工程3（2017）122研究轨道交通-文章高速动车组TCMS设计与LCC技术研究赵宏伟a，*，黄志平b，梅莹ba中国铁道科学研究院，北京100081b北京纵横机电技术开发有限公司，邮编：100094ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年5月5日收到2016年5月25日修订2016年11月26日接受2017年2月10日在线提供保留字：电力动车组列车控制和监控系统列车通信网络全寿命周期成本开发平台测试台架仿真远程数据传输介 绍 了 高 速 动 车 组 的 全 寿 命 周 期 ， 包 括 设 计 、 制 造 、 试 验 和 维 护 阶 段 。 介 绍 了 列 车 运 行 监 控 系 统（TCMS）软件开发平台、TCMS测试验证平台、动车组驾驶仿真平台和动车组远程数据传输与维护平台。所有这些平台和工作台结合在一起，构成了动车组寿命周期成本（LCC）系统。各平台为动车组LCC管理提供便利，是系统的重要组成部分。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍高速动车组是当今世界上最复杂的陆上大规模运输系统之一。它由数十个系统和子系统、数百个设备和数千个组件组成这些系统和子系统包括牵引动力和制动、车门控制、空调、灯光控制等。EMU技术结合了电气、电子、计算机科学、自动化、机械和动力学。新型动车组投入使用，不仅要确定设计、调试、试验，还要考虑司机培训、运营管理、维修周期、工具等方面中国铁道科学研究院经过几年的研究、开发和应用，建立了基于数字化和仿真技术的动车组LCC管理系统涵盖动车组设计、研制、试验、培训、运用、维修等阶段，几乎涵盖了动车组全寿命周期。本文介绍了LCC管理系统从电动车组列车运行控制与监控系统（TCMS）的设计、开发、测试、验证和维护等不同阶段的角度，对相关技术、工具和平台进行了探讨。TCMS是一种车载分布式控制系统。它包括计算机设备和软件、人机界面（HMI）、数字和模拟输入/输出（I/O）功能，以及以安全和抗故障的方式将所有这些组件连接在一起所需的数据网络。TCMS是标准的控制、通信和列车管理系统，适用于所有车辆平台和应用，从有轨电车、地铁、客车和旅客运输车到多车厢列车、高性能机车和高速列车。部署的精确TCMS架构因运营要求和市场细分而异，但TCMS的目的和优点在所有架构中是共同的TCMS软件开发平台用于新型动车组的概念和实现的最早阶段。TCMS是EMU的大脑，因为它控制和监控所有车载子系统和设备。于是，从* 通讯作者。电子邮件地址：zhaohongwei@rails.cnhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.01.0042095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engH. Zhao等人/工程3（2017）122123在初始设计阶段，必须考虑EMU系统、子系统、接口以及各系统之间的控制逻辑功能。还必须包括诊断功能和维护问题，例如监控所有子系统设备的运行状态，并为TCMS和子系统的每个故障定义所有必要的诊断代码可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）参数也被考虑在内，以便从初始阶段就建立一个灵活、方便和易于使用的车载控制和监测系统TCMS测试和验证平台也用于EMU LCC管理。为了实现某新型电动车组的研制，对来自不同供应商的多个子系统进行了集成。因此，子系统的接口和控制功能必须满足TCMS集成商和子系统供应商之间达成的要求，必须进行测试和验证。TCMS集成测试包括通信和信号接口测试、控制逻辑功能测试和诊断功能测试。TCMS测试台的使用也有利于EMU LCC管理，因为它缩短了EMU测试时间和成本。动车组驾驶仿真平台是在TCMS软件开发平台和TCMS测试验证平台的基础上构建的。将可视化三维技术与动车组系统功能仿真模型相结合。利用三维建模技术，建立了驾驶台、操作手柄、仪表、电源线、轨道环境等三维模型驾驶事件、条件和轨道数据被输入到3D EMU机械模型和EMU功能仿真模型中然后将EMU功能仿真模型的输出数据发送回3D机械模型，以便显示例如EMU的速度响应。