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
【技術領域】
[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】
[0002]高速列車的安全運行是高鐵運行與發(fā)展的首要問題，關乎國計民生，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體系，總體技術水平和應用水平居世界領先，但由于高速列車運行時速高、運行環(huán)境惡劣以及長期運行可能導致的元器件老化等為高鐵的安全運行帶來嚴重的安全隱患。
[0003]高速列車信息控制系統(tǒng)由牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)和列車運行控制系統(tǒng)等構成，是高速列車的心臟(牽引傳動控制)、大腦(列車運行控制)和神經(jīng)(網(wǎng)絡控制)，高速列車正是在這些系統(tǒng)的共同作用下實現(xiàn)整車安全運行，屬于高速列車運行安全的關鍵系統(tǒng)之一，也是高速列車高發(fā)故障的主要來源之一。為保證真實運營系統(tǒng)的安全可靠運行，同時降低研發(fā)成本、縮短研制周期和車上調(diào)試時間、減少驗證時間，所有車載技術在投入運行使用之前，都必須通過實驗室的仿真實驗和現(xiàn)場運行的測試與試驗驗證。
[0004]通過搭建半實物仿真測試體系架構，能夠避免在真實環(huán)境中進行測試，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“故障導向安全”機制下的故障-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/試驗機制。高速列車信息控制系統(tǒng)運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，使得在以實現(xiàn)正常運行行為為主要目標的傳統(tǒng)半實物仿真平臺上，無法僅僅通過簡單地設置故障注入環(huán)節(jié)或增加故障診斷功能來構建規(guī)模龐大、結構復雜故障診斷應用驗證平臺的體系架構；也無法逼近真實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、演變的復雜時空變迀特性，因而實現(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現(xiàn)技術應用驗證研宄的要求，同時還會給平臺設備帶來破壞性、給試驗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、驗證高速列車正常運行行為為主要目標，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“故障導向安全”機制下的故障-停車行為。
[0006]因此，如何建立故障注入/模擬模式下應用驗證平臺的協(xié)同仿真(試驗)機制，包括如何構建適于實現(xiàn)故障注入/模擬行為、影響與隔離有效控制的應用驗證平臺體系結構，如何可靠、安全、逼近真實地模擬故障演變環(huán)境及癥狀變迀的時空特性及其如何在線實現(xiàn)，是本發(fā)明擬解決的關鍵問題。

【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]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
[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)絡控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、列車運行控制系統(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構，包括實時仿真計算機、實時仿真控制網(wǎng)絡、系統(tǒng)物理效應模擬設備，所述實時仿真計算機包括總體控制臺、故障注入控制臺和各系統(tǒng)的仿真計算機，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)；所述實時仿真控制網(wǎng)絡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，用于各系統(tǒng)之間通信和數(shù)據(jù)傳輸；所述物理效應模擬設備主要包括各系統(tǒng)的實物設備、dSACE實時仿真器、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)絡控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng)中分別設置故障注入單元FIU，實現(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不僅實現(xiàn)協(xié)議層的故障注入，還實現(xiàn)物理層與電氣層的故障注入，并實現(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)絡控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng)故障注入單元FIU的控制，達到對各系統(tǒng)各層級進行故障注入的分布式控制目的；并能對列車運行控制系統(tǒng)以及整個高速列車信息控制系統(tǒng)進行故障注入/模擬/仿真。
[0013]優(yōu)選地，利用HLA提供的通用、相對獨立的支撐服務程序RTI，將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運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，把分布式異構型的仿真應用有效地整合在一起共同完成一個仿真任務，實現(xiàn)仿真應用程序的互操作和重用。
[0015]優(yōu)選地，由實時仿真器和硬連線保證實時性要求最高的部分，采用反射內(nèi)存網(wǎng)實現(xiàn)實時性要求幾毫秒級的部分，其余數(shù)據(jù)交互采用HLA實現(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)仿真運行管理器的控制指令，通過MATLAB的API對MATLAB引擎進行相應的控制。
[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，把由進程模型產(chǎn)生的交互進行轉換和發(fā)送；其他成員接受交互時，把接受進來的交互進行轉換并發(fā)到進程模型；在其他成員發(fā)現(xiàn)對象實例時，對HLA對象與相應的dSPACE對象進行映射；在成員更新其屬性時，把dSPACE的更新數(shù)據(jù)轉換成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實時仿真器以聯(lián)邦成員的形式加入仿真聯(lián)邦，作為半實物仿真中虛擬控制器與虛擬控制對象，并利用接口調(diào)理板實現(xiàn)不同類型信號之間的轉換與通信。
[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)的結構、設備和邏輯為基礎，融合多年來測試過程中的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行故障注入/模擬/仿真，其本質(zhì)是模擬現(xiàn)有的設備邏輯和故障模式、故障邏輯，不涉及產(chǎn)品設計。故障仿真包括對牽引傳動控制、網(wǎng)絡控制、制動控制、列車運行控制等系統(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)的功能驗證提供安全可靠的故障注入/模擬/仿真與測試，具有較強的適用性。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實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)明實施例基于HLA-RTI的仿真系統(tǒng)分布式結構示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明實施例基于dSPASE的牽引傳動控制半實物故障仿真系統(tǒng)框圖。
[0023]圖4為本發(fā)明實施例基于dSPACE的牽引傳動控制系統(tǒng)故障注入的接口配置圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及實例，對本發(fā)明做進一步說明。
[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)絡控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、列車運行控制系統(tǒng)等各系統(tǒng)。協(xié)同故障仿真系統(tǒng)可實現(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)包括實時仿真計算機、實時仿真控制網(wǎng)絡、系統(tǒng)物理效應模擬設備。
[0026]實時仿真計算機包括總體控制臺、故障注入控制臺和各系統(tǒng)的仿真計算機，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]實時仿真控制網(wǎng)絡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，用于各系統(tǒng)之間通信和數(shù)據(jù)傳輸。
[0028]物理效應模擬設備主要包括各系統(tǒng)的實物設備、dSACE實時仿真器、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,高層體系結構-運行時間支撐系統(tǒng))的仿真系統(tǒng)分布式結構，在牽引傳動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)中分別設置故障注入單元FIU、實物控制器、dSPACE實時仿真器、實物受控對象(物理效應模擬設備)，故障注入單元FIU不僅能實現(xiàn)協(xié)議層的故障注入，還能實現(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)絡控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng))各層級的故障注入控制，實現(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)，達到對系統(tǒng)各層級和部件進行故障注入的分布式控制目的，并能對列車運行控制系統(tǒng)以及整個高速列車信息控制系統(tǒng)進行故障注入/模擬/仿真。
[0030]利用HLA提供的通用、相對獨立的支撐服務程序RTI，將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運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，把分布式異構型的仿真應用有效地整合在一起共同完成一個仿真