梁春燕

（國能新朔準(zhǔn)池鐵路（山西）有限責(zé)任公司，山西朔州 036003）

1 概述

重載鐵路運(yùn)輸作為大宗物資的主要運(yùn)輸方式，具備高效的運(yùn)輸能力、成本效益以及全天候的運(yùn)營特點(diǎn)。過去這種運(yùn)輸方式主要依賴于人工駕駛，但這種方法面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，由于重載貨物列車的編組和載重量較大，這增加了駕駛員操作的復(fù)雜性。長時(shí)間的駕駛工作容易使駕駛員感到疲勞，可能導(dǎo)致駕駛失誤。這些失誤可能引發(fā)列車的縱向沖擊、非正常停車、超速或者斷鉤等嚴(yán)重問題，從而對鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩詷?gòu)成威脅。為了提高運(yùn)輸效率、降低成本并減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，需要采取相應(yīng)的措施來改善這種情況，機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)在提高機(jī)車行駛安全性和駕駛效率方面具有巨大潛力。然而直接在實(shí)際機(jī)車上測試系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)且成本高昂，因此建立適用于機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的仿真平臺成為關(guān)注焦點(diǎn)。中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司于2019 開發(fā)了基于LKJ 的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)，能夠依靠LKJ 中的線路信息GPRS 接收到的調(diào)度信息和運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行線路規(guī)劃。北京交通大學(xué)針對自研的輔助駕駛系統(tǒng)，開發(fā)了一套半實(shí)物綜合實(shí)驗(yàn)平臺。德國聯(lián)邦鐵路公司開發(fā)了一套現(xiàn)代化的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)仿真平臺，用于測試和驗(yàn)證新的輔助駕駛系統(tǒng)的功能和安全性能。該平臺能夠模擬不同的運(yùn)行情景，并支持對系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。日本國鐵在機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的研究上也取得了一定的成果，他們借助仿真平臺，進(jìn)行列車行駛的動(dòng)態(tài)仿真和性能評估，以實(shí)現(xiàn)列車的安全運(yùn)行和提高運(yùn)行效率。由于在機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)方面的研究還在不斷發(fā)展中，并且涉及到多個(gè)方面的技術(shù)和應(yīng)用，針對仿真平臺的研究也是一個(gè)較為復(fù)雜的領(lǐng)域。因此，根據(jù)具體的研究目標(biāo)和需求，選取合適的國內(nèi)外研究成果和仿真平臺，進(jìn)行進(jìn)一步的研究和應(yīng)用是必要的。

本論文旨在介紹一種適用于機(jī)車的輔助駕駛系統(tǒng)仿真平臺，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的準(zhǔn)確評估和測試。本論文首先對仿真平臺的功能需求進(jìn)行分析，基于具體的功能需求，提出仿真平臺設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，該平臺還集成了機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的算法和控制邏輯，可以進(jìn)行性能評估和功能測試。

2 仿真平臺的功能需求

鐵路機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計(jì)功能需求包括模擬鐵路環(huán)境、生成列車運(yùn)行情況、模擬機(jī)車行為、模擬信號系統(tǒng)、模擬傳感器輸出、集成機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)算法、交互式界面、性能評估和功能測試、數(shù)據(jù)記錄和分析、場景編輯和模型定制能力。

1）模擬鐵路環(huán)境

能夠模擬鐵路線路和車站環(huán)境，包括不同類型的鐵路線路（高速鐵路、普速鐵路等）和車站設(shè)施。

2）生成列車運(yùn)行情況

能夠生成列車的運(yùn)行情況，包括列車的行駛速度、加速度、制動(dòng)性能和列車間的距離等。

3）模擬機(jī)車行為

能夠準(zhǔn)確模擬機(jī)車的行駛行為，包括車輛的起步、加速、減速、制動(dòng)等操作。

4）模擬信號系統(tǒng)

能夠模擬鐵路信號系統(tǒng)，包括信號機(jī)、信號燈、標(biāo)志和信號邏輯，以及模擬信號系統(tǒng)對機(jī)車行駛的影響。

5）集成機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)算法

能夠?qū)C(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的算法集成到仿真平臺中，使其能夠與仿真環(huán)境進(jìn)行交互和測試。

