線路、軌道、道岔、區段，以及它們的拓撲關系。有了這兩個模型，就相當于向實際的ATP設備提供了運行的基礎環境。 為了使仿真試驗的效率更高，我們還設計并實現了模擬列車駕駛臺、模型控制顯示、模擬區控中心、模擬車載設備、軌道電路仿真模型、軌道電路測試等軟件。
整個系統的結構圖如下：
設備運行環境模型
這個軟件模塊用于實現對現實世界中軌道線路設備及軌道電路的仿真，仿真設備在控制系統控制下的各種狀態，動作。通過對實際控制設備控制對象的這種仿真，為設備的測試提供工作的環境。
列車動力學模型
這個軟件模塊仿真單個列車的運行狀態，仿真列車的速度、運行距離、牽引力、制動力等屬性和狀態，為實際車載設備的測試提供被控的實體模型，提供測試的環境。
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，相當于通過駕駛桿來控制列車的運行狀態。為測試車載設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；還可以對系統中的各種設備模型進行控制，手動控制它們的狀態、強制設置各種故障，觀察實際設備的反應，完成各種測試任務。
各種ATP設備的仿真軟件
由于整個ATP系統運行的完整性要求，而且為了在測試時，即使缺少某些ATP設備，通過用軟件來仿真各種ATP設備，也可以實現完整的測試過程。
各種對ATP設備的接口軟件
通過這些軟件，可以把實際設備和仿真模型完全隔離開來。當模型或ATP設備升級后，只需要簡單修改一下接口軟件，就可以完成系統的升級了。
3. 這樣設計的目的
保證兩個主要模型的通用性
在這個設計中，列車動力學模型、設備運行環境模型，被各種專門的接口軟件完全和實際設備隔離開來。這樣，如果要有新的鐵路自動化設備接入，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，多次應用的能力。
保證整個系統應用的靈活性
通過對區控中心的軟件模擬，可以使得我們在實際區控中心沒有接入時，也可以對車載設備提供完整的測試環境。
保證系統的實用性
通過系統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備的測試過程。通過系統的控制顯示軟件，可以監視系統中各個模塊的運行情況，監視模型中每個設備的狀態變化，并能人工設置各種故障，完全再現現場的種種可能，實現對設備的完全測試。
4. 實現方式的選擇
系統的骨干部分建立在DCOM組件基礎上，可以保證軟件的可移植性。DCOM好處之一在于，當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，可以根據模型仿真的數據量及系統性能而定。
5. 結束語
按照國家ATP國產化的要求，我們進行了輔助開發平臺設計開發。本系統的開發與實際設備的開發緊密結合，同時也考慮了系統將來的擴展能力，為實際設備的開發提供了有力的支持，取得了良好的效益。
參考文獻：
[1] Averill M.Law W.David Kelton 《仿真建模與分析》 第三版。
[2] 毛保華, 通用列車運行模擬軟件系統研究，《鐵道學報》，2000， Vol.22
[3] 張 勇，基于移動自動閉塞條件的列車運行仿真系統，《系統仿真學報》，1999，Vol.11
[4] 郭彤城，ATP鐵路運行仿真系統的設計與實現，《系統仿真學報》，1999，Vol.11.
文章出處：中國交通運輸協會城市軌道交通專業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計院）