动车组驾驶仿真平台还可用于司机、维修人员的运维培训。动车组远程数据传输与维护平台车辆段或车间的维修人员使用，以便从网站上监控动车组的运行状态，然后根据运行和故障情况分配动车组的维修工作通过在动车组上安装无线传输设备（WTD），可以监控车载系统和设备的运行状态，并远程下载故障信息。维修人员利用这些信息来分配维修任务，并在动车组返回车辆段之前准备必要的维修工具、消耗品和备件TCMS软件开发平台、TCMS测试验证平台、动车组驾驶仿真平台、动车组远程数据传输与维护平台构成了动车组LCC管理系统的主体结构。有了这个系统，系统工程师可以专注于LCC管理从早期设计阶段到运营阶段，甚至进入维护阶段。这也有助于驾驶员和维修人员的培训。在运营阶段，该系统还有利于车辆段的维护工作此外，车辆段应用反馈和维修经验可以输入到动车组远程数据传输和维护平台，以不断改进动车组性能、子系统控制和诊断功能。2. TCMS软件开发平台和TCMS测试验证平台动车组TCMS软件开发平台和TCMS测试验证平台共同构成了TCMS软件设计、验证和软硬件集成测试的统一平台平台开发包括该环境用于可视化应用软件的开发、嵌入式应用程序与实时操作系统的集成、网络控制单元接口驱动程序包的开发以及设计和验证软件的同步开发和协作测试2.1. TCMS软件开发平台TCMS是一种车载系统，旨在控制和监控几乎所有的列车设备和功能过程。TCMS应用包括可扩展的硬件模型和软件功能块，符合车辆制造商基于控制和监控架构，TCMS集中了与所有所谓“智能”列车设备的运行状态TCMS软件开发平台具有以下特点：• 它提供了中央处理器的硬件驱动程序(CPU)I/O接口。• 它提供了功能框图（FBD）库。• 它提供诊断块功能和数据存储功能• 它自动编译、链接和生成可执行文件代码.• 它为调试提供在线监控工具，调查图1显示了TCMS软件开发平台的结构。结构和应用TCMS软件开发平台依赖于系统工程软件工具ControlBuild。ControlBuild支持IEC 61131-3（顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、FBD和结构化文本（ST））和电气原理图语言。但对于TCMS应用软件的开发是不够的，必须实现上述功能需求[1]。对象硬件驱动程序的开发主要包括两个部分。第一部分是I/O卡驱动程序的开发，I/O卡按信号类型分为数字和模拟两类。第二部分是通信接口卡驱动程序的开发。当然，大多数动车组采用IEC 61375-1列车通信网络（TCN）技术，该技术由通常用于车内通信的多功能车辆总线（MVB）和用于全列车连接和信息交换的有线列车总线（WTB）组成。通信接口驱动程序使发送和接收MVB和WTB过程数据和消息数据电报成为可能。一个FBD库包含了所有的基本功能块和算法，控制，逻辑，TCN，等等。例如，受电弓升起控制逻辑检查几个条件当司机钥匙插入时，主断路器断开，列车牵引电路不接通 接地时，气压高于阈值，且不存在放弓条件，则所有这些条件均被使用应用软件在AND逻辑中进行运算，以允许从缩放仪拨动开关接收的命令升高缩放仪。在这种情况下，将输出致动信号。动车组应用软件的开发通常需要大量的算法、控制、逻辑和通信数据交换模块和模型。诊断和数据存储块以及数据存储功能实现诊断功能，并允许捕获和记录事件数据，以便管理，存储和处理故障代码，报告其发生和恢复时间，124H. Zhao等人/工程3（2017）122Fig. 1. TCMS软件开发平台结构。MVB：多功能车辆总线; WTB：有线列车总线; TCN：列车通信网络。操作相关的数据。可执行代码的自动编译、链接和生成由实时操作系统和任务调度机制执行，该实时操作系统和任务调度机制集成硬件驱动程序和图形编程应用软件，然后生成可在目标系统上下载和执行的可执行代码在线监测工具允许目标系统与监控定制终端之间进行数据交换，监控定制终端可以将应用软件下载到车载控制器，并从控制器上传故障信息该工具还用于在EMU处于调试和调试状态时监视运行数据TCMS软件开发平台如图所示。