面向服务的CBTC车载控制器测评支撑环境研究*

摘要：CBTC车载控制器是一个对安全性能有较高要求的系统，对其进行完整的测试具有很重要的意义。但在实际的系统研发和测试中，对其核心的车载控制器还缺乏可信的安全生命周期集成和测试手段。最原始的方法就是把待测的CBTC车载系统安装到真实车辆上进行测试，但这种方法成本大，安全系数不高。从仿真模型、测试程序集和与被测单元的接口等三方面提出通用方法，并尝试在自主CBTC系统的产业化过程中建立测评公共服务平台。

关键词：CBTC；地铁；仿真器；模型

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0114－02

1开发背景

地铁作为一种环保、快捷、安全的交通工具，成为各国优先发展的交通设施。为保证地铁运行的安全，需要在实验室内部设计出仿真机车模型，并对列车的运行控制系统的性能进行检测。

为了开发仿真机车模型，各国都进行了大量的研究。虽然我国对于信号系统的仿真研究晚于国外，但近些年发展较为迅速。国内发展较早的是同济大学（原上海铁道学院）的铁道部计算机联锁检验站和北京交通大学运输自动化所。

另外，各CBTC提供厂商，例如ALSTOM，SIEMENS等之间缺乏通用的测评支撑环境，需要提供适用于各厂家CBTC系统的测评公共服务平台。

为此，将尝试从自动测试设备的仿真模型、测试案例集和与被测单元的接口等方面提出解决方法，还要对关键要素进行研究，创造出一种面向服务的测评环境，并结合CBTC车载控制器测评需求进行验证。

对于仿真测试平台中容错性测试方法的问题（即在有限的软硬件环境下，尽可能满足仿真容错性要求），如何通过引入故障注入等操作方法，实现仿真机车对外发动消息的故障注入控制，模拟在实际机车运行中发生概率极低的故障情况，检测CBTC运控系统的抗干扰性，也是当前的仿真机车必须要解决的难题之一。

1.1通用的仿真机车模型

在仿真机车模型运行过程中，仿真机车需要与CC保持实时通讯，一方面接收CC发过来的控制指令，另一方面向CC实时发送列车的状态信息。目前国内主要的地铁机车供应商有中国南车、中国北车等，国外的供应商主要有阿尔斯通、庞巴迪等。国内不同的供应商提供的机车有较大的差别，因此需要仿真每一家供应商提供的机车，设计不同的仿真机车模型。仿真机车模型可以通过设计机车的主体框架完成机车的主体功能；用动态库组件的方式把每种机车不同的部分功能提取出来，生成相对独立的动态组件；通过配置可支持不同种类的机车，从而形成了相对统一的机车模型库，建立起通用的仿真机车模型。

在真实机车运行过程中，有些情况发生的概率非常小，但是在仿真测试过程中，通用仿真机车模型的车载控制器CC中的ATP（Automatic Train Protection列车自动防护）子系统都要将各个小概率事件考虑在内，例如机车齿距、齿号不一致，CC中的ATP程序会很快判断出列车动力学失效。定位失效，最终导致机车紧急制动。在设计通用仿真机车模型的时候，先对没有故障注入功能的通用仿真机车模型进行动力学分析建模，再根据不同机车模型的需要，利用某种特殊故障注入的方法，把故障注入功能融入到通用仿真机车模型中去。

1.2基于形式化的模型开发

在机车建模过程中，可以把仿真机车看作为一个黑盒，对其进行操作时，仿真机车需要给出相应的响应作为输出。仿真机车需要根据实际的机车动力学模型，通过计算机仿真技术，把实际的机车动力学模型抽象虚拟化。

以列车位移为例，利用控制理论的方法，从输入、输出的角度描述机车模型。仿真机车需要计算车轮转动的周数，并结合实际的轮径，实时计算仿真机车的位移。

1.2.1响应输入

响应输入：Δs：表示车体移动的车移位置增量；D：表示车轮直径；d：表示车轮转动方向；e：轮转偏差率，表示车轮转动位置与车体移动位置的偏差比。Δt：表示计算周期。V0：表示上一周期的车移速率；a：表示加速率，其中当a<0时表示减速率；s0：表示上一周期计算得到的车移位置；Δt：表示计算周期；F：下行_上行，机车车头方向，当为TRUE时，表示车头在上行方向，当为FALSE时，表示车头在下行方向；D：列车行驶方向；R：列车倒车。

1.2.2响应输出

响应输出：ΔO：表示车轮转动的轮转周数增量。每隔Δt时间，计算轮转周数的增量：ΔO =［Δs /（π×D）］×d×e；V1：表示本周期计算得到的车移速率；Δs：表示车体移动的车移位置增量；s1：表示本周期计算得到的车移位置；blockID；列车所占block区段。Abs：列车所占block的相对坐标。

该功能用来计算车体移动的车移速率、位移增量和车移位置。车体移动是指车体在与轨道平行的方向的位移，用车移位置的变化来表示车移速度。

1.2.3逻辑描述

根据车移速率、加速度计算车移速度：

V1＝V0＋A×Δt. （1）

根据车移速度、加速度计算车移位置的增量：

Δs＝0.5×（V0＋V1）×Δt . （2）

计算车移位置：

（D==向后→S1＝S0﹢＋Δs）∧（R ==TRUE→S1＝S0＋Δs）∧（F ==TURE→S1＝S0＋Δs）. （3）

（┐D==向后→S1＝S0＋Δs）∧（┐R ==TRUE→S1＝S0＋Δs）∧（┐F ==TURE→S1＝S0－Δs）. （4）

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＊ ［基金项目］上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重大项目（编号：ZJ2012-ZD-011）

