高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試列控設(shè)備動(dòng)態(tài)測試仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 強(qiáng) 羅云飛 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科技和信息化部（總工室）

荊 雄 北京中科智匯科技有限公司

1 引言

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試列控設(shè)備動(dòng)態(tài)測試仿真系統(tǒng)可連接不同型號ATP 設(shè)備，通過裝載真實(shí)的列控設(shè)備數(shù)據(jù)，在室內(nèi)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)車地聯(lián)調(diào)。進(jìn)行真實(shí)線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試前，在實(shí)驗(yàn)室通過此系統(tǒng)遍歷執(zhí)行動(dòng)態(tài)測試序列，對列控設(shè)備功能和數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，可提前發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)問題，提高測試效率。

執(zhí)行動(dòng)態(tài)測試序列時(shí)，操控車載ATP 設(shè)備比較復(fù)雜，需操控牽引手柄、制動(dòng)手柄以及DMI 的按鍵。ATP 在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，針對不同的運(yùn)營場景，需在ATP 的人機(jī)界面DMI上按壓不同的按鍵來進(jìn)行特定的輸入指令操作。如：車載ATP 的SOM 流程，需要依次輸入司機(jī)號、車次號、運(yùn)行等級、編組數(shù)選擇、載頻選擇等信息；列車在正常運(yùn)行中也需要進(jìn)行按鍵操作，包括模式轉(zhuǎn)換確認(rèn)，文本提示確認(rèn)，目視/調(diào)車模式下警惕確認(rèn)，制動(dòng)緩解及設(shè)備重啟等。ATP 啟動(dòng)后，需操控牽引手柄和制動(dòng)手柄對列車加減速，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跑車。

因此設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行動(dòng)態(tài)測試序列，將會大大解放人力，并提升整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平。自動(dòng)執(zhí)行功能，主要是自動(dòng)操控車載ATP功能，以及自動(dòng)駕駛功能。

2 功能描述

自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)包括以下設(shè)備：DMI 智能操控設(shè)備，測試仿真系統(tǒng)，列車接口仿真。DMI 智能操控設(shè)備實(shí)時(shí)采集車載DMI 的畫面，通過圖像處理識別顯示的信息內(nèi)容，將信息打包后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給測試仿真系統(tǒng)，測試仿真系統(tǒng)經(jīng)過一系列的邏輯推演，一方面自動(dòng)駕駛功能給出加減速信號到列車接口仿真控制ATP 加減速，另一方面生成按鍵指令并發(fā)送給DMI智能操控設(shè)備，設(shè)備內(nèi)的智能手指及時(shí)響應(yīng)按鍵指令，按壓DMI按鍵。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行功能，可代替列車司機(jī)來完成操控車載設(shè)備。其系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)功能框圖

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件上設(shè)計(jì)了DMI智能操控設(shè)備。目前有200H，300H，300S，300T 等多種型號 DMI，為保證產(chǎn)品的一致性，DMI 智能按鍵設(shè)備要設(shè)計(jì)成兼容各種不同類型DMI的結(jié)構(gòu)，并且同時(shí)具備手動(dòng)按鍵和自動(dòng)按鍵功能。因此發(fā)明了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，尺寸小，占用空間也小，能安裝在DMI 顯示儀表上。DMI 智能操控設(shè)備外形如圖2所示。

圖2 DMI智能按鍵裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

DMI 智能操控設(shè)備保留DMI 的視窗，在上方用固定桿安裝工業(yè)相機(jī)采集圖像。

設(shè)備內(nèi)的智能手指由貫通式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不影響原DMI 的按鍵。沒有按鍵指令時(shí)，靠彈簧力支撐，按鍵處于彈起狀態(tài)；收到按鍵指令時(shí)，直線電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，按下按鍵。支持人工/自動(dòng)兩種按鍵方式。

硬件組成主要包括相機(jī)，圖像處理板和智能手指控制板。

（1）工業(yè)相機(jī)：彩色CMOS 工業(yè)相機(jī)，實(shí)時(shí)采集DMI 顯示屏的畫面。

（2）圖像處理板：實(shí)現(xiàn)圖像的采集和處理，并將圖像識別的信息內(nèi)容打包發(fā)送至測試仿真系統(tǒng)。

（3）智能手指控制板：接收按鍵指令，并控制智能手指，實(shí)現(xiàn)DMI按鍵的智能操控。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括DMI 智能操控軟件和測試仿真系統(tǒng)上的自動(dòng)駕駛軟件。

3.2.1 DMI智能操控軟件

DMI智能操控軟件使用VS2015開發(fā)。有兩大模塊：圖像功能模塊，按鍵功能模塊（圖3）。

圖3 DMI智能操控軟件架構(gòu)

圖像功能模塊包含圖像采集、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信三個(gè)子模塊。

（1）圖像采集：獲取圖像、數(shù)據(jù)鏈路使用千兆以太網(wǎng)GigE 工業(yè)相機(jī)的SDK，實(shí)時(shí)采集并獲取DMI顯示界面。

