摘要：本文從城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)和工程實施的需要出發(fā)，提出一種系統(tǒng)仿真測試平臺的設(shè)計方案，該方案既能滿足全線仿真測試的功能要求，又靈活方便，投資成本低。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通，綜合監(jiān)控系統(tǒng)，仿真測試

　　1 引言

　　城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)作為現(xiàn)代城市軌道交通的“大腦”，負(fù)責(zé)軌道交通全線各專業(yè)設(shè)備的運營管理和指揮調(diào)度，其功能的完備性和性能的穩(wěn)定性對軌道交通的平穩(wěn)有序運營至關(guān)重要。

　　由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用在國內(nèi)尚處于起步階段，用戶的實際需求與系統(tǒng)集成商對用戶需求的理解之間可能存在偏差，這些偏差往往在項目實施后期才會顯現(xiàn)出來，造成設(shè)計修改甚至返工現(xiàn)象，給項目實施進度帶來負(fù)面影響;另一方面，綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件自身的缺陷或數(shù)據(jù)庫配置的不當(dāng)，都會造成系統(tǒng)功能缺失或性能降低，影響綜合監(jiān)控系統(tǒng)在聯(lián)動控制、協(xié)調(diào)管理等運營調(diào)度功能的發(fā)揮。因此，有必要在項目實施前期，構(gòu)建一個與實際工程項目相同或相似的外部測試環(huán)境(仿真測試平臺)，驗證綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件及其配置是否滿足特定工程應(yīng)用中功能和性能要求，以便盡早發(fā)現(xiàn)潛在的需求差異和軟件缺陷，為工程項目的順利實施奠定基礎(chǔ)。

　　目前，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的仿真測試方式有二種，第一種采用實物仿真方式，即通過實際專業(yè)子系統(tǒng)設(shè)備的接入來測試綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能;第二種采用國外專業(yè)仿真軟件方式，即采用一套專業(yè)模擬軟件替代實際的專業(yè)設(shè)備并通過特定接口方式接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)。第一種方式的缺點是成本高、占地面積多，可用于單個車站各專業(yè)系統(tǒng)的仿真測試，但顯然不適合包含數(shù)十個車站的全線仿真測試;第二種方式雖然便捷，但國外軟件高昂的許可證費用使國內(nèi)企業(yè)望而卻步，且還存在維護開發(fā)工作量大的缺點，同樣不適合全線仿真測試的要求。

　　本文將以上海軌道交通7號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)項目為研究對象，提出一套構(gòu)建全線仿真測試平臺(系統(tǒng))的方案，該方案能同時仿真數(shù)十個車站系統(tǒng)的專業(yè)設(shè)備，且實施成本低，可作為城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能和性能測試有效方法。

　　2 仿真對象和范圍

　　城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個地域上分散的超大型的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，包括控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)和車站及車輛段/停車場綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其中車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成或部分集成十余個專業(yè)子系統(tǒng)，監(jiān)控的設(shè)備多，系統(tǒng)規(guī)模龐大。本文下面以上海軌道交通7號線工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)項目為對象，分析研究全線仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計思想。

　　上海軌道交通7號線工程(含北延伸段)全長44.2公里，全線設(shè)33座車站，2個停車場和1處控制中心，其中綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成或部分集成了12個專業(yè)子系統(tǒng)，包括機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(EMCS/BAS)、電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、門禁系統(tǒng)(ACS)、閉路電視監(jiān)控CCTV、廣播系統(tǒng)(PA)、乘客信息顯示系統(tǒng)(PIDS)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、屏蔽門系統(tǒng)(PSD)、人防門(PG)系統(tǒng)等，系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集容量為30萬點。

　　作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)的全線仿真測試系統(tǒng)，其仿真的對象和范圍就是分布在上述33個車站、2個停車場及控制中心的12個專業(yè)的設(shè)備及系統(tǒng)，仿真數(shù)據(jù)量超過30萬點。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 總體設(shè)計思想

　　全線仿真測試系統(tǒng)以軟件仿真為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建若干體現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)備或子系統(tǒng)特性的接口仿真程序，來模擬各專業(yè)設(shè)備或子系統(tǒng)的運行狀況;通過構(gòu)建一個主控界面程序來實現(xiàn)人機界面及各接口仿真程序之間的信息互通，以真實模擬各專業(yè)子系統(tǒng)在實際運營中的聯(lián)動關(guān)系。

　　全線仿真測試系統(tǒng)采用兩級運行方式，即(1)接口仿真程序獨立運行方式，(2)主控程序聯(lián)動運行方式。

　　全線仿真測試系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，靈活、高效、通用，具備以下特性：

　　 獨立性：各接口仿真程序均為獨立的程序，體現(xiàn)被仿真設(shè)備或子系統(tǒng)的特性和接口方式，能夠不依賴于其他接口程序而獨立運行。

　　 組合性：每個車站中接口仿真程序的種類及數(shù)量可根據(jù)實際工程中綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成專業(yè)子系統(tǒng)種類及數(shù)量，任意配置，組合而成。

