城市轨道交通综合监控系统全线仿真测试平台的设计

　摘要：本文从城市轨道交通综合监控系统研发和工程实施的需要出发，提出一种系统仿真测试平台的设计方案，该方案既能满足全线仿真测试的功能要求，又灵活方便，投资成本低。
　关键词：城市轨道交通，综合监控系统，仿真测试
　　
　　
　　1 引言
　　城市轨道交通综合监控系统（ISCS）作为现代城市轨道交通的“大脑”，负责轨道交通全线各专业设备的运营管理和指挥调度，其功能的完备性和性能的稳定性对轨道交通的平稳有序运营至关重要。
　　由于综合监控系统的研究应用在国内尚处于起步阶段，用户的实际需求与系统集成商对用户需求的理解之间可能存在偏差，这些偏差往往在项目实施后期才会显现出来，造成设计修改甚至返工现象，给项目实施进度带来负面影响；另一方面，综合监控系统软件自身的缺陷或数据库配置的不当，都会造成系统功能缺失或性能降低，影响综合监控系统在联动控制、协调管理等运营调度功能的发挥。因此，有必要在项目实施前期，构建一个与实际工程项目相同或相似的外部测试环境（仿真测试平台），验证综合监控系统软件及其配置是否满足特定工程应用中功能和性能要求，以便尽早发现潜在的需求差异和软件缺陷，为工程项目的顺利实施奠定基础。
　　目前，城市轨道交通综合监控系统的仿真测试方式有二种，第一种采用实物仿真方式，即通过实际专业子系统设备的接入来测试综合监控系统的功能和性能；第二种采用国外专业仿真软件方式，即采用一套专业模拟软件替代实际的专业设备并通过特定接口方式接入综合监控系统。第一种方式的缺点是成本高、占地面积多，可用于单个车站各专业系统的仿真测试，但显然不适合包含数十个车站的全线仿真测试；第二种方式虽然便捷，但国外软件高昂的许可证费用使国内企业望而却步，且还存在维护开发工作量大的缺点，同样不适合全线仿真测试的要求。
　　本文将以上海轨道交通7号线综合监控系统项目为研究对象，提出一套构建全线仿真测试平台（系统）的方案，该方案能同时仿真数十个车站系统的专业设备，且实施成本低，可作为城市轨道交通综合监控系统功能和性能测试有效方法。
　　2 仿真对象和范围
　　城市轨道交通综合监控系统是一个地域上分散的超大型的数据采集和控制系统，包括控制中心综合监控系统和车站及车辆段/停车场综合监控系统，其中车站级综合监控系统集成或部分集成十余个专业子系统，监控的设备多，系统规模庞大。本文下面以上海轨道交通7号线工程综合监控系统项目为对象，分析研究全线仿真测试系统的设计思想。
　　上海轨道交通7号线工程（含北延伸段）全长44.2公里，全线设33座车站，2个停车场和1处控制中心，其中综合监控系统集成或部分集成了12个专业子系统，包括机电设备监控系统（EMCS/BAS）、电力监控系统（PSCADA）、火灾自动报警系统（FAS）、列车自动监控系统（ATS）、门禁系统（ACS）、闭路电视监控CCTV、广播系统（PA）、乘客信息显示系统（PIDS）、自动售检票系统（AFC）、屏蔽门系统（PSD）、人防门（PG）系统等，系统设计的数据采集容量为30万点。
　　作为综合监控系统的全线仿真测试系统，其仿真的对象和范围就是分布在上述33个车站、2个停车场及控制中心的12个专业的设备及系统，仿真数据量超过30万点。
　　3 系统设计
　　3.1 总体设计思想
　　全线仿真测试系统以软件仿真为基础，通过构建若干体现不同专业设备或子系统特性的接口仿真程序，来模拟各专业设备或子系统的运行状况；通过构建一个主控界面程序来实现人机界面及各接口仿真程序之间的信息互通，以真实模拟各专业子系统在实际运营中的联动关系。
