地鐵列車運(yùn)行視景系統(tǒng)與ATO仿真模塊的接口實(shí)現(xiàn)

郭彥宏，鄭杰良

（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，得益于城市軌道交通的大容量運(yùn)輸、快捷安全和節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，城市軌道交通是當(dāng)今及今后一段時(shí)間內(nèi)我國大城市客運(yùn)交通發(fā)展重點(diǎn)[1]。為了適應(yīng)城市軌道交通的迅速發(fā)展，以列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)（ATO）為例，目前，學(xué)者已經(jīng)對城市軌道列車自動(dòng)駕駛做了大量的仿真研究，期望通過仿真的途徑獲得列車的最優(yōu)控制方法，使得列車能夠兼顧準(zhǔn)時(shí)性、節(jié)能、舒適度和停車精確性得到最優(yōu)行車策略并以最優(yōu)行車策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

本文利用微軟模擬列車（MSTS，Microsoft Train Simulation）作為地鐵運(yùn)行視景系統(tǒng)底層模型資源平臺(tái)，將開源項(xiàng)目（OR，Open Rails）作為視景系統(tǒng)的仿真環(huán)境，成功將地鐵運(yùn)行視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊進(jìn)行接口，利用視景系統(tǒng)和地鐵運(yùn)營現(xiàn)實(shí)場景的高度相似，期望將來對地鐵列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究可以擴(kuò)展到三維視景平臺(tái)，使得相關(guān)研究或者教學(xué)更加直觀。

1 視景系統(tǒng)

視景系統(tǒng)中包含對場景模型的加載、讀取、顯示和操作等。視景系統(tǒng)由底層模型文件、模型數(shù)據(jù)配置文件和上層OR代碼組成。

1.1 場景模型的顯示

地鐵運(yùn)行視景系統(tǒng)的場景模型需要利用MSTS平臺(tái)的基礎(chǔ)模型和貼圖，對地鐵視景模型進(jìn)行建模，視景環(huán)境效果–地面視景，如圖1；隧道視景，如圖2所示。

由于MSTS平臺(tái)自帶的動(dòng)畫引擎不足以滿足場景模型顯示的流暢度和高逼真度要求，在OR中運(yùn)用了XNA技術(shù)，利用XNA技術(shù)的基本框架實(shí)現(xiàn)了對MSTS底層模型的加載、讀取、顯示和操作等, XNA提供了一個(gè)基本的程序框架，是一個(gè)動(dòng)作函數(shù)庫，可以降低編程的成本，縮短開發(fā)周期。

圖1 地面視景

圖2 隧道視景

如圖3所示，XNA程序中，Initial()方法完成系統(tǒng)的主要初始化工作后，LoadContent()方法實(shí)現(xiàn)了對底層模型的加載和讀取，并保證每一種底層模型只讀取一次。視景的顯示類似于現(xiàn)實(shí)中攝像機(jī)拍攝，如圖4所示，由攝像機(jī)Camera類的對象確認(rèn)“拍攝”的位置和方向，再結(jié)合兩個(gè)矩陣對象（Matric）就可以確定“拍攝”的將要被程序繪制并在顯示器上顯示的最遠(yuǎn)和最近視景范圍[2]，每一個(gè)周期Update()方法都會(huì)被調(diào)用進(jìn)行視景刷新，若程序未結(jié)束則通過Draw()方法繪制已經(jīng)被確定的視景范圍內(nèi)的所有視景模型。通過鍵盤按壓事件和鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件可以改變Camera類的對象和兩個(gè)矩陣對象的相關(guān)屬性，類似于重繪，利用每個(gè)周期對Update()方法的調(diào)用可以繪制改變的視景范圍。

1.2 地鐵列車模型的操作

圖4 攝像機(jī)視野

視景系統(tǒng)中可以通過鍵盤按壓事件對地鐵列車的駕駛進(jìn)行相關(guān)操作，鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件則可以結(jié)合鍵盤按壓事件實(shí)現(xiàn)不同視角對有列車運(yùn)行的視景系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤觀察。以對列車運(yùn)行的相關(guān)控制為例，包含受電弓的升降、換向器的動(dòng)作、牽引/制動(dòng)手柄的操作、緊急制動(dòng)按鈕的按壓、緩解和車門的開關(guān)等。在OR中，通過HandleUserInput（ElapsedTime elapsedTime）方法實(shí)現(xiàn)視景系統(tǒng)對不同鍵盤按鍵事件的區(qū)分，然后根據(jù)鍵值對UserInputCommands實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作命令。其中，UserCommands表示控制命令，Action[]是XNA架構(gòu)中的模型動(dòng)作函數(shù)數(shù)組。