二、在TCMS设计平台的开发过程中，最困难的问题是每个FBD都有不同的运行模式，根据当前的系统运行阶段（即，初始化、配置开始、参数设置和正常操作），而项目是一组顺序执行的功能。如果将所有的FBD划分成若干段，然后编译并连接在一起，则程序变得非常庞大，这也会消耗大量的CPU资源，降低系统的运行速度。为了解决这一问题，采用了宏定义当一个FBD被编译，不同的段被分配到不同的宏。但是，只有使用的宏被编译并链接到对象所有库都根据控制系统的调度进行加载和运行。宏定义方法的好处是，它不仅解决了FBD和项目运行冲突问题，而且还解决了较大的CPU资源占用问题。2.2. TCMS测试和验证平台TCMS测试平台有两种：硬件系统测试平台和软件功能仿真测试平台[2]。硬件系统测试平台主要完成系统硬件集成、通信和I/O信号测试。它通常集成了TCMS硬件的所有部分，如中央控制单元（CCU），HMI，网关，I/O模块、MVB中继器、部分子系统控制单元等，系统测试软件并不是真正运行在列车上的应用软件，而是固件等底层软件。操作系统与列车上的真实操作系统相同，因此可以测试与硬件和设备之间通信接口相关的系统的几乎所有方面。软件功能仿真试验台只包括部分TCMS硬件，如CCU和HMI，但可以下载列车上使用的相同应用软件。该软件试验台允许仿真所有其他TCMS设备及其控制设备的模型，因此，软件测试台可以测试列车上使用的TCMS应用软件的控制逻辑和诊断功能，尽管它不能进行完整的硬件测试。在此基础上评价其优缺点在这两种TCMS测试平台中，我们提出了一种TCMS半物理测试平台的开发方案，该方案综合了两种TCMS测试平台的优点，可以同时测试真实的硬件和软件。它还可以测试TCMS接口;通信;以及其他子系统的功能，例如牵引，制动，车门，供暖，通风和空调（HVAC）等。结构和应用TCMS半实物试验台由四个主要机械部分组成：驾驶员控制面板、车辆机柜、信号处理机柜和模拟主控中心[3]。驱动器控制面板很重要，因为它获取驱动器其他重要的TCMS设备，如CCU和HMI，也位于这里;因此，为了将EMU移到实验室并对其进行全面测试，我们建造了一个驾驶员控制面板命令输入装置包括牵引/制动手柄、方向开关、摇摄仪升高和降低杆、主断路器闭合和打开杆、门释放和关闭按钮等。输出设备包括光接口，电压表，空气H. Zhao等人/工程3（2017）122125图二. TCMS软件开发平台。(a)硬件配置工具的通信接口;（b）在线监测工具;（c）TCMS软件开发平台的接口。压力计、HMI显示器等。车辆机柜在EMU上也很重要，因为它收集所有主要电信号并将其分支到其他子系统机柜。TCMS分布式系统，包括输入和输出MVB模块设备，位于机柜内。机柜还承载主直流低压控制电路，例如每个控制装置或低压控制回路的直流电源开关试验台上的信号处理柜不是动车组上的真实设备，但它为车辆柜中的真实设备提供交互式仿真信号。如果车辆机柜中有输入模块，则信号处理机柜中必须有模拟输出装置，该装置可以从模拟控制中心接收指令，并将信号输出到车辆机柜中的输入模块同理，如果车辆机柜中有输出模块，则信号处理机柜中必须有一个输入设备，可以收集信号并将其发送到模拟控制中心。模拟主控中心是试验台的中心，由多台具有MVB和以太网接口的计算机组成。MVB接口用于连接MVB单元并将计算机连接到其他MVB控制设备关于EMU以太网接口用于连接不同的仿真计算机和信号处理柜中的仿真设备。子系统和电路信号仿真软件都在仿真计算机上运行一般来说，TCMS设备在逻辑上可以分为两个部分。第一部分由主要集成供应商提供，包括CCU、HMI、网关、I/O模块、MVB中继器等。第二部分包括设备提供商-由子系统供应商提供，如牵引系统，尽管所有这些都连接到MVB车辆总线。在测试台上，第一部分中的一些设备是真实的物理设备，而其他设备则是虚拟模拟的，并再现了设备的功能行为。子系统仿真模型是根据测试需求建立的。如果只有TCMS和子系统之间的接口需要测试，则简单的电平控制模型就足够了。如果子系统控制单元也需要测试，则必须模拟由控制单元管理的所有信号状态，并且必须为每个子系统建立不同的模型级别。例如，牵引系统是最重要的子系统之一，与TCMS功能有许多联系。因此，已经建立了复杂的硬件在环（HIL）牵引系统仿真模型[3]。