一種高速列車信息控制系統(tǒng)協(xié)同故障仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種協(xié)同故障仿真系統(tǒng)，尤其涉及高速列車信息控制系統(tǒng)的協(xié)同故障仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高速列車的安全運(yùn)行是高鐵運(yùn)行與發(fā)展的首要問題，關(guān)乎國計(jì)民生，牽動全國人民的心。我國高速鐵路發(fā)展迅速，形成了具有中國特色的高鐵技術(shù)體系，總體技術(shù)水平和應(yīng)用水平居世界領(lǐng)先，但由于高速列車運(yùn)行時速高、運(yùn)行環(huán)境惡劣以及長期運(yùn)行可能導(dǎo)致的元器件老化等為高鐵的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。
[0003]高速列車信息控制系統(tǒng)由牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)和列車運(yùn)行控制系統(tǒng)等構(gòu)成，是高速列車的心臟(牽引傳動控制)、大腦(列車運(yùn)行控制)和神經(jīng)(網(wǎng)絡(luò)控制)，高速列車正是在這些系統(tǒng)的共同作用下實(shí)現(xiàn)整車安全運(yùn)行，屬于高速列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，也是高速列車高發(fā)故障的主要來源之一。為保證真實(shí)運(yùn)營系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，同時降低研發(fā)成本、縮短研制周期和車上調(diào)試時間、減少驗(yàn)證時間，所有車載技術(shù)在投入運(yùn)行使用之前，都必須通過實(shí)驗(yàn)室的仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行的測試與試驗(yàn)驗(yàn)證。
[0004]通過搭建半實(shí)物仿真測試體系架構(gòu)，能夠避免在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測試，從而降低測試成本。國內(nèi)現(xiàn)有的各種高速列車半實(shí)物仿真平臺，可離線、手動、簡單模擬仿真某些子系統(tǒng)內(nèi)或功能模塊內(nèi)的異常工況，以及“故障導(dǎo)向安全”機(jī)制下的故障-停車行為，但缺乏系統(tǒng)級在線故障測試/注入和協(xié)同仿真/試驗(yàn)機(jī)制。高速列車信息控制系統(tǒng)運(yùn)行時故障的時空變迀特性，以及系統(tǒng)冗余、模塊化或插件化封裝帶來的隔離特性等，使得在以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行行為為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺上，無法僅僅通過簡單地設(shè)置故障注入環(huán)節(jié)或增加故障診斷功能來構(gòu)建規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜故障診斷應(yīng)用驗(yàn)證平臺的體系架構(gòu)；也無法逼近真實(shí)地模擬故障注入模式下系統(tǒng)故障的演變環(huán)境及其發(fā)生、發(fā)展、演變的復(fù)雜時空變迀特性，因而實(shí)現(xiàn)故障測試/注入行為、影響及隔離之間的有效控制十分困難，無法滿足系統(tǒng)級故障注入及故障診斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證研宄的要求，同時還會給平臺設(shè)備帶來破壞性、給試驗(yàn)人員帶來危害性等隱患。
[0005]現(xiàn)有的高速列車仿真平臺大多以模擬、仿真、驗(yàn)證高速列車正常運(yùn)行行為為主要目標(biāo)，僅可離線、手動簡單模擬仿真某些子系統(tǒng)內(nèi)或功能模塊內(nèi)的異常工況，以及“故障導(dǎo)向安全”機(jī)制下的故障-停車行為。
[0006]因此，如何建立故障注入/模擬模式下應(yīng)用驗(yàn)證平臺的協(xié)同仿真(試驗(yàn))機(jī)制，包括如何構(gòu)建適于實(shí)現(xiàn)故障注入/模擬行為、影響與隔離有效控制的應(yīng)用驗(yàn)證平臺體系結(jié)構(gòu)，如何可靠、安全、逼近真實(shí)地模擬故障演變環(huán)境及癥狀變迀的時空特性及其如何在線實(shí)現(xiàn)，是本發(fā)明擬解決的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種能可靠、安全、逼近真實(shí)地模擬故障的高速列車信息控制系統(tǒng)協(xié)同故障仿真系統(tǒng)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種高速列車信息控制系統(tǒng)協(xié)同故障仿真系統(tǒng)，所述高速列車信息控制系統(tǒng)包括牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)等各系統(tǒng)，協(xié)同故障仿真系統(tǒng)采用基于HLA-RIT與反射內(nèi)存網(wǎng)的混合分布式仿真結(jié)構(gòu)，包括實