基于离散I/O控制的CBTC系统的接口仿真系统及方法与流程

基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法
技术领域
1.本发明涉及轨道交通系统中的cbtc系统，尤其涉及一种基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法。


背景技术：

2.cbtc系统(communication based train control system，基于通信的列车控制系统)是实现轨道交通列车运行控制所采用的主流信号系统，cbtc系统上线运行前需进行多轮测试，以验证系统需求完全覆盖、缺陷项全部被发现并关闭，最终保证系统的效率与安全，提高对系统安全的信心。
3.当前，对轨道交通系统中的cbtc列车控制系统进行测试的主流方法是分别开展室内实验室仿真测试和室外试验线测试。相较于室外测试，室内仿真具有低成本、敏捷实施、故障易还原等优势。已有的工程经验表明，开展室内仿真测试的最大难点是如何真实还原出正线现场的设备状态与运营场景。为此，需要为不同制式的系统开发测试平台并提供接口，如这一工作完全通过软件实现，会造成测试不同线路时核心功能重复开发、前期调试费时费力、难以完全复现现场故障、不同信号厂商接口互不兼容等缺点，影响测试的复用性、互操作性、可信度和兼容性。尤其是，现有技术对于cbtc系统的接口复用性低，测试平台与被测系统互操作性差，对端系统异构性的兼容性差。
4.为此，亟需设计一种基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法，以至少部分克服现有技术的上述不足之处。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有的cbtc系统的相关测试对于cbtc系统的接口复用性低，测试平台与被测系统互操作性差，对端系统异构性的兼容性差的缺陷，提出一种新的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法。
6.本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
7.本发明提供了一种基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统，其中cbtc系统包括轨旁系统和车载系统，其特点在于，所述接口仿真系统包括：
8.继电器；
9.基于pxi总线(pxi全称为pci extensions for instrumentation，意为面向仪器系统的pci扩展)的接口数据采集卡；
10.轨旁接口预处理模块，被配置为能够根据被测设备的制式加载，以初始化与轨旁系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
11.车载接口预处理模块，被配置为能够根据被测设备的制式加载，以初始化与车载系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
12.接口信息转换模块，被配置为能够根据基于pxi总线的接口数据采集卡采集向被测设备端发送的以及自被测设备端接收的双向数字信号，并使用staticdio动态链接库
(staticdio全称为static digital input/output，意为数字信号的输入输出)将采集到的双向数字信号转换为通用数据格式的通用数据；
13.接口信息映射执行模块，被配置为能够根据所述接口信息转换模块转换输出的通用数据，分别实现以开关量表达的被测设备的物理状态值至继电器状态值的映射和以继电器结点开关的闭合形式提供数字量的状态；
14.应答器报文执行模块，被配置为能够根据所述接口信息转换模块输出的和车载系统相关联的车载接口信息，实现应答器的动态计算和实时处理，并发送应答器报文信息至被测设备以实现对和被测设备相关联的列车位置的确定；
15.故障注入模块，被配置为能够发送数字信号至所述接口映射执行模块和所述应答器报文执行模块以改变继电器状态，从而通过继电器状态的逻辑组合，实现被测设备的故障场景的模拟或还原。
16.较佳地，所述接口信息转换模块被配置为能够使用staticdio动态链接库将不同制式的被测设备的接口数据的表达形式进行统一转换；
17.所述接口信息转换模块还被配置为，以继电器线圈的通断形式提供数字开关量输入以供被测设备的驱动，以及采集vobc系统(即车载控制器系统)的牵引/制动输出电平信号，以将其转换为牵引/制动力输出值。
