列車司機駕駛仿真子系統的設計與實現

李驍宇，李開成，李玉蘭，陳思捷，劉木齊

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.北京交通大 學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044）

列車司機駕駛仿真子系統的設計與實現

李驍宇1，李開成2，李玉蘭1，陳思捷1，劉木齊1

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.北京交通大 學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044）

列車司機駕駛仿真子系統是構建完備的列控仿真系統與功能測試環境的基礎部分，該子系統有助于提高整個仿真與測試系統的真實性和可操作性。本文針對司機駕駛仿真子系統，從功能需求、列車速度模型建立、軟件仿真等方面對該子系統進行分析，引入AV8R-01型搖桿及SST輔助編程技術，利用Visual Studio 2010編程環境實現了該子系統。本文利用較低成本的硬件平臺輔以軟件界面代替傳統的駕駛實物平臺，在CTCS仿真測試與司機培訓等仿真平臺搭建過程中既節省了成本，又能夠起到駕駛仿真的作用。

駕駛仿真；列車控制系統；搖桿編程；運行曲線

列車控制（以下簡稱：列控）仿真系統分為多個子系統，其中司機駕駛仿真子系統有助于提高仿真系統的真實性和可操作性，加深使用人員對列控系統的直觀理解。本文針對面向培訓的仿真列控系統，構建能模擬動車組列車駕駛臺操控設備的駕駛仿真子系統，并通過直觀的仿真界面和相關曲線展示整個操作過程。

1 駕駛仿真子系統

駕駛仿真子系統是構建完備的列控仿真系統與功能測試環境的基礎部分。

在真實設備中，司機駕駛系統與列控系統的結構關系如圖1所示。

圖1 司機駕駛系統與列控系統結構關系圖

司機駕駛系統通過列車接口單元與列控車載系統通信并控制列車運行。車載設備通過應答器天線、軌道電路接收單元、GSM-R車載電臺分別接收來自地面應答器、軌道電路、無線閉塞中心的信息。安全計算機根據獲得的地面信息，建立靜態速度曲線，計算動態速度曲線，通過人機界面告知司機，同時，通過列車接口監督列車運行。

司機駕駛仿真子系統向車載設備提供駕駛臺激活、前進、后退、零位、制動、牽引等司機操作狀態，完成對列車駕駛臺激活與關閉、完成列車的牽引與制動、完成過分相模擬操作等功能。

在現有仿真系統中，司機駕駛通常缺少能夠模擬司機駕駛臺操作的真實列車操作臺設備，因此，對于許多鐵路相關院校和鐵路局培訓部門，如何以較低成本實現司機駕駛仿真子系統是一個急待解決的問題。

2 司機駕駛仿真子系統的設計

2.1 功能描述

司機駕駛仿真子系統的主要功能是模擬車內設備，讓司機能夠在接近真實的環境中進行列車駕駛培訓和學習。

2.2 功能設計

該仿真子系統的功能設計如圖2所示。

圖2 司機仿真駕駛子系統功能設計圖

2.2.1 硬件平臺設計

司機駕駛仿真的硬件平臺設計部分是使用至少一個手柄和多個按鈕，同時能和計算機進行通信的輸入設備。由控制手柄完成列車牽引和制動功能，由按鈕完成激活關閉駕駛臺、列車方向切換、ATP冗余切換、ATP隔離運行切換、升弓降弓、DMI切換、主斷路器開合等功能。

根據司機駕駛功能的需求，實驗室采購了AV8R-01搖桿設備。該搖桿與計算機的接口是通用性較好的USB2.0接口，并且有1個3D旋轉控制的方向手柄、1個快速響應扳機、1個帶按鈕保護的燈光按鈕、雙油門調節器、4個雙向開關、8個方向視角苦力帽、三檔模式開關。

