開源低成本的列車動力學半實物仿真測試平臺

卡斯柯信號有限公司 職文超 呂新軍 李付軍

本文使用開源軟件Scilab/xcos進行列車動力學建模、仿真，采用開源軟件X2C將模型生成嵌入式C代碼，結合部分手寫驅動代碼，以開源FreeRTOS為實時操作系統，運行在ESP32硬件模組之上，搭建了列車動力學半實物仿真平臺，用以自動駕駛控制算法測試，在保證性能的基礎上，大幅降低系統成本。

列車自動控制系統（ATC）一般由列車自動監控系統（ATS）、列車超速防護系統（ATP）、列車自動駕駛系統（ATO）構成。而自動駕駛算法是ATO系統的核心，直接關系到軌道交通系統的運營效率和乘客舒適度，列車的牽引和制動是其主要控制對象。在具體工程項目的實施過程中，因為不同列車的性能存在偏差，尤其是列車停站過程中電制動、空氣制動的切換，引入了非線性因素，列車模型整定和自動駕駛算法調試工作量大、耗時長。為縮短現場調試時間、提高調試效率，降低項目實施成本，可以提前在實驗室，根據項目所用列車的牽引和制動的動靜態特性參數，搭建動力學模型，用來進行算法調整、參數整定并驗證算法的性能。

而純軟件的仿真也有其缺點，比如沒有考慮模型的浮點運算和MCU上面整形運算的區別、電流或電壓輸出時的精度局限、TIMS控制列車時的通訊延遲等等因素，因此，即便在PC仿真時，得到了滿意的列車控制算法，也要在真實的ATO控制器運行列車控制算法，控制仿真列車，來進一步驗證ATO算法的有效性。也就是說采用半實物仿真，取代部分數學模型，更接近實際情況，從而獲取更確切的信息。

商業軟件Labview或者Matlab/Simulink可以完成列車動力學建模、算法仿真和半實物仿真的全過程，但價格不菲，且可能面臨被國外公司禁止使用的風險。本文探索使用開源軟件、低成本硬件搭建自主可控的列車動力學半實物仿真測試平臺。

1 仿真平臺總體設計

仿真平臺由兩部分組成，分別是上位機和下位機。

上位機負責對列車運動學進行建模、仿真，仿真過程中可以對動力學模型的結構（一階時滯模型、二階時滯模型）、參數（延時大小、時間常數等）進行調整，在得到滿足項目要求的模型后，通過工具把模型自動轉換為C代碼，最后把模型代碼編譯成可執行的程序，下載到下位機。

下位機負責與ATO控制器的物理接口、運行列車運動學模型，對于ATO控制器來說，下位機就相當于列車，是ATO控制器的控制對象。列車的運動學模型需要在下位機中實時運行，其實時性直接影響到仿真效果是否足夠真實。因此，嵌入式實時操作系統的選用、驅動程序的設計，就需要考慮到滿足實時性要求。

2 仿真平臺下位機

本文選用ESP32作為主控制芯片，ESP32是自主化的IOT芯片，主頻可達240MHz，可滿足列車模型的計算需求；片上資源豐富，可滿足列車模型外部連接的要求，開源開發環境ESP-IDF基于FreeRTOS開源操作系統，驅動代碼可以GITHUB上直接下載。4MB的Flash模塊為模型程序提供了足夠的保存空間。

FreeRTOS提供了基于優先級的任務調度機制，可以保證模型的實時執行。另外ESP32是雙核的CPU，將列車運動學模型單獨運行在其中一個核，保證模型的實時性，不受其他任務的影響。

3 仿真平臺與列車控制器的接口

ATO自動駕駛系統可以通過里程計、雷達等傳感器獲得列車的運行速度或者位移，ATO控制器（Carbone controller，以下簡稱CC）通過安裝在車軸上的里程計獲知列車的位移、速度、加速度，更新列車在軌道上的位置，經過自動駕駛算法運算之后，得到的牽引或者制動命令通過繼電器、電流環、TIMS網絡接口（MVB、TRDP）輸出給列車。列車控制器的執行周期為100ms。本文中CC與測試平臺之間經過電平轉換，通過硬線連接。如圖1所示。