2 ATO仿真模塊

ATO仿真模塊用于后臺(tái)控制列車站間自動(dòng)駕駛，可以根據(jù)站間列車運(yùn)行實(shí)際情況生成ATO目標(biāo)速度和列車運(yùn)行速度曲線。針對列車站間運(yùn)行自動(dòng)駕駛的過程，文獻(xiàn)[3]針對ATO控制提出了一種定時(shí)算法用來計(jì)算ATO目標(biāo)速度以保證列車準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了節(jié)能算法，但是在算法中并沒有考慮站間線路數(shù)據(jù)的情況，可能導(dǎo)致站間運(yùn)行時(shí)間誤差累積過大。本文以文獻(xiàn)[3]提出的算法為基礎(chǔ)，添加了線路數(shù)據(jù)庫，包含各個(gè)軌道區(qū)段的長度、坡度和曲線等信息，ATO模塊根據(jù)指定的站間運(yùn)行時(shí)間和線路數(shù)據(jù)庫模擬并計(jì)算得到ATO目標(biāo)速度，確保列車站間運(yùn)行時(shí)間在誤差范圍之內(nèi)，優(yōu)化了定時(shí)算法，使得列車在準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行的條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能駕駛。

結(jié)合文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]提出的包含局部優(yōu)化和全局優(yōu)化的節(jié)能算法，在靠近目標(biāo)速度VT的右區(qū)間依次設(shè)置目標(biāo)速度上限V1和V2，在靠近目標(biāo)速度VT的左區(qū)間依次設(shè)置目標(biāo)速度下限M1和M2。

ATO仿真模塊以目標(biāo)速度實(shí)時(shí)跟蹤視景系統(tǒng)列車客戶端運(yùn)行，在定時(shí)條件約束下，為了實(shí)現(xiàn)列車客戶端的節(jié)能運(yùn)行，應(yīng)該使列車客戶端盡快加速，使速度達(dá)到或者超過目標(biāo)速度較小的上限值V1再保持惰性工況，坡度和曲線會(huì)導(dǎo)致列車客戶端速度發(fā)生較大變化，若列車客戶端的速度減少到列車運(yùn)行速度下限M1時(shí)，列車客戶端應(yīng)盡快加速；若速度高于列車運(yùn)行速度上限V2時(shí)應(yīng)利用制動(dòng)工況使速度減速到目標(biāo)速度下限較大值M1，再保持惰行工況，若列車客戶端速度減少到目標(biāo)速度下限較小值M2，則應(yīng)該盡快加速，列車站間駕駛策略以此循環(huán)，如圖5所示。如此可以知道列車在站間運(yùn)行曲線軌跡應(yīng)滿足“盡快加速”–“惰行”–“進(jìn)站一次制動(dòng)”。

圖5 站間駕駛策略

3 視景系統(tǒng)和ATO模塊接口實(shí)現(xiàn)

本文將視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊進(jìn)行接口，利用視景系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)、直觀地展示ATO的控制效果，還具有豐富的可擴(kuò)展性，若要對不同的線路進(jìn)行相關(guān)測試或者研究，只需要在虛擬環(huán)境中按照實(shí)際線路的數(shù)據(jù)重新“鋪設(shè)”線路并重新配置線路數(shù)據(jù)庫即可。

3.1 線路數(shù)據(jù)庫

在將視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊進(jìn)行接口之前，需要配置列車運(yùn)行線路的線路數(shù)據(jù)庫文件。因?yàn)樵谝暰跋到y(tǒng)中的軌道區(qū)別于現(xiàn)實(shí)線路的軌道，并沒有嚴(yán)格意義上的軌道區(qū)段的劃分，因此，需要在線路數(shù)據(jù)庫中對視景系統(tǒng)中的軌道區(qū)段進(jìn)行位置劃分，并存儲(chǔ)全線的位置坐標(biāo)信息，Update()方法通過列車所處坐標(biāo)位置即可知道列車在線路中所處的實(shí)際軌道位置信息，ATO模塊可以根據(jù)此刻列車客戶端所處的軌道位置信息在線路數(shù)據(jù)庫中獲取到該軌道區(qū)段及該軌道區(qū)段至下個(gè)?？寇囌局g的軌道區(qū)段信息，包括軌道區(qū)段的長度、坡度和曲線等信息。

