基于三維視景的列車運行仿真平臺的研究與實現(xiàn)

王懷松, 陳榮武

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 611756)

基于三維視景的列車運行仿真平臺的研究與實現(xiàn)

王懷松, 陳榮武

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 611756)

近年來,視景仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到軌道交通領(lǐng)域,但主要還局限于對列車基本駕駛功能的模擬。提出了一種將視景仿真技術(shù)與列車運行控制系統(tǒng)結(jié)合的研究方法,分析了視景仿真系統(tǒng)與列控系統(tǒng)各自的結(jié)構(gòu)與功能,以ATS、ATP、ATO等列控子系統(tǒng)為例,詳細介紹了視景仿真系統(tǒng)與列車運行控制系統(tǒng)相結(jié)合的原理方法及其實現(xiàn)過程。測試結(jié)果表明,視景仿真系統(tǒng)與列控系統(tǒng)具有良好的實時控制性與穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)通信延時小于0.05秒,能夠較好地用于列控子系統(tǒng)的研究與測試。

視景仿真; 列控系統(tǒng); ATS

1 引 言

列車運行視景仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的具體應(yīng)用,該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用到列車駕駛員培訓(xùn)系統(tǒng)和列車運營三維演示系統(tǒng)中,而本文在此基礎(chǔ)上將列車運行視景仿真技術(shù)與列車運行控制系統(tǒng)相結(jié)合,用列車運行三維視景系統(tǒng)(以下簡稱視景系統(tǒng))模擬室外列車運行的客觀環(huán)境,通過搭建一個綜合型的列車運行仿真平臺實現(xiàn)列車運行三維環(huán)境與列控系統(tǒng)的實時信息交互。該平臺主要用于研究或測試各個列控子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能。此外,不論是新線的試運營還是舊線的改造,也可以通過該仿真平臺觀察預(yù)期效果,從而在一定程度上避免了去現(xiàn)場測試所花費的人力、物力、財力,具有安全性和經(jīng)濟性的特點。

本平臺的列控系統(tǒng)采用ATC(Automatic Train Control),視景系統(tǒng)中的線路以鄭州地鐵1號線為原型進行設(shè)計。ATC系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:列車超速防護系統(tǒng)ATP (Automatic Train Protection)、列車自動駕駛系統(tǒng)ATO(Automatic Train Operation)和列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS(Automatic Train Supervision)。列控系統(tǒng)通過接口服務(wù)器和視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器與視景系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。視景系統(tǒng)中的每一個列車客戶端可以在一臺PC機上由人工控制或在ATO系統(tǒng)控制下自動運行。列車運行仿真平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 列車運行仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of train operation simulation platform

2 視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

視景系統(tǒng)主要是利用三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建基于真實線路的列車運行客觀環(huán)境,同時結(jié)合列車運行控制系統(tǒng),對真實的列車走行過程、駕駛員的控制操作過程進行仿真或演示[1]。本平臺視景系統(tǒng)主要分為兩大部分:列車運行三維驅(qū)動部分和通信部分。其中,三維驅(qū)動部分可以分為三維視景和列車控制?！叭S視景”是指經(jīng)過三維建模所建立的列車運行三維模擬環(huán)境,本視景系統(tǒng)以鄭州地鐵1號線為原型進行三維建模;“列車控制”是指利用所開發(fā)的列車引擎驅(qū)動來模擬列車駕駛的各種操作,如牽引、制動、惰行等。三維視景與列車控制共同模擬了現(xiàn)場真實的列車運行場景。通信部分由內(nèi)部通信和外部通信兩部分構(gòu)成。由于在同一線路中可能會出現(xiàn)多列列車在不同地點同時運行或者在同一地點進行交匯的場景,因此,在仿真系統(tǒng)中每列列車作為一個終端客戶端需要把本列車在線路中的信息(主要是列車位置等信息)輸入視景系統(tǒng)中,這樣視景系統(tǒng)就可以在同一線路中根據(jù)實際情況顯示出全線所有列車的三維運行場景,而這個過程的數(shù)據(jù)傳送主要通過內(nèi)部通信完成。