6）交互式界面

提供友好的交互式界面，使用戶能夠與仿真平臺進(jìn)行交互，如設(shè)置參數(shù)、調(diào)整算法、觀察仿真結(jié)果等。

7）性能評估和功能測試

能夠?qū)C(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)進(jìn)行性能評估和功能測試，包括評估平臺能夠支持與輔助駕駛系統(tǒng)之間每200 ms 進(jìn)行一次通信，輔助駕駛系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)處理能力、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性等指標(biāo)，以及驗(yàn)證系統(tǒng)功能的有效性和可靠性。

8）數(shù)據(jù)記錄和分析

具備數(shù)據(jù)記錄和分析功能，能夠記錄仿真過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如機(jī)車行駛數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等，并支持對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化展示。

9）場景編輯和模型定制

提供場景編輯和模型定制的功能，使用戶能夠根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建特定的仿真場景和定制機(jī)車模型。

3 仿真平臺設(shè)計(jì)方法

1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

確定仿真平臺的整體架構(gòu)，包括軟件和硬件組成部分。采用分布式架構(gòu)，將仿真模型和用戶界面分離，以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。

2）用戶界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)易于使用的用戶界面，使駕駛員能夠直觀地理解列車運(yùn)行情況，并進(jìn)行操作和控制。界面應(yīng)具備實(shí)時(shí)顯示和交互功能，以提供與真實(shí)運(yùn)行情況相似的使用體驗(yàn)。

3）輔助駕駛功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，確定需要實(shí)現(xiàn)的輔助駕駛功能，如自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)駕駛及輔助駕駛等。設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)這些功能并與仿真模型進(jìn)行集成。

4）數(shù)據(jù)記錄和分析

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄和分析功能，可以記錄仿真過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如列車速度、位置、控制輸入等。這些數(shù)據(jù)可以用于系統(tǒng)性能評估、故障分析和算法改進(jìn)。

5）接口和集成

設(shè)計(jì)與外部系統(tǒng)的接口，如列車信號系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)等。確保仿真平臺與現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)和控制信息的交互能夠正常進(jìn)行。

6）軟件開發(fā)和調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行仿真平臺的軟件開發(fā)和調(diào)試工作。實(shí)施軟件開發(fā)過程中的質(zhì)量控制措施，如單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試，確保軟件的正確性和穩(wěn)定性。

4 工作原理

整個(gè)工作原理依靠數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建和仿真模擬的流程來模擬機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行。通過仿真平臺的工作，可以評估系統(tǒng)在各種情況下的性能、安全性和可靠性，為算法的開發(fā)和系統(tǒng)的優(yōu)化提供有價(jià)值的參考和支持。

1）列車動(dòng)力學(xué)模型的工作原理

列車動(dòng)力學(xué)模型基于物理原理和數(shù)學(xué)模型來描述和模擬列車在運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)行為。該模型考慮列車的質(zhì)量、慣性、摩擦力、制動(dòng)力和牽引力等因素，并通過計(jì)算模擬列車的加速度、速度和位置等參數(shù)。其工作通常包括以下步驟：

輸入?yún)?shù)：輸入列車質(zhì)量、牽引力、阻力、曲線半徑、坡度、摩擦系數(shù)和空氣阻力等參數(shù)。

設(shè)定初始化狀態(tài)：設(shè)定初始條件，如初始速度、位置等。

計(jì)算牽引力和阻力：根據(jù)輸入?yún)?shù)和列車狀態(tài)，計(jì)算牽引力和阻力，其中牽引力受牽引系統(tǒng)和列車功率的影響，阻力受空氣阻力、摩擦阻力和坡度影響。

計(jì)算加速度：根據(jù)牽引力和阻力的平衡，計(jì)算列車的加速度。

更新速度和位置：根據(jù)計(jì)算得到的加速度，更新列車的速度和位置。

循環(huán)迭代：重復(fù)進(jìn)行加速度計(jì)算和狀態(tài)更新，以模擬列車在時(shí)間上的運(yùn)行過程。

2）軌道系統(tǒng)模型的工作原理

軌道系統(tǒng)模型用于模擬列車在軌道上的運(yùn)行狀況，包括軌道幾何、曲線半徑、坡度、道岔等參數(shù)。該模型考慮列車與軌道之間的交互作用，包括車輪與軌道之間的接觸力、輪軌摩擦等因素。其工作一般包括以下步驟：

