李旭東，許雅蘭

（1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756；2.上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

近年來，城市軌道交通在我國發(fā)展迅速，以地鐵、輕軌為代表的城市軌道交通改變了人們?nèi)粘５某鲂蟹绞脚c生活習(xí)慣。但在方便生活的同時(shí)，傳統(tǒng)的城市軌道交通方式的建設(shè)周期長、投資巨大、噪聲污染等問題也不容忽視。人們迫切的需要更加環(huán)保，更加舒適的出行方式，于是現(xiàn)代有軌電車迎來了一個(gè)大的發(fā)展潮流[1]。并且，低造價(jià)的有軌電車對(duì)于一些急需緩解交通壓力又資金不足的中小城市是一個(gè)絕佳的選擇方案。目前在我國沈陽、大連、上海、天津、成都等城市都有已建成或在建現(xiàn)代有軌電車的線路。

列車自動(dòng)防護(hù)（ATP，Automatic Train Protection）系統(tǒng)作為一種保證列車行車安全的系統(tǒng)，在地鐵上的運(yùn)用已經(jīng)比較成熟。國內(nèi)外對(duì)于現(xiàn)代有軌電車的ATP系統(tǒng)運(yùn)用的研究尚且處于起步階段[2]，且有軌電車完整式的ATP造價(jià)大，不利于實(shí)現(xiàn)。但是ATP系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代有軌電車來說卻有著極其重要的意義，它不但能夠保證有軌電車的行駛安全，還能夠有效減輕有軌電車駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

針對(duì)以上問題，本文分析設(shè)計(jì)一個(gè)適用于有軌電車的ATP系統(tǒng)。

三維視景仿真技術(shù)在交通運(yùn)輸、航空航天以及軍事領(lǐng)域等得到了廣泛的運(yùn)用并且已經(jīng)在相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用[4]。其中，基于視景仿真駕駛的列車司機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)在國內(nèi)外高校及軌道交通相關(guān)企業(yè)得到了大量研究應(yīng)用[5]。

1 有軌電車ATP技術(shù)分析

根據(jù)有軌電車在公共路面上的行駛特點(diǎn)[6]，結(jié)合地鐵等城市軌道交通ATP系統(tǒng)的使用情況[7]，給出了以下有軌電車ATP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能。

1.1 ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ATP系統(tǒng)一般可以分為ATP車載設(shè)備和ATP地面設(shè)備[7]。有軌電車的ATP系統(tǒng)與地鐵上的ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上大體相同。ATP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ATP系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

（1）ATP車載設(shè)備

ATP車載設(shè)備主要有車載控制器、測速定位裝置、人機(jī)界面以及地面信息接受單元。

車載控制器主要作用是根據(jù)從地面設(shè)備發(fā)送的線路信息、目標(biāo)距離、線路限速等經(jīng)過計(jì)算生成有軌電車的速度防護(hù)曲線；測速定位裝置主要用來測定有軌電車當(dāng)前的實(shí)時(shí)速度以及通過GNSS天線及接收器模塊等車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)有軌電車的定位；人機(jī)界面主要用來顯示前方目標(biāo)距離、限速、當(dāng)前速度、列車準(zhǔn)點(diǎn)信息、前方到站信息、時(shí)刻表或運(yùn)行線的信息等；地面信息接受單元主要用于接收鋪設(shè)在地面的感應(yīng)環(huán)線或信標(biāo)發(fā)送來的信息。

（2）ATP地面設(shè)備

ATP地面設(shè)備包括通信數(shù)據(jù)網(wǎng)、區(qū)域控制中心等，其主要的作用為獲取道岔、信號(hào)機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)信息并與車載設(shè)備進(jìn)行通信。

1.2 ATP系統(tǒng)作用

為了保證有軌電車行駛安全及適應(yīng)道路交通復(fù)雜的行駛狀況，現(xiàn)代有軌電車ATP系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾個(gè)功能。

（1）測速定位

有軌電車自身的速度傳感器測定當(dāng)前的速度以及通過GNSS天線及接收器模塊等車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的信息采集。

（2）速度監(jiān)督與超速防護(hù)

ATP系統(tǒng)為有軌電車計(jì)算并生成實(shí)時(shí)速度防護(hù)曲線，監(jiān)督有軌電車的速度不超過當(dāng)前的限制速度。當(dāng)有軌電車的速度超過限制速度時(shí)，ATP向司機(jī)發(fā)出聲光提示，提醒司機(jī)減速操作。當(dāng)有軌電車速度超過限制速度一定值而司機(jī)沒有進(jìn)行任何減速操作時(shí)，ATP系統(tǒng)將自動(dòng)輸出緊急制動(dòng)。

（3）車門防護(hù)

