梳理一下MATLAB/Simulink在軌道交通行業(yè)應(yīng)用的方方面面

軌道交通一般包含鐵路軌道交通、城際市域軌道交通和城市軌道交通，以其高效、節(jié)能、安全等特點得到各國政府和商業(yè)組織的重視，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到大規(guī)模的投資建設(shè)。為了讓軌道交通更加“綠色”和“智能”，軌道交通行業(yè)的各類企業(yè)都在積極的擁抱 5G、人工智能和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，不斷的在軌道交通裝備研發(fā)上取得突破。當(dāng)然，”綠色“和”智能“本身也是外部市場對軌道交通研發(fā)企業(yè)提出的要求，如何在諸如軌交車輛，牽引供電、列車運行控制等系統(tǒng)的研發(fā)上快速進行創(chuàng)新，如何實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，正成為軌交行業(yè)研發(fā)企業(yè)取得市場先機的關(guān)鍵。MathWorks 一直致力于幫助用戶提高研發(fā)能力，為工程師提供高度自動化的研發(fā)工具，加速科研和工程創(chuàng)新。本篇就來梳理一下 MATLAB/Simulink 在軌道交通行業(yè)應(yīng)用的方方面面，我們將圍繞數(shù)字化轉(zhuǎn)型中涉及的“系統(tǒng)化的利用模型”和“系統(tǒng)化的利用數(shù)據(jù)”兩個使能要素來組織下面的內(nèi)容。

模型的系統(tǒng)化利用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）和基于模型的設(shè)計（MBD）是軌道交通裝備研發(fā)企業(yè)采用的工程方法，是我們面向復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計時采用的有效設(shè)計手段，已經(jīng)得到國內(nèi)外企業(yè)的廣泛應(yīng)用。當(dāng)我們進一步將模型應(yīng)用到設(shè)備運營階段，構(gòu)建設(shè)備的數(shù)字孿生體，進而開展基于數(shù)字孿生體的應(yīng)用，如預(yù)測性維護、基于設(shè)備狀態(tài)的健康監(jiān)測，將進一步發(fā)揮模型的價值，為企業(yè)帶來可觀的收益。另外，將設(shè)備實際運營過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作用于數(shù)字孿生體，一方面是促進數(shù)字孿生應(yīng)用的實現(xiàn)，另一方面也能夠為模型的優(yōu)化和迭代升級提供有效支撐，完成從運營到研發(fā)的反饋，形成研發(fā)和運營之間的閉環(huán)。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）

軌道交通系統(tǒng)是涉及車、路、網(wǎng)，復(fù)雜的系統(tǒng)之系統(tǒng)，其中的車輛系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)等也都具有很高的復(fù)雜性。復(fù)雜系統(tǒng)的工程設(shè)計起點往往是要通過系統(tǒng)工程方法獲取對系統(tǒng)的清晰認識，從而進一步開發(fā)并形成系統(tǒng)的架構(gòu)以及各個組成系統(tǒng)/分系統(tǒng)的以工程化語言描述的需求（這種工程方法可以在分系統(tǒng)/子系統(tǒng)層級進一步迭代使用）。MathWorks 從 R2019a 版本開始提供面向系統(tǒng)工程應(yīng)用的建模工具 System Composer，其與 MATLAB、Simulink 一起為研發(fā)企業(yè)提供了進行架構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計與系統(tǒng)實現(xiàn)的統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境。本公眾號的兩篇關(guān)于 MBSE 的文章可以做為參考：1. 基于模型的系統(tǒng)工程系列之基礎(chǔ)篇 2. MathWorks 工具在基于模型系統(tǒng)工程中的應(yīng)用 在此我們僅通過下圖說明 MBSE 和 MBD（基于模型設(shè)計）的關(guān)系，這也是采用 MathWorks 提供的工具鏈開展系統(tǒng)工程和基于模型設(shè)計的一種工作流程：