18.较佳地，所述应答器报文执行模块被配置为能够根据来自车载系统的被测设备的列车的速度、加速度和位移信息，动态计算出发送有源应答器报文至轨旁系统的atp设备(atp意为列车自动保护系统，也可称为列车超速防护系统)的时机。
19.较佳地，所述故障注入模块还被配置为能够分别对虚拟设备和真实设备注入故障，以实现在接口层对轨旁设备和车载设备的各类故障进行模拟与还原，各类故障模拟包括但不限于以下故障：车门故障、零速状态异常、信号机异常表示、道岔异常表示。
20.较佳地，所述故障注入模块还被配置为能够支持直接修改接口仿真系统和被测设备之间以以太网形式通信和以继电器形式通信的接口数据，以在数据层面实现对故障的还原。
21.本发明还提供了一种基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真方法，其特点在于，所述接口仿真方法包括以下步骤：
22.s1、根据被测设备的制式加载相应的轨旁接口预处理模块，初始化与轨旁系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
23.s2、根据被测设备的制式加载相应的车载接口预处理模块，初始化与车载系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
24.s3、根据基于pxi总线的接口数据采集卡采集向被测设备端发送的以及自被测设备端接收的双向数字信号，并使用staticdio动态链接库将采集到的双向数字信号转换为通用数据格式的通用数据；
25.s4、根据所述接口信息转换模块转换输出的通用数据，分别实现以开关量表达的被测设备的物理状态值至继电器状态值的映射和以继电器结点开关的闭合形式提供数字量的状态；
26.s5、根据所述接口信息转换模块输出的和车载系统相关联的车载接口信息，实现应答器的动态计算和实时处理，并发送应答器报文信息至被测设备以实现对和被测设备相
关联的列车位置的确定；
27.s6、发送数字信号至所述接口映射执行模块和所述应答器报文执行模块以改变继电器状态，通过继电器状态的逻辑组合，实现被测设备的故障场景的模拟或还原。
28.较佳地，所述步骤s3中，使用staticdio动态链接库将不同制式的被测设备的接口数据的表达形式进行统一转换；
29.其中，以继电器线圈的通断形式提供数字开关量输入以供被测设备的驱动，以及采集vobc系统的牵引/制动输出电平信号，以将其转换为牵引/制动力输出值。
30.较佳地，步骤s5还包括，根据来自车载系统的被测设备的列车的速度、加速度和位移信息，动态计算出发送有源应答器报文至轨旁系统的atp设备的时机。
31.较佳地，步骤s6还包括分别对虚拟设备和真实设备注入故障，以实现在接口层对轨旁设备和车载设备的各类故障进行模拟与还原，各类故障模拟包括但不限于以下故障：车门故障、零速状态异常、信号机异常表示、道岔异常表示。
32.较佳地，步骤s6还包括支持直接修改接口仿真系统和被测设备之间以以太网形式通信和以继电器形式通信的接口数据，以在数据层面实现对故障的还原。
33.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
34.本发明的积极进步效果在于：
35.根据本发明的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法，有助于实现和不同系统的接口适配并进行逻辑转换，从而保持核心应用层的稳定与接口统一，有助于解决多家信号厂商的系统存在异构性，测试平台与被测系统互操作性差和接口复用性低的问题，具有显著更优的兼容性，能够显著降低相关测试的成本。
附图说明
36.图1为根据本发明优选实施例的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真方法的流程图。
37.图2为根据本发明优选实施例的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统的示意图。
38.图3为根据本发明优选实施例的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法在实施中的一种示例性硬件连接布置的示意图。
39.图4为根据本发明优选实施例的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法在实施中可采用的一种示例性的离散i/o电路的示意图。
