CN105867172A - 一种列车车载控制网络半实物试验平台 - Google Patents

一种列车车载控制网络半实物试验平台 Download PDF

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崔恒斌
王玉松
王娜
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Abstract

本发明公开了一种列车车载控制网络半实物试验平台，所述平台包括：列车控制单元VCU、人机交互界面HMI、车载网络中继设备、车载IO模块、司机控制设备、虚拟控制设备、实物控制设备、半实物仿真设备、模拟视景、列车车载通信网络、列车线、实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、虚拟控制设备通信网络、电源及保护装置；解决了现有的列车车载控制网络半实物试验方式存在采用实物灵活性较差，成本较高，通用性较差的技术问题，实现了试验平台成本较低，灵活性和通用性较好，测试功能多样的技术效果。

Description

一种列车车载控制网络半实物试验平台
技术领域
本发明涉及列车车载控制网络技术领域，具体地，涉及一种列车车载控制网络半实物试验平台。
背景技术
列车车载控制网络是整个列车的“中枢神经”，实现整车控制设备的统一协调，并监视各子***的工作状态，完成整车各个子***的运行监视与故障诊断功能。列车车载控制网络的一个重要功能即整车控制逻辑实现，若需对该功能进行验证测试，必须具备列车实物控制设备及其对应的执行机构。
而在实际开发过程中，配齐所有车载网络的挂接设备及其相应的执行机构是不现实的，一方面不同列车的实物控制器和执行机构均存在差异，若采用实物设备搭建试验平台将导致其灵活性较差；另一方面大多数执行机构如牵引传动***（牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动设备）、空气制动管路、辅助控制单元ACU对应的辅助逆变器和负载等均为大功率电气设备或复杂的机械设备，若在实验室内搭建整套控制设备+执行机构，不仅投资大且不具备通用性。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的列车车载控制网络试验方式存在采用实物灵活性较差，成本较高，通用性较差的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种列车车载控制网络半实物试验平台，解决了现有的列车车载控制网络试验方式存在采用实物灵活性较差，成本较高，通用性较差的技术问题，实现了试验平台成本较低，灵活性和通用性较好，测试功能多样的技术效果。
本发明提出了一种新的列车车载控制网络试验平台设计方案，并给出了详细的***设计方案，采用列车车载控制网络实物硬件设备与纯数字仿真设备和半实物仿真设备相结合的方式，一方面为整车控制逻辑提供了通用的测试平台，另一方面也可对挂接入网络的实物控制设备提供基于车载控制网络的功能和性能测试平台。
本申请实施例提供了一种列车车载控制网络半实物试验平台，所述平台包括：
1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块、5司机控制设备、6虚拟控制设备、7实物控制设备、8半实物仿真设备、9模拟视景、10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络、14电源及保护装置；
其中，1列车控制单元VCU提供车载网络通信管理及逻辑控制功能；2人机交互界面HMI提供图形化界面显示的列车状态及故障信息；3车载网络中继设备用于实现列车通信网络信号的中继及交换功能；4车载IO模块为数字信号与模拟信号的输入输出接口；
所述5司机控制设备为司机操纵列车运行的相关设备；
所述6虚拟控制设备为采用PC机模拟的列车虚拟控制设备，用于代替真实控制设备，为整车控制逻辑和实物控制设备提供测试环境；
所述7实物控制设备为接入列车车载控制网络的实物控制设备；
所述8半实物仿真设备用于对实物控制设备的被控对象进行模拟；
所述9模拟视景为列车实际运行视景模拟，用于显示列车车载控制网络试验平台的控制效果；
所述10列车车载通信网络为真实列车通信网络；所述11列车线用于实现5司机控制设备与4车载IO模块间的模拟和数字信号传输；所述13虚拟控制设备通信网络用于实现虚拟控制设备、半实物仿真设备与模拟视景间的信号传输；
所述14电源及保护装置为试验平台的供电电源、过压过流及接地保护装置。
