基于三維視景的列車運行仿真平臺的研究與實現

王懷松, 陳榮武

(西南交通大學 信息科學與技術學院,成都 611756)

基于三維視景的列車運行仿真平臺的研究與實現

王懷松, 陳榮武

(西南交通大學 信息科學與技術學院,成都 611756)

近年來,視景仿真技術已經被廣泛應用到軌道交通領域,但主要還局限于對列車基本駕駛功能的模擬。提出了一種將視景仿真技術與列車運行控制系統結合的研究方法,分析了視景仿真系統與列控系統各自的結構與功能,以ATS、ATP、ATO等列控子系統為例,詳細介紹了視景仿真系統與列車運行控制系統相結合的原理方法及其實現過程。測試結果表明,視景仿真系統與列控系統具有良好的實時控制性與穩定性,數據通信延時小于0.05秒,能夠較好地用于列控子系統的研究與測試。

視景仿真; 列控系統; ATS

1 引 言

列車運行視景仿真技術是虛擬現實技術在軌道交通領域的具體應用,該技術目前已被廣泛應用到列車駕駛員培訓系統和列車運營三維演示系統中,而本文在此基礎上將列車運行視景仿真技術與列車運行控制系統相結合,用列車運行三維視景系統(以下簡稱視景系統)模擬室外列車運行的客觀環境,通過搭建一個綜合型的列車運行仿真平臺實現列車運行三維環境與列控系統的實時信息交互。該平臺主要用于研究或測試各個列控子系統的系統功能。此外,不論是新線的試運營還是舊線的改造,也可以通過該仿真平臺觀察預期效果,從而在一定程度上避免了去現場測試所花費的人力、物力、財力,具有安全性和經濟性的特點。

本平臺的列控系統采用ATC(Automatic Train Control),視景系統中的線路以鄭州地鐵1號線為原型進行設計。ATC系統主要由三部分構成:列車超速防護系統ATP (Automatic Train Protection)、列車自動駕駛系統ATO(Automatic Train Operation)和列車自動監控系統ATS(Automatic Train Supervision)。列控系統通過接口服務器和視景系統數據中轉服務器與視景系統進行數據通信。視景系統中的每一個列車客戶端可以在一臺PC機上由人工控制或在ATO系統控制下自動運行。列車運行仿真平臺的系統結構如圖1所示。

圖 1 列車運行仿真平臺系統結構圖Fig.1 System structure diagram of train operation simulation platform

2 視景系統的結構與功能

視景系統主要是利用三維建模技術、虛擬現實技術構建基于真實線路的列車運行客觀環境,同時結合列車運行控制系統,對真實的列車走行過程、駕駛員的控制操作過程進行仿真或演示[1]。本平臺視景系統主要分為兩大部分:列車運行三維驅動部分和通信部分。其中,三維驅動部分可以分為三維視景和列車控制。“三維視景”是指經過三維建模所建立的列車運行三維模擬環境,本視景系統以鄭州地鐵1號線為原型進行三維建模;“列車控制”是指利用所開發的列車引擎驅動來模擬列車駕駛的各種操作,如牽引、制動、惰行等。三維視景與列車控制共同模擬了現場真實的列車運行場景。通信部分由內部通信和外部通信兩部分構成。由于在同一線路中可能會出現多列列車在不同地點同時運行或者在同一地點進行交匯的場景,因此,在仿真系統中每列列車作為一個終端客戶端需要把本列車在線路中的信息(主要是列車位置等信息)輸入視景系統中,這樣視景系統就可以在同一線路中根據實際情況顯示出全線所有列車的三維運行場景,而這個過程的數據傳送主要通過內部通信完成。

視景系統的外部通信是指視景系統與外部列控系統之間的數據交換,用于模擬現實中的車地雙向通信。列控系統根據兩列車之間的距離及進路條件,經過計算后給出容許的運行速度,最終實現對視景系統中所有列車客戶端的自動控制[2]。整個視景系統的結構如圖2所示。

圖2 視景系統的結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the visual system

3 ATS系統與視景系統的結合

ATS自動監控子系統(ATS,Automatic Train Supervision)是城市軌道交通列車自動控制系統(ATC,Automatic Train Control)的一個重要組成部分[3]。在本平臺上,ATS系統的主要功能是監視視景系統中全線列車的位置、運行速度及信號設備的狀態,同時還要為系統提供自動調度和時刻表調整等主要功能。

