機車輔助駕駛系統的仿真平臺研究

梁春燕

（國能新朔準池鐵路（山西）有限責任公司，山西朔州 036003）

1 概述

重載鐵路運輸作為大宗物資的主要運輸方式，具備高效的運輸能力、成本效益以及全天候的運營特點。過去這種運輸方式主要依賴于人工駕駛，但這種方法面臨著一些挑戰。首先，由于重載貨物列車的編組和載重量較大，這增加了駕駛員操作的復雜性。長時間的駕駛工作容易使駕駛員感到疲勞，可能導致駕駛失誤。這些失誤可能引發列車的縱向沖擊、非正常停車、超速或者斷鉤等嚴重問題，從而對鐵路運輸的安全性構成威脅。為了提高運輸效率、降低成本并減輕駕駛員的工作負擔，需要采取相應的措施來改善這種情況，機車輔助駕駛系統在提高機車行駛安全性和駕駛效率方面具有巨大潛力。然而直接在實際機車上測試系統存在風險且成本高昂，因此建立適用于機車輔助駕駛系統的仿真平臺成為關注焦點。中國鐵道科學研究院集團有限公司于2019 開發了基于LKJ 的機車輔助駕駛系統，能夠依靠LKJ 中的線路信息GPRS 接收到的調度信息和運行計劃進行線路規劃。北京交通大學針對自研的輔助駕駛系統，開發了一套半實物綜合實驗平臺。德國聯邦鐵路公司開發了一套現代化的機車輔助駕駛系統仿真平臺，用于測試和驗證新的輔助駕駛系統的功能和安全性能。該平臺能夠模擬不同的運行情景，并支持對系統參數的調整和優化。日本國鐵在機車輔助駕駛系統的研究上也取得了一定的成果，他們借助仿真平臺，進行列車行駛的動態仿真和性能評估，以實現列車的安全運行和提高運行效率。由于在機車輔助駕駛系統方面的研究還在不斷發展中，并且涉及到多個方面的技術和應用，針對仿真平臺的研究也是一個較為復雜的領域。因此，根據具體的研究目標和需求，選取合適的國內外研究成果和仿真平臺，進行進一步的研究和應用是必要的。

本論文旨在介紹一種適用于機車的輔助駕駛系統仿真平臺，以實現對機車輔助駕駛系統的準確評估和測試。本論文首先對仿真平臺的功能需求進行分析，基于具體的功能需求，提出仿真平臺設計方案。同時，該平臺還集成了機車輔助駕駛系統的算法和控制邏輯，可以進行性能評估和功能測試。

2 仿真平臺的功能需求

鐵路機車輔助駕駛系統仿真平臺的設計功能需求包括模擬鐵路環境、生成列車運行情況、模擬機車行為、模擬信號系統、模擬傳感器輸出、集成機車輔助駕駛系統算法、交互式界面、性能評估和功能測試、數據記錄和分析、場景編輯和模型定制能力。

1）模擬鐵路環境

能夠模擬鐵路線路和車站環境，包括不同類型的鐵路線路（高速鐵路、普速鐵路等）和車站設施。

2）生成列車運行情況

能夠生成列車的運行情況，包括列車的行駛速度、加速度、制動性能和列車間的距離等。

3）模擬機車行為

能夠準確模擬機車的行駛行為，包括車輛的起步、加速、減速、制動等操作。

4）模擬信號系統

能夠模擬鐵路信號系統，包括信號機、信號燈、標志和信號邏輯，以及模擬信號系統對機車行駛的影響。

5）集成機車輔助駕駛系統算法

能夠將機車輔助駕駛系統的算法集成到仿真平臺中，使其能夠與仿真環境進行交互和測試。

6）交互式界面

提供友好的交互式界面，使用戶能夠與仿真平臺進行交互，如設置參數、調整算法、觀察仿真結果等。

7）性能評估和功能測試

能夠對機車輔助駕駛系統進行性能評估和功能測試，包括評估平臺能夠支持與輔助駕駛系統之間每200 ms 進行一次通信，輔助駕駛系統具備實時處理能力、響應時間和穩定性等指標，以及驗證系統功能的有效性和可靠性。