將軌道參數(shù)寫入腳本：包括軌道幾何、曲線半徑、坡度、道岔等參數(shù)。

列車與軌道交互：根據(jù)列車位置和軌道參數(shù)，計(jì)算列車與軌道之間的交互作用，包括車輪與軌道之間的接觸力、摩擦力等。

輪軌接觸模型：使用適當(dāng)?shù)妮嗆壗佑|模型，考慮動(dòng)力學(xué)和力學(xué)因素，計(jì)算列車受到的輪軌接觸力和摩擦力。

速度、加速度和位置更新：根據(jù)計(jì)算得到的輪軌接觸力和摩擦力，更新列車的速度、加速度和位置。

循環(huán)迭代：重復(fù)進(jìn)行輪軌交互計(jì)算和狀態(tài)更新，以模擬列車在時(shí)間上的軌道運(yùn)行過程。

3）信號系統(tǒng)模型的工作原理

信號系統(tǒng)模型用于模擬列車在運(yùn)行過程中的信號控制和指示。該模型考慮不同類型的信號燈、信號機(jī)、信號電路和信號命令等元素。其工作一般包括以下步驟：

輸入信號參數(shù)：包括信號燈狀態(tài)、信號機(jī)位置、信號命令等參數(shù)。

信號狀態(tài)監(jiān)測：根據(jù)輸入?yún)?shù)，監(jiān)測信號狀態(tài)，并確定列車應(yīng)該采取的行動(dòng)。

信號控制和指示：根據(jù)信號狀態(tài)和運(yùn)行需求，生成相應(yīng)的信號控制和指示，如允許前進(jìn)、減速、停車等。

列車響應(yīng)：列車根據(jù)接收到的信號控制和指示，采取相應(yīng)的行動(dòng)，如加速、減速、停車等。

循環(huán)迭代：重復(fù)進(jìn)行信號狀態(tài)監(jiān)測、信號控制和列車響應(yīng)，以模擬列車在運(yùn)行過程中的信號控制和指示過程。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)列車輔助駕駛設(shè)備的系統(tǒng)需求規(guī)范的條目，從用戶使用及業(yè)務(wù)場景的角度出發(fā)設(shè)計(jì)測試案例。例如驗(yàn)證機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的功能、性能和安全性能，評估其對駕駛員的輔助效果，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求等。列車輔助駕駛設(shè)備目標(biāo)機(jī)測試環(huán)境如圖1 所示。

圖1 列車輔助駕駛設(shè)備目標(biāo)機(jī)測試環(huán)境示意Fig.1 Test environment diagram of target device for locomotive-assisted driving equipment

測試根據(jù)測試仿真軟件進(jìn)行黑盒測試，共設(shè)計(jì)29 個(gè)測試案例，執(zhí)行 1 輪測試，本次測試的結(jié)論為：測試通過。

列車輔助駕駛仿真模型司機(jī)操控界面如圖2 所示。此界面可設(shè)置列車起始位置，并操控方向手柄、牽引制動(dòng)手柄、大閘及小閘位置等。

圖2 司機(jī)操控界面Fig.2 Driver control interface

司機(jī)根據(jù)當(dāng)前列車基本信息填入司機(jī)號、車種標(biāo)識、車次號碼、列車類型、列車總重、列車輛數(shù)、計(jì)長等信息，此信息將發(fā)送至輔助駕駛系統(tǒng)，輔助駕駛設(shè)備根據(jù)列車信息對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。列車基本信息輸入界面如圖3 所示。

圖3 列車基本信息輸入界面Fig.3 Basic train information input interface

當(dāng)列車進(jìn)入輔助駕駛模式后，系統(tǒng)將讀入軌道參數(shù)：包括軌道幾何、曲線半徑、坡度、道岔等參數(shù)，用于生成限速曲線及傳入列車輔助駕駛設(shè)備控制列車牽引制動(dòng)大小。限速曲線顯示界面如圖4 所示。