AV8R-01支持SST輔助編程技術軟件。通過SST軟件編程可以模擬鍵盤按鍵、鼠標按鍵，可以將復雜的搖桿操作映射到鍵盤和鼠標事件上，例如：用戶按下硬件上“按鈕T1”，經SST軟件設計，可以讓計算機收到鍵盤事件“Ctrl+Shift+Z”，這樣在編程實現處理硬件輸入時，開發者只需要處理該鍵盤事件，就能采集到搖桿的輸入信息。這種技術使用方便，可以縮短了司機駕駛模擬器的開發周期。同時，SST編程的結果可由配置文件導入，在新環境下使用不需要重復編程，有較好的兼容性。仿真硬件連接圖如圖3所示。

圖3司機駕駛仿真硬件連接圖

2.2.2 軟件仿真設計

司機駕駛仿真的軟件仿真設計部分是設計一個司機駕駛臺的圖形界面軟件，該軟件能夠接收來自硬件平臺的輸出信息，并顯示相應信息。軟件通過對列車運行速度、位置關系建模，生成列車運行曲線。為了方便拓展列車的其他仿真子系統，軟件通過通信接口的預留，使該設計能夠與其它外部仿真程序兼容。司機駕駛仿真軟件流程如圖4所示。

列車運行曲線仿真需要計算出每一時刻的列車位置和速度，列車受力分析關鍵算法如下：

用F表示列車的牽引力，W表示列車運行阻力，B表示列車制動力。列車合力C為：

F的取值根據動車組牽引特性曲線，對牽引力進行線性插值運算由式2得到。

Fx是速度vx下的估計牽引力；F1、F2分別表示牽引特性曲線中vx相鄰的前后兩點速度v1、v2對應的牽引力。

阻力計算包括基本阻力、坡度阻力、曲線阻力、隧道阻力。其中基本阻力是阻力的主要來源，它的大小與列車重量成正比。比例系數w0與速度v有關，如式3。

a、b、c的取值與列車型號和類型有關。

制動力B的計算與牽引力計算原理相同，由制動特性曲線進行線性插值計算得到，如式4。

Bx是速度Bx下的估計制動力；B1、B2分別表示制動特性曲線中vx相鄰的前后兩點速度v1、v2對應的制動力。

圖4 司機駕駛仿真軟件流程圖

3 司機駕駛仿真子系統的實現

利用SST輔助編程技術，將司機駕駛仿真子系統的硬件平臺與軟件仿真緊密地聯系起來。但是在系統實現的過程中，也因為SST技術的使用帶來了一些問題，以下探討兩個主要的問題。

3.1 模擬按鍵沖突

由于使用了SST編程的模擬鍵盤按鍵功能，那么實現過程中就需要考慮模擬按鍵與系統快捷鍵的沖突問題。

（1）系統在運行過程中，可能會有人為的鍵盤操作。為了讓軟件仿真程序能夠判斷鍵盤事件是否來自搖桿，降低鍵盤操作對系統運行過程的影響，模擬的按鍵使用的是功能鍵（如：Ctrl、Alt、Shift）與字母鍵或數字鍵的組合。

（2）在組合按鍵設置時，還需考慮Windows系統中的快捷鍵沖突問題。如：Ctrl+Shift默認的是切換輸入法、Ctrl與許多字母的組合也是默認快捷鍵。

為解決這個問題，可以通過輸入法設置，屏蔽Ctrl+Shift的快捷鍵功能，這樣給制定搖桿的按鍵映射關系提供了很大空間。在避免快捷鍵沖突的基礎上，制定的模擬按鍵功能如表1所示。

3.2 檔間切換階躍

在實際列控設備從司機駕駛臺的制動、牽引手柄上采集到的是連續變化模擬數據。而在現有的仿真子系統中，牽引桿和制動桿發送給軟件仿真程序的卻是不連續的數字量，即牽引、制動的檔位信息。這就造成了模擬牽引（或制動）檔間切換功能時輸出的階躍失真問題。

假設1：司機進行換擋操作，是一個平穩勻速切換的過程，兩檔之間切換時間τ是Tsh附近的數；

假設2：各擋之間的牽引力（制動力）之差，即Fn+1–Fn都相同，用牽引力（制動力）等級代替實際牽引力（制動力）數值。

已知使用SST技術編程時，搖桿的擋位判斷閾值點位于兩擋的中點處，這樣司機在勻速換擋過程中，仿真系統將有τ/2時長的超前響應。

以上假設成立的前提下，使用MATLAB軟件對現有仿真系統的牽引力輸出等級和輸入搖桿檔位隨時間的變化曲線進行對比，得到圖5。在理想狀態下，牽引力輸出等級應該是與檔位完全一致的，可是從圖5中看到，牽引力輸出等級在前后兩個檔位之間重點處出現了明顯的階躍失真現象。