3.2 視景系統(tǒng)和ATO模塊間的數(shù)據(jù)通信

要實(shí)現(xiàn)ATO仿真模塊對視景系統(tǒng)的底層地鐵列車模型的操作，需要在兩者之間建立數(shù)據(jù)通信，視景系統(tǒng)根據(jù)通信協(xié)議使地鐵列車按照ATO模塊的行車策略行駛。在視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊之間采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，在OR中使用C#編程來實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信。實(shí)例類MSTSLocomotive的對象代表一個(gè)列車客戶端，設(shè)置相應(yīng)字段來保存其相關(guān)信息，包括車次號(hào)、運(yùn)行速度、牽引/制動(dòng)等級(jí)、位置信息、運(yùn)行方向和車門狀態(tài)等，ATO模塊則實(shí)時(shí)接收來自視景系統(tǒng)的列車客戶端的運(yùn)行信息并根據(jù)自身控制算法為列車匹配最佳行車策略，對列車的牽引/制動(dòng)等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。

視景系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信得到ATO模塊發(fā)送過來的命令字符串后，由系統(tǒng)的Update()方法周期性對命令字符串進(jìn)行檢測并觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作需要執(zhí)行的方法，以牽引等級(jí)的增加為例：

case ”CTI”://命令字符串的值

UserInputCommands[UserCommands.Contol-ThrottleIncrease][1]();//增加牽引等級(jí)

Break;

視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊之間的數(shù)據(jù)交互，如圖6所示。

3.3 視景系統(tǒng)和ATO模塊的結(jié)合

ATO模塊對視景系統(tǒng)列車客戶端的速度控制是一種閉環(huán)跟蹤的控制。在線路數(shù)據(jù)庫配置完畢并且實(shí)現(xiàn)了視景系統(tǒng)和ATO模塊之間的數(shù)據(jù)通信后，就可以根據(jù)ATO模塊內(nèi)部的控制算法以最佳駕駛策略對列車客戶端的運(yùn)行進(jìn)行跟蹤控制，具體控制流程，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)交互

圖7 視景系統(tǒng)和ATO模塊的結(jié)合

4 測試

在測試過程中，需要的硬件為2臺(tái)PC機(jī)，軟件包括MSTS平臺(tái)，VS 2013及運(yùn)行框架.Net Framework 3.5， PC機(jī)的操作系統(tǒng)為Windows操作系統(tǒng)。將一臺(tái)PC機(jī)作為視景系統(tǒng)地鐵列車客戶端，另一臺(tái)PC機(jī)作為ATO仿真系統(tǒng)。測試結(jié)果表明：視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊成功接口，兩者之間能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，ATO模塊能夠根據(jù)視景系統(tǒng)地鐵列車客戶端實(shí)時(shí)運(yùn)行情況計(jì)算出最佳駕駛策略并以此控制地鐵列車客戶端在站間的自動(dòng)駕駛，可以看到在目標(biāo)速度的跟蹤之下（綠色線條）其V–S速度距離曲線走向符合“盡快加速”–“惰行”–“進(jìn)站一次制動(dòng)”的原則，如圖8所示。

圖8 V-S曲線

5 結(jié)束語

本文對ATO內(nèi)部的控制算法只進(jìn)行了簡單闡述，重點(diǎn)是將視景系統(tǒng)和ATO仿真模塊進(jìn)行接口，并利用ATO仿真模塊內(nèi)部的控制算法對視景系統(tǒng)地鐵列車客戶端的站間自動(dòng)駕駛進(jìn)行跟蹤控制，為后期對ATO仿真模塊的進(jìn)一步開發(fā)提供了現(xiàn)實(shí)可能。在后續(xù)的相關(guān)研究中會(huì)對系統(tǒng)列車自動(dòng)駕駛過程的各個(gè)階段進(jìn)一步地完善[5]。

地鐵列車的運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的過程，將一些復(fù)雜的制約因素用模型庫的方式來解決是一個(gè)較好的方法[6-7]。本文的研究是將這些模型庫整合到虛擬地鐵列車和虛擬線路數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行的，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，具體包括：

（1）視景系統(tǒng)和ATO模塊的成功接口證明其他列控子系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的接口完全可行；

（2）目前，國內(nèi)外已經(jīng)將列車運(yùn)行視景仿真平臺(tái)用于相關(guān)教學(xué)或者培訓(xùn)當(dāng)中。未來可優(yōu)化ATO模塊，并將整個(gè)列控系統(tǒng)和視景系統(tǒng)進(jìn)行接口，直觀演示列控系統(tǒng)的控制過程，可以有效節(jié)約成本；

（3）對于某些即將建設(shè)或者還未建成的線路，可以通過視景系統(tǒng)對其進(jìn)行虛擬場景實(shí)現(xiàn)，模擬列車運(yùn)行，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)資料作為參考或評(píng)估。

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