其中，3车载网络中继设备的两侧分别设置有一个1列车控制单元VCU，且在3车载网络中继设备的两侧存在一个对称的设备布局，该布局描述如下：2人机交互界面HMI通过10列车车载通信网络与1列车控制单元VCU相连接；5司机控制设备通过11列车线连接到4车载IO模块，4车载IO模块与1列车控制单元VCU相连接；
在3车载网络中继设备左侧的1列车控制单元VCU连接到6虚拟控制设备；在3车载网络中继设备右侧的1列车控制单元VCU连接到7实物控制设备，7实物控制设备再通过12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置连接到8半实物仿真设备。
6虚拟控制设备和8半实物仿真设备均通过13虚拟控制设备通信网络连接到9模拟视景。
其中，所述司机控制设备包括控器、控制按钮、指示灯，司机控制设备为试验平台的输入控制设备。
其中，所述虚拟控制设备能够根据试验平台的测试和调试需求对接入列车车载控制网络的实物设备的控制功能进行仿真模拟，并支持图形化仿真控制界面。
其中，所述实物控制设备即可作为整车控制逻辑的测试环境，也可作为试验平台的被测设备。
其中，所述半实物仿真设备包括：牵引主电路、牵引电机和辅助变流器，半实物仿真设备能够配合被测实物设备完成控制。
其中，所述1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块均为列车实物控制设备，用于搭建列车车载控制网络的基本硬件环境；所述10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络构成试验平台的通信网络。
其中，所述10列车车载通信网络包括基于EMD的MVB网络和工业以太网。
其中，所述1列车控制单元VCU、所述2人机交互界面HMI均具备开放的可编程开发平台，能够根据测试需求和车辆配置进行针对性的设计与开发。
其中，所述试验平台基于虚拟控制设备，能够在缺乏实物控制设备的条件下构建列车车载控制网络的仿真环境，既可实现对VCU列车逻辑控制程序的验证，也能为被测实物控制设备提供必需的测试环境。
其中，试验平台可基于列车车载控制网络硬件环境，实现整车控制逻辑的开发、测试和验证，试验平台可为牵引控制单元、制动控制单元、门控单元等接入列车控制网络的实物控制设备提供开发和测试环境，实现控制器的软硬件的功能和性能验证，所述试验平台具备与列车相同的真实车载网络控制硬件环境，且1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI具备开放的可编程开发平台，可根据测试需求和车辆配置进行针对性的设计与开发。
其中，平台具备开放式机柜和便捷的设备接入软硬件环境，可支持被测控制设备和虚拟控制设备的接入和扩展，平台具备半实物仿真设备，可对实物控制设备的执行机构进行实时仿真模拟，既可满足实物控制设备的控制需求，又可解决搭建实物大功率平台和复杂机械设备所带来的投资大、通用性差的问题，平台具备虚拟视景显示功能，可直观的展示控制效果，为操作者提供仿真的操纵环境，同时使试验平台具备一定的参观和展示功能，列车实物设备硬件配置的数量和结构，可根据***功能的需求、现场试验条件和设备安装要求等灵活设置，以满足不同的测试和展示需求。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将列车车载控制网络半实物试验平台设计为包括：列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块、5司机控制设备、6虚拟控制设备、7实物控制设备、8半实物仿真设备、9模拟视景、10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络、14电源及保护装置的技术方案，一方面，6虚拟控制设备为采用PC机模拟的列车虚拟控制设备，8半实物仿真设备用于对实物控制设备的被控对象进行模拟，该配置使得一套试验平台能够根据不同的列车型号方便地模拟出不同的列车实物控制器和执行机构，克服了实物试验平台与被试列车型号只能“一对一”，不够灵活方便的问题；另一方面，大多数执行机构如牵引传动***（牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动设备）、空气制动管路、辅助控制单元ACU对应的辅助逆变器和负载等均为大功率电气设备或复杂的机械设备，本方案采用半实物平台的方式搭建试验平台，避免了若在实验室内搭建整套控制设备+执行机构，不仅投资大且不具备通用性的问题。
综上所述，列车车载控制网络半实物试验平台，解决了现有的列车车载控制网络试验方式存在采用实物灵活性较差，成本较高，通用性较差的技术问题，实现了试验平台成本较低，灵活性和通用性较好，测试功能多样的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请实施例一中列车车载控制网络半实物试验平台的结构示意图；