車載ATP為有軌電車的開啟、關(guān)閉提供安全、可靠的信息。在有軌電車運(yùn)行的過程中，禁止車門開啟，只有當(dāng)有軌電車?？空九_(tái)并且速度降為零的情況下，才允許車門的開啟。并且只有當(dāng)有軌電車車門完全關(guān)閉后，才允許有軌電車發(fā)車。

（4）后溜防護(hù)

車載ATP系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與有軌電車運(yùn)行方向相反的非預(yù)期移動(dòng)及后溜，當(dāng)后溜的距離超過一定的限度時(shí)，ATP系統(tǒng)將立即輸出制動(dòng)使有軌電車停止。

（5）碰撞防護(hù)

由于有軌電車和其他的城市軌道交通所享有的路權(quán)不同，大多數(shù)有軌電車為混合路權(quán)且行車環(huán)境較為復(fù)雜。這就需要車載ATP系統(tǒng)擁有檢測前方行人、社會(huì)車輛及其他障礙物的功能，防止有軌電車與闖入其軌道的行人、社會(huì)車輛或者障礙物發(fā)生碰撞。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)有軌電車ATP系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)功能分析，將仿真系統(tǒng)分為兩個(gè)大的部分，分別為仿真主控界面和三維仿真界面。其中仿真主控界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶有ATP防護(hù)功能的有軌電車進(jìn)行模擬駕駛，三維仿真界面則是通過三維視景仿真對(duì)有軌電車的實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)進(jìn)行模擬。根據(jù)有軌電車ATP系統(tǒng)的功能需求以及模擬駕駛的需求，可以將仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)劃分為以下幾個(gè)功能模塊，如圖2所示。

（1）顯示模塊：用于顯示有軌電車實(shí)時(shí)速度、限制速度、目標(biāo)距離、前方到站以及有軌電車的提示告警信息。

（2）有軌電車運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊：根據(jù)文獻(xiàn)[8]中有軌電車相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算有軌電車當(dāng)前的運(yùn)行速度、距離并生成有軌電車速度-距離曲線。

（3）有軌電車運(yùn)行控制模塊：模擬司機(jī)對(duì)有軌電車的各種操作，其中包括使用速度操作桿對(duì)有軌電車的加、減速，制動(dòng)緩解以及開關(guān)車門等操作。

（4）ATP防護(hù)模塊：該模塊也是仿真系統(tǒng)的核心模塊。它根據(jù)線路參數(shù)、限制速度計(jì)算常用制動(dòng)曲線和緊急制動(dòng)曲線。當(dāng)有軌電車速度超過限制速度時(shí)，ATP系統(tǒng)對(duì)有軌電車采取制動(dòng)措施，達(dá)到防護(hù)的目的。

（5）通信模塊：用于三維仿真界面和主控界面之間的通信。

（6）三維視景仿真模塊：利用Unity3D引擎對(duì)有軌電車的模擬駕駛?cè)S場景進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)擁有三維視景功能的模擬駕駛仿真。

圖2 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 主控界面

仿真主控界面基于Visual Studio中的WPF進(jìn)行開發(fā)，該界面可用于對(duì)有軌電車的模擬駕駛操作、ATP防護(hù)曲線的顯示以及有軌電車當(dāng)前狀態(tài)的顯示。界面的功能分區(qū)如圖3所示。

圖3 仿真主控界面功能模塊分區(qū)

ATP防護(hù)曲線計(jì)算方法主要有反算法、直接計(jì)算法和雙向計(jì)算法[7]。反算法采用純粹的數(shù)學(xué)方法計(jì)算并且在程序設(shè)計(jì)上更容易實(shí)現(xiàn)，因此本文采用反算法計(jì)算ATP防護(hù)曲線。反算法的計(jì)算原理如圖4所示。

圖4 ATP防護(hù)曲線計(jì)算原理

將目標(biāo)距離劃分為若干個(gè)等間隔的區(qū)段ΔS，從目標(biāo)終點(diǎn)處開始進(jìn)行反推計(jì)算，由物理運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得上一區(qū)段的終點(diǎn)速度為：

由此可以計(jì)算得到多個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，將這些坐標(biāo)點(diǎn)一一連接起來就得到完整的ATP防護(hù)曲線。且當(dāng)ΔS的取值越小，ATP防護(hù)曲線就越精確。

2.3 三維視景

三維視景仿真界面基于Visual Studio中的WinForm進(jìn)行開發(fā)。界面主要實(shí)現(xiàn)與主控界面進(jìn)行通信、unity文件的加載、有軌電車的速度顯示和三維仿真的顯示等功能。三維視景仿真界面功能分區(qū)如圖5所示。