視景系統模擬的是室外列車運行情況,而ATS系統是對視景系統中的列車與線路進行監控,因此,ATS系統在最初設計線路時,其線路數據和信號設備位置要與視景系統保持一一對應,以保證兩個系統之間的實時性和同步性。

ATS系統與視景系統相結合后,每一臺裝有該視景仿真系統的PC機均可以作為一個客戶端接入ATS系統,ATS系統根據視景系統客戶端發送的列車車次號以區分不同的列車,從而,在ATS系統界面就可以對全線所有的列車運行狀態和信號設備狀態進行監控。

3.1 視景系統數據中轉服務器與列控系統接口服務器

視景系統數據中轉服務器有兩個作用,一是轉發由視景系統發送到列控系統的列車速度、位置等列車信息;二是轉發由列控系統下發到視景系統的列車控制命令或進路控制命令。為保證系統的實時性,數據中轉服務器在收到數據信息時需要“立即”自動轉發到另一方,這就要求在數據傳送時將通信延時控制在一定誤差之內,本系統延時誤差不超過0.05秒。

為便于后續接入ATO、ATP等其他列控子系統,兼顧數據信息的集中管理,本平臺將列控系統接口服務器單獨設置在整個列控系統之外,而沒有將其設置于某一列控子系統內部。列控系統通過接口服務器可以向視景系統中的所有客戶端集中下發控制命令,也可以選擇性地向視景系統中某些客戶端下發命令。同時,列控系統接口服務器也用于向列控子系統轉發來自視景系統的數據信息。

3.2 ATS對視景系統中列車的監視與追蹤功能

ATS列車自動監控系統具有對在線所有運行列車的實時監視和跟蹤功能[4],該功能經過與視景系統的有機結合,用視景系統模擬室外真實的列車運行場景,可以更好的對ATS系統功能進行研究或測試。

視景系統鐵路線路的每一個位置可以由x、y兩個坐標唯一確定,而這些線路位置數據信息被事先保存在線路位置數據庫中,數據庫中的位置數據格式如表1所示。其中,“station”代表車站序號,“pathOrder” 表示“station”對應車站后面的第幾個位置點,每個位置點對應一組x、y坐標。兩個車站之間位置點的個數根據兩站之間實際距離不同而不同,一般兩站距離越大,相應設置的位置點也越多。視景系統中的列車客戶端在連入ATS系統時首先向ATS系統發送該列車的列車車次號信息,然后在其運行過程中實時地將其讀到的位置坐標信息經過格式轉換后發送至ATS系統,ATS系統根據接收到的數據信息同步刷新本界面模擬列車的列車位置,實現ATS系統對本管轄范圍內列車的自動追蹤功能。

表1 視景系統列車位置信息在數據庫中的存放格式

3.3 ATS信號控制功能在視景系統中的實現

ATS系統的信號控制功能主要體現在對道岔、信號機以及進路的控制上。視景系統中的每一個道岔或信號機都有自己的ID編號,ATS系統通過列車識別信息和列車所處的軌道區段,自動生成前方道岔區段的進路控制指令并發送至視景系統中。每一個進路控制命令由“信號控制類型”“信號設備ID號”“目的轉換狀態”三部分構成。視景系統收到進路控制命令后,通過程序控制道岔和信號機三維模型動作并轉換到相應目的狀態。例如,在排列好S0107到Z0101進路前后,ATS系統與視景系統界面中信號機S0107的變化如圖3、圖4所示。

4 其它列控子系統與視景系統的結合

其它列控子系統主要包括ATP系統和ATO系統。ATP、ATO以及TOD司機駕駛臺顯示系統接入視景系統的方式類似于ATS系統,均是通過列控系統接口服務器連入,而ATP、ATO以及TOD與視景系統的通信需要由列控系統接口服務器和視景系統數據中轉服務器共同完成。

圖3 排列進路前,ATS系統信號機S0107(上)和視景系統信號機S0107(下)Fig.3 Before change,ATS signal S0107 (above) and the visual system signal S0107 (below)

