基于Labview的城市軌道交通自動駕駛測試系統(tǒng)模型

1、 基于Labview的城市軌道交通自動駕駛測試系統(tǒng)模型摘要：目前，使用計算機模擬復(fù)雜的城市軌道交通情境，來研究城市軌道交通運行和控制的理論和方法，是一種非常經(jīng)濟、可靠和安全的方法。因此，不論是從學(xué)術(shù)研究還是實際應(yīng)用方面來說，建立和實現(xiàn)城市軌道交通自動駕駛（ATO）系統(tǒng)測試模型是有很大實際意義的。在這篇論文中，我們成功的在ATO實驗室利用Labiew8.0建立了這個測試系統(tǒng)模型，同時也為城市軌道交通監(jiān)控和控制理論和方法的研究打下牢固的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：ATO，LABVIEW，城市軌道交通，測試模型I引言自從城市軌道交通的出現(xiàn)，有關(guān)人員一直致力于提高它的安全程度和地位，列車自動控制（ATC）是一種重要

2、的方法。然而，ATO是列車自動控制（ATC）的一個重要組成部分，它能代替大部分本應(yīng)該由列車駕駛員來完成的操作，并且它能夠完成最優(yōu)控制和獲得節(jié)能操作能力，同時在提高列車正點率上也有很大的幫助。目前，國內(nèi)的ATO系統(tǒng)僅僅是引進國外的裝備和技術(shù)，但是國內(nèi)許多研究和發(fā)展組織都正在為擁有城市軌道交通ATO系統(tǒng)獨立自主的所有權(quán)而努力。然而，通過研究，如果我們真正的操作來完成這個測試系統(tǒng)，必然會造成巨大的人力、物力上的浪費，更重要的是測試系統(tǒng)的安全性能也得不到保障。因此，最好通過計算機虛擬仿真技術(shù)來模擬復(fù)雜的列車硬件環(huán)境和運行環(huán)境，來研究列車監(jiān)控理論和方法，然后我們再利用這些理論和方法作為一個實驗的途徑去測

3、試和評估各種車輛設(shè)備。當(dāng)前的城市軌道牽引方面的計算機仿真軟件只是通過計算機實現(xiàn)的算法模擬研究。而且實驗室的測試設(shè)備大部分都是一些復(fù)雜的傳統(tǒng)測試儀器。在這篇論文中，我們采用LABVIEW圖形編程環(huán)境來完成列車ATO測試系統(tǒng)模型的建立。論文的安排如下：論文的第二章，我們主要介紹ATO系統(tǒng)的發(fā)展背景和國內(nèi)外測試系統(tǒng)的虛擬仿真情況;第三章主要介紹相關(guān)的基礎(chǔ)知識，包括ATO和LABVIEW的簡單介紹；第四章主要分析和設(shè)計測試系統(tǒng)模型，包括系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)ATO的工作原理。這個測試系統(tǒng)主要分成兩個模塊：牽引力的計算和ATO設(shè)備間的通信，同時我們還詳細(xì)的描述了這兩個模塊的設(shè)計過程，包括前面板的設(shè)計和背

4、景程序框架、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等等。第五章主要通過具體實例來驗證該測試系統(tǒng)，并且驗證結(jié)果表明該測試系統(tǒng)能夠很完善的完成ATO系統(tǒng)的測試任務(wù)。第六章是全文的總結(jié)。II相關(guān)理論ATOATO是ATC的一個重要部分。ATO、ATS（列車自動監(jiān)控系統(tǒng)）和ATP（列車自動防護系統(tǒng)）一起組成了整個城市軌道交通的信號系統(tǒng)，是城市軌道交通的一個基礎(chǔ)設(shè)施。ATO系統(tǒng)按照系統(tǒng)設(shè)定的運行系統(tǒng)，根據(jù)ATS系統(tǒng)的指令選擇最佳運行條件，實現(xiàn)列車運行速度自動調(diào)整和節(jié)能控制，包括牽引、巡航、制動、停車的控制和車門開關(guān)的控制功能，實現(xiàn)正線、折返線和出入段（場）線運行的自動控制，實現(xiàn)區(qū)間運行時間的調(diào)整控制，代替大部分本應(yīng)該由列車駕駛員來完成

