基于三維視景的車載ATP仿真系統(tǒng)研究

向美柱，鄭杰良，張銘瑤，王懷松

（1. 西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，四川成都 611756；2. 中鐵二院工程集團有限責任公司通信信號設(shè)計研究院，四川成都 610031）

0 引言

列車運行控制是一個工程量大、復(fù)雜的系統(tǒng)過程，受制于資金、技術(shù)、時間等多種因素，現(xiàn)實中很難建立一個真實的試驗平臺進行相關(guān)研究和測試，然而計算機仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了行之有效的解決辦法。視景仿真技術(shù)是計算機仿真技術(shù)的重要分支，是集多種高新技術(shù)于一體的綜合運用[1]。我國在上世紀末就開始將視景技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通仿真中。黃友能等以北京地鐵 2 號線為背景研究了場景模型的生成、動態(tài)場景的控制和視點變換[2]；蘇虎等基于分布式結(jié)構(gòu)計算，從場景模型的建立、自然現(xiàn)象的模擬等方面，設(shè)計與實現(xiàn)了三通道的視景系統(tǒng)[3]；宋曉偉等探討三維視景應(yīng)用的可行性，分析并建立了三維模型與虛擬場景[4-5]；譚喜堂等針對城市軌道交通特點，采用多種三維技術(shù)實現(xiàn)了具有虛擬駕駛臺和三維視景的模擬駕駛培訓系統(tǒng)[6-8]；楊林等對自然對象和鐵路設(shè)備對象進行三維建模，實現(xiàn)了列車運行的三維動態(tài)視景[9-10]。上述研究對列車運行三維仿真提供了很多思路，但大多用于交互式的駕駛培訓或三維演示，而深入結(jié)合信號系統(tǒng)控制原理進行的研究較少。

ATP 系統(tǒng)是列車運行控制系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，承擔著保證列車安全運行的重要功能，是實現(xiàn)列車超速防護、追蹤間隔控制的核心[11]。在基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）下，ATP 系統(tǒng)主要由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成，其中車載設(shè)備是 ATP 系統(tǒng)的關(guān)鍵，它根據(jù)地面移動授權(quán)生成速度防護曲線，實時監(jiān)督列車運行速度。

本文以車載 ATP 系統(tǒng)為研究對象，并基于 MSTS 平臺的底層引擎和模型庫，以鄭州地鐵 1 號線為背景，建立三維視景，為實現(xiàn)車載 ATP 的功能提供一個真實客觀的現(xiàn)場列車運行環(huán)境。

1 視景系統(tǒng)的建立

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，視景仿真的實現(xiàn)方法和平臺也日趨多元化。無論是傳統(tǒng)的 Creator、Vega、CAD、3DMax，還是最新虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)代表 Unity3D，都有不可忽視的局限性[12-13]，即學習成本高、建模難度大、周期長、模型復(fù)用程度低等。而本文選取的MSTS雖然是一款早期的游戲引擎，但具有配套的線路編輯器、地形編輯器、駕駛室編輯器和任務(wù)編輯器，有強大的模型庫和圖像處理能力，可擴展性強，能批量進行三維場景的創(chuàng)建，這極大地提高了建模的質(zhì)量和效率。

鄭州地鐵 1 號線一期全長 26.2 km，共設(shè)車站 20 座。依據(jù) CAD 設(shè)計圖紙，在 MSTS 地形編輯器中，結(jié)合 Google Earth 的經(jīng)緯度地標信息，指定地形區(qū)域，導(dǎo)入數(shù)字高程模型（DEM）實體地面模型包，確定線路走向與位置，實現(xiàn)對所在線路的地形仿真復(fù)原，如圖 1 所示。

線路地形及走向復(fù)原后，即可在編輯器中進行場景模型的布置。視景系統(tǒng)的模型包括車站、列車、軌道、信號設(shè)備（道岔、信號機、轉(zhuǎn)轍機等）、隧道等。MSTS目前的模型庫中已支持大多數(shù)城市軌道交通場景的需要，對于少量不存在的模型，仍需使用 3DMax 進行建模。視景系統(tǒng)最終呈現(xiàn)效果如圖 2 所示。

