列控車載ATP設備操作培訓平臺關鍵技術(shù)研究與軟件實現(xiàn)

楊 森，尤瑞君，許 鎮(zhèn)，秦曉光

在列車運行過程中，列控車載ATP 設備會受到列車速度、地面數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡、設備本身的軟硬件設計等多方面影響而出現(xiàn)異常情況，列車司機需要對各種異常情況做出合理處置，才能保證高速鐵路列車安全高效運行。因此，針對列控車載ATP 設備的操作培訓是高速鐵路列車司機培訓的重要一環(huán)，通過操作培訓平臺進行故障條件下的模擬操作可以提高司機的應急反應能力，是提高培訓質(zhì)量的重要手段［1-2］。

目前，行業(yè)內(nèi)各設備廠商和研究單位針對列控車載ATP 設備的操作培訓做了一些研究：伍田浩睿等［3］設計了車載ATP 自動化操作系統(tǒng)；李曉宇［4］設計并實現(xiàn)了CTCS-3 級列控車載子系統(tǒng)在線培訓平臺；孫鳴蔚［5］研究并設計了高鐵列控設備故障仿真培訓系統(tǒng)。然而這些培訓平臺在一定程度上存在設備反應與現(xiàn)場真實情況不符、故障模擬訓練不足、司機視角顯示的線路位置不準確等缺點。若采用真實ATP 設備搭建仿真運行環(huán)境進行培訓，雖可還原現(xiàn)場情況，但成本過高且培訓設備運行的靈活性較差。

因此，考慮操作反應與現(xiàn)場設備一致、足夠的故障模擬場景、視覺環(huán)境顯示準確等要求，提出一種基于真實列控車載ATP 設備應用軟件的操作培訓平臺設計方案，引入故障注入技術(shù)和基于PID控制的司機視角同步跟蹤顯示算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對設備真實運行情況及故障場景的精準呈現(xiàn)，并應用3D技術(shù)搭建司機駕駛視角的視覺顯示場景，提高培訓過程的沉浸感［6］，實現(xiàn)極佳的培訓效果。由于列控車載ATP 設備操作培訓平臺（以下簡稱“培訓平臺”）既可以多機遠程聯(lián)網(wǎng)運行，也可以單機安裝多個軟件運行，對硬件沒有特殊要求，因此，本文主要探討培訓平臺軟件設計。

1 軟件設計

培訓平臺軟件主要由故障數(shù)據(jù)庫、仿真調(diào)度引擎、車載設備功能模塊、仿真環(huán)境模塊、操作接口模塊、視聽顯示模塊、外接設備等組成，軟件架構(gòu)見圖1。

1）故障數(shù)據(jù)庫用于存儲故障重現(xiàn)腳本，完善的故障數(shù)據(jù)庫關系到培訓平臺重現(xiàn)故障場景的完備性與真實性［7］。

2）仿真調(diào)度引擎負責整個故障重現(xiàn)過程的調(diào)度，實現(xiàn)腳本選取、數(shù)據(jù)配置、操作信息采集、運行過程記錄等功能［8］。

3）車載設備功能模塊負責模擬真實的車載ATP 設備，由主機應用軟件、DMI（人機接口）應用軟件、適配軟件等構(gòu)成。適配軟件負責驅(qū)動應用軟件的正常運行，將仿真環(huán)境模塊的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給主機應用軟件，將主機應用軟件的輸出信息實時發(fā)送給仿真環(huán)境模塊。

4）仿真環(huán)境模塊用來模擬車載ATP設備運行過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包括列車接口、速度、應答器報文、軌道電路載頻和低頻、無線消息報文等。仿真環(huán)境模塊通過讀取運行腳本，以及從操作接口模塊獲取的駕駛臺操作指令等信息，實時生成相應的環(huán)境數(shù)據(jù)，以保證車載設備功能模塊按照腳本正常運行。