40.图5示出了根据本发明优选实施例的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统及方法中涉及的一部分示例性软件框架的示意图。
具体实施方式
41.下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
42.在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，
参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
43.如图1所示，根据本发明优选实施方式的基于离散i/o控制的cbtc系统接口仿真系统及方法包括以下步骤：
44.s1、根据被测设备的制式加载相应的轨旁接口预处理模块，初始化与轨旁系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
45.s2、根据被测设备的制式加载相应的车载接口预处理模块，初始化与车载系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
46.s3、根据基于pxi总线的接口数据采集卡采集向被测设备端发送的以及自被测设备端接收的双向数字信号，并使用staticdio动态链接库将采集到的双向数字信号转换为通用数据格式的通用数据；
47.s4、根据所述接口信息转换模块转换输出的通用数据，分别实现以开关量表达的被测设备的物理状态值至继电器状态值的映射和以继电器结点开关的闭合形式提供数字量的状态；
48.s5、根据所述接口信息转换模块输出的和车载系统相关联的车载接口信息，实现应答器的动态计算和实时处理，并发送应答器报文信息至被测设备以实现对和被测设备相关联的列车位置的确定，以实现数据层的闭环；
49.s6、发送数字信号至所述接口映射执行模块和所述应答器报文执行模块以改变继电器状态，通过继电器状态的逻辑组合，实现被测设备的故障场景的模拟或还原。
50.根据本发明的一些优选实施方式，所述步骤s3中，使用staticdio动态链接库将不同制式的被测设备的接口数据的表达形式进行统一转换。所述接口信息转换模块还被配置为，以继电器线圈的通断形式提供数字开关量输入以供被测设备的驱动，以及采集vobc系统的牵引/制动输出电平信号，以将其转换为牵引/制动力输出值(即输出比)。
51.根据本发明的一些优选实施方式，步骤s5还包括，根据来自车载系统的被测设备的列车的速度、加速度和位移信息，动态计算出发送有源应答器报文至轨旁系统的atp设备的时机。
52.根据本发明的一些优选实施方式，步骤s6还包括通过所述数据可视化界面分别对虚拟设备和真实设备注入故障，以实现在接口层对轨旁设备和车载设备的各类故障进行模拟与还原，各类故障模拟包括但不限于以下故障：车门故障、零速状态异常、信号机异常表示、道岔异常表示。其中，可以理解的是，轨旁设备即轨旁系统中的设备或其所用的设备，车载设备即诸如列车车载设备或者列车所用设备。
53.根据本发明的一些优选实施方式，步骤s6还包括支持直接修改接口仿真系统和被测设备之间以以太网形式通信和以继电器形式通信的接口数据，以在数据层面实现对故障的还原。
54.根据本发明的上述优选实施方式的基于离散i/o控制的接口仿真方法，可实现以开关量表达的被测设备的物理状态值至继电器状态值的映射和以继电器结点开关的闭合形式提供数字量的状态，有助于实现和不同系统的接口适配并进行逻辑转换，从而保持核心应用层的稳定与统一接口。接口仿真系统根据工程应用配置自适应的接口协议，自动将接口信息按照核心应用的需求转换成对应的输入和输出；有助于解决多家信号厂商的系统
system，意为轨旁设备)设备的接口”指向“cbtc的接口”的箭头以及自“用于cbtc的vs(vs全称为vehicle system，意为车载设备)设备的接口”指向“cbtc的接口”的箭头表示“继承”，而图5所示的其他线段及箭头表示“调用”。
61.在实现被测设备的故障场景的模拟或还原时，基于接口仿真系统可直接对报文数据和继电器驱采数据进行修改的功能，通过灵活组合以太网数据或离散继电接口点的表示状态，实现对虚拟和真实设备注入包括但不限于：车门故障，零速状态异常，信号机异常等故障场景。同时，基于接口仿真系统可对数据层直接进行处理干预的特点，实现对故障场景的快速、安全还原，有效提升了室内测试的可信度和效率。通过运用接口仿真系统开展室内实验室仿真测试时，探索使室内实验室仿真测试具备兼容性、敏捷性、互操作性、接口复用性等优点的向导工具，最终形成能完整覆盖基于离散i/o控制的列车运行控制系统接口全过程的系统与方法。