5、的操作。LABVIEWLABVIEW全稱是實驗室虛擬儀器工程平臺（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一個圖形編程語言開發(fā)環(huán)境，是由美國國家儀器有限公司（NI）研究和開發(fā)的，類似于C語言和BASIC語言的開發(fā)環(huán)境。它與其它計算機編程語言的不同之處在于：其它計算機編程語言是基于文本的語言來產(chǎn)生代碼，而LABVIEW是用圖形程序語言G語言來編寫程序，由此編寫出的程序是以程序框圖的形式出現(xiàn)的。在LABVIEW8.2平臺上開發(fā)的程序都叫做VI（虛擬工程），它的擴展名為.Vi。所有的VI都有前面板、框圖和圖標(biāo)。列車牽引力計算模塊主要由兩個部分

6、組成：牽引力計算模塊的前面板和牽引力計算模塊后臺程序框圖。牽引力計算前面板是實際可見的界面。測試者點擊前面板上的控件就如同在操作儀器面板上按運行按鈕。如果后臺程序框圖完成計算和復(fù)雜的過程任務(wù)，過程結(jié)果或者觀察數(shù)據(jù)就能夠在前面板上顯示出來。III測試系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)A.測試系統(tǒng)模型的變量分析根據(jù)城市軌道交通的虛擬仿真和它的運行環(huán)境，ATO系統(tǒng)的測試系統(tǒng)測試ATO自動駕駛、自動出發(fā)、速度調(diào)節(jié)、精確停車及目標(biāo)制動、車地雙向通訊、車門和屏蔽門控制、人機互交和其他功能，因此，列車模型和環(huán)境模型是ATO系統(tǒng)測試虛擬仿真的基礎(chǔ)。列車模型的參數(shù)由3個主要部分組成：牽引制動特性、電流電壓特性、車輛固定數(shù)據(jù)，這些參

7、數(shù)都是列車牽引力計算的必要條件。我們在設(shè)計這些模塊的時候，可以考慮把這些參數(shù)設(shè)置成前面板可調(diào)參數(shù)，這樣可以通過改變這些參數(shù)的值來模擬不同型號的列車。環(huán)境模型也包括兩個主要的模塊：線路數(shù)據(jù)和車站數(shù)據(jù)，由于線路上有坡度和曲線，所以計算線路時又包括線路、曲線、坡度三個部分。坡度是反映線路縱斷面的一個重要的線路參數(shù)，由于坡道力的影響，會對列車運行產(chǎn)生一定的阻力，坡道數(shù)據(jù)必須包括坡道的長度、坡度、坡道方向等重要的計算數(shù)據(jù)。列車在曲線上要受到曲線阻力，并且列車在曲線段的運行速度要受到曲線半徑大小的制約，即存在曲線限速。因此在曲線建模時，要反映曲線在線路上的位置、曲線長度、曲線半徑等計算數(shù)據(jù)。車站是線路數(shù)據(jù)

8、上不可或缺的重要組成部分，根據(jù)車站的模型建立，以便ATO準(zhǔn)確計算當(dāng)前位置距車站的距離以及判斷是否進行停車制動的工況轉(zhuǎn)換，達到精確停車的要求。所以車站數(shù)據(jù)必須包括車站的起始位置和站名相關(guān)信息。線路設(shè)置限速的目的是為了保證列車的安全行駛，列車運行時必須低于當(dāng)前列車所在區(qū)段的限速值，限速數(shù)據(jù)必須包括限速的起始位置、限速值，以便ATO能夠根據(jù)限速值推算出列車當(dāng)前的控制速度和進入下一個區(qū)段的行駛速度、根據(jù)推算出的牽引制動點控制機車及時轉(zhuǎn)換工況模式。整個線路的參數(shù)也和機車參數(shù)一樣是可變參數(shù)，在設(shè)計仿真測試模型時應(yīng)該把該部分設(shè)置為可調(diào)整參數(shù)，這樣就可以通過改變環(huán)境參數(shù)的值來選擇不同的仿真測試環(huán)境。B.測試系

