楊智超

中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司福州機(jī)務(wù)段 福建福州 350000

近年來，隨著中國對(duì)高速鐵路規(guī)劃的不斷深入，大量新的高速鐵路投入運(yùn)營，這對(duì)動(dòng)車組駕駛員提出了更加嚴(yán)格的要求。駕駛員必須使用模擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)，從而減少在實(shí)際車輛中所需的時(shí)間，這將成為培訓(xùn)EMU 駕駛員的重要手段。其中控制單元的選擇和控制算法的設(shè)計(jì)是控制仿真系統(tǒng)的重要組成部分。本文使用內(nèi)置控制器和Matlab-Simulink 工具包設(shè)計(jì)出一種模擬控制器的控制算法，該算法可模擬列車運(yùn)行及其他狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)虛擬視覺單元數(shù)據(jù)交互，從而模擬EMU 中的實(shí)時(shí)列車運(yùn)行過程。

1 系統(tǒng)功能

模擬駕駛系統(tǒng)可以模擬實(shí)際EMU 的相關(guān)控制功能，從而使EMU 駕駛員可以體驗(yàn)身臨其境的操縱過程。駕駛模擬系統(tǒng)功能包括：高壓，牽引，制動(dòng)，門，照明等。這些功能具體包括：車輛啟用，車輛復(fù)位，受電弓升降，主斷路器合閘和切斷，車輛的牽引制動(dòng)器，分閘和閉合外部門，以及打開和關(guān)閉外部燈等。并且駕駛模擬系統(tǒng)還能夠?qū)Ⅰ{駛員在駕駛車輛過程中的操縱習(xí)慣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再利用虛擬視覺單元所展示的圖形樣貌進(jìn)行顯示，進(jìn)而詳細(xì)研究駕駛員的整體工作情況，對(duì)比相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)改正不良操縱習(xí)慣[1]。

2 硬件選型

駕駛模擬系統(tǒng)是一個(gè)由不同的硬件功能模塊組成的綜合系統(tǒng)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文設(shè)計(jì)的模擬駕駛系統(tǒng)主要由操作單元、虛擬視圖單元、控制單元及數(shù)據(jù)采集單元組成。為了改善系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)，與駕駛員互動(dòng)的所有設(shè)備（例如顯示屏，主控制器，駕駛員辦公桌上的按鈕和旋鈕）均使用EMU 的原始部分。這種設(shè)備所需電壓為110V，由220V至110V的逆變器提供。主控制器、旋鈕（按鈕）等操作單元的信息通過110V 電壓電平數(shù)據(jù)單元獲取，并通過獲取單元的MVB 接口與控制單元進(jìn)行交互；微機(jī)顯示屏通過MVB 通訊網(wǎng)絡(luò)與控制單元通訊；場(chǎng)景單元使用串口通訊與控制單元進(jìn)行交互；控制單元使用帶有MVB 接口和串行端口的嵌入式控制器。這種結(jié)構(gòu)不僅可以提高數(shù)據(jù)讀寫效率，而且可以提高系統(tǒng)的整體通信質(zhì)量[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)

Matlab-Simulink 工具箱可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析，而無需編寫程序。Matlab-Simulink 工具箱包含許多現(xiàn)成的模塊，并提供圖形用戶界面。控制單元軟件通過Simulink 設(shè)計(jì)每個(gè)功能模塊，并將特殊功能模塊制成庫文件并以圖形形式顯示?？刂茊卧浖墓δ苁菍Ⅰ{駛員平臺(tái)的顯示屏、虛擬視圖單元和駕駛員操作區(qū)域集成到一個(gè)有序的整體中，通過邏輯指令在各個(gè)功能模塊之間分配數(shù)據(jù)，真正地將駕駛員的指令復(fù)制到EMU 上，并完成模擬駕駛功能?？刂葡到y(tǒng)的子功能模塊包含許多內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 控制軟件功能模塊

