列車全自動駕駛信號模擬試驗裝置研究

摘 要：隨著經濟的高速發展，全自動駕駛模式成為提升列車運行性能指標的運行模式，FAO（Fully Automatic Operation，全自動運行）系統，作為自動駕駛模式的核心系統，是提高列車運行效率、增大列車運行密度的關鍵裝備。主機廠內受地面信號設施限制，FAO系統與車輛間的典型運行場景聯調聯試無法進行，車輛網絡與FAO系統間接口存在不滿足全自動場景需求規范要求的潛在風險，為驗證車輛網絡控制系統與FAO間接口功能準確性，設計一款全自動駕駛場景試驗裝置，裝置與車輛連接后針對典型運營場景進行流程化驗證試驗，發現車輛網絡與FAO系統間接口存在的潛在缺陷，保障車輛在FAO模式下安全可靠運營。

關鍵詞：FAO;車輛;場景試驗;接口;可靠

引言

全自動駕駛系統是實現列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統，全自動駕駛已經成為城市軌道交通建設發展的必然趨勢。城軌車輛在車輛段全自動運行區域內以自動運行方式運行，可實現列車自動休眠、喚醒、自檢、運行、停車、洗車、開關門等操作。為保障車輛全自動運行區域內正常運行，設計一款全自動駕駛場景試驗裝置，列車出廠前通過對車輛火災、正線服務、跳停等典型運行場景測試，保證信號與車輛網絡接口整體性能滿足全自動場景需求規范要求，達到列車全自動穩定運行效果。

1 總體設計方案

中央控制單元（CCU）位于兩個Tc車，運行中互為熱備，根據信號輸入條件可進入不同的自動駕駛模式。在不同的自動駕駛模式下，CCU負責對本單元車輛的邏輯控制、狀態采集、故障診斷等功能。全自動駕駛信號模擬試驗裝置模擬信號系統設網絡通信接口和IO接口，與CCU網絡通信完成對車載設備狀態采集和控制，IO接口控制車輛DC110V邏輯電路。為保證車輛網絡滿足全自動場景需求規范要求，保證車輛自動運行的可靠、安全，車輛進行全自動場景試驗驗證信號與車輛網絡總體功能達到穩定效果。

裝置由主控制單元，IO控制單元、網絡通信單元、數據存儲單元組成，總體架構如圖1。主控制單元選用I7-3540M處理器，應用程序調用無線傳輸接口從四方數據管理系統上下載調試任務并對任務進行解析，然后調用接口向IO控制單元、網絡通信單元發送任務指令，IO控制單元、網絡通信單元響應指令后與車輛交互，參與車輛DC110V邏輯控制、網絡邏輯控制。

2 IO控制及數據傳輸單元設計

2.1 IO控制單元設計

IO控制單元主控制器選用Atmega2560，該單片機提供86個IO口，一般單片機控制繼電器通斷采用雙極性三極管驅動即可，但IO板卡多路繼電器輔助觸點接入車輛控制邏輯電流，同時控制多路繼電器會造成負載從單片機汲取電流過大，本裝置選用MOS場效應管AO3400代替三極管驅動繼電器，繼電器拉合動作后其輔助觸點串入車輛DC110V邏輯電路，完成車輛硬線控制。單片機的IO通過N溝道MOS管驅動繼電器電路如圖2，AO3400從單片機IO口汲取電流≤2uA，開啟電壓1.5V～2V，保證繼電器控制電路穩定。

2.2 數據傳輸單元設計

在全自動駕駛信號模擬試驗裝置上安裝網絡通信單元，包括MVB收發模塊、以太網模塊。MVB模塊、以太網模塊作為CPU的一個外設完成數據轉發，實現上位機與車輛MVB網絡、ETB網絡通信，本文主要闡述基于MVB通信協議的數據輸入輸出設計，圖3為MVB接口模塊框圖。MVB模塊最多監控4096個過程數據端口，同時具備通信轉換接口，能夠將MVB的ESD接口轉換為RS485，端口狀態數據可實時查詢。

2.2.1 數據發送

MVB協議的數據發送流程，FPGA中設置數據緩存單元，數據串并轉換單元，CRC生成單元，幀頭幀尾構建單元，移位控制單元，曼徹斯特編碼單元，待發送數據處理后輸出至MVB總線。數據緩存單元采用數據收發緩沖器FIFO，FIFO設置4╳16位的存儲空間，定義8位的校驗空間用于存儲CRC校驗碼。MVB總線支持串行傳輸，數據并串轉換單元將FIFO中并行數據轉換成64位串行數據幀，64位數據幀輸入至CRC生成單元輸出CRC校驗序列，移位控制單元將64位串行數據幀，CRC生成單元生成8位CRC校驗序列，幀頭幀尾構建單元生成的幀分界符、終止符組成串行字符串，串行字符串結構為幀起始符+64位數據幀+8位校驗序列+終止符。曼徹斯特編碼單元將串行數據進行編碼后輸出。

2.2.2數據接收

接收模塊檢測實時檢測MVB總線上的幀起始符，將起始符后有效數據存入緩存，幀數據緩存FIFO為16╳16，CRC存儲空間4╳8，直至檢測到終止符后停止寫入，對接收到的數據進行幀長度檢測及校驗檢測，若校驗結果正確，對接收數據進行解析，若校驗結果錯誤，繼續下一次數據接收。

3 上位機控制顯示單元設計

上位機軟件模塊化設計，包括權限管理，測試配置，測試用例，測試報告等。

權限管理包括試驗人員信息管理，測試配置支持用戶接口屬性定義，用戶可根據不同項目對試驗接口的進行編輯和配置，測試用例用于控制測試的執行、暫停、恢復、監控等，試驗結束后導出試驗結果。

裝置軟件支持編輯、導入通信協議，與四方數字化平臺實現任務獲取，每一條任務包含多個測試步驟，每個步驟包括變量初始化，變量賦值，裝置通過驅動IO板卡、發送配置指令至車輛CCU，測試結果由系統自動采集MVB總線數據并生成測試報告。

4 系統應用總結

本系統已成功在廠內全自動場景試驗中驗證應用，裝置可接收四方數字化調試平臺下發的任務，針對試驗任務調用測試配置文件，IO模塊模塊、通信模式實現與車輛通信，試驗過程可記錄關鍵調試試驗數據并導出上傳試驗結果。試驗結果表明全自動駕駛場景試驗裝置與車輛連接后針對典型運營場景進行流程化驗證試驗，能夠發現車輛網絡與FAO系統間接口存在的潛在缺陷，保證了車輛安全性。

參考文獻：

[1]常玉琪.MVB控制器校驗序列FPGA設計.長春工業大學學報， 2016

[2]聶曉波. 軌道車輛MVB網絡實時性能分析與優化研究.鐵道學報，2011

作者簡介：

劉真（1990～），性別男，民族回，籍貫：山東省青州市，工程師，學歷：碩士，單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司，研究方向：動車組電氣系統調試及故障檢測。