5）操作接口模塊負責處理來自外接設備的操作動作指令，主要包括牽引/制動手柄級位、方向手柄位置、駕駛臺激活開關位置等，并將動作指令發(fā)送給仿真環(huán)境模塊，同時將操作記錄發(fā)送給仿真調(diào)度引擎，用于后續(xù)的培訓評估。

6）視聽顯示模塊主要是對司機工作環(huán)境的畫面和聲音進行模擬，營造出真實駕駛室的視覺環(huán)境，是保證培訓平臺仿真效果的關鍵模塊［9-10］。所涉及到的事件聯(lián)動主要包括列車速度、列車位置、進路與道岔、進路與信號機之間的相互匹配［11-12］；根據(jù)仿真調(diào)度引擎和車載設備功能模塊的指令控制當前視覺變化條件，如列車前進的速度視覺變化、道岔的位置、信號機點燈的顏色等［13］。軌道、應答器等關鍵設備可應用3D 仿真軟件，將素材按指定位置擺放，與運行腳本聯(lián)動，保證顯示的正確性。

圖1 中外接設備主要指仿真駕駛臺上的操作手柄、按鈕等受訓人員可直接操作的物理器件。

由于培訓平臺采用真實車載ATP 設備主機應用軟件，不存在操作反應與現(xiàn)場設備不一致的情況，因此，本文重點探討故障注入和司機視角同步跟蹤顯示2個關鍵技術(shù)。

2 故障注入技術(shù)

故障處置培訓是列控車載ATP 設備操作培訓的重要內(nèi)容，本文引入故障注入技術(shù)以實現(xiàn)操作培訓平臺的故障模擬功能。故障注入是指按照事先選定好的故障模型，采用某種策略人為地、有意識地將故障注入目標系統(tǒng)，促使錯誤發(fā)生或者功能失效［14-16］。注入方式主要分為3種：基于硬件的故障注入、基于軟件的故障注入、基于仿真的故障注入。

由于培訓平臺依托于運行腳本，視聽顯示模塊的顯示內(nèi)容也與運行腳本聯(lián)動，因此可基于運行腳本進行故障注入，對應基于仿真的故障注入方式；培訓平臺中的車載設備功能模塊依托真實設備的主機應用軟件，可直接在軟件中植入故障代碼實現(xiàn)基于軟件的故障注入（基于硬件的故障注入不適用于本培訓平臺）。

2.1 基于運行腳本的故障注入

由運行腳本觸發(fā)故障是指根據(jù)腳本設計的外部條件變化，導致設備出現(xiàn)非常規(guī)運行情況，例如軌道電路掉碼、無線通信超時、行車許可MA縮短導致冒進、緊急制動停車、應答器報文缺失等。培訓平臺會根據(jù)仿真環(huán)境的變化，做出與真實設備相同的反應［17-18］，從而實現(xiàn)故障注入。

在制作好原始的運行腳本后，可在腳本中添加故障觸發(fā)條件和故障內(nèi)容。觸發(fā)條件可以是時間、里程或其他特定的匹配條件；故障內(nèi)容可以是錯誤的腳本數(shù)據(jù)，如錯誤的軌道電路載頻/低頻、無線閉塞中心（RBC）消息、應答器報文等，也可以體現(xiàn)為特定命令字段，當培訓平臺識別到腳本中的命令字段時，自動設置相關的故障，如發(fā)送錯誤的速度脈沖信號、中斷與RBC的無線通信、制動反饋異常等。

以現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)的CTCS-3 級車載ATP 設備無線通信超時故障為例，可設置運行腳本在指定位置停止發(fā)送RBC 消息，導致車載ATP 設備超過20 s沒有收到無線消息而判斷無線通信超時，從而觸發(fā)最大常用制動，無線通信超時故障模擬流程見圖2。在此場景下，對于受訓人員的任何操作，培訓平臺均可做出與真實設備相同的反應，而第三方培訓平臺是無法達到這種效果的。

圖2 無線通信超時故障模擬流程

基于運行腳本的故障注入可以應用于現(xiàn)場故障案例的復現(xiàn)，可通過對現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)的分析，制作運行腳本，進而實現(xiàn)常見故障位置和故障類型的深刻訓練，達到良好的培訓效果。

