王懷松, 陳榮武

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 611756)

基于三維視景的列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

王懷松, 陳榮武

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 611756)

近年來(lái),視景仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到軌道交通領(lǐng)域,但主要還局限于對(duì)列車(chē)基本駕駛功能的模擬。提出了一種將視景仿真技術(shù)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)合的研究方法,分析了視景仿真系統(tǒng)與列控系統(tǒng)各自的結(jié)構(gòu)與功能,以ATS、ATP、ATO等列控子系統(tǒng)為例,詳細(xì)介紹了視景仿真系統(tǒng)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)相結(jié)合的原理方法及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。測(cè)試結(jié)果表明,視景仿真系統(tǒng)與列控系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)控制性與穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)通信延時(shí)小于0.05秒,能夠較好地用于列控子系統(tǒng)的研究與測(cè)試。

視景仿真; 列控系統(tǒng); ATS

1 引 言

列車(chē)運(yùn)行視景仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的具體應(yīng)用,該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用到列車(chē)駕駛員培訓(xùn)系統(tǒng)和列車(chē)運(yùn)營(yíng)三維演示系統(tǒng)中,而本文在此基礎(chǔ)上將列車(chē)運(yùn)行視景仿真技術(shù)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)相結(jié)合,用列車(chē)運(yùn)行三維視景系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)視景系統(tǒng))模擬室外列車(chē)運(yùn)行的客觀環(huán)境,通過(guò)搭建一個(gè)綜合型的列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行三維環(huán)境與列控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息交互。該平臺(tái)主要用于研究或測(cè)試各個(gè)列控子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能。此外,不論是新線的試運(yùn)營(yíng)還是舊線的改造,也可以通過(guò)該仿真平臺(tái)觀察預(yù)期效果,從而在一定程度上避免了去現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所花費(fèi)的人力、物力、財(cái)力,具有安全性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。

本平臺(tái)的列控系統(tǒng)采用ATC(Automatic Train Control),視景系統(tǒng)中的線路以鄭州地鐵1號(hào)線為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)。ATC系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)ATP (Automatic Train Protection)、列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)ATO(Automatic Train Operation)和列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS(Automatic Train Supervision)。列控系統(tǒng)通過(guò)接口服務(wù)器和視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器與視景系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。視景系統(tǒng)中的每一個(gè)列車(chē)客戶(hù)端可以在一臺(tái)PC機(jī)上由人工控制或在ATO系統(tǒng)控制下自動(dòng)運(yùn)行。列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of train operation simulation platform

2 視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

視景系統(tǒng)主要是利用三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建基于真實(shí)線路的列車(chē)運(yùn)行客觀環(huán)境,同時(shí)結(jié)合列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng),對(duì)真實(shí)的列車(chē)走行過(guò)程、駕駛員的控制操作過(guò)程進(jìn)行仿真或演示[1]。本平臺(tái)視景系統(tǒng)主要分為兩大部分:列車(chē)運(yùn)行三維驅(qū)動(dòng)部分和通信部分。其中,三維驅(qū)動(dòng)部分可以分為三維視景和列車(chē)控制。“三維視景”是指經(jīng)過(guò)三維建模所建立的列車(chē)運(yùn)行三維模擬環(huán)境,本視景系統(tǒng)以鄭州地鐵1號(hào)線為原型進(jìn)行三維建模;“列車(chē)控制”是指利用所開(kāi)發(fā)的列車(chē)引擎驅(qū)動(dòng)來(lái)模擬列車(chē)駕駛的各種操作,如牽引、制動(dòng)、惰行等。三維視景與列車(chē)控制共同模擬了現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的列車(chē)運(yùn)行場(chǎng)景。通信部分由內(nèi)部通信和外部通信兩部分構(gòu)成。由于在同一線路中可能會(huì)出現(xiàn)多列列車(chē)在不同地點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行或者在同一地點(diǎn)進(jìn)行交匯的場(chǎng)景,因此,在仿真系統(tǒng)中每列列車(chē)作為一個(gè)終端客戶(hù)端需要把本列車(chē)在線路中的信息(主要是列車(chē)位置等信息)輸入視景系統(tǒng)中,這樣視景系統(tǒng)就可以在同一線路中根據(jù)實(shí)際情況顯示出全線所有列車(chē)的三維運(yùn)行場(chǎng)景,而這個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)傳送主要通過(guò)內(nèi)部通信完成。

視景系統(tǒng)的外部通信是指視景系統(tǒng)與外部列控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換,用于模擬現(xiàn)實(shí)中的車(chē)地雙向通信。列控系統(tǒng)根據(jù)兩列車(chē)之間的距離及進(jìn)路條件,經(jīng)過(guò)計(jì)算后給出容許的運(yùn)行速度,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)視景系統(tǒng)中所有列車(chē)客戶(hù)端的自動(dòng)控制[2]。整個(gè)視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the visual system