（2）圖像處理

使用OpenCV庫開發(fā)。

①圖像增強(qiáng)：對采集的圖像進(jìn)行中值濾波去噪處理。

②圖像校正：因相機(jī)安裝位置角度與拍攝目標(biāo)存在對應(yīng)誤差，拍出的照片會有多余的邊角、傾斜、扭曲等不良影響。需要通過透視變換，對傾斜、扭曲的圖像進(jìn)行校正，獲取標(biāo)準(zhǔn)的DMI矩形顯示界面。圖4分別為校正前后的圖像。

圖4 圖像處理效果對比

③圖像分割：校正后的圖像，DMI 的顯示內(nèi)容區(qū)域固定，可按尺寸/像素比劃分不同的區(qū)域，再對各分區(qū)域進(jìn)行圖像識別。圖5 依次是某一時(shí)刻顯示界面分割出駕駛等級、制動(dòng)等級、車輛運(yùn)行模式、RBC 連接狀態(tài)、可擴(kuò)展功能按鍵區(qū)菜單內(nèi)容1、菜單內(nèi)容8的目標(biāo)區(qū)域。

圖5 圖像分割出的目標(biāo)區(qū)域

④圖像識別：這是圖像處理的核心功能，涉及到圖標(biāo)識別、文字識別和顏色識別。

DMI 車載顯示儀表顯示的內(nèi)容很多，需要識別很多信息，包括以下內(nèi)容：

a.圖標(biāo)信息：制動(dòng)圖標(biāo)（EB、NB、B1、B4、PCUT、RELS），特殊區(qū)段信息（過分相、臨時(shí)限速、隧道），RBC 連接狀態(tài)，速度儀表盤等。

b.數(shù)字信息：當(dāng)前速度、車次號等信息。

c.英文信息：駕駛等級信息（CTCS-2、CTCS-3）。

d.漢字信息：車輛運(yùn)行模式（目視、完全、部分、待機(jī)、反向等），可擴(kuò)展功能按鍵區(qū)菜單內(nèi)容（數(shù)據(jù)、模式、載頻、等級、其他、啟動(dòng)、緩解、警惕、確定、取消、刪除等），人控/機(jī)控模式。

e.顏色信息：允許速度的顏色(白色，黃色，紅色)，低頻碼的顏色(無碼，綠碼，黃碼，紅碼，黃黃閃，紅黃碼等)。

綜上可以看出有兩大難點(diǎn)：一是需要識別的內(nèi)容眾多，耗費(fèi)時(shí)間，難以滿足實(shí)時(shí)性要求；二是文字尺寸很小，個(gè)別文字的筆劃粗細(xì)在顯示屏上只有1 個(gè)像素大小，影響文字識別的準(zhǔn)確率。

軟件設(shè)計(jì)上從高速高精度識別的需求出發(fā)，制定圖像識別算法。

對圖標(biāo)識別，先進(jìn)行二值化，然后提取圖標(biāo)的特征來識別圖標(biāo)類型；

文字識別采用OCR 技術(shù)，用Tesseract 開源庫開發(fā)，同時(shí)識別數(shù)字、英文和漢字信息，DMI 的顯示內(nèi)容是有標(biāo)準(zhǔn)的，可擴(kuò)展功能按鍵區(qū)菜單內(nèi)容相對固定，為了提高識別速度，可將菜單內(nèi)容分組，只需識別某幾個(gè)關(guān)鍵處的菜單內(nèi)容就可以確定整個(gè)菜單項(xiàng)，大大提高識別速度，比如只需識別可擴(kuò)展功能按鍵區(qū)菜單內(nèi)容1和菜單內(nèi)容2，就能確定菜單內(nèi)容3至菜單內(nèi)容8，無需再一一識別；

顏色識別采用HSV 模型。HSV 模型就是用色度(Hue)，飽和度(Saturation)，亮度(Value)3 個(gè)分量表示每個(gè)像素的顏色特征。確定各顏色在HSV 空間中各分量的閾值，就可以判斷各像素的顏色。利用HSV 顏色空間的特點(diǎn)，對需要識別的顏色限定在4種顏色之內(nèi)，灰、黃、綠和紅。通過大量實(shí)驗(yàn)，設(shè)置各顏色的閾值，見表1，通過統(tǒng)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)各像素的顏色來判定低頻碼的顏色。

表1 各顏色HSV模型閾值表

（3）網(wǎng)絡(luò)通信

以組包形成報(bào)文的形式向測試仿真系統(tǒng)發(fā)送識別的信息內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)通信有TCP 和UDP 兩種協(xié)議，結(jié)合本系統(tǒng)的發(fā)送周期及發(fā)送報(bào)文長度，UDP 協(xié)議有以下優(yōu)點(diǎn)：一是UDP 在時(shí)間上不存在建立連接需要的時(shí)延，空間上，不像TCP 一樣需要在端系統(tǒng)中維護(hù)連接狀態(tài)；二是協(xié)議包頭開銷小，TCP包頭有20字節(jié)，UDP包頭只有8字節(jié)；三是UDP沒有堵塞控制，應(yīng)用層能夠更好的控制要發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送時(shí)間；四是UDP是面向報(bào)文的，對應(yīng)用層交下來的報(bào)文，添加包頭后直接向下交付給IP 層，既不合并，也不拆分，保留這些報(bào)文的邊界。所以網(wǎng)絡(luò)通信最終選用UDP協(xié)議。