计算blockID、坐标：根据上次计算得到的blockID、坐标和本周期车移位置的增量计算本周期blockID、坐标。

根据列车当前车移位置和前、后车轮距车头距离计算列车所占block区段。

2面向服务的测试架构

由于同一厂家CBTC系统的可测试接口不尽相同，同一功能的实现和相关系统架构的差别也比较大，因此需要使用适配的方式来决定通用的测试接口。

采用紧凑的接口方式，将功能、性能、失效测试等封装为通用的服务，隐藏掉内部的实现细节，使其具有一定的自治性和可调度性，并通过统一的接口，向各厂家的CBTC系统提供测试服务。

2.1面向服务的分布式测试架构

基于API Hook技术的故障注入方法，拦截分布式的软件服务应用，在发送和接收消息时调用系统网络套接字服务API，然后执行测试程序的相应函数。测试程序在识别出传输消息所使用的具体承载协议后，提取消息的内容，并测试整个分布式软件服务的调用过程。该方法具有客观化、自动化和轻量化的特点。

API Hook的故障注入方法能自动在消息中执行通信消息译码和状态扰动任务，通过配置消息发动方操作系统的协议堆栈来注入故障。一个Hook截断输入的请求消息，通过消息连接将消息传送到故障注入器并接收来自故障注入器的消息，经过修改的消息被正常传送到目的地。另一个Hook截断应答消息，并进行类似的处理，最后输出。

将故障注入器作为一个单独的构造，主要原因是：①简化注入器的设计；②便于把这个处理过程安排在一个单独的机器上运行，再通过TCP或者UDP等通信协议与消息处理API装置连接；③可以使多个节点使用相同的测试用例，实现测试自动化。

2.2结合机车仿真模型的故障注入测试服务

面向服务的CBTC测试平台需要仿真CBTC系统各个系统部分，包括车载控制器CC、轨旁ZC、LC设备、ATS自动监控系统和联锁系统等。另外，还需要仿真出通用的机车模型，满足整个CBTC运行的条件。通用的仿真机车模型在运行过程中，需要考虑到真实列车运行过程中的实际情况，例如机车电气延迟、坡度补偿等。通用的仿真机车模型接口以服务的方式对外提供，处于服务状态的接口能接受外界给予的故障消息激励，并作出相应的反应。

仿真机车的故障注入测试输入数据主要强调的是数据的随机性，包括消息传输过程的通信故障，例如延时、丢包、乱序等。接口调用过程中的数据包括语法故障和API参数故障，可概括为在命令模式下随机输入的ASCII字符流（如非法数据、乱序数据、信号层错误数据等）和在视窗模式下随机输入的有效键盘与鼠标输入序列。这些输入完全不考虑系统逻辑，目的在于测试整个系统的抗干扰性，从某种程度上说也是一种破坏性的测试。

如图1所示，用户可以通过数据采集和分析模块设置语法故障、参数故障和通信故障，这些故障消息被传到故障注入模

块中，故障注入模块通过API HOOK的方式把故障注入消息送到仿真机车模型中，仿真机车模型响应故障注入消息并把结果状态传给结果集，最后将结果状态记到日志数据库中。

图1CBTC车载控制器测试平台

3CBTC车载控制器测试平台应用

在CBTC系统测试中，按照CBTC系统的需求，很多情况下需要ATP子系统发出紧急制动EB指令让机车停车，并导向安全侧，以保障机车和乘客的安全。而在现实的测试中，并不是每种会导致机车EB的条件都会被测试到，因为有些情况在真实的机车运行中发生的概率非常小，但如果这些小概率事件没有被测试到，对于整个列车的信号系统将是一个很大的隐患，例如，机车编码里程计的齿距、齿号不一致这种情况，ATP系统必须立即发出EB指令保护机车，而普通的没有故障注入的测试平台则不能够仿真模拟出这种条件。故障注入的仿真机车在正常行驶中，可根据测试人员编写的脚本，通过上述的API HOOK原理随时模拟并发出齿距、齿号不一致的消息，进而观察ATP是否能够正确地接收到相应故障命令，并发出正确的EB指令让机车停车。

4结束语

通过仿真机车模型中故障注入的方法覆盖了整个CBTC运控系统因容错机制而规避了的测试路径，提高了测试的纠错能力，为CBTC运控系统测试中及时发现缺陷、查找系统缺陷提供了有力的保障。但从提高测试效率方面来看，还有改进的空间，如果能对故障集中的测试案例进行某种逻辑排列，促成测试序列的自动运行，则将对CBTC运控系统的自动化测试发展产生重要的意义。

参考文献

［1］王英学，高波，李伦贵.高速列车模型实验室系统及其测试结果分析［J］.铁道工程学报，2003（01）.

［2］范文豪，马捷中，孙姜燕.一种针对VxWorks系统的通用软件故障注入方法［J］.测控技术，2011（30）.

［3］穆瑞崎，王丹，范红梅.基于故障注入的CBTC车载测试技术的研究［J］.铁道通信信号，2010（46）.

〔编辑：王霞〕

CBTC Service-oriented Evaluation Board Controller Support Environmental Research

Zhou Tingliang, Zha Wei

Abstract: CBTC car safety controller is a high performance system requirements, has a very important meaning its complete test. But in the actual system development and testing, its core vehicle controller also lacks credible security lifecycle integration and testing methods. The most primitive method is to be tested is mounted to the vehicle system CBTC tested on a real vehicle, but the cost of this method is large, the safety factor is not high. General method proposed simulation model from three aspects, test procedures and test sets, and the interface unit, etc., and try to establish a platform for the evaluation of public services in the industrialization process of self-CBTC system.

Key words: CBTC; metro; simulator; model

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