司機(jī)可選擇自動(dòng)駕駛或輔助駕駛模式。若司機(jī)選擇自動(dòng)駕駛模式，輔助駕駛設(shè)備將根據(jù)線路信息及列車基本信息計(jì)算級位及大小閘施加大小。其中線路信息包括線路坡度、弧度、停車點(diǎn)、限速等，列車基本信息包括司機(jī)號、車種標(biāo)識、車次號碼、列車類型、列車總重、列車輛數(shù)和計(jì)長等。輔助駕駛設(shè)備根據(jù)信號機(jī)允許信號及前方限速信息等控制列車駕駛，列車仿真模型將列車輔助駕駛設(shè)備施加級位及大小閘轉(zhuǎn)換為列車加速度，控制列車加速及減速。輔助駕駛設(shè)備控制列車自動(dòng)起車及加速過程如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)起車及加速過程顯示界面Fig.5 Automatic start and acceleration process display interface

當(dāng)列車速度接近限速曲線，輔助駕駛設(shè)備根據(jù)列車限速及停車點(diǎn)位置等信息，控制列車勻速運(yùn)行。輔助駕駛設(shè)備控制列車巡航過程如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)巡航過程顯示界面Fig.6 Automatic cruise process display interface

輔助駕駛設(shè)備根據(jù)列車限速及停車點(diǎn)位置等信息，計(jì)算列車電制動(dòng)及空氣制動(dòng)施加時(shí)機(jī)及施加大小，列車將輔助駕駛設(shè)備施加級位及大小閘轉(zhuǎn)換為列車加速度，最終控制列車在停車點(diǎn)前減速停車。輔助駕駛設(shè)備控制列車自動(dòng)減速及停車過程如圖7 所示。

圖7 自動(dòng)減速及停車過程顯示界面Fig.7 Automatic deceleration and stopping process display interface

當(dāng)司機(jī)選擇輔助駕駛模式后，司機(jī)將手動(dòng)控制列車牽引及制動(dòng)，列車輔助駕駛設(shè)備根據(jù)列車基本信息、線路條件及列車當(dāng)前速度位置等計(jì)算列車輔助駕駛曲線，同時(shí)將給出列車在當(dāng)前周期推薦級位及大小閘位置，司機(jī)可參考輔助駕駛推薦信息控制列車運(yùn)行。手動(dòng)控制列車起車后輔助駕駛曲線顯示界面如圖8 所示，其中綠色曲線為列車實(shí)際運(yùn)行曲線，藍(lán)色曲線為輔助駕駛曲線。

手動(dòng)控制加速至82 km/h 后，輔助駕駛曲線顯示界面如圖9 所示。

圖9 加速至82 km/h后輔助駕駛曲線顯示界面Fig.9 Assisted driving curve display interface after acceleration to 82 km/h

輔助駕駛系統(tǒng)串口時(shí)間數(shù)據(jù)打印如圖10 所示。輔助駕駛系統(tǒng)向平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，平臺收到數(shù)據(jù)后，輔助駕駛經(jīng)過200 ms 會再次向平臺繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)記錄可以看出輔助駕駛與平臺交互時(shí)間穩(wěn)定為200 ms 一次，證明平臺能夠支持與輔助駕駛系統(tǒng)之間每200 ms 進(jìn)行一次通信。輔助駕駛系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)處理能力，并能持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖10 串口數(shù)據(jù)打印Fig.10 Serial port data printing

輔助駕駛設(shè)備在運(yùn)行過程中會進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，記錄仿真過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如列車速度、位置、控制輸入等。這些數(shù)據(jù)可以用于系統(tǒng)性能評估、故障分析和算法改進(jìn)。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本論文所提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真平臺在準(zhǔn)確性能評估和功能測試方面表現(xiàn)出色。利用該平臺，研究人員可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的功能和算法。同時(shí)，該平臺還可以幫助培訓(xùn)機(jī)車司機(jī)，提高其對機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的熟悉程度，從而提高駕駛安全性。

6 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真平臺，實(shí)現(xiàn)對適用于重載列車的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的準(zhǔn)確評估和測試，為適用于重載列車的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)的研究和開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持,該平臺能夠準(zhǔn)確模擬各種駕駛場景和交通情況，并提供了平臺設(shè)計(jì)的詳細(xì)方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化該仿真平臺的性能和功能。重載列車輔助駕駛系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計(jì)有助于在安全、經(jīng)濟(jì)的環(huán)境中開發(fā)、驗(yàn)證和優(yōu)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性能、可靠性和應(yīng)急響應(yīng)能力。同時(shí)，為相關(guān)人員提供培訓(xùn)和技能提升的機(jī)會，確保他們能夠熟練操作和維護(hù)系統(tǒng)。