2.2 基于軟件插樁的故障注入

在現(xiàn)場長時間運行過程中，真實列控車載ATP 設備會遇到各種復雜情況，可能會因軟件設計問題等導致設備出現(xiàn)異常。司機操作培訓也需對設備本身出現(xiàn)的異常進行相應培訓。由于此類故障無法預料，無法從運行腳本設置，故采用基于軟件插樁的方式進行故障注入，通過設置故障點，可模擬意外宕機、BTM 模塊故障等非正常狀態(tài)。此種故障注入方式可以增加培訓的豐富度，對未來可能發(fā)生的非常規(guī)故障做到有備無患。

本文采用時間觸發(fā)、里程觸發(fā)、場景觸發(fā)3 種觸發(fā)條件對ATP 應用軟件進行故障插樁設置。時間觸發(fā)是指在插樁點設置定時器，待時間滿足后，觸發(fā)故障代碼運行，影響函數(shù)的返回值，進而改變軟件運行狀態(tài)；里程觸發(fā)是指在插樁點設置里程相關條件判斷，當列車運行里程滿足條件后，觸發(fā)插樁代碼，進而影響函數(shù)的運行結(jié)果；場景觸發(fā)是指在插樁點設置多條件判斷，例如收到某個應答器報文、某個無線消息等多個條件的組合，以此作為插樁觸發(fā)的條件。

基于軟件插樁的故障注入方式可以設置嚴重設備故障，以設備的意外宕機為例，可設置運行過程中指定時間觸發(fā)安全控制單元（VCU）宕機故障，模擬流程見圖3。

圖3 異常宕機故障模擬流程

3 司機視角同步跟蹤顯示

3.1 算法設計

視聽顯示模塊周期性地獲取當前列車的運行狀態(tài)，進行司機視角的動態(tài)顯示，其中速度和位置是司機視角同步跟蹤顯示的重要內(nèi)容。

由于周期通信存在延遲、阻塞等不可避免的情況，司機視角的顯示必然會存在一定的滯后性，且簡單地獲取列車速度進行視覺仿真，會造成列車位置的誤差累積，嚴重影響軌道參考物的正確顯示，進而影響受訓人員的視覺觀察和故障處置。因此，本文采用PID控制算法，在保證顯示流暢度的基礎上，對司機視角顯示中的列車位置進行動態(tài)跟蹤控制。

PID 控制算法是經(jīng)典控制理論中的典型應用，具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性和適應性較強的特點。本文采用的PID 控制算法，以期望列車位置為控制目標，即以周期性獲取的期望列車位置作為控制輸入，以期望列車位置和視覺仿真列車位置的誤差作為控制反饋，通過調(diào)整比例（P）、積分（I）和微分（D）3 個控制參數(shù)，設計相應的控制器，對周期性獲取的列車速度進行補償，進而實現(xiàn)司機視角的列車位置動態(tài)跟蹤?；赑ID控制的司機視角同步跟蹤顯示原理見圖4。

圖4 基于PID控制的司機視角同步跟蹤顯示原理

司機視角的列車追蹤顯示對PID控制器有額外要求，相對于常規(guī)的控制系統(tǒng)會出現(xiàn)震蕩的情況，在列車顯示控制場景中，不允許出現(xiàn)控制指令的劇烈震蕩，因為震蕩過大可能意味著列車退行，這是不符合實際的；列車追蹤顯示反應要快速，過大的延遲會影響顯示的實時性；控制器的輸出變化應趨于平緩，盡量貼近于現(xiàn)實中列車加速的情景。司機視角同步跟蹤的PID控制目標見圖5。

圖5 司機視角同步跟蹤的PID控制目標

控制器輸出指令即為視聽顯示模塊中仿真列車當前運行速度，通過調(diào)節(jié)PID的控制參數(shù)使其貼近ATP 實際運行速度，同時保證列車位置的正確跟蹤?？刂破鲬黾虞敵稣{(diào)節(jié)閥門，防止震蕩（列車后退）、控制器輸出變化過大（列車加減速度過大）等情況。