2 車載 ATP 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)功能需求，對仿真系統(tǒng)進行設(shè)計，如圖 3 所示，系統(tǒng)由視景子系統(tǒng)和車載 ATP 子系統(tǒng) 2 部分組成。由場景建模、場景驅(qū)動和場景輸出共同構(gòu)成的視景系統(tǒng)模擬現(xiàn)場環(huán)境。通過視景系統(tǒng)內(nèi)部提供的應(yīng)用程序編程接口，創(chuàng)建了模擬區(qū)域控制器（ZC）的三維數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，用于接收現(xiàn)場線路數(shù)據(jù)、車輛運行數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)等，同時接收來自車載 ATP 的命令，反饋給三維列車。

車載 ATP 主要由 6 個模塊組成。

（1）接口服務(wù)器：連接視景系統(tǒng)，獲取視景系統(tǒng)中的各種靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置：超速防護的計算初始條件，獲取列車特性、時間特性、阻力系數(shù)、線路限速等數(shù)據(jù)。

（3）超速防護：根據(jù)目標點及目標距離，實時生成超速防護曲線。

（4）測速定位：依據(jù)視景系統(tǒng)的動態(tài)尋徑和視點控制原理，確定當前列車所在區(qū)間，獲取列車的位置和速度。

（5）速度監(jiān)督：實時監(jiān)督列車運行速度，當速度超過 ATP 防護曲線時，能及時實施最大常用制動或緊急制動。

（6）運行動力學計算：以視景系統(tǒng)中的實際線路為例，根據(jù)運動學方程，計算列車的牽引力、制動力和阻力，為超速防護提供依據(jù)。

圖1 鄭州地鐵 1 號線線路復(fù)原

圖2 視景系統(tǒng)

圖3 基于三維視景的車載 ATP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 車載 ATP 仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于面向?qū)ο蠓抡娣椒ǎ罁?jù) OR 開源程序，使用C#語言進行程序設(shè)計與實現(xiàn)。其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有多進程、Socket 通信、ADO.NET、XNA 技術(shù)等。

3.1 視景系統(tǒng)與車載 ATP 通信

通信模塊基于以太網(wǎng)傳輸控制協(xié)議（TCP）通信，根據(jù)典型的客戶/服務(wù)器（C/S）模式，使用流式 Socket 套接字來實現(xiàn)。系統(tǒng)通信的傳輸業(yè)務(wù)主要包括 3 種：車輛控制信息、車輛狀態(tài)信息、線路信息，如圖 4 所示。

圖4 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)流

通過對視景系統(tǒng)創(chuàng)建的外部接口，在列車運行過程中不斷將列車速度、位置、目標距離、車次號等車輛運行數(shù)據(jù)，以及線路坡度、曲線、隧道等線路數(shù)據(jù)發(fā)送給三維數(shù)據(jù)服務(wù)器，繼而轉(zhuǎn)發(fā)給 ATP 接口服務(wù)器。車載 ATP 接收并處理來自視景系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過計算確定移動授權(quán)（MA）并發(fā)送給視景系統(tǒng)，以實現(xiàn)三維列車在 ATP 防護下的運行。

3.2 超速防護

CBTC 安全制動模型定義了列車在最不利情況下從觸發(fā)緊急制動到停車的整個過程，是實現(xiàn)超速防護功能的重要基礎(chǔ)。它由緊急制動曲線、緊急制動觸發(fā)曲線、ATP 曲線組成[14]。根據(jù)保障性緊急制動率（GEBR）可以計算得到緊急制動曲線；根據(jù)緊急制動曲線可計算出緊急制動觸發(fā)曲線；根據(jù)緊急制動觸發(fā)曲線可得到 ATP曲線。對 ATP 系統(tǒng)的仿真研究，重點在于對安全制動曲線的研究[15-16]。

3.2.1 緊急制動曲線

根據(jù)目標-距離模式，使用反算法建立防護曲線的計算模型[17]，如圖 5 所示。

設(shè)列車目標速度為vtarget，km / h；目標距離為starget，m；列車制動初速度為vs；末速度為ve。使用微元法將starget劃分成若干個固定長度 Δs的區(qū)段；在一個微元里，可認為列車的加速度a（m/s2）和列車所受合力f（N/kN）是恒定不變的。

圖5 反算法原理

算法具體步驟如下。

（1）根據(jù)移動授權(quán)終點，確定目標距離starget。

（2）確定目標點位置和目標速度vtarget，若目標點為車站或前行列車，則vtarget為 0；若目標點在限速區(qū)段，則vtarget為限速值。

（3）計算最限制速度曲線（MRSP）上的最限制速度，以確定本次計算的頂棚速度vlimit。

（4）將starget劃分成n個固定長度l的 Δs區(qū)段，n=starget/l，其中步長l可視精度靈活選取。

（5）設(shè)i為計數(shù)器， List ＜ double ＞ 為存儲制動初速度的泛型集合，令i= 0，根據(jù)式（1），計算第n個區(qū)段的制動初速度 。

