基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運(yùn)行軌跡仿真平臺

張亞忠

國內(nèi)外對于衛(wèi)星導(dǎo)航的仿真主要集中在射頻信號的處理上，對于軌跡仿真的研究也基本集中在航空領(lǐng)域。北京交通大學(xué)是國內(nèi)最早將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)用在列車運(yùn)行軌跡仿真的單位，其仿真方法主要有2種：一種是采用國外的衛(wèi)星信號發(fā)生器和simGEN軟件，將現(xiàn)場采集的鐵路NMEA數(shù)據(jù)導(dǎo)入，生成列車運(yùn)行的衛(wèi)星射頻信號［1］，這種方法能從信號端進(jìn)行模擬，更為真實(shí)，但設(shè)備昂貴、成本較高；另一種方法是使用軟件模擬，軟件中直接將現(xiàn)場采集的列車運(yùn)行衛(wèi)星軌跡數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，通過讀取數(shù)據(jù)或者是將鄰近2點(diǎn)看成直線生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)［2］，這種方法成本較低，但是弊端也很明顯，需要的數(shù)據(jù)量較大［3］，且只能模擬列車勻速運(yùn)行的情況。

由于青藏鐵路ITCS系統(tǒng)采用了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為定位方式，為了便于研發(fā)，需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建低成本模擬衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運(yùn)行軌跡仿真平臺。

1 總體架構(gòu)

列車運(yùn)行軌跡仿真平臺包括列車接口仿真子系統(tǒng)、軌旁仿真子系統(tǒng)和GNSS仿真模擬器［4］，其總體架構(gòu)見圖1。

圖1中，列車接口仿真子系統(tǒng)提供機(jī)車接口和司機(jī)操作模擬功能，測試人員可以通過列車接口仿真子系統(tǒng)添加列車，并對仿真列車進(jìn)行手柄控制、加減速、機(jī)車風(fēng)壓設(shè)置等操作。列車接口仿真子系統(tǒng)通過網(wǎng)口將列車初始位置及列車狀態(tài)信息發(fā)送給軌旁仿真子系統(tǒng)，同時(shí)通過前臺界面顯示仿真列車的速度、加速度以及與車載設(shè)備交互的機(jī)車接口等信息。

圖1 列車運(yùn)行軌跡仿真平臺總體架構(gòu)

軌旁仿真子系統(tǒng)根據(jù)列車初始位置及列車狀態(tài)信息，結(jié)合本地線路地圖實(shí)時(shí)計(jì)算列車運(yùn)行狀態(tài)信息，并將該信息通過網(wǎng)口發(fā)送給GNSS仿真模擬器，同時(shí)在其前臺界面上的站場圖中進(jìn)行顯示。

GNSS仿真模擬器根據(jù)列車運(yùn)行狀態(tài)信息匹配軌道電子地圖，計(jì)算生成列車衛(wèi)星軌跡數(shù)據(jù)［5］，列車運(yùn)行軌跡表現(xiàn)形式為衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式，可發(fā)送給車載設(shè)備進(jìn)行列車自主定位計(jì)算；GNSS仿真模擬器用戶交互界面顯示列車所處車站及經(jīng)緯度等列車數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行故障注入。

2 工作原理

列車運(yùn)行軌跡仿真平臺工作流程見圖2，其說明如下。

圖2 列車運(yùn)行軌跡仿真工作流程

1）列車運(yùn)行軌跡仿真平臺上電后，在列車接口仿真子系統(tǒng)中添加列車，并根據(jù)實(shí)際情況輸入列車的初始狀態(tài)，如列車所在站號、股道號、列車相對軌道一端的位置、列車長度、列車類型和列車即將運(yùn)行的方向（上、下行）等。

2）軌旁仿真子系統(tǒng)接收列車接口仿真子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在站場界面上顯示列車圖標(biāo)，并將列車初始狀態(tài)信息發(fā)送給GNSS仿真模擬器。

3）GNSS仿真模擬器根據(jù)接收到的軌旁仿真子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，生成衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并在GNSS仿真模擬器上顯示初始經(jīng)緯度和航向角。

4）GNSS仿真模擬器將初始經(jīng)緯度和航向角按照約定的數(shù)據(jù)協(xié)議組成數(shù)據(jù)包，以一定頻率發(fā)送給車載設(shè)備。

5）在軌旁仿真子系統(tǒng)的站場圖界面中預(yù)設(shè)列車運(yùn)行軌跡，并將道岔設(shè)置在合適位置，從而排列好列車的進(jìn)路信息，列車啟動后將沿著線路軌跡運(yùn)行。

6）在列車接口仿真子系統(tǒng)上操作方向手柄向前、緩解獨(dú)立制動、設(shè)置列車目標(biāo)速度，以及操作牽引手柄擋位。列車接口仿真子系統(tǒng)顯示列車速度逐漸增加，直到目標(biāo)速度后保持不變。