其中，車門外部控制技術(shù)功能主要是通過數(shù)據(jù)收集到相應(yīng)的動(dòng)車外面車門開關(guān)的狀態(tài)。整合的全部數(shù)據(jù)都要以MVB 網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)控制設(shè)備驗(yàn)算，并將結(jié)果傳輸?shù)斤@示門狀態(tài)界面以進(jìn)行狀態(tài)顯示。它主要實(shí)現(xiàn)三種控制功能：第一，當(dāng)控制單元接收到外門按鈕的動(dòng)作信息時(shí)，它實(shí)現(xiàn)打開外門，關(guān)閉外門，啟用外門和外門牽引的控制功能。其次，將外部門牽引轉(zhuǎn)換器互鎖狀態(tài)提供給列車動(dòng)力功能模塊，作為列車施加牽引、制動(dòng)力的條件；第三，可以與虛擬觀察單元一起顯示外部門的打開和關(guān)閉功能。

車輛的燈外部功能模塊是打開和關(guān)閉外部燈的關(guān)鍵模塊。對(duì)于獲取的數(shù)據(jù)單元而言，它通過接收駕駛員外部控制面板開關(guān)的位置，以信號(hào)形式發(fā)送到控制單元，在邏輯顯示操作后，控制單元與虛擬顯示單元建立連接。

列車動(dòng)力功能模塊主要處理駕駛員操縱與列車運(yùn)行狀態(tài)的邏輯關(guān)系。包括確定虛擬高壓設(shè)備是否激活，外門的狀態(tài)，來自主控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取和傳輸以及EMU 緊急制動(dòng)的狀態(tài)。如果車輛自身允許拖曳，則發(fā)送單元將主控制器數(shù)據(jù)發(fā)送到控制單元，主單元將獲得的主控制器格雷碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為級(jí)位，并對(duì)動(dòng)態(tài)模型執(zhí)行邏輯運(yùn)算以獲得EMU 運(yùn)行信息，從而顯示到虛擬人機(jī)界面中。

4 虛擬視景單元

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件是一種3D 圖像處理軟件，廣泛用于虛擬現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)和開發(fā)中。

這種軟件系統(tǒng)主要景圖是通過EMU 駕駛員第一視角產(chǎn)生的。系統(tǒng)內(nèi)容是和幾種設(shè)備相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行顯示的，具體的設(shè)備主要有：受電弓、主斷路器、車燈等。另外系統(tǒng)還包含三類實(shí)況模擬：首先是對(duì)天氣變化的模擬；如下雪、下雨、以及霧霾等，模擬不同天氣下如何操縱列車。其次是對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境的模擬；以3D 的虛擬技術(shù)進(jìn)行環(huán)境場(chǎng)景變換，如平原、山地以及城鎮(zhèn)等，設(shè)置針對(duì)性的駕駛路線。最后是對(duì)車輛進(jìn)出站的模擬；模擬列車到達(dá)各個(gè)車站時(shí)上下客的場(chǎng)景以及車輛對(duì)標(biāo)停車的具體情況[3]。

5 系統(tǒng)集成

基于對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的對(duì)應(yīng)功能，組裝的模擬駕駛系統(tǒng)應(yīng)采取聯(lián)調(diào)的測(cè)試方式，詳細(xì)內(nèi)容如圖2 所示。模擬駕駛系統(tǒng)主要進(jìn)行驗(yàn)證的內(nèi)容有：MVB 網(wǎng)絡(luò)和串口通信的穩(wěn)定性、控制單元的正確邏輯性、以及個(gè)別虛擬設(shè)備的狀態(tài)表現(xiàn)確定性等。

圖2 模擬駕駛系統(tǒng)

6 結(jié)語

綜上所述，隨著新時(shí)代的不斷推進(jìn)，對(duì)于動(dòng)車組司機(jī)而言駕駛車輛的能力也提出了更高的要求。同時(shí)，動(dòng)車組的模擬駕駛控制系統(tǒng)也在發(fā)展中不斷興起，使得成為了比較高效且穩(wěn)定的訓(xùn)練方式。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造駕駛環(huán)境，在模擬真實(shí)操縱環(huán)境的虛擬交互中培養(yǎng)動(dòng)車組運(yùn)用人才。