圖1 仿真平臺與列車控制器的接口

MDR/BDR/MBC分別為牽引命令/制動命令/牽引制動等級，C1/C2/C3分別為里程計的輸入脈沖。

4 里程計的模擬

ESP32通過PWM模塊輸出控制三個引腳，輸出相差120°的速度脈沖，分別對應里程計的C1/C2/C3，里程計正向旋轉時，C1/C2/C3依次成120°；里程計反向旋轉時，C1/C3/C2依次成120°。通過改變引腳輸出順序、定時器頻率，即可模擬車輪的正反轉、轉速變化；動力學模型的輸出速度，是編碼里程計模塊的輸入。每個仿真周期，根據仿真列車的速度，通過設置分頻器，調整定時器的輸入時鐘頻率，模擬列車速度的變化。里程計轉過一個齒，代表車輪轉過的實際距離為teeth_dist，那么freq=speed/teeth_dist。這里的freq即為PWM輸出的頻率。

通過邏輯分析儀可以看到，從左到右，列車速度逐漸降低，而C1/C2/C3的周期在逐漸增加的同時，C1/C2/C3之間保持了嚴格的相位差。如圖2所示。

圖2 里程計C1/C2/C3的仿真圖

5 輸入采集

ESP32從數字引腳GPIO獲取MDR/BDR輸入線的電平高低，從模擬數字轉換器ADC獲取MBC值，模型的輸入可以用以下邏輯表示

6 仿真平臺上位機

Scilab/xcos是由法國國家信息自動化研究所開源的科學計算軟件，在功能上分別與Matlab/Simulink類似，可以方便地進行模型建模與仿真。X2C為Xcos提供了一個工具箱，支持將Xcos搭建的列車運動學模型轉換成嵌入式C代碼，并不與特定硬件平臺綁定，只要對應平臺支持C編譯器即可。整體實現過程如圖3所示。

圖3 運動學模型編譯下載流程

7 列車運動學模型

列車運動學模型采用一階帶延遲模型，模型的輸入是ATO控制器向列車請求的加速度命令，模型的輸出是仿真列車的速度，列車速度是對列車加速度積分而來，列車動力學模型如圖4所示。

圖4 列車運動學模型

模型的仿真周期為10ms，使用X2Code工具生成模型的軟件后，使用ESP32提供的高精度定時器釋放信號量，周期性運行模型軟件，模型的輸出為列車速度。

8 測試結果

在該平臺上使用ATO駕駛模式，CC控制列車運行在兩站之間，仿真曲線如圖5所示，其中紅色曲線為列車速度、淺綠色曲線為CC輸出的牽引制動命令、深綠色曲線為根據列車仿真平臺給出的C1/C2/C3里程計輸出計算出的列車實際加速度，可以看出仿真平臺較好地模擬了列車的動力學特性。

圖5 ATO駕駛站間仿真

X2C可以生成模型的定點數代碼，對于沒有浮點運算單元FPU的CPU來說，可以有效減輕仿真平臺的計算負擔，以10ms周期性運行模型軟件，對ESP32的CPU利用率進行監測，約在30%左右，計算裕量較大，可支持更復雜的列車模型，為以后模型的精細化留下空間。

本文使用開源軟件，在ESP32硬件平臺，搭建了一套列車運動學仿真平臺，測試表明性能滿足要求，成本大幅下降。根據本文提供的建模方式，不同地鐵項目建立不同的列車動力學模型，是一種快速低成本搭建仿真平臺的方式。后續可以在交互性（比如提供友好的WEB界面）、列車速度的精度、TIMS網絡連接等方面，繼續優化拓展。