按鍵功能模塊包含串口通訊，按鍵信號解析和按鍵信號執(zhí)行和串口通訊三個(gè)子模塊。

①串口通信：通過RS485 串口從測試仿真系統(tǒng)獲取按鍵指令數(shù)據(jù)幀；

②按鍵信號解析：解析數(shù)據(jù)幀，解析出需要按壓哪個(gè)按鍵；

③按鍵信號執(zhí)行：依據(jù)解析后的按鍵信息，控制電流輸出，驅(qū)動(dòng)智能手指按壓對應(yīng)按鍵。

3.2.2 自動(dòng)駕駛軟件

自動(dòng)駕駛軟件包含：網(wǎng)絡(luò)通信，按鍵邏輯處理，串口通信，自動(dòng)駕駛四個(gè)模塊（圖6）。

圖6 自動(dòng)駕駛軟件架構(gòu)

（1）網(wǎng)絡(luò)通信

通過UDP協(xié)議接收DMI智能操控軟件發(fā)送的報(bào)文，獲取DMI顯示界面的信息。

（2）按鍵邏輯處理

依據(jù)DMI顯示界面的信息，包括運(yùn)行等級(C2/C3)，實(shí)際運(yùn)行速度，車輛運(yùn)行模式(待機(jī)、部分、完全等)，制動(dòng)信息，菜單內(nèi)容(司機(jī)號、車次號、上行、下行、啟動(dòng)、確定、刪除等)，根據(jù)DMI操作規(guī)范以及實(shí)際運(yùn)行場景，生成按鍵指令。比如：DMI顯示運(yùn)行等級‘CTCS2’，無制動(dòng)，車輛運(yùn)行模式是‘待機(jī)’，實(shí)際運(yùn)行速度是‘0’，可擴(kuò)展功能按鍵區(qū)菜單內(nèi)容是‘司機(jī)號’、‘車次號’、‘無’、‘無’、‘無’、‘確定’、‘刪除’、‘取消’，就可以判斷出此時(shí)需要按壓數(shù)字鍵，輸入司機(jī)號，然后再按壓‘確定’鍵。

（3）串口通信

將生成的按鍵指令通過RS485 發(fā)送給DMI 智能操控軟件。

（4）自動(dòng)駕駛

依據(jù)DMI顯示界面的信息，包括運(yùn)行等級(C2/C3)，最大允許速度，實(shí)際運(yùn)行速度，車輛運(yùn)行模式(待機(jī)、部分、完全等)，制動(dòng)信息，低頻碼等，再結(jié)合列控地面數(shù)據(jù)，計(jì)算出目標(biāo)速度，然后通過列車接口仿真向ATP 發(fā)送加減速指令，控制列車運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

將開發(fā)完成的DMI 智能操控設(shè)備安裝于高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試列控設(shè)備動(dòng)態(tài)測試仿真系統(tǒng)上，同時(shí)部署自動(dòng)駕駛軟件，如圖7所示，ATP型號是300T。

圖7 安裝好的DMI智能操控設(shè)備

經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，單次圖像處理時(shí)間為1.3 秒左右，能很好的滿足操控DMI 的實(shí)時(shí)性要求。識別出的信息內(nèi)容也很準(zhǔn)確。按鍵動(dòng)作可在100 毫秒時(shí)間內(nèi)完成，最小按鍵間隔時(shí)間200毫秒，滿足按鍵需求。

測試仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，DMI 智能操控設(shè)備能自動(dòng)完成車載ATP 的SOM 流程，輸入司機(jī)號，車次號，RBCID 等駕駛數(shù)據(jù)，根據(jù)流程按壓確定、取消和刪除按鍵；當(dāng)正常啟機(jī)后，還能完成制動(dòng)緩解，目視/調(diào)車模式下按壓警惕按鍵等操作。ATP從待機(jī)模式進(jìn)入部分/目視模式后，自動(dòng)駕駛功能控制列車加減速，使列車在最大允許速度內(nèi)運(yùn)行，自動(dòng)執(zhí)行完成整個(gè)動(dòng)態(tài)測試序列。

5 結(jié)論

本文給出了高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試列控設(shè)備動(dòng)態(tài)測試仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了自動(dòng)執(zhí)行功能在整個(gè)高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試列控設(shè)備動(dòng)態(tài)測試仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用。在現(xiàn)場應(yīng)用中，能很好的自動(dòng)操控DMI，控制列車自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)仿真測試的自動(dòng)執(zhí)行，大大提高了測試效率。