基于HLA的CTCS-3列控系统仿真管理器研究

2010-08-07王俊峰

铁路计算机应用 2010年9期

李博，王俊峰

(北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044)

CTCS-3中国列车运行控制系统（以下简称C3列控系统）是基于GSM-R铁路无线通信系统，并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。随着我国铁路的高速发展，C3列控系统已经成为中国列车运行控制系统（CTCS）的发展方向[1～2]。

以前搭建的C3列控系统仿真平台大部分是直接在以TCP/IP为底层通信平台的基础上搭建而成，整个系统过于分散，不利于仿真平台统一管理和记录各个模块间的信息交互。不利于研究C3列控系统中各模块间如何协调和高效工作。因此，建立相应的C3列控系统模型并在实验室仿真平台下对系统进行验证和评估具有重要的现实意义。

本文主要介绍基于HLA/RTI底层通信平台的C3列控系统分布交互式仿真结构，重点解决仿真管理器数据传输实时性的问题。

1 高层体系结构（HLA）

1.1 高层体系结构简介

高层体系结构（High Level Architecture, HLA）是一种新型的分布式仿真框架[2]。在基于HLA的仿真系统中，联邦（Federation）是指用于达到某一特定仿真目的的分布式仿真系统，它由若干个相互作用的联邦成员（或简称成员）构成。所有参与联邦运行的应用程序都可以称为联邦成员。

在C3列控系统仿真平台中，C3列控系统便是作为联邦而存在。车载设备、轨旁电子单元、列控中心、无线闭塞中心、临时限速服务器、GSM-R通信接口设备等作为C3列控系统组成模块而统一称为仿真设备模块；仿真管理器、线路数据库、验证分析模块作为仿真平台辅助工具而统一称为仿真管理子系统。仿真设备模块和仿真管理子系统都是C3列控系统联邦下的联邦成员，如图1。运行支撑环境（RTI：Run-time Infrastructure）是HLA接口规范的具体实现，是HLA仿真应用程序设计和运行的基础，其功能类似于分布式操作系统。它主要提供底层通信传输服务，是C3列控系统中各个联邦成员数据交互的通道。

图1 基于HLA的CTCS-3列控系统仿真联邦结构图

1.2 将HLA运用于C3列控系统仿真平台中的优势

C3列控系统仿真平台是以某铁路线为背景的分布式半实物仿真系统。全线设有21个车站，每个车站需要1台列控中心模拟器，1台CTC分机模拟器，1台联锁模拟器。7台无线闭塞中心（RBC）管理全线的行车许可，4台多车模拟器模拟全线的列车，1台轨旁模拟器模拟全线的线路信息，1台GSM-R模拟器模拟GSM-R信息传输通道以及1台CTC总机负责全线的列车调度和运行计划的下达。不考虑真实设备，单是纯虚拟的仿真节点就达到了77个，所以整个仿真平台面临的最大问题便是统一管理各个节点（即联邦成员）以及如何处理好各个节点之间数据交互的问题。采用基于HLA/RTI这样一个高效的底层通信平台可以很好地解决这些问题。

1.2.1 便于实现对系统的统一管理

基于HLA/RTI的仿真平台具有更好的互操作性和可复用性。利用RTI发布订购机制，C3系统中的各联邦成员间的互操作变得更加便利。例如：CTC分机需要给联锁发送进路请求信息，CTC分机“发布”这一信息，联锁“订购”这一信息便可以建立数据通路。仿真管理器这一联邦成员需要监控和管理各个节点间的数据流，它若需要获取这一信息，只需要再“订购”这一信息，就可以获取该数据。所以仿真管理器只需要根据实际需求订购它需要的信息，便可以通过RTI直接获取，同时它也可以发布控制交互类信息给其他节点，所以便于实现对整个仿真平台的统一管理。而且随着列车和车站数量的增加，还可以增加联邦成员的个数，实现C3列控系统模块的即插即用，易于系统的集成。

1.2.2 增加数据传输的实时性

使用Socket通信，接入n台联邦成员，需要彼此建立的连接将会有n(n-1)/2个[3]。在本实例中，77个仿真设备节点加上3个仿真管理节点，共80个联邦成员，在基于Socket通信的情况下，需要建立的连接数将是6 160个，整个系统的通信量将相当庞大，如果软件模块设计不当，极容易造成通信阻塞。而在基于HLA/RTI构架的C3列控系统仿真平台中，这80个联邦成员之间只需要根据实际需要建立对应的发布和订购属性，RTI底层通信平台已经帮我们解决了数据传输问题，可直接实现两个节点间的数据交换，而且传输数据的实时性很好。在实际的测试中发现， pRTI消息传输延迟不到1 ms。在负载量为400 byte的情况下，两个联邦成员之间数据传输的延迟仅为3.2 ms[4]。

1.2.3 减少数据传输量

HLA网络结构还提供数据过滤机制。各个联邦成员有能力确定它们将产生什么信息，它们喜欢接收什么信息，数据传输服务的类型（例如可靠的或快速的）等。采用HLA后，整个联邦范围内所发送的数据量将明显减少，节约了网络资源，因而可以给C3列控系统仿真平台上添加更多的仿真节点，利于系统的扩展。

