基于DoDAF框架的全自動駕駛仿真系統精細化設計及實現

付 偉，馮浩楠，黃蘇蘇，王 鯤

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，北京 100081）

近年來，城市軌道交通快速發展對列車控制系統提出了更高的需求，無人駕駛技術憑借高效便捷的優點在此領域應用越發廣泛，逐漸成為軌道交通信號系統未來重要發展趨勢之一[1-3]。目前，全自動駕駛(FAO, Fully Automatic Operation)系統已在巴黎、迪拜、新加坡等國外城市地鐵投入使用；我國的上海10號線、北京新機場線等也將使用全自動駕駛系統[4-5]。

FAO系統相比CBTC系統，深度集成了軌旁控制系統、列車控制系統、綜合監控系統等眾多系統，在提升系統效能、拓展系統功能的同時，也對工程應用的測試提出了挑戰。因此，用于驗證和測試的仿真系統設計顯得尤為關鍵，良好的仿真系統應該具備系統功能驗證、安全性能評估、工程參數評估和系統故障分析等多種功能[6-7]。針對全自動駕駛系統功能設計，文獻[8]提出一種地鐵全自動駕駛信號仿真系統基本設計方案，基于簡單設計角度出發，對各個系統的信息交互進行簡單描述，缺少對系統性能全面深入的設計；文獻[9]和文獻[10]對FAO系統新增的功能和場景進行了介紹和理論分析，對系統安全性能評估具有借鑒意義，但是無法全面指導系統的設計和實現。

DoDAF是一種能夠對系統架構精確描述的設計方法集，能夠準確描述復雜系統間各個模型系統運行和交互過程，在多機協同探測系統[10]、地震預警系統[11]、武器性能系統評價[12]等復雜系統設計中得到應用，是復雜系統精細化設計的理想構建方法。

本文依托中國鐵道科學研究院集團有限公司軌道交通實驗平臺，針對中國城市軌道交通協會對全自動駕駛需求規范，基于DoDAF架構精細化設計FAO仿真系統。在全自動駕駛需求和能力構建的基礎上實現系統頂層設計，包括概念數據模型、組織關系圖、作戰活動模型和系統接口等多個視角的系統架構詳細設計，基于精細化設計模型，依托廣州某線路真實數據搭建仿真系統，驗證FAO系統功能。

1 FAO仿真系統頂層設計

DoDAF是美國國防部編寫的用以指導復雜系統框架開發的方法集，目前是2.02版本。DoDAF采用標準方法解決復雜系統的結構化問題，通過能力、作戰、系統、服務、全景、標準、項目等多個視點將人員、流程和技術設計要素進行融合，形成了具有52個模型的設計框架體系。針對FAO仿真系統特點，本文選取部分視點和模型，完成從需求到詳細設計過程，最后實現FAO仿真系統。

1.1 需求概述

AV-1需求概述模型綜述了FAO仿真系統的目標、任務、計劃、活動、事件等要素。FAO系統通過依靠信號系統、通信系統實現列車控制系統與地面設備的實時信息交互，中心控制室值班人員依靠人工監視與干預保證系統按照計劃正常運行以及在系統故障模式下的指揮。FAO系統仿真系統功能需求如下：

（1）FAO系統的功能原理驗證；（2）FAO系統的安全性能評估；（3）FAO系統的工程參數評估；（4）FAO系統的故障模式分析。

1.2 能力構建

CV-1能力構想模型描述了FAO仿真系統的能力范圍，提供描述能力的戰略意義。FAO仿真系統的能力構建包括構想、目的和能力3個層次?？傮w構想為：通過FAO仿真系統建設，實現對FAO系統的評估。能力構建圖，如圖1所示。

1.3 頂層概念

OV-1頂層概念模型為作戰視點（Operational View），研究對象為FAO系統列車運行控制模式，運行模式涵蓋了系統在所有運行場景中可能的狀態。針對復雜多變的運行環境，FAO系統的列車駕駛存在多種控制模式，不同的控制模式對系統的整體設計、運營模式和管理方式需求不同，具體包括7種運行模式，即：列車自動防護下的人工駕駛模式（CM模式），列車自動駕駛模式（AM模式），等待模式（SB模式），限制人工駕駛模式（RM模式），全自動駕駛模式（FAM模式），蠕動模式（CAM模式）和關機模式（Power Off模式），各個運行模式在特定條件下進行轉換，FAO仿真系統模式轉換，如圖2所示。