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)、實(shí)時仿真控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)物理效應(yīng)模擬設(shè)備，所述實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)包括總體控制臺、故障注入控制臺和各系統(tǒng)的仿真計(jì)算機(jī)，用于對總系統(tǒng)和各系統(tǒng)的仿真監(jiān)控和故障注入監(jiān)控，記錄仿真數(shù)據(jù)；所述實(shí)時仿真控制網(wǎng)絡(luò)主要包括列車總線與HLA-反射內(nèi)存網(wǎng)混合式仿真網(wǎng)絡(luò)，用于各系統(tǒng)之間通信和數(shù)據(jù)傳輸；所述物理效應(yīng)模擬設(shè)備主要包括各系統(tǒng)的實(shí)物設(shè)備、dSACE實(shí)時仿真器、仿真模型、接口調(diào)理板與故障注入單元FIU，用于模擬高速列車信息控制系統(tǒng)中的主要元部件實(shí)物、抽象模型與常見故障。
[0010]優(yōu)選地，在牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng)中分別設(shè)置故障注入單元FIU，實(shí)現(xiàn)對元件一部件一子系統(tǒng)一系統(tǒng)各層級的故障注入控制。
[0011]優(yōu)選地，故障注入單元FIU不僅實(shí)現(xiàn)協(xié)議層的故障注入，還實(shí)現(xiàn)物理層與電氣層的故障注入，并實(shí)現(xiàn)覆蓋全故障模式的注入。
[0012]優(yōu)選地，通過HLA主干網(wǎng)與反射內(nèi)存網(wǎng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，并將故障注入控制接入反射內(nèi)存網(wǎng)與HLA主干網(wǎng)，通過對牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng)故障注入單元FIU的控制，達(dá)到對各系統(tǒng)各層級進(jìn)行故障注入的分布式控制目的；并能對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)以及整個高速列車信息控制系統(tǒng)進(jìn)行故障注入/模擬/仿真。
[0013]優(yōu)選地，利用HLA提供的通用、相對獨(dú)立的支撐服務(wù)程序RTI，將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信三者分開。
[0014]優(yōu)選地，利用HLA的互操作性和可重用性，把分布式異構(gòu)型的仿真應(yīng)用有效地整合在一起共同完成一個仿真任務(wù)，實(shí)現(xiàn)仿真應(yīng)用程序的互操作和重用。
[0015]優(yōu)選地，由實(shí)時仿真器和硬連線保證實(shí)時性要求最高的部分，采用反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時性要求幾毫秒級的部分，其余數(shù)據(jù)交互采用HLA實(shí)現(xiàn)。
[0016]優(yōu)選地，采用MATLAB環(huán)境，MATLAB的仿真模型通過適配器以一個聯(lián)邦成員的身份加入仿真聯(lián)邦，并發(fā)布和訂購所需要對象類與交互類，適配器將獲得的MATLAB所需的對象類和交互類數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)信息映射為MATLAB的仿真模型中的輸入輸出變量，并根據(jù)仿真運(yùn)行管理器的控制指令，通過MATLAB的API對MATLAB引擎進(jìn)行相應(yīng)的控制。
[0017]優(yōu)選地，HLA-RTI中提供的RTI接口在仿真開始時，管理dSPACE成員的初始化；成員仿真時間推進(jìn)時，控制基于聯(lián)邦時間的dSPACE時間；成員創(chuàng)建和發(fā)送交互時，把由進(jìn)程模型產(chǎn)生的交互進(jìn)行轉(zhuǎn)換和發(fā)送；其他成員接受交互時，把接受進(jìn)來的交互進(jìn)行轉(zhuǎn)換并發(fā)到進(jìn)程模型；在其他成員發(fā)現(xiàn)對象實(shí)例時，對HLA對象與相應(yīng)的dSPACE對象進(jìn)行映射；在成員更新其屬性時，把dSPACE的更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HLA的更新數(shù)據(jù)；在其他成員得到更新時，使接收到的更新的屬性生效。
[0018]優(yōu)選地，dSPACE實(shí)時仿真器以聯(lián)邦成員的形式加入仿真聯(lián)邦，作為半實(shí)物仿真中虛擬控制器與虛擬控制對象，并利用接口調(diào)理板實(shí)現(xiàn)不同類型信號之間的轉(zhuǎn)換與通信。