3 ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的結(jié)合

ATS自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS,Automatic Train Supervision)是城市軌道交通列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC,Automatic Train Control)的一個(gè)重要組成部分[3]。在本平臺(tái)上,ATS系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視視景系統(tǒng)中全線列車(chē)的位置、運(yùn)行速度及信號(hào)設(shè)備的狀態(tài),同時(shí)還要為系統(tǒng)提供自動(dòng)調(diào)度和時(shí)刻表調(diào)整等主要功能。

視景系統(tǒng)模擬的是室外列車(chē)運(yùn)行情況,而ATS系統(tǒng)是對(duì)視景系統(tǒng)中的列車(chē)與線路進(jìn)行監(jiān)控,因此,ATS系統(tǒng)在最初設(shè)計(jì)線路時(shí),其線路數(shù)據(jù)和信號(hào)設(shè)備位置要與視景系統(tǒng)保持一一對(duì)應(yīng),以保證兩個(gè)系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)性和同步性。

ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)相結(jié)合后,每一臺(tái)裝有該視景仿真系統(tǒng)的PC機(jī)均可以作為一個(gè)客戶(hù)端接入ATS系統(tǒng),ATS系統(tǒng)根據(jù)視景系統(tǒng)客戶(hù)端發(fā)送的列車(chē)車(chē)次號(hào)以區(qū)分不同的列車(chē),從而,在ATS系統(tǒng)界面就可以對(duì)全線所有的列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和信號(hào)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

3.1 視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器與列控系統(tǒng)接口服務(wù)器

視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器有兩個(gè)作用,一是轉(zhuǎn)發(fā)由視景系統(tǒng)發(fā)送到列控系統(tǒng)的列車(chē)速度、位置等列車(chē)信息;二是轉(zhuǎn)發(fā)由列控系統(tǒng)下發(fā)到視景系統(tǒng)的列車(chē)控制命令或進(jìn)路控制命令。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)信息時(shí)需要“立即”自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到另一方,這就要求在數(shù)據(jù)傳送時(shí)將通信延時(shí)控制在一定誤差之內(nèi),本系統(tǒng)延時(shí)誤差不超過(guò)0.05秒。

為便于后續(xù)接入ATO、ATP等其他列控子系統(tǒng),兼顧數(shù)據(jù)信息的集中管理,本平臺(tái)將列控系統(tǒng)接口服務(wù)器單獨(dú)設(shè)置在整個(gè)列控系統(tǒng)之外,而沒(méi)有將其設(shè)置于某一列控子系統(tǒng)內(nèi)部。列控系統(tǒng)通過(guò)接口服務(wù)器可以向視景系統(tǒng)中的所有客戶(hù)端集中下發(fā)控制命令,也可以選擇性地向視景系統(tǒng)中某些客戶(hù)端下發(fā)命令。同時(shí),列控系統(tǒng)接口服務(wù)器也用于向列控子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自視景系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。

3.2 ATS對(duì)視景系統(tǒng)中列車(chē)的監(jiān)視與追蹤功能

ATS列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有對(duì)在線所有運(yùn)行列車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和跟蹤功能[4],該功能經(jīng)過(guò)與視景系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,用視景系統(tǒng)模擬室外真實(shí)的列車(chē)運(yùn)行場(chǎng)景,可以更好的對(duì)ATS系統(tǒng)功能進(jìn)行研究或測(cè)試。

視景系統(tǒng)鐵路線路的每一個(gè)位置可以由x、y兩個(gè)坐標(biāo)唯一確定,而這些線路位置數(shù)據(jù)信息被事先保存在線路位置數(shù)據(jù)庫(kù)中,數(shù)據(jù)庫(kù)中的位置數(shù)據(jù)格式如表1所示。其中,“station”代表車(chē)站序號(hào),“pathOrder” 表示“station”對(duì)應(yīng)車(chē)站后面的第幾個(gè)位置點(diǎn),每個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組x、y坐標(biāo)。兩個(gè)車(chē)站之間位置點(diǎn)的個(gè)數(shù)根據(jù)兩站之間實(shí)際距離不同而不同,一般兩站距離越大,相應(yīng)設(shè)置的位置點(diǎn)也越多。視景系統(tǒng)中的列車(chē)客戶(hù)端在連入ATS系統(tǒng)時(shí)首先向ATS系統(tǒng)發(fā)送該列車(chē)的列車(chē)車(chē)次號(hào)信息,然后在其運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)地將其讀到的位置坐標(biāo)信息經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送至ATS系統(tǒng),ATS系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息同步刷新本界面模擬列車(chē)的列車(chē)位置,實(shí)現(xiàn)ATS系統(tǒng)對(duì)本管轄范圍內(nèi)列車(chē)的自動(dòng)追蹤功能。