2 FAO仿真系統詳細設計

AV-1、CV-1和OV-1模型共同構建了FAO仿真系統的基本框架。本章從數據、組織、活動和接口等角度精細化設計FAO仿真系統，進一步詳細描述系統功能需求和各個子系統間的重要關系。

2.1 概念數據模型

DIV-1概念數據模型圖，如圖3所示，描述了FAO仿真系統不同類型數據概念及其相互作用關系。

FAO仿真系統的基礎元數據支持了眾多上層數據，包括基礎規范數據、具體指系統的通信協議、接口規范和技術標準等，這些規范數據規范了系統框架和開發行為。在標準框架基礎上，FAO仿真系統的概念數據包括系統管理數據、設計工程數據、運營數據和維保數據4部分。設計工程數據與系統開發階段有密切關系，是FAO仿真系統工程參數評估的重要內容；系統管理數據、運營數據和維保數據是系統生命周期中評價系統性能的重要參考依據。

2.2 組織關系模型

OV-4組織關系圖描述了FAO仿真系統中各子系統的隸屬關系、指揮關系和協同關系。FAO系統與列車、牽引供電、基礎設施、維護、通信、車站等其他外部眾多系統聯系，滿足列車自動化實時控制的要求。FAO仿真系統組織關系圖，如圖4所示。FAO仿真系統實現時，牽引供電、基礎設施等不易在實驗室實現的外部連接系統可以使用仿真系統或者軟件進行模擬，最終實現FAO仿真系統運行場景全實現。

2.3 作戰活動模型

OV-5b作戰活動模型描述了FAO系統仿真系統執行能力，具體而言是描述系統在不同工作狀況下的轉換過程，在何種情況下實現狀態的轉換，明確輸入輸出條件。FAO系統仿真系統涉及8種工作狀態，在10個條件下會產生轉換，如圖5所示。車輛系統在喚醒上電命令下從斷電工況變為待命工況，在出庫命令條件下進入車輛段內變為場內工況。當車輛進入洗車線開始洗車命令和駛離洗車線結束洗車線的命令下，洗車工況與場內工況相互轉換。在出段命令下，車輛進入正線工況。在終點站清客和清客完成啟動條件下，正線工況與清客工況相互轉換。入庫條件下車輛轉換為清掃工況。在按壓檢修和復位檢修條件下，系統在清掃工況與檢修工況之間轉換。

2.4 系統接口模型

bSV-1系統接口描述了FAO仿真系統包含子系統之間信息交互關系。系統接口圖，如圖6所示。每個子系統又包含眾多模塊，相互之間通過規定協議完成數據信息交互。

3 FAO仿真系統實現

基于頂層設計和詳細設計，在實驗室搭建FAO仿真系統。FAO仿真系統按照設備現場安放位置可分為中心、車站、軌旁仿真和車載4部分。仿真數據采用廣州7號線一期數據設計實現，包括1個車輛段和4個設備集中站，其中，車輛段和1個設備集中站采用真實機柜，其余使用工控機模擬系統功能。依照廣州7號線列車運行時刻表，列車從車輛段自動出段后，經過站臺自動停站、開關屏蔽門后，最后自動進入車輛段完成自動駕駛過程。

4 結束語

在全自動無人駕駛投入工程應用之前，需要實驗等多種手段驗證其功能和安全性，本文設計并在實驗室搭建了基于DoDAF框架的FAO仿真系統，仿真實驗結果表明，FAO仿真系統滿足初始全自動化功能要求，并為以后的工程化研究提供了重要參考依據。

下一階段，FAO系統將在實驗線路上進行上道實驗，進一步驗證系統功能。由于真實系統與仿真系統在某些參數上會有差異，因此，在后續的工程應用中，需要根據現場條件和實際需求進行適量修改，減少實驗誤差，更好地服務于工程應用。