相比126H. Zhao等人/工程3（2017）122在牵引系统中，制动系统的接口更少，因此连接到TCMS的信号更少，控制模型更简单。下载到TCMS半实物试验台上的应用软件与实际动车组相同。因此，该试验台不仅模拟了动车组的正常运行条件，如操作控制杆和牵引/制动命令，以测试TCMS或子系统的触发、响应和反馈，而且模拟了动车组在非正常或异常条件下运行，如在牵引系统上输入故障报警器，并检查随之发生的TCMS和子系统的响应和反馈。TCMS半物理测试台可对85%以上的软件逻辑和诊断功能进行测试，发现大量软件bug，并可进行高风险测试。与测试真实动车组相比，使用TCMS半物理测试台可显著降低集成成本和测试时间，同时也降低了风险。TCMS半实物试验台也为动车组LCC管理提供了有益的帮助图3为TCMS半物理试验台的结构示意图。4显示了其物理实现。3. 动车组驾驶仿真平台和动车组远程数据传输与维护平台3.1. 动车组驾驶仿真平台动车组驾驶仿真平台的范围是熟悉-使操作人员熟悉操作规程和日常操作，掌握TCMS及相连子系统的信号和故障代码该平台还可用于动车组紧急情况培训、运行状态检查、应对措施实施以及指导司机如何根据需要将列车移动到安全地点与其他驾驶员培训设施不同，该平台与TCMS软件开发平台和TCMS测试和验证平台共享模拟数据。它具有相同的控制逻辑，诊断功能和HMI显示作为一个真正的动车组。基于动车组电气仿真模型和仿真结果，构建了包括动车组力学模型和线路模型在内的三维运行场景，降低了平台开发成本，保证了高质量的培训。动车组驾驶仿真平台由动车组驾驶员操作台仿真、动车组运行性能仿真、动车组正常运行模式及特殊事件仿真、动车组故障运行模式仿真四部分组成。动车组司机操作台模拟包括司机可以操作的所有部件，包括牵引/制动手柄、受电弓控制杆、方向设定开关、其他按钮或指示灯以及HMI显示器。这些I/O命令或反馈设备使用3D建模技术构建模型与模拟的电气部分有数据连接。当驾驶员操作模型时，电气模型和电气响应将反馈到仿真的机械部分进行显示。运行性能模拟共享来自图3.第三章。 TCMS半物理试验台结构。CAB：司机室机柜; ATP：自动速度保护。H. Zhao等人/工程3（2017）122127TCMS软件开发平台和试验台，建立各子系统的动、静态力学模型，并将相关数据传输到TCMS控制和试验仿真模型中。动车组正常运行模式和特殊事件仿真是根据动车组运行进路构建的，提供与司机实际操作相同的情况，如上下坡、曲线、道岔、中性点等。它还输出场景，如树木、建筑物、隧道等。将场景变化与动车组运行性能仿真相结合，同步牵引/制动力和速度数据，以产生有效的可视化运行仿真。动车组故障运行模式仿真是基于包含故障代码类别的数据库当模拟模型触发故障时，系统输出故障安全指令。驱动程序应确认故障消息并按照恢复说明解决问题。如果已经找到故障原因，则取消故障触发并且驱动器正常继续。如果故障非常严重或司机找不到原因，必须采取适当的对策，动车组以降级模式运行图图5是动车组驾驶仿真平台的结构图.6显示了动车组驾驶仿真平台本身。3.2. 动车组远程数据传输与维护平台新型动车组投入运营后，经验不足、维护困难、磨合期长等问题相继出现。动车组远程数据传输见图4。TCMS半物理测试台。(a)驾驶员控制面板;（b）模拟主控制中心;（c）车辆机柜和信号处理机柜;（d）HIL测试。图五、动车组驾驶仿真平台的结构。MCB：主断路器; CCTV：闭路电视。128H. Zhao等人/工程3（2017）122图六、动车组驾驶仿真平台。（a）列车运行进路设计;（b）列车前视模拟;（c）整个驾驶模拟平台;（d）司机操作台。动车组状态实时监控、紧急情况远程技术支持、根据故障信息和故障预测制定动车组检修计划[4]。该平台采用了车载TCMS、微控制处理、通用分组无线业务（GPRS）、无线局域网（WLAN）、以太网和数据库等技术。动车组远程数据传输与维护平台由无线传输设备和地面数据库网络浏览系统两大系统组成。WTD是车载和地面系统之间数据通信的主要桥梁;它包括一台主计算机，该主计算机具有连接到车辆系统、GPRS和连接到地面站点的WLAN接口的MVB接口地面数据库Web浏览系统基于客户机/服务器访问模式，提供设备动车组配备了WTD。