9、統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)因為硬件、軟件和ATO系統(tǒng)是作為一個整體存在的，所以整個測試系統(tǒng)模型就應(yīng)該包括硬件平臺、軟件平臺和ATO測試設(shè)備，該測試系統(tǒng)就是以上述的列車模型和環(huán)境模型為基礎(chǔ)，在軟件平臺上實現(xiàn)所有功能。ATO測試系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)的界面是由硬件測試平臺實現(xiàn)的，ATO測試系統(tǒng)把各種數(shù)據(jù)輸入信號量通過硬件測試平臺轉(zhuǎn)移到ATO體系,然后硬件測試平臺從ATO系統(tǒng)中收集信號和各種各樣的開關(guān)量進行反饋,以實現(xiàn)兩者之間的相互作用。邏輯圖如圖1所示，圖1ATO測試系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)模型的物理結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)我們構(gòu)建完列車牽引力仿真計算模塊后，我們需要在模塊中對所計算數(shù)據(jù)間通信，以實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量間的溝通和A

10、TO設(shè)備之間的聯(lián)系，最終實現(xiàn)虛擬測試平臺與ATO測試設(shè)備之間的通訊?？紤]到子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，整個測試程序可分為兩個子系統(tǒng):牽引計算模型子系統(tǒng)和主程序界面子系統(tǒng)，實現(xiàn)與ATO硬件設(shè)備的通通訊。圖2測試系統(tǒng)模型的物理結(jié)構(gòu)圖列車牽引計算模型包括通信設(shè)備控制、車門控制、牽引計算模塊，在本部分中主要的成果就是測試過程的顯示和控制，通過LABVIEW友好的圖形界面，測試人員可以獲得所需的數(shù)據(jù)、控制運動過程和監(jiān)控移動情況。與ATO硬件設(shè)備進行通訊的接口主程序模塊包括七個子模塊：開關(guān)量發(fā)送模塊、開關(guān)量采集模塊、速度傳感器通訊模塊、ATP通訊模塊、模擬TWC模塊、模擬交叉點模塊。這一部分主要實現(xiàn)與ATO設(shè)備進行通

11、訊，包括模擬、數(shù)字量的采集和發(fā)送,各種總線通訊。在這一部分中，實現(xiàn)ATO設(shè)備的通訊是非常重要的，包括仿真、采集和發(fā)送數(shù)據(jù)以及各種通訊。IV測試系統(tǒng)模型的構(gòu)建測試系統(tǒng)模型由兩個部分構(gòu)成：牽引力計算模塊和通訊模塊。A.牽引力計算模塊ATO仿真測試牽引計算模型實現(xiàn)架構(gòu)圖如圖3所示，先通過牽引計算模型的前面板來設(shè)置整個模型和系統(tǒng)的初始化，調(diào)用一些數(shù)據(jù)文件。然后采集啟動建立過程中需要的開關(guān)量，包括牽引制動開關(guān)量。流環(huán)的采集是用來確定牽引制動的級數(shù)，當(dāng)啟動條件建立后，可以按下前面板上的ATO啟動按鈕，則可以進入ATO自動運行模式。列車牽引計算模型計算出列車在各種線路環(huán)境下運行軌跡，可通過前面板直接觀測到列