8）數據記錄和分析

具備數據記錄和分析功能，能夠記錄仿真過程中的關鍵數據，如機車行駛數據、傳感器數據等，并支持對這些數據進行分析和可視化展示。

9）場景編輯和模型定制

提供場景編輯和模型定制的功能，使用戶能夠根據需要創建特定的仿真場景和定制機車模型。

3 仿真平臺設計方法

1）系統架構設計

確定仿真平臺的整體架構，包括軟件和硬件組成部分。采用分布式架構，將仿真模型和用戶界面分離，以提高系統的可擴展性和靈活性。

2）用戶界面設計

設計易于使用的用戶界面，使駕駛員能夠直觀地理解列車運行情況，并進行操作和控制。界面應具備實時顯示和交互功能，以提供與真實運行情況相似的使用體驗。

3）輔助駕駛功能設計

根據實際需求，確定需要實現的輔助駕駛功能，如自動制動、自動駕駛及輔助駕駛等。設計相應的算法和控制邏輯，實現這些功能并與仿真模型進行集成。

4）數據記錄和分析

設計數據記錄和分析功能，可以記錄仿真過程中的關鍵數據，如列車速度、位置、控制輸入等。這些數據可以用于系統性能評估、故障分析和算法改進。

5）接口和集成

設計與外部系統的接口，如列車信號系統、列車控制系統等。確保仿真平臺與現實世界的數據和控制信息的交互能夠正常進行。

6）軟件開發和調試

根據設計方案，進行仿真平臺的軟件開發和調試工作。實施軟件開發過程中的質量控制措施，如單元測試、集成測試和系統測試，確保軟件的正確性和穩定性。

4 工作原理

整個工作原理依靠數據采集、模型構建和仿真模擬的流程來模擬機車輔助駕駛系統的運行。通過仿真平臺的工作，可以評估系統在各種情況下的性能、安全性和可靠性，為算法的開發和系統的優化提供有價值的參考和支持。

1）列車動力學模型的工作原理

列車動力學模型基于物理原理和數學模型來描述和模擬列車在運行過程中的動力學行為。該模型考慮列車的質量、慣性、摩擦力、制動力和牽引力等因素，并通過計算模擬列車的加速度、速度和位置等參數。其工作通常包括以下步驟：

輸入參數：輸入列車質量、牽引力、阻力、曲線半徑、坡度、摩擦系數和空氣阻力等參數。

設定初始化狀態：設定初始條件，如初始速度、位置等。

計算牽引力和阻力：根據輸入參數和列車狀態，計算牽引力和阻力，其中牽引力受牽引系統和列車功率的影響，阻力受空氣阻力、摩擦阻力和坡度影響。

計算加速度：根據牽引力和阻力的平衡，計算列車的加速度。

更新速度和位置：根據計算得到的加速度，更新列車的速度和位置。

循環迭代：重復進行加速度計算和狀態更新，以模擬列車在時間上的運行過程。

2）軌道系統模型的工作原理

軌道系統模型用于模擬列車在軌道上的運行狀況，包括軌道幾何、曲線半徑、坡度、道岔等參數。該模型考慮列車與軌道之間的交互作用，包括車輪與軌道之間的接觸力、輪軌摩擦等因素。其工作一般包括以下步驟：

將軌道參數寫入腳本：包括軌道幾何、曲線半徑、坡度、道岔等參數。

列車與軌道交互：根據列車位置和軌道參數，計算列車與軌道之間的交互作用，包括車輪與軌道之間的接觸力、摩擦力等。

輪軌接觸模型：使用適當的輪軌接觸模型，考慮動力學和力學因素，計算列車受到的輪軌接觸力和摩擦力。

速度、加速度和位置更新：根據計算得到的輪軌接觸力和摩擦力，更新列車的速度、加速度和位置。

循環迭代：重復進行輪軌交互計算和狀態更新，以模擬列車在時間上的軌道運行過程。

3）信號系統模型的工作原理

信號系統模型用于模擬列車在運行過程中的信號控制和指示。該模型考慮不同類型的信號燈、信號機、信號電路和信號命令等元素。其工作一般包括以下步驟：

輸入信號參數：包括信號燈狀態、信號機位置、信號命令等參數。

信號狀態監測：根據輸入參數，監測信號狀態，并確定列車應該采取的行動。

信號控制和指示：根據信號狀態和運行需求，生成相應的信號控制和指示，如允許前進、減速、停車等。

列車響應：列車根據接收到的信號控制和指示，采取相應的行動，如加速、減速、停車等。

循環迭代：重復進行信號狀態監測、信號控制和列車響應，以模擬列車在運行過程中的信號控制和指示過程。

5 試驗驗證

根據列車輔助駕駛設備的系統需求規范的條目，從用戶使用及業務場景的角度出發設計測試案例。例如驗證機車輔助駕駛系統的功能、性能和安全性能，評估其對駕駛員的輔助效果，檢驗系統是否滿足設計要求等。列車輔助駕駛設備目標機測試環境如圖1 所示。

圖1 列車輔助駕駛設備目標機測試環境示意Fig.1 Test environment diagram of target device for locomotive-assisted driving equipment