图2是本申请实施例一中列车车载控制网络半实物试验平台实施案例的示意图；
其中，1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块、5司机控制设备、6虚拟控制设备、7实物控制设备、8半实物仿真设备、9模拟视景、10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络、14电源及保护装置。
具体实施方式
本发明提供了一种列车车载控制网络半实物试验平台，解决了现有的列车车载控制网络试验方式存在采用实物灵活性较差，成本较高，通用性较差的技术问题，实现了试验平台成本较低，灵活性和通用性较好，测试功能多样的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
请参考图1-图2，本申请提供了一种列车车载控制网络半实物试验平台，图2中所列试验平台试验方案可实现VCU内部控制逻辑验证及列车牵引控制单元的功能和性能测试。
1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块、5司机控制设备、10列车车载通信网络为实物控制设备，具备与实际地铁列车相同的硬件环境，其中VCU和HMI具备开放的软件开发平台，可实现基于IEC61131的列车控制逻辑编程和HMI的可视化编程。
3车载网络中继设备和10列车车载通信网络构成列车车载控制网络的通信介质，试验平台具备MVB（EMD介质）和工业以太网两种车辆总线。MVB车辆总线通过MVB中继器实现信号中继，延长传输距离和范围，工业以太网使用符合IEEE 802.3标准的10/100BASE-TX双绞线，采用两对非屏蔽双绞线或两对1类屏蔽双绞线连接，通过工业以太网交换机实现信息通信和设备扩展。直接接入车辆总线的控制设备，包括1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、4车载IO模块、6虚拟控制设备（6-1虚拟EBCU,6-2其他虚拟信号）、7实物控制设备均具备基于EMD的MVB接口和以太网接口，其中虚拟控制设备的MVB接口通过PCIE转MVB网卡实现。试验测试时，可根据被测设备的需求选择采用MVB或工业以太网作为车辆总线实现车辆数据传输。
5司机控制设备与4车载IO模块采用列车线连接，并通过4车载IO模块将司机操作控制指令（电压电流控制信号）转换为通过MVB或工业以太网传输的车载控制网络控制信号。
根据本实例试验平台的测试需求，虚拟控制设备采用两台PC机实现，其中6-1虚拟EBCU实现对EBCU控制功能和输入输出信号的模拟，6-2其他虚拟信号模拟实现对其余控制控制设备的输入输出信号模拟，以确保VCU内部整车控制逻辑所需控制信号的完整性，为整车控制逻辑测试提供完整的测试环境。
根据本实例试验平台的测试需求，列车实物控制设备采用牵引控制单元（DCU）实现，半实物仿真设备采用RT-LAB仿真器实现，两者通过接口箱实现信号电平转换。半实物仿真设备基于硬件在回路的开发功能，通过I/O接口板卡与实际控制器连接，以实时处理器为载体运行仿真模型来模拟牵引***主电路及牵引电机的运行状态，为DCU提供被控对象，具有较高的真实度和可信度。同时，通过半实物仿真设备的控制界面，还可实时获取DCU及主电路的控制状态并进行在线调试。在实际测试中，DCU即可作为被测设备，利用该试验平台进行性能和功能测试，也可作为整车控制逻辑的测试环境，为VCU提供真实的输入输出信号。
本实例中13虚拟控制设备通信网络利用以太网局域网实现，9模拟视景通过以太网获取虚拟控制设备和半实物控制设备的控制输出，结合预设的线路信息及列车基本信息通过牵引计算得到列车运行状态，并通过视景进行直观显示，使操作者直观的获取测试结果。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
由于采用了将列车车载控制网络半实物试验平台设计为包括：列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块、5司机控制设备、6虚拟控制设备、7实物控制设备、8半实物仿真设备、9模拟视景、10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络、14电源及保护装置的技术方案，一方面，6虚拟控制设备为采用PC机模拟的列车虚拟控制设备，8半实物仿真设备用于对实物控制设备的被控对象进行模拟，该配置使得一套试验平台能够根据不同的列车型号方便地模拟出不同的列车实物控制器和执行机构，克服了实物试验平台与被试列车型号只能“一对一”，不够灵活方便的问题；另一方面，大多数执行机构如牵引传动***（牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动设备）、空气制动管路、辅助控制单元ACU对应的辅助逆变器和负载等均为大功率电气设备或复杂的机械设备，本方案采用半实物平台的方式搭建试验平台，避免了若在实验室内搭建整套控制设备+执行机构，不仅投资大且不具备通用性的问题。