基于模型的設(shè)計（MBD）

我們在很多場合都探討過 MBD， 在本公眾號中也可以直接搜索“基于模型的設(shè)計”，可以看到很多干貨。關(guān)于基于模型設(shè)計的優(yōu)點，本文僅再著重強調(diào)兩點：一是通過可執(zhí)行模型的運行，可以在設(shè)計早期就對系統(tǒng)設(shè)計進行確認，即發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計中是不是存在不能實現(xiàn)的條目或遺漏的部分，以及開展早期的測試工作，確保詳細設(shè)計滿足設(shè)計需求。第二點是代碼生成技術(shù)讓詳細設(shè)計和代碼實現(xiàn)兩個階段無縫的貫穿起來，由于不用再由編碼人員在理解了詳細設(shè)計的基礎(chǔ)上進行手工編碼，自動代碼生成技術(shù)可以顯著提升生產(chǎn)力，另外需要強調(diào)的是，自動代碼生成技術(shù)能夠最大程度的避免編碼人員在“理解詳細設(shè)計”這個過程中引入的“故障”，即通過自動代碼生成進一步保障“代碼”與“詳細設(shè)計”的一致性。另外，基于模型設(shè)計在促進團隊協(xié)作、產(chǎn)品研發(fā)快速迭代、產(chǎn)品的質(zhì)量保障方面都能為企業(yè)帶來顯著收益，本文不再一一闡述，詳情在本公號搜索相關(guān)的技術(shù)&案例文章。

“我們的Simulink模型作為我們設(shè)計的唯一有凝聚力的來源 - 包括文檔和實現(xiàn) - 降低了成本并使更改更容易實現(xiàn)。隨著我們添加更多自動化測試，我們也降低了認證成本。” —— Claes Lindskog，龐巴迪運輸集團

龐巴迪運輸集團的解決方案和產(chǎn)品覆蓋信號系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)，很早就開始了MBD的部署應(yīng)用，“與使用我們的傳統(tǒng)方法相比，基于模型的設(shè)計我們需要更少的設(shè)計，實施，測試和文檔迭代，從而使成本降低 45％，并將交付周期縮短 35％?？蛻魧桓兜臉O具挑戰(zhàn)性的功能從一開始就能完美運行印象深刻?！?/p>

在自動代碼生成方面，Alstom 早在 2004 年就使用 Simulink Coder 和 Embedded Coder 生成產(chǎn)品級C代碼，應(yīng)用在交付給捷克鐵路的 Pendolino 型列車項目上。

“當(dāng)阿爾斯通向捷克鐵路交付 Pendolino 列車的時候，它的軟件是我們第一次使用自動生成的代碼并通過 TUV 認證。我們僅用一年時間就完成了一個永磁驅(qū)動器控制系統(tǒng)的開發(fā)，如果沒有 MathWorks 工具這些都無法做到?！?—— Han Geerligs， Alstom

在 2014 年 MathWorks 法國辦公室舉辦的一場研討會上，Alstom 的代表分享了他們的基于模型設(shè)計的最佳實踐

MATLAB/Simulink 產(chǎn)品體系中的代碼生成工具以及其它部署工具，經(jīng)過多年的發(fā)展以及大量客戶使用的打磨，已經(jīng)形成比較完善的體系，支持依托 MATLAB/Simulink 開發(fā)的應(yīng)用向嵌入式設(shè)備（FPGA， DSP， MCU， PLC 等）、邊緣設(shè)備（CPU）以及云端（Cloud）進行部署。

在 MBD 的應(yīng)用過程中，整車系統(tǒng)模型是比較重要的一個方面。SYDAC 公司創(chuàng)建系統(tǒng)模型的經(jīng)驗可以做為我們的參考。

從具體的應(yīng)用來看，鐵路車輛牽引控制系統(tǒng)涉及的能量流控制以及鐵路信號系統(tǒng)相關(guān)的信息流控制，都是 MBD 的應(yīng)用范圍。從能量流控制的視角，電池/儲能、變流、電機控制，是三個主要應(yīng)用方向。這里有詳細的解決方案。

以牽引變流器為例，ABB 使用 MATLAB 和 Simulink 設(shè)計用于濾波、電流控制、電網(wǎng)同步和電網(wǎng)功率監(jiān)測的控制算法，并計算功率、空閑功率和其他物理變量，ABB 采用 MBD 方法開發(fā)的 AC 800PEC 控制器已交付市場，用于牽引變流器，該變流器可適用于高溫度范圍和振動苛刻環(huán)境。ABB 在變流控制上應(yīng)用 MBD 不止于此，由于變流控制需要更高速度，可編程邏輯器件 FPGA 被選用做電力電子控制處理器，而 ABB 也在 MathWorks 2015 年瑞士用戶大會上分享了它在面向 CPU 和 FPGA 采用 MBD 開發(fā)變流控制器的最佳實踐。