為解決牽引力輸出過程階躍的問題，對搖桿輸入進行實時處理，將牽引力階躍響應轉換成斜坡響應，從而改善系統的真實性。以牽引力控制為例，控制斜坡響應的斜率為，理想狀態下檔位切換時間τ恰好為Tsh，響應系統效果是一個短時的延遲，如圖6所示。

若司機檔位切換較慢時，在實際牽引力等于擋位的目標牽引力之后，保持牽引力不變，直至檔位發生變化，如圖7所示。

若司機檔位切換較快，在實際牽引力不等于擋位的目標牽引力時檔位發生變化，重新計算斜坡斜率為，直至檔位再一次發生變化，如圖8所示。

通過以上4種情況對比分析，可以看出本文提出的階躍過程轉換成斜坡的實時處理方法可以適應不同的司機換擋速度，并在一定條件下有效地克服響應階躍失真的問題。

在有效地解決SST編程帶來的幾個問題的基礎上，利用Visual Studio 2010編程環境，在軟件仿真中對駕駛臺進行平面模型構造，并在駕駛臺上方根據列車運動模型繪制列車運行曲線能準確反饋列車運行狀態、位置和速度情況。

表1 模擬按鍵功能表

圖5 現有系統的牽引力等級曲線與檔位曲線圖

圖6 數據處理后τ=Tsh的牽引力等級曲線與檔位曲線圖

圖7 數據處理后τ>Tsh的牽引力等級曲線與檔位曲線圖

將列車駕駛仿真子系統應用于CTCS-3仿真系統中，從司機駕駛的角度能更好地模擬實際操作。

圖8 數據處理后τ

4 結束語

利用低成本的硬件平臺與計算機軟件界面相結合的仿真技術構建的列車司機駕駛仿真子系統，能夠在實驗室中對列車的運行駕駛進行仿真測試，也能在司機駕駛培訓中提高駕駛過程的真實感受。整個仿真過程安全、可靠、可重復、易實現并且易普及，能夠在一定程度上代替實物仿真。

[1]黃衛中，季學勝，劉 嶺，等. CTCS-3級列控車載設備高速適應性關鍵技術[J]. 中國鐵道科學，2010，31（3）：87-92.

[2]姜 璐，寧 濱. 列車三維駕駛仿真系統的設計與實現[J].鐵道通信信號，2008，44（9）： 37-40.

[3]陳慧民. 高速動車組牽引特性分析[J]. 城市軌道交通研究，2008（7）：2l-4.

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[5]薛麗萍. CTCS-3 級列控系統仿真測試平臺-多車仿真子

系統的研究[D]. 北京：北京交通大學，2009.

責任編輯 楊利明

Train Driving Simulation Subsystem

LI Xiaoyu1, LI Kaicheng2, LI Yulan1, CHEN Sijie1, LIU Muqi1
( 1. School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

The Train Driving Simulation Subsystem was the basic part to build a complete simulation of the Train Control System and functional test environment. This Subsystem could help to improve the whole simulation and testing system of authenticity and operability. In this paper, depending on the Train Driving Simulation Subsystem, from the functional requirements, train speed model and the software simulation of the Subsystem were analyzed. The AV8R-01 handle rocker and SST programming techniques were introduced. The Subsystem was implemented based on the Visual Studio 2010. The paper used low cost hardware platform with software interface instead of the traditional driving physical platform, saved the costs in building process of the CTCS simulation test and driver training simulation platform, played the role of driving simulation.

driving simulation; Train Control System; rocker programming; operation curve

U268.4∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0016-05

2014-01-13

北京高等學校青年英才計劃項目（YETP0580）。

李驍宇，在讀碩士研究生；李開成，副教授。