　　 擴展性：全線仿真測試平臺可以任意增加或減少車站數(shù)量，車站數(shù)量的增減不影響其它車站的配置。

　　 升級便捷：通過編制新的仿真接口程序可實現(xiàn)系統(tǒng)的更新、升級和系統(tǒng)仿真范圍的拓展。

　　3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　全線仿真測試系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分構(gòu)成，軟件部分包括1套主控界面程序、若干仿真接口程序以及為二者提供數(shù)據(jù)通信的軟總線，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　

 

　　主控界面程序是系統(tǒng)監(jiān)控中心，主要完成全線仿真測試系統(tǒng)的人機交互和每個接口仿真程序運行模式和運行狀態(tài)信息顯示、全線仿真系統(tǒng)總體控制、仿真評測、系統(tǒng)培訓(xùn)等功能。

　　接口仿真程序根據(jù)專業(yè)不同而分為PSCADA、EMCS、FAS、CCTV、PA、PIDS、AFC、PSD、PIDS等十余種類型，這些接口仿真程序依據(jù)各子系統(tǒng)的功能原理，通過對仿真數(shù)據(jù)的邏輯化編程，建立仿真數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以模擬子系統(tǒng)的真實運行情況，并采用與各子系統(tǒng)相同的接口方式和通訊協(xié)議(通訊規(guī)約)，實現(xiàn)與ISCS數(shù)據(jù)交互，達到與實際運行狀況一致的目的。

　　硬件作為前述軟件的載體，由若干刀片式服務(wù)器和1套網(wǎng)絡(luò)交換機組成，其中1套服務(wù)器運行主控界面程序，其它服務(wù)器按車站實際接口設(shè)備/子系統(tǒng)的數(shù)量運行若干對應(yīng)的仿真接口程序。一般，每個服務(wù)器承擔(dān)一個車站各仿真接口程序的運行，根據(jù)服務(wù)器的性能，也可將若干車站的仿真接口程序安裝在一套服務(wù)器上。網(wǎng)絡(luò)交換機有兩個方面的功能，首先是為各仿真接口程序與ISCS之間的數(shù)據(jù)交互提供數(shù)據(jù)傳輸通道，其次是為主控界面程序與接口仿真程序之間的數(shù)據(jù)交互提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

　　接口仿真程序通過讀取仿真數(shù)據(jù)配置文件加載初始的仿真數(shù)據(jù)，形成不同站點上相同類型子系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)點數(shù)不同的實際運營情況。

　　接口仿真程序能夠獨立運行，形成單個系統(tǒng)的接口測試環(huán)境，模擬現(xiàn)場接口調(diào)試時的情況;也能夠通過數(shù)據(jù)通信的軟總線，把若干接口仿真程序配置成一個全線仿真系統(tǒng)運行，通過主控界面程序?qū)Ω鹘涌诜抡娉绦虻膯蝹�或多個數(shù)據(jù)進行設(shè)定，產(chǎn)生類似事件報警、故障報警、海量狀態(tài)變化等極端狀況，模擬全線系統(tǒng)聯(lián)動的情況。

　　接口仿真程序在與被測試ISCS的接口通訊時，可實時檢測接口通訊性能狀況，提供ISCS通訊性能的測試數(shù)據(jù)。

　　4 系統(tǒng)功能

　　4.1 主控界面程序功能

　　(1)控制功能

　　主控界面程序用3個控制參數(shù)(故障模式、仿真操作模式、報警模式)控制接口仿真程序的仿真設(shè)備狀態(tài)，這種控制方式不僅能實現(xiàn)對單個接口仿真程序的點控，還實現(xiàn)對多個接口仿真程序同時進行的組合控制、順序控制，達到真實模擬實際設(shè)備運營的效果。

　　主控界面程序提供二次編程工具，利用它編輯仿真科目。具備多個仿真科目按時間、狀態(tài)等條件觸發(fā)并順序執(zhí)行仿真控制的功能。能夠?qū)崿F(xiàn)全線仿真系統(tǒng)自動仿真運行的功能。

　　(2)評測功能

　　全線仿真系統(tǒng)完全按照城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)真實接口和運行環(huán)境設(shè)計，可以作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺測試、工廠測試的測試平臺。主控界面程序采集和記錄每個與接口仿真程序接口的被測系統(tǒng)運行性能參數(shù)，這些參數(shù)包括：

　　通訊間隔：兩次通訊之間的平均間隔時間。

　　動作執(zhí)行編碼：被測系統(tǒng)對接口仿真系統(tǒng)的操作變化狀態(tài)記錄。

　　最大通訊間隔：兩次通訊之間的最大間隔時間。

　　通訊錯誤編碼：通訊報文中包含的各種不符合通訊規(guī)約的錯誤和效驗出錯。

　　同時通訊錯誤仿真：仿真通訊報文錯誤，測試被測系統(tǒng)在處理錯誤報文時的處理能力。

　　主控界面使用曲線趨勢和圖表形式直觀顯示這些參數(shù)記錄的變化趨勢;主控界面程序還提供信息公告板功能，詳細(xì)記錄每個接口仿真程序的仿真操作過程和被測系統(tǒng)的操作反應(yīng);每一條公告板紀(jì)錄都有標(biāo)記著接口仿真程序的名稱和精確到10ms時間標(biāo)記。

