摆脱硬件依赖：SkyEye在轨道交通中的仿真应用

​在城市轨道交通系统中，信号系统承担着确保列车安全、高效运行的关键任务。从排列进路、信号开放，到终点折返与接发车，几乎每一个调度动作背后都依赖于信号系统的精密控制与实时响应。作为信号系统的重要组成部分，目标控制器（Object Controller, OC）通过专用板卡实现对轨旁设备的控制与状态采集，承担着驱动转辙机、信号机、电码化设备等核心设备的执行功能。可以说，OC系统是列车运行过程中的“信号守门员”，直接关系到列车是否能安全、准时、有序地完成每一次进出站与转向操作。

▲OC系统组成
 
然而，OC系统的典型研发流程高度依赖定制硬件资源：OC的实际运行需要在定制的主控硬件板上进行，其集成了处理器、电源、通信和控制逻辑，设计验证过程往往必须等到实物硬件就绪，才能启动软件调试和系统联调。这不仅拉长了研发周期，也容易在测试阶段形成硬件占用冲突，阻碍调试资源的复用。
 
更糟糕的是，出于安全关键的考虑，OC系统常采用“二乘二取二”的冗余架构。
 
“二乘二取二”是一种常用于轨道交通信号系统的高安全性冗余架构，其结构逻辑可以分为两个层级：

• “二取二”架构（2-out-of-2）：每个控制模块内含两套独立运算通道，分别执行相同的逻辑运算，仅在输出一致时才允许下发控制指令，用于及时检测单点故障；
  
• “二乘二”架构：配置两块功能相同、互为冗余的控制模块，每一个模块内部本身又是二取二架构，即使其中一块发生故障，系统仍能稳定运行。
  

▲二乘二取二原理示意图
 
“二乘二取二”系统配置灵活多变，所需实验场景组合更为繁多，仅靠有限的实验环境难以覆盖全部工况。
 
针对这些问题，控制器仿真技术正成为一种可行的解决思路。在不依赖实体硬件的前提下，构建OC系统的虚拟运行环境，实现嵌入式控制逻辑、模块通信机制、外设响应行为的全流程数字化重构，已成为提升效率、降低成本、拓展验证边界的关键手段。
 
目前，已有工程团队围绕OC系统架构开发出具备实用价值的数字化仿真方案，构建了以虚拟VCU（Vital Control Unit）为核心、覆盖安全通信模块与GUEST模块的控制器数字样机。该样机具备处理器双通道建模能力、虚拟总线通信能力、自检与交互逻辑模拟能力，能够完成从嵌入式二进制加载到输出行为观测的完整仿真闭环，并支持多个虚拟控制模块同时运行，实现对OC系统多配置、多节点场景的系统级重现。
 
更重要的是，这类控制器仿真平台不仅适用于研发环节的功能验证和故障注入测试，还在工程交付后的维护环节中展现出高适应性。当现场出现难以复现的问题时，工程师可在仿真环境中快速还原现场配置与输入，执行回溯调试与路径重演。这种“全生命周期可验证”的能力，已成为轨道交通行业追求“更高安全、更短周期、更低成本”的技术支点。
 
2023年2月，仿真控制器已在上海地铁3号、4号线的改造项目中成功落地试运行，研发人员得以在真实OC硬件未制造时提前验证OC系统的硬件设计、软件功能和系统性能，在发现设计缺陷后及时优化，减少了产品研发的迭代次数，将研发时间从半年缩短至2个月左右，节省了大量的资源投入。
 
这套系统的底层仿真能力，正是来自天目全数字实时仿真软SkyEye。作为一款面向嵌入式系统的行为级硬件仿真平台，SkyEye具备多架构处理器支持能力，支持可视化建模，可在物理硬件尚未制造的前提下完成从指令执行、外设响应到总线通信的高保真还原。它为控制器仿真方案提供了处理器级建模、虚拟多模块协同、时序同步机制等核心能力，成为支撑复杂嵌入式控制系统数字孪生实现的关键基础平台。

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