（6）令i=i+ 1，根據(jù)式（1）計算vs。

（7）比較vs與vlimit，若vs＜vlimit，則 List[n-i]=vs，否則 List[n-i]=vlimit。

（8）比較n與i，若i＜n，記錄該區(qū)段的制動初速度vs，并設(shè)置下一區(qū)段的制動末速度為ve=vs，轉(zhuǎn)步驟（6）；若i=n，則結(jié)束計算。

將全部所求的速度點（iΔs，vei）用平滑曲線連接，即得到緊急制動曲線。

3.2.2 緊急制動觸發(fā)曲線和 ATP 曲線

設(shè)ad為最大惰行加速度，aq為最大牽引加速度，tATP為 ATP 設(shè)備制動反應(yīng)時間，tz為制動建立時間，tq為牽引切除時間，緊急制動曲線上的點為（vi，si）。根據(jù)式（2）和（3）可計算對應(yīng)的緊急制動觸發(fā)曲線上的點

同樣將所求緊急制動觸發(fā)曲線的全部點由平滑曲線連接，即可得到緊急制動觸發(fā)曲線。根據(jù)文獻[14]可知，緊急制動觸發(fā)曲線與 ATP 曲線存在一定的超速允許量，用緊急制動觸發(fā)曲線上的速度減去規(guī)定的超速允許量，即可得到 ATP 允許速度。

3.2.3 最限制速度曲線

最限制速度是確定頂棚速度的關(guān)鍵，綜合考慮了模式限速、臨時限速、靜態(tài)限速、列車構(gòu)造速度等多種因素并取其中的最小值[18]。此外，在一段線路中的最限制速度曲線計算時，從較低限速區(qū)到較高限速區(qū)，還要考慮列車車長因素。為簡化計算，仿真系統(tǒng)中最限制速度由用戶根據(jù)實際線路情況設(shè)置。

3.3 測速定位

視景系統(tǒng)中，通過 MSTS 提供的應(yīng)用程序接口，結(jié)合 OR，由程序?qū)崟r獲取列車當前速度。列車位置由空間坐標X、Y唯一確定（由于仿真線路在同一平面，可忽略Z坐標），從線路轉(zhuǎn)換軌開始，在每站之間按一定間距和順序設(shè)置虛擬應(yīng)答器，記錄坐標并保存到數(shù)據(jù)庫中。虛擬應(yīng)答器用于校驗列車的當前位置和速度。表 1 為數(shù)據(jù)庫中虛擬應(yīng)答器位置數(shù)據(jù)的存放格式，其中station 表示車站序號，order 表示當前車站對應(yīng)的后面區(qū)間某個虛擬應(yīng)答器編號。例如 order = 01，表示第 1 個站后面的第 1 個虛擬應(yīng)答器，其坐標為（-970.601，90.768 4）。

表1 虛擬應(yīng)答器位置數(shù)據(jù)存放格式

該模塊為超速防護的實現(xiàn)提供了必要的速度及位置數(shù)據(jù)。

3.4 列車動力學計算

車輛的牽引和制動大小由其各自的特性曲線決定，特性曲線以一組離散點的方式由廠家提供。本文只考慮滿載情況，圖 6 為仿真所需制動特性曲線。

設(shè)點 A（v1，B1）、B（v2，B2）為制動特性曲線上任意 2 點，使用線性插值法，根據(jù)式（4），可求出 A、B 間任意vx時的制動力Bx。

圖6 制動特性曲線

牽引力與上述類似。列車在運行過程中，產(chǎn)生的阻力包括基本阻力和附加阻力，附加阻力又主要包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力。設(shè)列車制動力為B，kN；列車單位基本阻力為w0，N/kN；單位坡道附加阻力為wi，N/kN；單位曲線附加阻力為wr，N/kN；單位隧道附加阻力為ws，N/kN；定員載荷質(zhì)量為M，t；重力加速度為g，回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)為r，則列車在制動運行工況下所受單位合力、加速度為：