62.如图2所示，根据本发明优选实施方式的列车运行控制系统接口仿真系统包括：
63.轨旁接口预处理模块1，被配置为能够根据被测设备的制式加载相应的轨旁接口预处理模块，初始化与轨旁系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
64.车载接口预处理模块2，被配置为能够根据被测设备的制式加载相应的车载接口预处理模块，初始化与车载系统的连接，并生成基于数字信号的数据可视化界面；
65.接口信息转换模块3，被配置为能够根据基于pxi总线的接口数据采集卡采集向被测设备端发送的以及自被测设备端接收的双向数字信号，并使用staticdio动态链接库将采集到的双向数字信号转换为通用数据格式的通用数据；
66.接口信息映射执行模块4，被配置为能够根据所述接口信息转换模块转换输出的通用数据，分别实现以开关量表达的被测设备的物理状态值至继电器状态值的映射和以继电器结点开关的闭合形式提供数字量的状态；
67.应答器报文执行模块5，被配置为能够根据所述接口信息转换模块输出的和车载系统相关联的车载接口信息，实现应答器的动态计算和实时处理，并发送应答器报文信息至被测设备以实现对和被测设备相关联的列车位置的确定；
68.故障注入模块6，被配置为能够发送数字信号至所述接口映射执行模块和所述应答器报文执行模块以改变继电器状态，通过继电器状态的逻辑组合，实现被测设备的故障场景的模拟或还原。
69.根据本发明的一些优选实施方式，所述接口信息转换模块被配置为能够使用staticdio动态链接库将不同制式的被测设备的接口数据的表达形式进行统一转换。所述接口信息转换模块还被配置为，以继电器线圈的通断形式提供数字开关量输入以供被测设备的驱动，以及采集vobc系统的牵引/制动输出电平信号，以将其转换为牵引/制动力输出值(输出比)。
70.根据本发明的一些优选实施方式，所述应答器报文执行模块被配置为能够根据来自车载系统的被测设备的列车的速度、加速度和位移信息，动态计算出发送有源应答器报文至轨旁系统的atp设备的时机。
71.根据本发明的一些优选实施方式，所述故障注入模块还被配置为能够通过所述数据可视化界面分别对虚拟设备和真实设备注入故障，以实现在接口层对轨旁设备和车载设备的各类故障进行模拟与还原，各类故障模拟包括但不限于以下故障：车门故障、零速状态
异常、信号机异常表示、道岔异常表示。
72.根据本发明的一些优选实施方式，所述故障注入模块还被配置为能够支持直接修改接口仿真系统和被测设备之间以以太网形式通信和以继电器形式通信的接口数据，以在数据层面实现对故障的还原。
73.根据本发明的上述优选实施方式，可通过采用与正线相一致的离散i/o控制的接口方式，真实还原出正线现场设备的状态和接口方式，并能复现出现场的故障场景。基于这种方案，可进一步结合软件动态配置与硬件节点映射的方式，兼具室内仿真的敏捷性和室外测试的真实性，可灵活地实现多制式的设备之间的无缝切换，大大减少了重复的调试工作。
74.并且，对于如上所述的模块化的接口仿真系统而言，针对多制式的外部子系统，可只需维护一套核心功能模块，从而避免了现有技术为兼容不同制式的系统接口需重复开发核心功能的弊病。
75.图4示出了根据本发明优选实施例的基于离散i/o控制的cbtc系统的接口仿真系统在实施中可采用的一种示例性的离散i/o电路的示意图，图示为本发明优选实施例的方案中的例如800个继电器节点中的单个节点的内部电路示意图。图4中示出的1-5号口的采用如下配置，其中具体地，5号口与供电直流电源相连，1号口作为节点信号输出端口与数据采集卡的64个输入端口分别相连。4号口留空，作为节点的保护。节点根据收到的不同电流状态，可分别与2号口和3号口相连，输出相应的i/o信号，从而建立“继电器-数据采集卡-计算机”的数据通路。
76.根据本发明的上述优选实施方式的接口仿真系统及方法，有助于实现和不同系统的接口适配并进行逻辑转换，从而保持核心应用层的稳定与统一接口。并且，可根据工程应用配置自适应的接口协议，自动将接口信息按照核心应用的需求转换成对应的输入和输出；有助于解决多家信号厂商的系统存在异构性，测试平台与被测系统互操作性差和接口复用性低的现状；有助于实现多制式设备之间的无缝切换，尤其在轨道交通室内测试验证的技术领域具有广阔的应用前景。
77.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。