測試根據測試仿真軟件進行黑盒測試，共設計29 個測試案例，執行 1 輪測試，本次測試的結論為：測試通過。

列車輔助駕駛仿真模型司機操控界面如圖2 所示。此界面可設置列車起始位置，并操控方向手柄、牽引制動手柄、大閘及小閘位置等。

圖2 司機操控界面Fig.2 Driver control interface

司機根據當前列車基本信息填入司機號、車種標識、車次號碼、列車類型、列車總重、列車輛數、計長等信息，此信息將發送至輔助駕駛系統，輔助駕駛設備根據列車信息對系統參數調整和優化。列車基本信息輸入界面如圖3 所示。

圖3 列車基本信息輸入界面Fig.3 Basic train information input interface

當列車進入輔助駕駛模式后，系統將讀入軌道參數：包括軌道幾何、曲線半徑、坡度、道岔等參數，用于生成限速曲線及傳入列車輔助駕駛設備控制列車牽引制動大小。限速曲線顯示界面如圖4 所示。

司機可選擇自動駕駛或輔助駕駛模式。若司機選擇自動駕駛模式，輔助駕駛設備將根據線路信息及列車基本信息計算級位及大小閘施加大小。其中線路信息包括線路坡度、弧度、停車點、限速等，列車基本信息包括司機號、車種標識、車次號碼、列車類型、列車總重、列車輛數和計長等。輔助駕駛設備根據信號機允許信號及前方限速信息等控制列車駕駛，列車仿真模型將列車輔助駕駛設備施加級位及大小閘轉換為列車加速度，控制列車加速及減速。輔助駕駛設備控制列車自動起車及加速過程如圖5 所示。

圖5 自動起車及加速過程顯示界面Fig.5 Automatic start and acceleration process display interface

當列車速度接近限速曲線，輔助駕駛設備根據列車限速及停車點位置等信息，控制列車勻速運行。輔助駕駛設備控制列車巡航過程如圖6 所示。

圖6 自動巡航過程顯示界面Fig.6 Automatic cruise process display interface

輔助駕駛設備根據列車限速及停車點位置等信息，計算列車電制動及空氣制動施加時機及施加大小，列車將輔助駕駛設備施加級位及大小閘轉換為列車加速度，最終控制列車在停車點前減速停車。輔助駕駛設備控制列車自動減速及停車過程如圖7 所示。

圖7 自動減速及停車過程顯示界面Fig.7 Automatic deceleration and stopping process display interface

當司機選擇輔助駕駛模式后，司機將手動控制列車牽引及制動，列車輔助駕駛設備根據列車基本信息、線路條件及列車當前速度位置等計算列車輔助駕駛曲線，同時將給出列車在當前周期推薦級位及大小閘位置，司機可參考輔助駕駛推薦信息控制列車運行。手動控制列車起車后輔助駕駛曲線顯示界面如圖8 所示，其中綠色曲線為列車實際運行曲線，藍色曲線為輔助駕駛曲線。

手動控制加速至82 km/h 后，輔助駕駛曲線顯示界面如圖9 所示。

圖9 加速至82 km/h后輔助駕駛曲線顯示界面Fig.9 Assisted driving curve display interface after acceleration to 82 km/h

輔助駕駛系統串口時間數據打印如圖10 所示。輔助駕駛系統向平臺發送數據，平臺收到數據后，輔助駕駛經過200 ms 會再次向平臺繼續進行數據發送。根據記錄可以看出輔助駕駛與平臺交互時間穩定為200 ms 一次，證明平臺能夠支持與輔助駕駛系統之間每200 ms 進行一次通信。輔助駕駛系統具備實時處理能力，并能持續穩定進行數據發送。

圖10 串口數據打印Fig.10 Serial port data printing

輔助駕駛設備在運行過程中會進行數據記錄，記錄仿真過程中的關鍵數據，如列車速度、位置、控制輸入等。這些數據可以用于系統性能評估、故障分析和算法改進。

通過實驗驗證，本論文所提出的基于虛擬現實技術的仿真平臺在準確性能評估和功能測試方面表現出色。利用該平臺，研究人員可以根據實際需求設計和優化機車輔助駕駛系統的功能和算法。同時，該平臺還可以幫助培訓機車司機，提高其對機車輔助駕駛系統的熟悉程度，從而提高駕駛安全性。

6 結論

本文通過設計基于虛擬現實技術的仿真平臺，實現對適用于重載列車的機車輔助駕駛系統的準確評估和測試，為適用于重載列車的機車輔助駕駛系統的研究和開發提供了強有力的支持,該平臺能夠準確模擬各種駕駛場景和交通情況，并提供了平臺設計的詳細方法和實驗驗證的結果。未來的研究可以進一步優化該仿真平臺的性能和功能。重載列車輔助駕駛系統仿真平臺的設計有助于在安全、經濟的環境中開發、驗證和優化系統，提高系統的性能、可靠性和應急響應能力。同時，為相關人員提供培訓和技能提升的機會，確保他們能夠熟練操作和維護系統。