根據(jù)列車牽引計算規(guī)程，列車基本阻力由經(jīng)驗公式給出：

設(shè)i為坡度，θ為軌道與水平線夾角，R為線路曲線半徑，Ls為隧道長度，則單位坡道附加阻力、單位曲線附加阻力、單位隧道附加阻力分別為：

視景系統(tǒng)中線路數(shù)據(jù)格式如表 2 所示，其中θ為正表示上坡，為負表示下坡，能唯一確定軌道坡度，計算坡道阻力；軌道若為彎軌表示該位置線路為曲線，半徑R能唯一確定曲線阻力；視景系統(tǒng)中的空間坐標X、Y能唯一確定車輛運行時分的位置和目標距離，可結(jié)合測速定位功能，確定隧道長度，計算隧道阻力和基本阻力。

表2 視景系統(tǒng)線路數(shù)據(jù)格式

牽引計算程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖 7 所示。

圖7 牽引計算程序

3.5 速度監(jiān)督

根據(jù)“撞硬墻”方式的移動閉塞原理，后行列車以前行列車尾部（附加一定安全距離）為追蹤點運行。在視景系統(tǒng)中創(chuàng)建 TrainCar類，定義列車速度屬性值SpeedMps，依據(jù)動態(tài)尋徑原理，實時更新速度值。程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖 8 所示，車載ATP 時刻監(jiān)督列車的運行速度 SpeedMps，當實際運行速度超過了 ATP 允許速度，列車發(fā)出報警并實施常用制動；若列車已實施最大常用制動且在規(guī)定時間內(nèi)速度仍然超過 ATP 防護速度，則觸發(fā)緊急制動，制動過程嚴格按照緊急制動曲線或在其下方進行，以保證列車在目標點前停車，確保行車安全。

圖8 速度監(jiān)督程序

4 測試與結(jié)果

根據(jù)式（1）～（10），基于超速防護的反算迭代計算模型，采用分布式模塊技術(shù)完成了車載 ATP 的設(shè)計，仿真界面如圖 9 所示。

圖9 車載 ATP 仿真平臺

鄭州地鐵車輛采用 6 輛編組的B 型車，定員載荷時列車質(zhì)量M為285.34 t[19]。為簡化計算，依據(jù)文獻[20-21]，系統(tǒng)所采用的其他仿真參數(shù)設(shè)置為：ATP 設(shè)備反應(yīng)時間 2 s，緊急制動建立時間 1.5 s，牽引切除時間 0.4 s，最大惰行加速度 0.5 m/s2，最大牽引加速度 1.134 m/s2，列車最大限制速度80 km/h，回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù) 0.08，速度測量誤差 5%。

結(jié)合實驗室鄭州地鐵 1 號線ATS 進行聯(lián)合測試，以“西三環(huán)站—秦嶺路站”為例，后行 10520車次列車以前行10120 車次列車的尾部為追蹤點（附加一定安全裕量），測試結(jié)果如圖 10所示。

后行列車速度始終能保證在防護曲線下運行，一旦超速能及時進行常用制動或緊急制動。由于在搭建三維環(huán)境時，為減少建模工作量，并未完全按照實際數(shù)據(jù)對線路進行還原，所以系統(tǒng)所得到的緊急制動距離與實際運行參數(shù)還存在一定誤差，但仿真測試證明系統(tǒng)整體運行良好，達到了預(yù)期仿真目的。

5 結(jié)語

車載 ATP 是城市軌道交通中確保列車行車安全的重要組成部分，本文針對視景仿真技術(shù)主要應(yīng)用于駕駛培訓和三維演示的情況，提出了基于三維視景的一種車載ATP 仿真設(shè)計方法。根據(jù)實際線路創(chuàng)建的視景系統(tǒng)，提供了逼真的列車運行環(huán)境，以此進行車載 ATP 的仿真研究，實現(xiàn)了列車的測速定位、超速防護、速度監(jiān)督等功能。

本文提出視景技術(shù)與列控車載系統(tǒng)結(jié)合的仿真方法極具擴展性，系統(tǒng)可根據(jù)不同實際需求，采集線路數(shù)據(jù)，對地鐵線路進行視景還原，然后可進一步結(jié)合列控車載原理進行仿真研究。這對于近年來快速發(fā)展的城市軌道交通，無論是新線建設(shè)還是舊線改造，都為前期車載 ATP 的仿真研究和測試提供了一個新的解決思路，對其他列控子系統(tǒng)的研制、測試，以及設(shè)備參數(shù)優(yōu)化、線路設(shè)計等也同樣具有實際意義。

圖10 測試結(jié)果