視景系統(tǒng)的外部通信是指視景系統(tǒng)與外部列控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換,用于模擬現(xiàn)實中的車地雙向通信。列控系統(tǒng)根據(jù)兩列車之間的距離及進路條件,經(jīng)過計算后給出容許的運行速度,最終實現(xiàn)對視景系統(tǒng)中所有列車客戶端的自動控制[2]。整個視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the visual system

3 ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的結(jié)合

ATS自動監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS,Automatic Train Supervision)是城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)(ATC,Automatic Train Control)的一個重要組成部分[3]。在本平臺上,ATS系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)視視景系統(tǒng)中全線列車的位置、運行速度及信號設(shè)備的狀態(tài),同時還要為系統(tǒng)提供自動調(diào)度和時刻表調(diào)整等主要功能。

視景系統(tǒng)模擬的是室外列車運行情況,而ATS系統(tǒng)是對視景系統(tǒng)中的列車與線路進行監(jiān)控,因此,ATS系統(tǒng)在最初設(shè)計線路時,其線路數(shù)據(jù)和信號設(shè)備位置要與視景系統(tǒng)保持一一對應(yīng),以保證兩個系統(tǒng)之間的實時性和同步性。

ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)相結(jié)合后,每一臺裝有該視景仿真系統(tǒng)的PC機均可以作為一個客戶端接入ATS系統(tǒng),ATS系統(tǒng)根據(jù)視景系統(tǒng)客戶端發(fā)送的列車車次號以區(qū)分不同的列車,從而,在ATS系統(tǒng)界面就可以對全線所有的列車運行狀態(tài)和信號設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控。

3.1 視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器與列控系統(tǒng)接口服務(wù)器

視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器有兩個作用,一是轉(zhuǎn)發(fā)由視景系統(tǒng)發(fā)送到列控系統(tǒng)的列車速度、位置等列車信息;二是轉(zhuǎn)發(fā)由列控系統(tǒng)下發(fā)到視景系統(tǒng)的列車控制命令或進路控制命令。為保證系統(tǒng)的實時性,數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)信息時需要“立即”自動轉(zhuǎn)發(fā)到另一方,這就要求在數(shù)據(jù)傳送時將通信延時控制在一定誤差之內(nèi),本系統(tǒng)延時誤差不超過0.05秒。

為便于后續(xù)接入ATO、ATP等其他列控子系統(tǒng),兼顧數(shù)據(jù)信息的集中管理,本平臺將列控系統(tǒng)接口服務(wù)器單獨設(shè)置在整個列控系統(tǒng)之外,而沒有將其設(shè)置于某一列控子系統(tǒng)內(nèi)部。列控系統(tǒng)通過接口服務(wù)器可以向視景系統(tǒng)中的所有客戶端集中下發(fā)控制命令,也可以選擇性地向視景系統(tǒng)中某些客戶端下發(fā)命令。同時,列控系統(tǒng)接口服務(wù)器也用于向列控子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來自視景系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。

3.2 ATS對視景系統(tǒng)中列車的監(jiān)視與追蹤功能

ATS列車自動監(jiān)控系統(tǒng)具有對在線所有運行列車的實時監(jiān)視和跟蹤功能[4],該功能經(jīng)過與視景系統(tǒng)的有機結(jié)合,用視景系統(tǒng)模擬室外真實的列車運行場景,可以更好的對ATS系統(tǒng)功能進行研究或測試。