[0019]本發(fā)明系統(tǒng)的故障仿真是以模擬高速列車信息控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中的故障發(fā)生、傳播和影響為目的，并以高速列車信息控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和邏輯為基礎(chǔ)，融合多年來測試過程中的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障注入/模擬/仿真，其本質(zhì)是模擬現(xiàn)有的設(shè)備邏輯和故障模式、故障邏輯，不涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)。故障仿真包括對牽引傳動控制、網(wǎng)絡(luò)控制、制動控制、列車運(yùn)行控制等系統(tǒng)從元件一部件一子系統(tǒng)一系統(tǒng)各層級的涉及物理層、電氣層和協(xié)議層的故障注入/模擬/仿真?？蔀楦咚倭熊囆畔⒖刂葡到y(tǒng)的功能驗(yàn)證提供安全可靠的故障注入/模擬/仿真與測試，具有較強(qiáng)的適用性。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例高速列車信息控制系統(tǒng)協(xié)同故障仿真系統(tǒng)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于HLA-RTI的仿真系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例基于dSPASE的牽引傳動控制半實(shí)物故障仿真系統(tǒng)框圖。
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例基于dSPACE的牽引傳動控制系統(tǒng)故障注入的接口配置圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及實(shí)例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0025]高速列車信息控制系統(tǒng)包括牽弓I傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、列車運(yùn)行控制系統(tǒng)等各系統(tǒng)。協(xié)同故障仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對高速列車信息控制系統(tǒng)的故障建模、故障注入/模擬、故障傳播影響與隔離、故障診斷及仿真可信度評估等的仿真分析與驗(yàn)證。圖1給出了高速列車信息控制系統(tǒng)協(xié)同故障仿真系統(tǒng)示意圖，協(xié)同故障仿真系統(tǒng)包括實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)、實(shí)時仿真控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)物理效應(yīng)模擬設(shè)備。
[0026]實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)包括總體控制臺、故障注入控制臺和各系統(tǒng)的仿真計(jì)算機(jī)，用于對總系統(tǒng)和各系統(tǒng)的仿真監(jiān)控和故障注入監(jiān)控，記錄仿真數(shù)據(jù)。
[0027]實(shí)時仿真控制網(wǎng)絡(luò)主要包括列車總線與HLA-反射內(nèi)存網(wǎng)混合式仿真網(wǎng)絡(luò)，用于各系統(tǒng)之間通信和數(shù)據(jù)傳輸。
[0028]物理效應(yīng)模擬設(shè)備主要包括各系統(tǒng)的實(shí)物設(shè)備、dSACE實(shí)時仿真器、仿真模型、接口調(diào)理板與故障注入單元FIU，用于模擬高速列車信息控制系統(tǒng)中的主要元部件實(shí)物、抽象模型與常見故障。
[0029]圖 2 給出了基于HLA-RTI (High Level Architecture-Run Time Infrastructure,高層體系結(jié)構(gòu)-運(yùn)行時間支撐系統(tǒng))的仿真系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)，在牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)中分別設(shè)置故障注入單元FIU、實(shí)物控制器、dSPACE實(shí)時仿真器、實(shí)物受控對象(物理效應(yīng)模擬設(shè)備)，故障注入單元FIU不僅能實(shí)現(xiàn)協(xié)議層的故障注入，還能實(shí)現(xiàn)物理層與電氣層的故障注入，并能通過對元件一部件一子系統(tǒng)一系統(tǒng)(牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng))各層級的故障注入控制，實(shí)現(xiàn)覆蓋全故障模式的故障注入。系統(tǒng)中各個部分根據(jù)不同的實(shí)時性與硬線連接要求，通過HLA主干網(wǎng)與反射內(nèi)存網(wǎng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，并將故障注入控制接入反射內(nèi)存網(wǎng)與HLA主干網(wǎng)，達(dá)到對系統(tǒng)各層級和部件進(jìn)行故障注入的分布式控制目的，并能對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)以及整個高速列車信息控制系統(tǒng)進(jìn)行故障注入/模擬/仿真。
[0030]利用HLA提供的通用、相對獨(dú)立的支撐服務(wù)程序RTI，將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信三者分開；利用HLA的互操作性和可重用性，把分布式異構(gòu)型的仿真應(yīng)用有效地整合在一起共同完成一個仿真