表1 視景系統(tǒng)列車(chē)位置信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存放格式

3.3 ATS信號(hào)控制功能在視景系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

ATS系統(tǒng)的信號(hào)控制功能主要體現(xiàn)在對(duì)道岔、信號(hào)機(jī)以及進(jìn)路的控制上。視景系統(tǒng)中的每一個(gè)道岔或信號(hào)機(jī)都有自己的ID編號(hào),ATS系統(tǒng)通過(guò)列車(chē)識(shí)別信息和列車(chē)所處的軌道區(qū)段,自動(dòng)生成前方道岔區(qū)段的進(jìn)路控制指令并發(fā)送至視景系統(tǒng)中。每一個(gè)進(jìn)路控制命令由“信號(hào)控制類(lèi)型”“信號(hào)設(shè)備ID號(hào)”“目的轉(zhuǎn)換狀態(tài)”三部分構(gòu)成。視景系統(tǒng)收到進(jìn)路控制命令后,通過(guò)程序控制道岔和信號(hào)機(jī)三維模型動(dòng)作并轉(zhuǎn)換到相應(yīng)目的狀態(tài)。例如,在排列好S0107到Z0101進(jìn)路前后,ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)界面中信號(hào)機(jī)S0107的變化如圖3、圖4所示。

4 其它列控子系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的結(jié)合

其它列控子系統(tǒng)主要包括ATP系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)。ATP、ATO以及TOD司機(jī)駕駛臺(tái)顯示系統(tǒng)接入視景系統(tǒng)的方式類(lèi)似于ATS系統(tǒng),均是通過(guò)列控系統(tǒng)接口服務(wù)器連入,而ATP、ATO以及TOD與視景系統(tǒng)的通信需要由列控系統(tǒng)接口服務(wù)器和視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器共同完成。

圖3 排列進(jìn)路前,ATS系統(tǒng)信號(hào)機(jī)S0107(上)和視景系統(tǒng)信號(hào)機(jī)S0107(下)Fig.3 Before change,ATS signal S0107 (above) and the visual system signal S0107 (below)

圖4 排列進(jìn)路后,ATS系統(tǒng)信號(hào)機(jī)S0107(上)和視景系統(tǒng)信號(hào)機(jī)S0107(下)Fig.4 After change,ATS signal S0107 (above) and the visual system signal S0107 (below)

本平臺(tái)上,ATP的主要功能包括:超速防護(hù)、行車(chē)間隔保護(hù)、車(chē)門(mén)及屏蔽門(mén)監(jiān)測(cè)以及向TOD提供顯示信息等。在列車(chē)運(yùn)行時(shí),ATP系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前列車(chē)速度情況和線路狀況實(shí)時(shí)計(jì)算出安全距離與允許速度,如果視景系統(tǒng)中的某個(gè)客戶(hù)端列車(chē)不滿足ATP防護(hù)下的安全距離或允許速度時(shí),ATP系統(tǒng)將自動(dòng)生成制動(dòng)命令并發(fā)送至視景系統(tǒng),進(jìn)而觸發(fā)視景系統(tǒng)根據(jù)CBTC(Communication Based Train Control)安全制動(dòng)模型對(duì)該列車(chē)進(jìn)行制動(dòng)[]。此外,ATP系統(tǒng)將在全程監(jiān)測(cè)車(chē)門(mén)及屏蔽門(mén)的打開(kāi)或關(guān)閉條件,只有當(dāng)條件滿足時(shí),ATP才授權(quán)ATO對(duì)車(chē)門(mén)及屏蔽門(mén)進(jìn)行操作控制。同時(shí),ATP還負(fù)責(zé)向TOD顯示界面提供列車(chē)當(dāng)前速度、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、運(yùn)行方向、前方車(chē)站等顯示信息。

在ATP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝ATO系統(tǒng),可以使列車(chē)實(shí)現(xiàn)由手動(dòng)方式駕駛向自動(dòng)方式駕駛的轉(zhuǎn)換。在選擇自動(dòng)駕駛時(shí),視景系統(tǒng)的客戶(hù)端列車(chē)諸如列車(chē)啟動(dòng)加速、勻速惰行、制動(dòng)等人為駕駛操作均能在程序控制下自動(dòng)進(jìn)行。但是,無(wú)論是由駕駛員手動(dòng)駕駛還是由ATO系統(tǒng)自動(dòng)駕駛,ATP系統(tǒng)始終具有執(zhí)行速度監(jiān)督和超速防護(hù)的功能。本平臺(tái)ATO的自動(dòng)駕駛閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 ATO的自動(dòng)駕駛閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the automatic control system of ATO