　　全线仿真测试系统采用两级运行方式，即（1）接口仿真程序独立运行方式，（2）主控程序联动运行方式。
　　全线仿真测试系统采

#p#副标题#e#用分布式架构，灵活、高效、通用，具备以下特性：
　　 独立性：各接口仿真程序均为独立的程序，体现被仿真设备或子系统的特性和接口方式，能够不依赖于其他接口程序而独立运行。
　　 组合性：每个车站中接口仿真程序的种类及数量可根据实际工程中综合监控系统集成专业子系统种类及数量，任意配置，组合而成。
　　 扩展性：全线仿真测试平台可以任意增加或减少车站数量，车站数量的增减不影响其它车站的配置。
　　 升级便捷：通过编制新的仿真接口程序可实现系统的更新、升级和系统仿真范围的拓展。
　　3.2 系统构成
　　全线仿真测试系统由软件和硬件两部分构成，软件部分包括1套主控界面程序、若干仿真接口程序以及为二者提供数据通信的软总线，软件系统结构如图1所示。

软件系统结构
　　
　　主控界面程序是系统监控中心，主要完成全线仿真测试系统的人机交互和每个接口仿真程序运行模式和运行状态信息显示、全线仿真系统总体控制、仿真评测、系统培训等功能。
　　接口仿真程序根据专业不同而分为PSCADA、EMCS、FAS、CCTV、PA、PIDS、AFC、PSD、PIDS等十余种类型，这些接口仿真程序依据各子系统的功能原理，通过对仿真数据的逻辑化编程，建立仿真数据之间的关联关系，以模拟子系统的真实运行情况，并采用与各子系统相同的接口方式和通讯协议（通讯规约），实现与ISCS数据交互，达到与实际运行状况一致的目的。
　　硬件作为前述软件的载体，由若干刀片式服务器和1套网络交换机组成，其中1套服务器运行主控界面程序，其它服务器按车站实际接口设备/子系统的数量运行若干对应的仿真接口程序。一般，每个服务器承担一个车站各仿真接口程序的运行，根据服务器的性能，也可将若干车站的仿真接口程序安装在一套服务器上。网络交换机有两个方面的功能，首先是为各仿真接口程序与ISCS之间的数据交互提供数据传输通道，其次是为主控界面程序与接口仿真程序之间的数据交互提供数据传输通道。
　　接口仿真程序通过读取仿真数据配置文件加载初始的仿真数据，形成不同站点上相同类型子系统监控数据点数不同的实际运营情况。
　　接口仿真程序能够独立运行，形成单个系统的接口测试环境，模拟现场接口调试时的情况；也能够通过数据通信的软总线，把若干接口仿真程序配置成一个全线仿真系统运行，通过主控界面程序对各接口仿真程序的单个或多个数据进行设定，产生类似事件报警、故障报警、海量状态变化等极端状况，模拟全线系统联动的情况。
　　接口仿真程序在与被测试ISCS的接口通讯时，可实时检测接口通讯性能状况，提供ISCS通讯性能的测试数据。
　　4 系统功能
　　4.1 主控界面程序功能
　　(1)控制功能
　　主控界面程序用3个控制参数（故障模式、仿真操作模式、报警模式）控制接口仿真程序的仿真设备状态，这种控制方式不仅能实现对单个接口仿真程序的点控，还实现对多个接口仿真程序同时进行的组合控制、顺序控制，达到真实模拟实际设备运营的效果。
　　主控界面程序提供二次编程工具，利用它编辑仿真科目。具备多个仿真科目按时间、状态等条件触发并顺序执行仿真控制的功能。能够实现全线仿真系统自动仿真运行的功能。
　　(2)评测功能
　　全线仿真系统完全按照城市轨道交通综合监控系统真实接口和运行环境设计，可以作为综合监控系统平台测试、工厂测试的测试平台。主控界面程序采集和记录每个与接口仿真程序接口的被测系统运行性能参数，这些参数包括：
　　通讯间隔：两次通讯之间的平均间隔时间。