此外，HLA/RTI通过提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将应用层同底层支撑环境分离。即将具体的C3列控系统各仿真节点的功能实现、仿真运行管理和底层通信3者分开，使各个仿真模块相对独立地进行开发，可以加快仿真平台的建设进度。

2 基于HLA/RTI的仿真平台整体构架

基于HLA/RTI构架的CTCS-3级列控系统仿真平台分为仿真管理子系统，仿真设备模块与真实设备接口3大部分，每个部分按照功能和特征进行模块化的划分，以实现分层和分批系统设计与构建，便于系统管理和继承。这3个部分构成了基于HLA/RTI的仿真支撑环境，为车载真实设备和真实RBC提供运行测试环境，如图2。

图2 CTCS-3仿真平台系统结构图

2.1 仿真管理子系统

由线路数据库，验证分析模块及仿真管理器模块3个联邦成员构成。它们是区分于真实的系统，但却是仿真平台中很重要的部分,负责管理整个仿真平台，对仿真平台的运行进行过程控制，验证分析等。

2.2 仿真设备模块

由仿真RBC模块、CTC总机模块、CTC分机模块、联锁模块、列控中心（TCC）模块、多车运行模块、轨旁模块和仿真GSM-R模块8种联邦成员构成。它们根据实际的方案和线路设置各自的节点数量，接入到HLA/RTI环境中。

2.3 真实设备接口

由接口适配器联邦成员构成。通过设计接口适配器，一端满足RTI接口，接入到HLA/RTI环境中，另一端满足真实设备接口，与真实的被测设备连接，完成真实设备与仿真支撑环境的无缝接入及其之间的数据转换。同时这个单元也是真实软件平台与仿真支持环境的接口，通过接口适配器完成真实软件平台与HLA/RTI的数据转换和接口转换。

3 仿真管理器的设计与实现

随着仿真节点的增加和仿真测试任务的加重，仿真测试过程需要一个规划管理的角色，即仿真管理器。仿真管理器规划仿真测试过程，管理各个仿真节点，协调控制C3列控系统的各个组成模块执行测试序列，为离线的数据验证分析和系统评估提供数据基础。

与仿真管理器相连的仿真测试节点主要有列控中心仿真器、RBC仿真器、联锁设备仿真器、CTC车站分机仿真器、车载设备仿真器、列车运行仿真器等，如图3。仿真管理器内部分8大模块，分别实现仿真节点识别、仿真节点时间同步、仿真节点初始化配置、仿真过程监测和控制等功能。

仿真管理器最突出的特点就是对整个仿真平台中各个节点的管理，集中控制各个节点间交互的数据，这也是它的核心部分。本文接下来着重从这两方面进行论述。

3.1 仿真管理器对联邦成员的管理

联邦管理是指对一个联邦执行的创建、动态控制、修改和删除等过程。联邦执行是指在联邦（仿真系统）运行过程中，RTI根据联邦成员的请求，为实现联邦成员之间的互操作而创建的一个虚拟世界。

在C3列控系统仿真平台中，仿真管理器完成对联邦的管理。在初始状态时，当仿真管理器（联邦成员）调用RTI的Create Federation Execution服务之后，联邦执行开始存在。但此时联邦执行中并没有联邦成员，直到仿真管理器（第1个联邦成员）调用了Join Federation Execution服务之后，联邦成员才加入到联邦执行中。随后，仿真管理器根据实际需要远程控制CTC分机、联锁、TCC等联邦成员加入到联邦执行中。当仿真结束后，仿真管理器远程控制所有的联邦成员退出联邦执行后，仿真管理器调用Destroy Federation Execution服务撤销联邦执行。

图3 仿真管理器组成模块

联邦执行创建与撤销的整个过程都是在RTI的支持下，由仿真管理器推动。在这个过程中，仿真管理器与RTI之间的关系和交互过程如图4。图中的细线箭头表示在联邦执行的生命周期内，仿真管理器和RTI之间的交互[5]。

图4 仿真管理器和RTI之间的关系

3.2 仿真管理器中增加数据传输实时性的策略[6]

仿真管理器需要实时监控各个仿真节点间的信息交换，所以各个仿真节点和仿真管理器有庞大的信息量，需要采用一些方法增加数据传输的实时性。

3.2.1 采用多线程的方法增加数据传输实时性

在HLA体系下，不同的进程模式决定了C3列控系统各个节点（联邦成员）调用RTI的方式和RTI如何调用回调函数的方式。这也就决定了C3列控系统各个节点和RTI如何分享CPU时间。在单线程模式下，各个节点必须在一个线程内向RTI提出请求并调用tick()函数完成回调；在多线程模式下，系统的各个节点可以不调用tick()函数，RTI内部自动进行消息处理并完成回调，CPU时间得到充分利用，因而可以有效地改善网络延迟，增加系统的实时性。

3.2.2 采用设置各个节点数据优先级的方法，间接增加数据传输的实时性

在实际的C3列控系统中，各个模块在系统中的重要性是不同的。RBC和联锁设备是关系到列车“故障—安全”导向的关键设备，其中RBC更是C3列控系统区别于C2列控系统的重要设备，所以仿真管理器应该优先接受这些节点传输的信息。通过在应用层面上改善数据传输的优先级，间接解决数据传输的实时性问题。