圖4 排列進路后,ATS系統信號機S0107(上)和視景系統信號機S0107(下)Fig.4 After change,ATS signal S0107 (above) and the visual system signal S0107 (below)

本平臺上,ATP的主要功能包括:超速防護、行車間隔保護、車門及屏蔽門監測以及向TOD提供顯示信息等。在列車運行時,ATP系統根據當前列車速度情況和線路狀況實時計算出安全距離與允許速度,如果視景系統中的某個客戶端列車不滿足ATP防護下的安全距離或允許速度時,ATP系統將自動生成制動命令并發送至視景系統,進而觸發視景系統根據CBTC(Communication Based Train Control)安全制動模型對該列車進行制動[]。此外,ATP系統將在全程監測車門及屏蔽門的打開或關閉條件,只有當條件滿足時,ATP才授權ATO對車門及屏蔽門進行操作控制。同時,ATP還負責向TOD顯示界面提供列車當前速度、目標速度、目標距離、運行方向、前方車站等顯示信息。

在ATP系統的基礎上安裝ATO系統,可以使列車實現由手動方式駕駛向自動方式駕駛的轉換。在選擇自動駕駛時,視景系統的客戶端列車諸如列車啟動加速、勻速惰行、制動等人為駕駛操作均能在程序控制下自動進行。但是,無論是由駕駛員手動駕駛還是由ATO系統自動駕駛,ATP系統始終具有執行速度監督和超速防護的功能。本平臺ATO的自動駕駛閉環控制系統如圖5所示。

圖5 ATO的自動駕駛閉環控制系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of the automatic control system of ATO

5 仿真平臺的搭建與測試

本平臺硬件部分主要包括:6臺PC機(i7處理器,8G RAM,2G顯存)、9臺1920*1080分辨率的顯示器;軟件部分主要包括:視景仿真系統軟件、ATS系統、ATO系統、ATP系統以及TOD顯示系統,Visual Studio 2013、.Net Framework 3.1,操作系統為Windows7(64bit)。系統平臺上,如圖 6所示,將其中4臺顯示器利用分屏卡組合成ATS監控大屏,對應使用一臺安裝有ATS系統的PC機。本平臺設置4個列車客戶端,每個客戶端對應一臺安裝有視景系統的PC機,4個列車客戶端通過局域網接入列控系統。最后,再利用一臺顯示器顯示TOD界面,TOD顯示系統能夠切換到任意一個列車客戶端。測試過程中以鄭州地鐵1號線為線路背景,主要從列控系統的系統功能、列控系統與視景系統的同步性和數據交互的實時性、視景系統圖像輸出的流暢性等方面進行測試,測試結果表明:本平臺能夠模擬列控系統對室外在線列車的主要控制功能,且視景系統圖像輸出流暢,數據通信延時小于0.05秒,具有良好的實時控制性與穩定性,能夠較好地用于列控子系統的研究與測試。

圖6 列車運行仿真平臺硬件、軟件結構圖Fig.6 Hardware and software structure diagram of train operation simulation platform

6 結束語

本文首先介紹了基于三維視景的列車運行仿真平臺的系統結構,然后分析了視景系統的結構與功能,以ATS、ATP、ATO等列控子系統為例,詳細介紹了本平臺上列控子系統與視景系統相結合的原理方法及數據通信方式,最終在仿真平臺上成功測試了ATS、ATP、ATO以及TOD系統的系統功能,測試結果表明,將列車運行視景仿真技術與列車運行控制系統相結合的研究方法

是一種具有真實性、擴展性、無破壞性和可重復性的測試或試驗方法,對今后列控系統的研究與測試具有一定啟示意義。

[1] 車爽.基于列車運行控制的城市軌道交通視景仿真[D].成都:西南交通大學,2015.

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[2] 董昱.區間信號與列車運行控制系統[M].北京:中國鐵道出版社,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關鍵技術及仿真平臺研究[D].成都:西南交通大學,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系統列車運行仿真與優化策略[D].成都:西南交通大學,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,主要研究方向為交通信息工程及控制。

陳榮武 男(1971-),高級工程師,主要研究領域為交通信息工程及控制、計算機應用。

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

四川省科技支撐計劃項目(14ZC2069,2014GZ0081)

TP391.9

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