司機視角顯示的仿真列車速度Vn為

式中：Sn為第n個周期的期望列車位置；Ln為仿真列車位置；vn為視聽顯示模塊周期接收到的列車速度；kp、ki、kd分別為PID 控制器的比例、積分、微分參數(shù)。

3.2 算法驗證

將培訓平臺軟件中列車的加/減速度按照牽引/制動手柄的級位設置為恒定值，視聽顯示模塊顯示內(nèi)容為簡易的鐵道環(huán)境，PID 控制器參數(shù)kp、ki、kd分別為1、0.000 000 1、0.08，并設置防回調(diào)、防過度調(diào)整等控制閥門，車載設備功能模塊與視聽顯示模塊采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）通信方式，通信傳輸周期為500 ms。軟件界面見圖6。

圖6 培訓平臺軟件界面

在軟件運行過程中，車載設備功能模塊顯示正確；拖動牽引手柄和制動手柄時，司機視角顯示的加減速靈敏度高，位置基本準確；列車越過相關應答器組之后，會立即顯示應答器報文中的公里標信息或站名信息等。軟件運行結(jié)果表明，從視覺感官上看列車運行流暢、定位準確，可以滿足司機培訓需求。

為進一步驗證基于PID控制的司機視角跟蹤的準確性，設置基于速度的司機視角跟蹤與基于PID控制的司機視角跟蹤對比試驗，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，得出列車從0 km/h 加速到250 km/h，再減速到0 km/h 的過程中，司機視角列車位置跟蹤曲線（見圖7）和列車位置誤差曲線（見圖8）。

圖7 司機視角列車位置跟蹤曲線

圖8 仿真列車位置誤差曲線

從圖7（a）可以看出，僅依靠實時速度來控制視覺列車的位置會導致誤差較大，最后停車時，經(jīng)計算，期望列車位置為5 327.4 m，而仿真列車位置為5 757.77 m，誤差超過400 m，嚴重影響司機視角顯示的真實性。從圖7（b）可以看出，仿真列車位置與期望列車位置的曲線幾乎重疊，表明應用PID控制后，仿真列車位置誤差可以即時得到校正，保證了司機視角顯示的真實性。

從列車位置誤差角度分析，由圖8（a）可以看出，列車在運行過程中，誤差增大的速率與列車速度呈正相關，在前期加速過程中誤差增長速率逐漸變大，在減速過程中誤差增長速率逐漸減小，而誤差仍在逐步擴大，直到最后停車，經(jīng)計算，仿真列車位置與期望列車位置誤差超過400 m；從圖8（b）可以看出明顯的誤差校正過程，每一次的曲線震蕩即為一次誤差校正。雖然在整個加減速過程中，誤差的整體趨勢會隨著速度的增大而增大，但即使在250 km/h 的速度下，誤差也可以控制在8 m 以下。對于高速行駛的列車來說，8 m 的誤差在視覺上可以忽略不計。而且在后續(xù)的減速過程中誤差逐漸縮小，最終停車時誤差控制在0.4 m 之內(nèi)，可以滿足司機視角列車位置跟蹤顯示的準確性要求。

4 結(jié)論

1）本文設計的培訓平臺采用真實ATP設備主機應用軟件，培訓平臺與現(xiàn)場真實設備具有相同的操作反應。

2）基于運行腳本、軟件插樁2 種故障注入方式實現(xiàn)了多種場景的故障模擬，其中，基于運行腳本的故障注入可對現(xiàn)場已發(fā)生的故障場景進行復現(xiàn)，基于軟件插樁的故障注入可對車載ATP 設備可能發(fā)生的異常狀態(tài)進行模擬。

3）基于PID 控制的司機視角同步跟蹤顯示算法，可以保證司機視角顯示的準確性。

在此基礎上可通過增加虛擬現(xiàn)實設備［19-20］，進一步提升培訓過程的沉浸感，實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的ATP設備司機操作培訓。