综上所述，列车车载控制网络半实物试验平台，解决了现有的列车车载控制网络试验方式存在采用实物灵活性较差，成本较高，通用性较差的技术问题，实现了试验平台成本较低，灵活性和通用性较好，测试功能多样的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述平台包括：
1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块、5司机控制设备、6虚拟控制设备、7实物控制设备、8半实物仿真设备、9模拟视景、10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络、14电源及保护装置；
其中，1列车控制单元VCU提供车载网络通信管理及逻辑控制功能；2人机交互界面HMI提供图形化界面显示的列车状态及故障信息；3车载网络中继设备用于实现列车通信网络信号的中继及交换功能；4车载IO模块为数字信号与模拟信号的输入输出接口；
所述5司机控制设备为司机操纵列车运行的相关设备；
所述6虚拟控制设备为采用PC机模拟的列车虚拟控制设备，用于代替真实控制设备，为整车控制逻辑和实物控制设备提供测试环境；
所述7实物控制设备为接入列车车载控制网络的实物控制设备；
所述8半实物仿真设备用于对实物控制设备的被控对象进行模拟；
所述9模拟视景为列车实际运行视景模拟，用于显示列车车载控制网络试验平台的控制效果；
所述10列车车载通信网络为真实列车通信网络；所述11列车线用于实现5司机控制设备与4车载IO模块间的模拟和数字信号传输；所述13虚拟控制设备通信网络用于实现虚拟控制设备、半实物仿真设备与模拟视景间的信号传输；
所述14电源及保护装置为试验平台的供电电源、过压过流及接地保护装置。
2.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述司机控制设备包括控器、控制按钮、指示灯，司机控制设备为试验平台的输入控制设备。
3.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述虚拟控制设备能够根据试验平台的测试和调试需求对接入列车车载控制网络的实物设备的控制功能进行仿真模拟，并支持图形化仿真控制界面。
4.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述实物控制设备既可作为整车控制逻辑的测试环境，也可作为试验平台的被测设备。
5.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述半实物仿真设备包括：牵引主电路、牵引电机和辅助变流器，半实物仿真设备能够配合被测实物设备完成控制。
6.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述1列车控制单元VCU、2人机交互界面HMI、3车载网络中继设备、4车载IO模块均为列车实物控制设备，用于搭建列车车载控制网络的基本硬件环境；所述10列车车载通信网络、11列车线、12实物控制设备与半实物仿真设备信号转换装置、13虚拟控制设备通信网络构成试验平台的通信网络。
7.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述10列车车载通信网络包括基于EMD的MVB网络和工业以太网。
8.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述1列车控制单元VCU、所述2人机交互界面HMI均具备开放的可编程开发平台，能够根据测试需求和车辆配置进行针对性的设计与开发。
9.根据权利要求1所述的列车车载控制网络半实物试验平台，其特征在于，所述试验平台基于虚拟控制设备，能够在缺乏实物控制设备的条件下构建列车车载控制网络的仿真环境，既可实现对VCU列车逻辑控制程序的验证，也能为被测实物控制设备提供必需的测试环境。
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