視景系統(tǒng)鐵路線路的每一個位置可以由x、y兩個坐標(biāo)唯一確定,而這些線路位置數(shù)據(jù)信息被事先保存在線路位置數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)庫中的位置數(shù)據(jù)格式如表1所示。其中,“station”代表車站序號,“pathOrder” 表示“station”對應(yīng)車站后面的第幾個位置點,每個位置點對應(yīng)一組x、y坐標(biāo)。兩個車站之間位置點的個數(shù)根據(jù)兩站之間實際距離不同而不同,一般兩站距離越大,相應(yīng)設(shè)置的位置點也越多。視景系統(tǒng)中的列車客戶端在連入ATS系統(tǒng)時首先向ATS系統(tǒng)發(fā)送該列車的列車車次號信息,然后在其運行過程中實時地將其讀到的位置坐標(biāo)信息經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送至ATS系統(tǒng),ATS系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息同步刷新本界面模擬列車的列車位置,實現(xiàn)ATS系統(tǒng)對本管轄范圍內(nèi)列車的自動追蹤功能。

表1 視景系統(tǒng)列車位置信息在數(shù)據(jù)庫中的存放格式

3.3 ATS信號控制功能在視景系統(tǒng)中的實現(xiàn)

ATS系統(tǒng)的信號控制功能主要體現(xiàn)在對道岔、信號機以及進路的控制上。視景系統(tǒng)中的每一個道岔或信號機都有自己的ID編號,ATS系統(tǒng)通過列車識別信息和列車所處的軌道區(qū)段,自動生成前方道岔區(qū)段的進路控制指令并發(fā)送至視景系統(tǒng)中。每一個進路控制命令由“信號控制類型”“信號設(shè)備ID號”“目的轉(zhuǎn)換狀態(tài)”三部分構(gòu)成。視景系統(tǒng)收到進路控制命令后,通過程序控制道岔和信號機三維模型動作并轉(zhuǎn)換到相應(yīng)目的狀態(tài)。例如,在排列好S0107到Z0101進路前后,ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)界面中信號機S0107的變化如圖3、圖4所示。

4 其它列控子系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的結(jié)合

其它列控子系統(tǒng)主要包括ATP系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)。ATP、ATO以及TOD司機駕駛臺顯示系統(tǒng)接入視景系統(tǒng)的方式類似于ATS系統(tǒng),均是通過列控系統(tǒng)接口服務(wù)器連入,而ATP、ATO以及TOD與視景系統(tǒng)的通信需要由列控系統(tǒng)接口服務(wù)器和視景系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器共同完成。

圖3 排列進路前,ATS系統(tǒng)信號機S0107(上)和視景系統(tǒng)信號機S0107(下)Fig.3 Before change,ATS signal S0107 (above) and the visual system signal S0107 (below)

圖4 排列進路后,ATS系統(tǒng)信號機S0107(上)和視景系統(tǒng)信號機S0107(下)Fig.4 After change,ATS signal S0107 (above) and the visual system signal S0107 (below)

本平臺上,ATP的主要功能包括:超速防護、行車間隔保護、車門及屏蔽門監(jiān)測以及向TOD提供顯示信息等。在列車運行時,ATP系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前列車速度情況和線路狀況實時計算出安全距離與允許速度,如果視景系統(tǒng)中的某個客戶端列車不滿足ATP防護下的安全距離或允許速度時,ATP系統(tǒng)將自動生成制動命令并發(fā)送至視景系統(tǒng),進而觸發(fā)視景系統(tǒng)根據(jù)CBTC(Communication Based Train Control)安全制動模型對該列車進行制動[]。此外,ATP系統(tǒng)將在全程監(jiān)測車門及屏蔽門的打開或關(guān)閉條件,只有當(dāng)條件滿足時,ATP才授權(quán)ATO對車門及屏蔽門進行操作控制。同時,ATP還負(fù)責(zé)向TOD顯示界面提供列車當(dāng)前速度、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、運行方向、前方車站等顯示信息。