7）軌旁仿真子系統(tǒng)依據(jù)列車的初始狀態(tài)和列車接口仿真子系統(tǒng)傳輸?shù)牧熊囁俣龋⒔Y(jié)合本地線路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遞推列車新的位置信息（站號、股道號、距離軌道一端距離等）。軌旁仿真子系統(tǒng)站場圖界面顯示動態(tài)運(yùn)行的列車圖標(biāo)。

8）在仿真過程中，可根據(jù)實(shí)際情況在GNSS模擬器中使用故障注入功能。如果需要模擬故障注入功能直接轉(zhuǎn)到11），否則轉(zhuǎn)到9）。

9）軌旁仿真子系統(tǒng)將列車動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送至GNSS仿真模擬器。GNSS仿真模擬器依據(jù)列車當(dāng)前位置信息找到軌道電子地圖中對應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)域，計(jì)算列車公里標(biāo)，并且判斷列車處于站內(nèi)還是站外，是直線區(qū)段還是曲線區(qū)段；接著找到軌道電子地圖中與列車相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的定位信息（經(jīng)緯度和航向角），依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算列車當(dāng)前的定位信息，并在GNSS仿真模擬器上顯示動態(tài)變化的經(jīng)緯度和航向角。

10）GNSS仿真模擬器將上述計(jì)算的列車動態(tài)的經(jīng)緯度和航向角，依據(jù)約定的數(shù)據(jù)協(xié)議組成數(shù)據(jù)包，按照一定頻率（可配置，默認(rèn)值為5 Hz）發(fā)送給車載設(shè)備。

11）操作者在GNSS仿真模擬器故障注入界面選擇發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)或者帶有偏移的數(shù)據(jù)，GNSS仿真模擬器計(jì)算列車運(yùn)行軌跡衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)會將錯誤或偏移數(shù)據(jù)注入到生成結(jié)果中，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給車載設(shè)備。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)車接口和司機(jī)操作模擬

列車接口仿真子系統(tǒng)軟件運(yùn)行在樹莓派板卡的Linux系統(tǒng)中，采用BS架構(gòu)，后臺服務(wù)使用NodeJS開 發(fā)，前 臺 網(wǎng) 頁 使 用HTML結(jié) 合Javascript設(shè)計(jì)，前、后臺間使用MQTT協(xié)議進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)同步。測試人員在前臺通過按鈕、手柄、輸入框等控件添加列車并模擬機(jī)車乘務(wù)員的真實(shí)操作。網(wǎng)頁界面可通過表盤和曲線方式顯示后臺輸出的列車狀態(tài)信息（各速度傳感器轉(zhuǎn)速、列車速度、加速度、相對位移等）。后臺服務(wù)接收前臺信息，根據(jù)列車的牽引、制動狀態(tài)完成列車加速度、速度和相對位移的實(shí)時(shí)計(jì)算，并將列車初始位置及列車狀態(tài)信息根據(jù)UDP協(xié)議發(fā)送給軌旁仿真子系統(tǒng)。

3.2 列車運(yùn)行狀態(tài)信息計(jì)算和顯示

軌旁仿真子系統(tǒng)軟件環(huán)境為Linux系統(tǒng)，采用C++語言進(jìn)行開發(fā)，通過讀取配置文件，生成仿真線路中軌道區(qū)段、信號機(jī)、道岔等設(shè)備的拓?fù)滏溄雨P(guān)系，根據(jù)仿真列車的初始位置及列車狀態(tài)信息實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)區(qū)段的列車占用狀態(tài)，生成每輛列車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息（列車當(dāng)前的運(yùn)行方向、所處車站站號、股道號、所處軌道區(qū)段編號及相對于軌道區(qū)段起點(diǎn)的偏移等），并根據(jù)UDP協(xié)議發(fā)送給GNSS仿真模擬器。

軌旁仿真子系統(tǒng)采用網(wǎng)頁形式在站場圖中顯示列車運(yùn)行過程中的位置信息。站場圖通過HTML網(wǎng)頁進(jìn)行訪問展示，運(yùn)用SVG矢量圖完成軌道區(qū)段、信號機(jī)等信號設(shè)備圖元繪制，采用CSS層疊樣式表對圖像樣式進(jìn)行定義［6］。列車占用區(qū)段后，該區(qū)段顯示變?yōu)榧t色，并通過移動黃色光帶顯示列車車頭、車尾位置信息，通過黃色光帶占所在區(qū)段比例顯示列車長度信息。通過點(diǎn)擊操作站場圖上的區(qū)段、道岔等設(shè)備圖元，用戶可以進(jìn)行運(yùn)行軌跡的規(guī)劃，設(shè)置列車的進(jìn)路信息等。

圖3是軌旁仿真子系統(tǒng)界面圖，顯示列車在站場圖中軌道區(qū)段的占用、列車所在軌道區(qū)段的具體位置以及列車運(yùn)行方向等列車運(yùn)行狀態(tài)信息。