　　(3)培訓(xùn)功能

　　主控界面程序可依據(jù)培訓(xùn)需要啟用專門培訓(xùn)模式，在培訓(xùn)模式下主控界面程序把相應(yīng)接口仿真程序中的全部或部分仿真數(shù)據(jù)采集到主控界面程序，提供給用戶直接控制;配合主控界面程序在線編輯工具，編輯培訓(xùn)科目，編輯完成的培訓(xùn)科目可以存儲成標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)程序，以備再次調(diào)用。

　　4.2 接口仿真程序功能

　　(1)接口通訊功能

　　接口仿真程序按照仿真對象的接口形式提供接口通訊服務(wù)。接口采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式，網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)能提供多路接口通訊客戶數(shù)據(jù)鏈接，方便多個被測系統(tǒng)接口的接入;網(wǎng)絡(luò)接口具備雙網(wǎng)冗余切換功能;每個接口仿真程序除了具備與被測系統(tǒng)連接的仿真通訊接口外，還具備內(nèi)部通訊軟總線與主控界面程序?qū)崿F(xiàn)信息交互的功能。

　　(2)仿真數(shù)據(jù)配置功能

　　全線仿真系統(tǒng)為每一個專業(yè)子系統(tǒng)開發(fā)一個通用接口仿真程序，覆蓋全部被仿真專業(yè)子系統(tǒng)，接口仿真程序具有仿真數(shù)據(jù)配置功能，導(dǎo)入一個包含仿真設(shè)備數(shù)量和仿真數(shù)據(jù)點數(shù)的文件，接口仿真程序就可成為某個車站的一個專業(yè)系統(tǒng)仿真程序。

　　(3)系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)生成和控制

　　接口仿真程序按照被各仿真專業(yè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)特性和設(shè)備物理特征，生成符合子系統(tǒng)實際運行狀況和物理邏輯關(guān)系的仿真數(shù)據(jù)，按照被仿真系統(tǒng)的真實情況運行。

　　(4)系統(tǒng)運行狀態(tài)的模擬仿真

　　仿真專業(yè)系統(tǒng)在各類設(shè)備系統(tǒng)的測量參數(shù)及狀態(tài)，各相關(guān)測量和反饋參數(shù)按照實際的物理或邏輯狀態(tài)運行，提供逼真的仿真實際環(huán)境。接口仿真程序接收到設(shè)備開關(guān)命令時，仿真設(shè)備會按照控制命令運行，通過仿真設(shè)備運行狀態(tài)點反饋。接口仿真程序接收到模式聯(lián)動命令，仿真系統(tǒng)會按照模式要求順序運行，通過仿真設(shè)備運行狀態(tài)點反饋。

　　(5)系統(tǒng)故障和報警的模擬仿真

　　仿真專業(yè)子系統(tǒng)的各種故障狀況和報警狀況。

　　報警信號：仿真探頭或傳感器探測到異常狀態(tài)時，進行報警。

　　設(shè)備故障信號報警：仿真設(shè)備故障狀態(tài)，通過設(shè)備故障報警仿真信號報警。

　　設(shè)備維護故障信號模擬：按照設(shè)備維護檢測的原理，仿真設(shè)備維護測量點發(fā)出維護故障信號。

　　(6)采集被測綜合監(jiān)控的接口通訊性能參數(shù)

　　采集通訊掃描時間間隔、通訊掃描中斷時間記錄、通訊中斷次數(shù)、通訊錯誤內(nèi)容。

　　統(tǒng)計最大通訊間隔：兩次通訊之間的最大間隔時間。

　　通訊錯誤：通訊報文中包含的各種不符合通訊規(guī)約的錯誤和效驗出錯。

　　通訊錯誤仿真：仿真通訊報文錯誤，測試被測系統(tǒng)在處理錯誤報文時的處理能力。

　　5 結(jié)語

　　本文以上海軌道交通7號線工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)項目為對象，研究探討一種低成本、高效能的適用于超大型數(shù)據(jù)采集和集成系統(tǒng)仿真、測試、培訓(xùn)功能的仿真測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以軟件仿真為手段，通過設(shè)計開發(fā)各專業(yè)子系統(tǒng)的接口仿真程序以及與接口仿真程序交互的主控界面程序，構(gòu)建一套可任意配置、任意擴展的仿真測試系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測試方案相比，本文的設(shè)計方案顯然更經(jīng)濟、更靈活。

　　隨著全線仿真測試系統(tǒng)平臺的建立和應(yīng)用，仿真測試功能將得到進一步完善，該測試平臺不僅能為7號線工程項目的順利實施提供技術(shù)上的保障，也為國內(nèi)其它大型自動化系統(tǒng)的仿真測試提供了測試環(huán)境。

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