圖5 三維視景仿真界面

三維視景場景的搭建大致過程如下[9]：

（1）在Unity項(xiàng)目中創(chuàng)建地形、環(huán)境效果、燈光以及攝像機(jī)，再將各個(gè)三維模型放置于仿真場景合適位置。

（2）使用C#編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)仿真場景中三維模型的控制。

（3）將Unity項(xiàng)目發(fā)布為.unity3d文件，該文件用于UnityWebPlayer加載使用。

三維仿真界面重點(diǎn)解決的問題在于怎樣在WinForm窗口控制Unity中的各個(gè)三維模型的運(yùn)動(dòng)。本仿真程序利用Unity中UnityWebPlayerClass類下的SendMessage（string，string，object）方法函數(shù)實(shí)現(xiàn)WinForm窗口向Unity發(fā)送信息并控制Unity中有軌電車模型的運(yùn)行。該方法具體用法為：SendMessage（3D模型對(duì)象名，腳本函數(shù)名，腳本函數(shù)的參數(shù)值）。同樣的，使用axUnityWebPlayer1_OnExternalCall（）方法可以實(shí)現(xiàn)Unity向WinForm窗口發(fā)送信息。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 模擬駕駛功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的有軌電車相關(guān)技術(shù)參數(shù)，仿真中設(shè)定有軌電車的最大牽引加速度為2.0 m/s2，常用制動(dòng)減速度為1.2 m/s2，緊急制動(dòng)減速度為2. 8 m/s2。

仿真系統(tǒng)運(yùn)行后，主控界面的各項(xiàng)功能都能正常運(yùn)行且都達(dá)到了預(yù)期效果，包括各種信息的顯示、有軌電車速度-距離曲線的繪制等。仿真程序主控件界面如圖6所示。

圖6 有軌電車模擬駕駛仿真主控界面

3.2 ATP防護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

有軌電車的常用制動(dòng)觸發(fā)如圖7所示。其中，黃色線條表示常用制動(dòng)曲線，防護(hù)速度為70 km/h；紅色表示緊急制動(dòng)曲線，防護(hù)速度為80 km/h；綠色則為當(dāng)前有軌電車速度-距離曲線。由圖中可以看出，當(dāng)速度超過常用制動(dòng)曲線時(shí)，ATP防護(hù)模塊對(duì)有軌電車輸出常用制動(dòng)，制動(dòng)減速度為1.2 m/s2。當(dāng)速度小于緩解速度50 km/h時(shí)，停止輸出制動(dòng)，此時(shí)有軌電車處于惰行狀態(tài)。

圖7 有軌電車觸發(fā)常用制動(dòng)

有軌電車的緊急制動(dòng)觸發(fā)如圖8所示。由圖中可以看出，當(dāng)速度超過緊急制動(dòng)曲線時(shí)，ATP防護(hù)模塊對(duì)有軌電車輸出緊急制動(dòng)，制動(dòng)減速度為2.8 m/s2。當(dāng)速度為零時(shí)允許司機(jī)緩解制動(dòng)。

圖8 有軌電車觸發(fā)緊急制動(dòng)

由以上結(jié)果可知，ATP防護(hù)模塊滿足模擬駕駛仿真系統(tǒng)對(duì)于ATP防護(hù)功能的需求。

3.3 三維視景實(shí)現(xiàn)

視景仿真界面通過TPC/IP通信協(xié)議與主控界面之間進(jìn)行通信。其中，視景仿真界面作為服務(wù)端，主控界面作為客戶端。當(dāng)客戶端與服務(wù)端之間建立通信連接后，客戶端即主控界面將有軌電車當(dāng)前的速度值發(fā)送給服務(wù)端。視景仿真界面通過得到的速度值驅(qū)動(dòng)三維視景的有軌電車模型運(yùn)動(dòng)。在視景仿真界面左上部有5個(gè)視角切換按鈕，可以通過切換按鈕以不同視角查看有軌電車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。最終效果如圖9～圖13所示。

4 結(jié)束語

本仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最終測試結(jié)果滿足基于ATP的有軌電車模擬駕駛仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需求。今后需進(jìn)一步完善的工作如下：

（1）豐富有軌電車模擬駕駛場景。當(dāng)前模擬駕駛場景較為簡單，在后續(xù)的工作中可以增加有軌電車過道岔和進(jìn)、出車輛段等多個(gè)模擬駕駛場景。

（2）增加相關(guān)的硬件設(shè)備，利用相關(guān)硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)有軌電車的模擬駕駛。

（3）利用VR等技術(shù)，使模擬駕駛的三維場景更加的真實(shí)，給人身臨其境的感覺。

圖9 三維視景仿真?zhèn)让嬉暯菆D

圖10 三維視景仿真正面視角圖

圖11 三維視景仿真背面視角圖

圖12 三維視景仿真司機(jī)視角圖

圖13 三維視景仿真交叉路口視角圖

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