也就是說，當(dāng)我們選用可編程邏輯器件做為電力電子控制器的時候，我們也能夠采用 MBD 的方法進行開發(fā)，HDL Coder 頁面上有更多的信息可供參考。從信息流的視角，在軌交行業(yè)，除了我們熟悉的各類涉及傳感信號、語音、圖像、視頻、無線通信信號（如5G）的處理可以采用基于模型的設(shè)計方法開展工程應(yīng)用外，在更高層的信息處理和決策邏輯開發(fā)上，如列控系統(tǒng)的開發(fā)，MATLAB/Simulink 也在發(fā)揮著重要作用。法國國家鐵路公司 SNCF 早在 2013 年就分享了其采用 MBD 進行 ERTMS（歐洲軌道列控系統(tǒng)）的開發(fā)

《A Model-Based Design Approach for an ERTMS Trackside System ： Specification， Validation and Proof of a Level 2 ERTMS》信號系統(tǒng)做為安全關(guān)鍵系統(tǒng)（Safety Critical） ，需要研發(fā)過程滿足功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求，如在軌道交通行業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)EN-50128。MathWorks 提供了完整的工具鏈支持高安全系統(tǒng)的開發(fā)。

波蘭 PESA Bydgoszcz SA 公司 ：Developing PLC-Based Control and Management Systems for Electric and Diesel Multiple-Unit Railway Vehicles 數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，在軌道交通行業(yè)，基于大數(shù)據(jù)、人工智能的健康監(jiān)測、預(yù)測性維護，是當(dāng)前比較典型的應(yīng)用。當(dāng)然，人工智能也必將在“智慧”高鐵中涉及的音頻、圖像、視覺、定位、雷達等各類傳感信息的處理中扮演重要角色，幫助實現(xiàn)電子電氣設(shè)備、高鐵車輛以及整個軌道交通系統(tǒng)的智能化。SNCF使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對車輛的動力學(xué)模型進行建模， 也開發(fā)了基于車輛狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)，幫助開展預(yù)測性的維護。

概括來說，MATLAB 在數(shù)據(jù)科學(xué)方面（對機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等的統(tǒng)稱），提供了非常完整和功能強大的工具鏈，覆蓋數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、建模以及部署。

對于預(yù)測性維護這樣的應(yīng)用，MATLAB 從 R2018a 版本開始提供專門的工具幫助用戶開發(fā)相關(guān)應(yīng)用?！肮び破涫卤叵壤淦鳌?，高效便捷地開展數(shù)據(jù)分析離不開好的工具，MATLAB 提供了豐富的 App 以及 Live editor task 這樣的功能，各種不同的 app 幫助用戶在不編寫代碼的情況下就開展各類數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)分析的效率，并大大降低開展數(shù)據(jù)分析的編碼工作量。

再提系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真的重要性值得再單開一段進行說明。采用 MBD 的一個基礎(chǔ)是需要有系統(tǒng)模型，而系統(tǒng)模型一方面可以用于開展基于 MBD 的工程化實現(xiàn)，另外還有一個很重要的應(yīng)用就是基于仿真的系統(tǒng)分析和論證。這里有一個很好的例子是來源于歐洲啟動的 Shift2Rail 項目，其中有一個子項目 FINE1（Future Improvements on Noise and Energy）中，利用 MATLAB/Simulink 從能耗的角度建立了完整的車輛中各個部件的能耗模型，開展了豐富多樣的系統(tǒng)仿真，做為新技術(shù)的引用時的指標(biāo)化評估工具。

Simulink 已經(jīng)成為一個對復(fù)雜、異構(gòu)、多域系統(tǒng)進行建模和仿真的集成平臺，支持標(biāo)準(zhǔn)的 FMI 與其它仿真工具集成，C/C++ 代碼直接集成到 Simulink 也變得越來越容易，于此同時，在并行計算的支持下，在 Simulink 中開展系統(tǒng)級的仿真也更加快速。

以及一個很有用的代碼測試工具：PolyspacePolyspace 靜態(tài)代碼分析產(chǎn)品采用形式化方法證明在所有可能的控制流和數(shù)據(jù)流下都沒有關(guān)鍵運行錯誤。使用 Polyspace 可以開展包括編碼規(guī)范、安全漏洞、代碼指標(biāo)和數(shù)百條其他軟件缺陷的檢查。。

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同時，也歡迎您報名參加于 2021 年 6 月 8 日在北京舉辦的 MATLAB EXPO 中國用戶大會，分會場3：智能車輛與軌道交通。

原文標(biāo)題：MATLAB/Simulink 在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用

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