　　动作执行编码：被测系统对接口仿真系统的操作变化状态记录。
　　最大通讯间隔：两次通讯之间的最大间隔时间。
　　通讯错误编码：通讯报文中包含的各种不符合通讯规约的错误和效验出错。
　　同时通讯错误仿真：仿真通讯报文错误，测试被测系统在处理错误报文时的处理能力。
　　主控界面使用曲线趋势和图表形式直观显示这些参数记录的变化趋势；主控界面程序还提供信息公告板功能，详细记录每个接口仿真程序的仿真操作过程和被测系统的操作反应；每一条公告板纪录都有标记着接口仿真程序的名称和精确到10ms时间标记。
　　(3)培训功能
　　主控界面程序可依据培训需要启用专门培训模式，在培训模式下主控界面程序把相应接口仿真程序中的全部或部分仿真数据采集到主控界面程序，提供给用户直接控制；配合主控界面程序在线编辑工具，编辑培训科目，编辑完成的培训科目可以存储成标准培训程序，以备再次调用。
　　4.2 接口仿真程序功能
　　(1)接口通讯功能
　　接口仿真程序按照仿真对象的接口形式提供接口通讯服务。接口采用网络通讯方式，网络通讯服务能提供多路接口通讯客户数据链接，方便多个被测系统接口的接入；网络接口具备双网冗余切换功能；每个接口仿真程序除了具备与被测系统连接的仿真通讯接口外，还具备内部通讯软总线与主控界面程序实现信息交互的功能。
　　(2)仿真数据配置功能
　　全线仿真系统为每一个专业子系统开发一个通用接口仿真程序，覆盖全部被仿真专业子系统，接口仿真程序具有仿真数据配置功能，导入一个包含仿真设备数量和仿真数据点数的文件，接口仿真程序就可成为某个车站的一个专业系统仿真程序。
　　(3)系统的仿真数据生成和控制
　　接口仿真程序按照被各仿真专业子系统的系统特性和设备物理特征，生成符合子系统实际运行状况和物理逻辑关系的仿真数据，按照被仿真系统的真实情况运行。
　　(4)系统运行状态的模拟仿真
　　仿真专业系统在各类设备系统的测量参数及状态，各相关测量和反馈参数按照实际的物理或逻辑状态运行，提供逼真的仿真实际环境。接口仿真程序接收到设备开关命令时，仿真设备会按照控制命令运行，通过仿真设备运行状态点反馈。接口仿真程序接收到模式联动命令，仿真系统会按照模式要求顺序运行，通过仿真设备运行状态点反馈。
　　(5)系统故障和报警的模拟仿真
　　仿真专业子系统的各种故障状况和报警状况。
　　报警信号：仿真探头或传感器探测到异常状态时，进行报警。
　　设备故障信号报警：仿真设备故障状态，通过设备故障报警仿真信号报警。
　　设备维护故障信号模拟：按照设备维护检测的原理，仿真设备维护测量点发出维护故障信号。
　　(6)采集被测综合监控的接口通讯性能参数
　　采集通讯扫描时间间隔、通讯扫描中断时间记录、通讯中断次数、通讯错误内容。
　　统计最大通讯间隔：两次通讯之间的最大间隔时间。
　　通讯错误：通讯报文中包含的各种不符合通讯规约的错误和效验出错。
　　通讯错误仿真：仿真通讯报文错误，测试被测系统在处理错误报文时的处理能力。
　　5 结语
　　本文以上海轨道交通7号线工程综合监控系统项目为对象，研究探讨一种低成本、高效能的适用于超大型数据采集和集成系统仿真、测试、培训功能的仿真测试系统，该系统以软件仿真为手段，通过设计开发各专业子系统的接口仿真程序以及与接口仿真程序交互的主控界面程序，构建一套可任意配置、任意扩展的仿真测试系统，与传统测试方案相比，本文的设计方案显然更经济、更灵活。
　　随着全线仿真测试系统平台的建立和应用，仿真测试功能将得到进一步完善，该测试平台不仅能为7号线工程项目的顺利实施提供技术上的保障，也为国内其它大型自动化系统的仿真测试提供了测试环境。
　　