圖3 軌旁仿真子系統(tǒng)界面

3.3 列車運(yùn)行軌跡衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成和顯示

GNSS仿真模擬器軟件環(huán)境為Windows系統(tǒng)，采用C++語言進(jìn)行開發(fā)，收到列車運(yùn)行狀態(tài)信息后，將列車相對于軌道區(qū)段起點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)換成軌道電子地圖中的線路里程，然后在軌道電子地圖［7］中找到與當(dāng)前列車位置最近的相鄰2個(gè)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)，依據(jù)直線軌道或曲線軌道的求解公式計(jì)算出列車運(yùn)行軌跡衛(wèi)星數(shù)據(jù)。GNSS仿真模擬器采用RS-422串口將計(jì)算出的列車運(yùn)行軌跡衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)送給車載設(shè)備，車載設(shè)備根據(jù)該信息進(jìn)行列車定位及相關(guān)控制計(jì)算。

GNSS仿真模擬器計(jì)算列車運(yùn)行軌跡衛(wèi)星數(shù)據(jù)場景如圖4所示，A、B、D 3點(diǎn)依次連接，分別形成了直線軌道和曲線軌道；C和C1是列車分別運(yùn)行在直線軌道和曲線軌道時(shí)的質(zhì)點(diǎn)模型［8］。

圖4 列車運(yùn)行軌道場景

GNSS仿真模擬器提供了Windows窗口用戶界面，可以顯示列車經(jīng)緯度、數(shù)據(jù)交互等信息，見圖5。

圖5 GNSS仿真模擬器顯示界面

3.4 故障注入

GNSS仿真模擬器能夠模擬多種故障場景：①隧道或遮擋場景，列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星接收機(jī)不會輸出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過人工勾選的方式可以中斷數(shù)據(jù)輸出，模擬衛(wèi)星丟失；②山川河谷地區(qū)，其主要特點(diǎn)是搜星過少，通過注入衛(wèi)星個(gè)數(shù)減少衛(wèi)星信息，以檢測車載對該種場景的反應(yīng)；③衛(wèi)星狀態(tài)仿真，目前衛(wèi)星導(dǎo)航仿真支持的狀態(tài)有單點(diǎn)定位和差分定位2種模式，在發(fā)車測試過程中由于車載設(shè)備未與地面差分站建立鏈接，此時(shí)車載處于單點(diǎn)模式狀態(tài)，在正常運(yùn)行過程中一般選擇差分定位模式；④數(shù)據(jù)異常仿真，數(shù)據(jù)異常仿真主要有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)異常，例如仿真的列車有速度，但經(jīng)緯度值一直不變，時(shí)間戳跳變，航向角突然增大或變小等。

用戶可通過勾選圖5中的故障選項(xiàng)，如硬件故障及解算故障；或者強(qiáng)制輸入特定的誤差因子，如輸入股道位置偏差，完成多種故障的注入。

3.5 日志記錄

列車運(yùn)行軌跡仿真平臺各子系統(tǒng)均進(jìn)行日志記錄，內(nèi)容包括子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互內(nèi)容、系統(tǒng)計(jì)算過程中的中間量和軟件自身的故障報(bào)警等。日志記錄功能可離線分析仿真平臺和車載問題，提高了車載的測試效率。

4 特點(diǎn)分析

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運(yùn)行軌跡仿真平臺在設(shè)計(jì)中按照不同的功能點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)［9］，具有以下特點(diǎn)。

1）將列車運(yùn)行狀態(tài)與衛(wèi)星導(dǎo)航仿真功能相隔離，可針對列車的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真。

2）仿真系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好，通過在軌旁仿真子系統(tǒng)中增加相應(yīng)的IP，可增加GNSS仿真模擬器個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)數(shù)量的增加，用于模擬雙套冗余或者多車場景。

3）利用軌道電子地圖將列車運(yùn)行軌跡約束在特定的線路［10］，與列車的真實(shí)運(yùn)行軌跡一致。

4）針對不同的線路情況，采用不同的算法（例如直線軌道采用垂直投影的方法，曲線軌道采用求取圓上坐標(biāo)的方法），使得仿真與實(shí)際情況更接近。利用起始/終止點(diǎn)表示直線軌道的多個(gè)采樣點(diǎn)，增加航向角增量及起始/終止點(diǎn)表示曲線軌道的采樣點(diǎn)，從而減少電子地圖的數(shù)據(jù)量，節(jié)省了仿真系統(tǒng)的存儲空間。

5）具有多故障注入功能，可覆蓋實(shí)際運(yùn)行場景中衛(wèi)星導(dǎo)航出現(xiàn)的故障場景。

5 結(jié)束語

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運(yùn)行軌跡仿真平臺不僅能夠支撐國產(chǎn)化ITCS車載設(shè)備的順利研發(fā)，也可為其他基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列控系統(tǒng)（如下一代列控系統(tǒng)）仿真平臺提供技術(shù)基礎(chǔ)。但列車運(yùn)行軌跡仿真平臺對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的計(jì)算仿真依賴于提前制作的軌道電子地圖，鑒于行業(yè)暫未對軌道電子地圖形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此仿真平臺的擴(kuò)展性還有待提高，下一步可基于我國自主產(chǎn)權(quán)的新型列控系統(tǒng)的電子地圖進(jìn)行仿真平臺的升級完善。