通过MVB，所有收集必要的信息，例如受电弓状态、主断路器状态、牵引力、紧急/全常用制动状态、全球定位系统（GPS）数据以及车轴和齿轮箱的通过以太网或其他串行链路方法，当事件发生或系统恢复时，最终的故障事件消息将被转换。数据传输和接收机制是连接星载系统和集群系统的最重要环节。为此，车载设备对发送方式进行了多种优化，如延迟发送和重发机制。此外，还在地面设备中采用了特殊的数据处理方法，如数据重组和数据检查机制。作为这些方法的结果，实时、稳定、一致和高质量的数据可以被接收、记录和存储在专用数据库中。通过对数据库的利用和合理组织，可以方便地实现运行数据查询、故障码查询、历史数据存储和索引检索等功能[5]。使用存储在数据库中的接地故障代码，运行数据被整合，使得分析故障原因和识别故障部件的位置成为可能。随着故障数据、历史数据和维护数据的长期积累，可以进行各种调查，例如获得历史数据的统计数据并识别最可能发生的故障;识别故障事件与气候条件之间的关系;以及发现应该做什么样的维护工作以防止某些事件的发生。采用浏览器/服务器结构为客户提供远程数据访问功能。使用互联网，客户可以获得几个功能。在浏览器端，需要执行的逻辑任务很少;大多数任务将在服务器端进行分解，因此在服务器端形成了三层结构。该方法的应用减少了浏览器端的数据细化负荷、维护工作量和成本，以及更新维护工作计划的成本。来自不同位置的不同用户可以访问公共数据库。该结构的优点还在于它保护数据平台并管理访问权限。图7为动车组远程数据传输与维护平台的结构示意图，图8为动车组故障统计分析的Web浏览器功能示意图。4. 结果TCMS软件开发平台、TCMS测试验证平台、动车组驾驶仿真平台、动车组远程数据传输与维护平台已在中国高速铁路得到广泛应用TCMS软件开发平台和TCMS测试验证台已在某新型动车组的研制试验阶段和某新线投入运营前投入使用这两个平台在软硬件集成测试、TCMS及子系统接口和功能测试、现场故障模拟、故障原因分析、现场故障解决方案验证等方面发挥了重要作用。动车组驾驶H. Zhao等人/工程3（2017）122129图7.第一次会议。动车组远程数据传输与维护平台结构。图8.第八条。动车组故障统计分析的Web浏览器功能。运用仿真平台对操作人员进行培训，使他们熟悉典型的操作环境，讲解操作规程和日常操作，了解动车组的信号、故障代码和应急程序动车组远程数据传输与维护平台为动车组运营、安全风险防范和控制提供了良好的技术支撑故障报文信息帮助车辆段车间合理分配维修工作，帮助维修工程师准备维修材料和工具。该平台可实现快速响应和高质量的维护。使用这些平台和工作台，可以从设计阶段到维护阶段对EMU进行这些平台和平台共同组成了动车组LCC系统.每个平台或平台都是动车组LCC管理的一部分，成为动车组LCC管理系统的重要组成部分在不久的未来，每个平台或工作台将得到改进，变得更加有用和更加一体化。利用TCMS软件开发平台，还将为新型动车组开发动车组驾驶仿真该驾驶仿真平台也可用于新型动车组市场开发。通过历史数据的积累，完善动车组远程数据传输与维护平台随着科学技术的进步，高速动车组将变得更加安全和可用，动车组LCC将降低。遵守道德操守准则Hongwei Zhao、Zhiping Huang和Ying Mei声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1]赵红，梅英.动车组TCMS数字化设计验证平台技术报告。北京：中国铁道科学研究院; 2015年5月。项目编号2013DFA82220。中文.[2]赵红，王玲，朱刚.高速列车网络控制系统半物理平台技术报告。北京：中国铁道科学研究院，2010年6月，报告编号：TY2861 中文.[3]赵华，谢乙，夏芳，郑X，高芳。高速列车牵引系统故障导向安全控制及综合测试仿真技术研究报告。铁路技术创新2015;（2）：31-9。中文.[4]王宏，黄志，胡宏，王林.高速列车远程诊断维修模式研究。中国铁路2012;（4）：41-4. 中文.[5]陆X，赵红，黄Z，高芳。高速列车运行安全监测技术。铁路机车车辆2011;（2）：34-7. 中文.
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