CATIA CB 在鐵路信號控制系統中的應用(下)-如何減少路基礎設施安全自動化系統的鑒定時

6. 軟體架構

RATP在巴黎第8地鐵線上的 “Porte de Charenton” 車站設一測試基地。第一個實現的目標是創建一個虛擬的線路模型,從電子設備的角度來看,它的行為將與真實的線路完全相同。

圖4. “Porte de Charention”車站測試線路圖

鑒定平臺由模擬模型(線路的物理環境、機車(火車)和虛擬控制器)、測試場景和所有設備之間的通信(I/Os介面配置和網路通信)組成。

 

6.1.  模擬模型

模型不僅取代了真實環境,也取代了被測試的目標本身 (因為這些目標在測試平臺中並不總是可用的)。

這些所有模型:

  • 可以連接到I / O或資料網路與其他模型通信的介面;
  • 代表模型行為或其參數 (運動時間,平臺長度,開門時間,需要速度…)的狀態變數;
  • 依賴預期行為的簡單或複雜的傳輸函數;
  • 用來修改模型正常行為 (機械,電氣或通信故障) 的特定參數。

BIQS平臺集成了不同類型的模型:

  • 環境 (線路、信號、車輛和本地控制板模型);
  • 電子設備模型 (自動駕駛)。

 

6.1.1  環境模型

支援自動駕駛的環境模型是經驗證過的。它們描述並類比了線路、信號、電力分配、現場或中央控制室和列車(車廂、牽引、車門、當地語系化感測器以及虛擬司機)的行為。

 

線路模型: 線路模型中包含了引導列車運動的所有物件。線路模型包括軌道、開關、信號和檢測器、月臺、隧道……。每個物件都參考一個行為模型。每個物件都有一個圖形動畫,並設置為3軸維度。線路模型可以從ControlBuild下的庫裡模型自動構建出來,只需要填寫模型裡的地理位置參數。

圖5. 帶交通狀態的實際線路

 

信號模型: 目前巴黎地鐵的信號系統主要是透過電氣硬體實現安全控制,所以這個系統需要與新的電子控制系統共存。也因此,鑒定平臺需要開發信號硬體的模型。

圖 6. 信號原理圖

原始的電氣原理圖印在紙上, 透過半手動方式將其捕獲翻譯到ControlBuild中。在代碼評審驗證階段,將原始圖與模型進行比較。最後的驗收階段由安全工程師透過模擬和測試來驗證模型。

 

本地站控制模型: 當線路與中央控制系統斷開連接時,RATP就有一個本地的交通控制來管理車站內的列車。本地站控制由一個顯示信號、開關位置和佔用軌道的面板組成。一個面板允許管理網站設備以建立預期的線路。在ControlBuild裡開發“Charenton Porte de Charenton”車站控制模型,並將其集成到鑒定平臺中。

 

圖7. 車站視覺化面板

圖8. 車站控制台

 

機車車輛模型: 根據我們的需要,列車模型包含了司機室、簡化的車輛 (門、鐵路線、配電…受電弓) 和牽引設備等模型。牽引模型的動態特性與實際列車的動態特性非常接近,從而可獲得整線的特性。

簡化列車模型是為了提供必要的介面,由一“執行者”驅動列車模型。該駕駛面板已被通用模型化,無論何種類型的車輛,都可以用同一駕駛模型。

圖9. 駕駛艙面板

 

列車和線路之間的交互: ControlBuild有一個功能,可以不需要程式設計在三維座標空間中移動列車。因此,列車可以沿著鐵軌行駛,檢測開關岔道的位置,對感測器做出回應,捕獲帶受電弓接觸網功率……。該模組與牽引模型交互,根據要求的加速情況計算列車的速度。

 

6.1.2  自動駕駛模型

物理電子處理單元(自動飛行員)在測試臺上可有也可用虛擬模型替代。根據實際設備的存在情況,開發的虛擬模型可以被動態地啟用或禁用。

圖10. 顯示自動駕駛介面狀態

使用虛擬電子設備開發了“Porte de Charenton”站,自動駕駛儀功能需要基於該虛擬車站執行一系列測試:

  • 重新配置禁用區域;
  • CBTC啟動;
  • 彌補錯誤的軌道電路;
  • 幫助自動取消路線;
  • 幫助緊急取消路線;
  • 安全方法鎖定;
  • 發現和釋放超限鎖定;
  • 遵守信號指示;
  • 設置方向;
  • 設置列車保護;
  • 檢測軌道電路故障;
  • 處理乘客保護;
  • 線路控制安全;
  • 制動時授權重新發電(再生能源);
  • 禁止駕駛模式;
  • 授權進入車站;
  • 操作支持監督。