在ATP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝ATO系統(tǒng),可以使列車實現(xiàn)由手動方式駕駛向自動方式駕駛的轉(zhuǎn)換。在選擇自動駕駛時,視景系統(tǒng)的客戶端列車諸如列車啟動加速、勻速惰行、制動等人為駕駛操作均能在程序控制下自動進行。但是,無論是由駕駛員手動駕駛還是由ATO系統(tǒng)自動駕駛,ATP系統(tǒng)始終具有執(zhí)行速度監(jiān)督和超速防護的功能。本平臺ATO的自動駕駛閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 ATO的自動駕駛閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the automatic control system of ATO

5 仿真平臺的搭建與測試

本平臺硬件部分主要包括:6臺PC機(i7處理器,8G RAM,2G顯存)、9臺1920*1080分辨率的顯示器;軟件部分主要包括:視景仿真系統(tǒng)軟件、ATS系統(tǒng)、ATO系統(tǒng)、ATP系統(tǒng)以及TOD顯示系統(tǒng),Visual Studio 2013、.Net Framework 3.1,操作系統(tǒng)為Windows7(64bit)。系統(tǒng)平臺上,如圖 6所示,將其中4臺顯示器利用分屏卡組合成ATS監(jiān)控大屏,對應(yīng)使用一臺安裝有ATS系統(tǒng)的PC機。本平臺設(shè)置4個列車客戶端,每個客戶端對應(yīng)一臺安裝有視景系統(tǒng)的PC機,4個列車客戶端通過局域網(wǎng)接入列控系統(tǒng)。最后,再利用一臺顯示器顯示TOD界面,TOD顯示系統(tǒng)能夠切換到任意一個列車客戶端。測試過程中以鄭州地鐵1號線為線路背景,主要從列控系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、列控系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的同步性和數(shù)據(jù)交互的實時性、視景系統(tǒng)圖像輸出的流暢性等方面進行測試,測試結(jié)果表明:本平臺能夠模擬列控系統(tǒng)對室外在線列車的主要控制功能,且視景系統(tǒng)圖像輸出流暢,數(shù)據(jù)通信延時小于0.05秒,具有良好的實時控制性與穩(wěn)定性,能夠較好地用于列控子系統(tǒng)的研究與測試。

圖6 列車運行仿真平臺硬件、軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hardware and software structure diagram of train operation simulation platform

6 結(jié)束語

本文首先介紹了基于三維視景的列車運行仿真平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),然后分析了視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,以ATS、ATP、ATO等列控子系統(tǒng)為例,詳細介紹了本平臺上列控子系統(tǒng)與視景系統(tǒng)相結(jié)合的原理方法及數(shù)據(jù)通信方式,最終在仿真平臺上成功測試了ATS、ATP、ATO以及TOD系統(tǒng)的系統(tǒng)功能,測試結(jié)果表明,將列車運行視景仿真技術(shù)與列車運行控制系統(tǒng)相結(jié)合的研究方法

是一種具有真實性、擴展性、無破壞性和可重復(fù)性的測試或試驗方法,對今后列控系統(tǒng)的研究與測試具有一定啟示意義。

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王懷松 男(1988-),四川眉山人,碩士研究生,主要研究方向為交通信息工程及控制。

陳榮武 男(1971-),高級工程師,主要研究領(lǐng)域為交通信息工程及控制、計算機應(yīng)用。

Research and Implementation of Train Operation SimulationPlatform Based on 3D View Scene

WANGHuaisong,CHENRongwu

(School of Information Science and Technology,SouthwestJiaotong University,Chengdu 611756,China)

Although it has been widely applied to rail transport systems in recent years,the technology of visual simulation is limited to the basic driving functions of trains.After analyzing their structures and functions respectively,this paper proposed a novel approach to combine visual simulation with the train operation control system.Taking the control of ATS,ATP,and ATO subsystems as examples,we introduce the fundamental principle and implementation process of this combination in detail.The test results show that the visual simulation system and the train control system have good real-time control and stability,the data communication delay is less than 0.05 s,which can be applied to the research and test of the train control subsystem.

visual simulation; train operation control system; ATS

四川省科技支撐計劃項目(14ZC2069,2014GZ0081)

TP391.9

A