5 仿真平臺(tái)的搭建與測(cè)試

本平臺(tái)硬件部分主要包括:6臺(tái)PC機(jī)(i7處理器,8G RAM,2G顯存)、9臺(tái)1920*1080分辨率的顯示器;軟件部分主要包括:視景仿真系統(tǒng)軟件、ATS系統(tǒng)、ATO系統(tǒng)、ATP系統(tǒng)以及TOD顯示系統(tǒng),Visual Studio 2013、.Net Framework 3.1,操作系統(tǒng)為Windows7(64bit)。系統(tǒng)平臺(tái)上,如圖 6所示,將其中4臺(tái)顯示器利用分屏卡組合成ATS監(jiān)控大屏,對(duì)應(yīng)使用一臺(tái)安裝有ATS系統(tǒng)的PC機(jī)。本平臺(tái)設(shè)置4個(gè)列車(chē)客戶(hù)端,每個(gè)客戶(hù)端對(duì)應(yīng)一臺(tái)安裝有視景系統(tǒng)的PC機(jī),4個(gè)列車(chē)客戶(hù)端通過(guò)局域網(wǎng)接入列控系統(tǒng)。最后,再利用一臺(tái)顯示器顯示TOD界面,TOD顯示系統(tǒng)能夠切換到任意一個(gè)列車(chē)客戶(hù)端。測(cè)試過(guò)程中以鄭州地鐵1號(hào)線為線路背景,主要從列控系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、列控系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的同步性和數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性、視景系統(tǒng)圖像輸出的流暢性等方面進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明:本平臺(tái)能夠模擬列控系統(tǒng)對(duì)室外在線列車(chē)的主要控制功能,且視景系統(tǒng)圖像輸出流暢,數(shù)據(jù)通信延時(shí)小于0.05秒,具有良好的實(shí)時(shí)控制性與穩(wěn)定性,能夠較好地用于列控子系統(tǒng)的研究與測(cè)試。

圖6 列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)硬件、軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hardware and software structure diagram of train operation simulation platform

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了基于三維視景的列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),然后分析了視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,以ATS、ATP、ATO等列控子系統(tǒng)為例,詳細(xì)介紹了本平臺(tái)上列控子系統(tǒng)與視景系統(tǒng)相結(jié)合的原理方法及數(shù)據(jù)通信方式,最終在仿真平臺(tái)上成功測(cè)試了ATS、ATP、ATO以及TOD系統(tǒng)的系統(tǒng)功能,測(cè)試結(jié)果表明,將列車(chē)運(yùn)行視景仿真技術(shù)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)相結(jié)合的研究方法

是一種具有真實(shí)性、擴(kuò)展性、無(wú)破壞性和可重復(fù)性的測(cè)試或試驗(yàn)方法,對(duì)今后列控系統(tǒng)的研究與測(cè)試具有一定啟示意義。

[1] 車(chē)爽.基于列車(chē)運(yùn)行控制的城市軌道交通視景仿真[D].成都:西南交通大學(xué),2015.

CHE Shuang.Visual Simulation of Urban Metro Transit Based on Train Operation Control[D].Chengdu:Southwest Jiao Tong University,2015.

[2] 董昱.區(qū)間信號(hào)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2008.

DONG Yu.Interval signal and train control system [M].Beijing: China Railway Press, 2008.

[3] 陳榮武.城市軌道交通控制[M].北京:科學(xué)出版社,2014.

CHEN Rongwu.City rail traffic control [M].Beijing: Science Press, 2014.

[4] 劉洪寬.城市軌道交通ATS關(guān)鍵技術(shù)及仿真平臺(tái)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

LIU Hongkuan.Research on ATS crucial technologies and its simulation platform on the urban track traffic[D].Chengdu:Southwest Jiao Tong University,2008.

[5] 陳榮武.CBTC系統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行仿真與優(yōu)化策略[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

CHEN Rongwu.CBTC system simulation and the optimization strategy[D].Chengdu:Southwest Jiao Tong University,2011.

王懷松 男(1988-),四川眉山人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂啤?/p>

陳榮武 男(1971-),高級(jí)工程師,主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?、?jì)算機(jī)應(yīng)用。

Research and Implementation of Train Operation SimulationPlatform Based on 3D View Scene

WANGHuaisong,CHENRongwu

(School of Information Science and Technology,SouthwestJiaotong University,Chengdu 611756,China)

Although it has been widely applied to rail transport systems in recent years,the technology of visual simulation is limited to the basic driving functions of trains.After analyzing their structures and functions respectively,this paper proposed a novel approach to combine visual simulation with the train operation control system.Taking the control of ATS,ATP,and ATO subsystems as examples,we introduce the fundamental principle and implementation process of this combination in detail.The test results show that the visual simulation system and the train control system have good real-time control and stability,the data communication delay is less than 0.05 s,which can be applied to the research and test of the train control subsystem.

visual simulation; train operation control system; ATS

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(14ZC2069,2014GZ0081)

TP391.9

A