 

6.2.  測試腳本

鑒定平臺可支援手動操作或自動操作模式。在手動模式下,模擬模型的使用者圖形介面GUI (線路、信號艙、機車……)支援測試人員沿著線路 (路線開發) 駕駛列車,驗證真實(和模擬)設備的正確操作,並類比故障以驗證安全功能和故障模式。

ControlBuild允許測試工程師搭建測試腳本, 以觸發正常操作模式相關的動作 (如定位一列列車, 啟動列車, 改變駕駛模式, 加速或制動) 或產生異常情況 (例如, 強制系統或設備的一部分產生故障) 。測試用例是提供輸入事件和輸出測量的操作序列。這些測試腳本也可以在測試臺上自動執行。

圖11. 測試腳本編輯器和生成的測試報告

主測試腳本載入當前測試的初始條件 (類比設備和環境的固定狀態),然後循序執行所有代碼指令。與此同時,其他場景可能會類比故障、觸發事件(不管預期與否)並強制某些設備模型的狀態。測試腳本為測試台和實際硬體ECUs之間的輸入/輸出和通信介面的配置提供代碼指令。這些指令允許測試工程師在所有介面和通信上引入故障。

 

6.3.  測試台物理介面

測試台的目標是在硬體目標集成到網站(或列車內部)之前對其進行驗證鑒定。為此,有必要將目的機連接到工作臺;BIQS測試平臺提供輸入/輸出和通信子系統。

 

6.3.1.  子系統輸入/輸出

該採集子系統用於模擬物理目標的輸入,測量設備的輸出值,並為實際目標提供功率。對於每個信號,子系統保證了電路的適應性、類比感測器電平的數位化和事件的時間戳記。BIQS測試台硬體子系統還能夠支援標準或特定的通信網路。配置編輯器允許在測試平臺上輸入/輸出卡和通信協定進行配置。

圖12. I/O和網路配置

 

6.3.2.  通訊子系統

在OCTYS系統中,通信是基於UDP的。所有的交互所都由一個叫做STD(資料傳輸系統)的電子設備管理。它的主要功能是在OCTYS系統的設備(物理目標或類比目標)之間路由消息。該通信設備的行為模型是在ControlBuild下搭建的。它有特定的模組來儲存交換的幀,並即時地中斷通信資料。

圖13. 監視、資料登錄及通訊監控

透過對通信系統故障的類比,測試和安全工程師可以驗證真實設備的能力、檢測故障行為,並做出正確的決策(繼續、停止、保護、警報……)。

 

7. 總結

這個系統集成和鑒定平臺項目展示了使用已驗證的模擬技術處理安全自動化問題的關鍵優勢。成功的關鍵因素在於所使用的模擬工具的通用性,例如,ControlBuild,特別適合於運輸部門,以及所使用的方法和過程的靈活性(從模型到HIL)。

這個解決方案減少了現場測試時的故障停機和對實際設備操作成本。

“一天的模擬測試可以抵10個晚上的現場測試!”

這種基於模型的測試技術在系統開發之前驗證規範大幅提高效率。

ControlBuild提供的高階語言允許設計人員輕鬆地描述線路的不同環境模型(信號、功率分配)、重用車輛模型和原型新的自動化需求(不管是否安全控制)。這些用例可以由不同的專案利益相關方(工程、安全部門、交通操作工程師…)驗證。

由於該模型代表系統,因此一旦系統投入使用,集成和驗證工作臺可支援進一步驗證測試模擬分析。在實際操作中檢測到的所有事件都可以引入到測試台中進行分析。

模型也可以用於培訓當與中央控制室斷開通信時,RATP工人如何管理車站交通。可以創建正常和非正常狀況、事件和事故:目的是讓辦公室人員增加可能發生的事件瞭解,使他們能夠在緊急的情況下做出正確的決定。

 

關於達梭系統

作為一家為全球客戶提供3DEXPERIENCE解決方案的領導者,達梭系統為企業和客戶提供虛擬空間以類比可持續創新。其全球領先的解決方案改變了產品在設計、生產和技術支援上的方式。達梭系統的協作解決方案更是推動了社會創新,擴大了透過虛擬世界來改善真實世界的可能性。達梭系統為140多個國家超過22萬個不同行業、不同規模的客戶帶來價值。

Steve.TIAN@3ds.com'

Steve Tian

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