12、車實時速度、加速度、運行距離、ST運行曲線、VS運行曲線等一系列相關(guān)的曲線圖，然后通過PXI硬件設(shè)備把計算的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成ATO設(shè)備接口需要的模擬數(shù)字量反饋給ATO設(shè)備，ATO設(shè)備根據(jù)這些參數(shù)和信號來調(diào)整和控制機車運行的下一個狀態(tài)值，實現(xiàn)了整個ATO閉環(huán)測試流程。圖3ATO測試牽引力計算實現(xiàn)框圖B.通訊模塊與ATO設(shè)備通訊模塊包括開關(guān)量的采集、開關(guān)量的發(fā)送、電流采集、速度模擬、CAN.ATP通訊、CANTWC通訊、交叉點發(fā)送這幾個模塊。這幾個模塊既具有相關(guān)性又是獨立的。相關(guān)性是指ATO的仿真測試需要通過這些模塊把模型和ATO測試設(shè)備連接起來，實現(xiàn)半實物的仿真測試，而且這些模型在ATO建立和運行的

13、過程中都承擔(dān)著重要的任務(wù)，缺一不可。獨立性則是說雖然這些模塊缺一不可，但它們又是獨立的個體，每個模塊都使用了不同的板卡作為接口，實現(xiàn)不同的功能，程序之間也是獨立的，每個模塊的輸入輸出都不影響其他模塊的輸入輸出。如圖4所示是與ATO設(shè)備通訊的流程圖，當(dāng)聯(lián)調(diào)測試時，需要按照步驟與ATO設(shè)備建立通訊。分別經(jīng)過開關(guān)量的收發(fā)，即通過ATO的建立條件給出各種開關(guān)控制。電流采集為了采集電流環(huán)的值來判斷ATO的牽引和制動級數(shù)，作為列車牽引計算的輸入。422速度通訊把牽引計算模型的計算速度通過與速度變速箱的422串口通訊給出速度，CAN-ATP通訊是通過CAN總線模擬地面與ATP建立通訊，使ATO在ATP的監(jiān)控

14、模式下運行。ATP-TWC通訊是通過CAN總線模擬地面TWC,與車載TWC建立通訊。交叉點信息是模擬地面精確定位系統(tǒng)，發(fā)出一定頻率的載頻信號，實現(xiàn)列車的精確停車。發(fā)送和接電流422速度受開關(guān)量采集通訊V發(fā)送父叉1CAN-TWCCAN-ATP點信息比7通訊J通訊圖4ATO設(shè)備的通訊模塊C.ATO系統(tǒng)測試模型框圖測試系統(tǒng)的整體模型框圖如圖5所示，一共有5個階段。每個階段的實現(xiàn)都需要配合牽引計算模塊和ATO設(shè)備間的通訊。第一階段是初始化裝置,這是準(zhǔn)備階段的協(xié)調(diào)。第二階段是ATO的建立。在這個階段,我們要在手動啟動和ATO模式之間設(shè)置相關(guān)開關(guān)的值，同時也要建立列車ATP和TWC設(shè)備間的通訊，然后把線路

15、信息、車站信息,速度限制信息傳輸給ATO,接受到信息后ATO生成曲線,然后我們進入ATO發(fā)車階段。第三階段是列車ATO發(fā)車階段。測試面板上ATO發(fā)車指示燈打開就表示ATO模型已經(jīng)成功建立，我們可以啟動ATO進入列車自動駕駛的階段。第四階段是列車自動控制。ATO自動駕駛儀控制列車，所以這一階段并不需要手動操作。第五階段是ATO精確停車。在軌道上存在裝有感應(yīng)線圈的交叉點作為精密定位裝置。當(dāng)火車進入月臺，交叉點通信模塊能夠根據(jù)列車的運行距離發(fā)送交叉點信息給ATO,相當(dāng)于仿真軌道電路發(fā)出的交叉點信號。ATO接受這些信號和當(dāng)前正確的我距離,保證在土0.5m內(nèi)準(zhǔn)確的停車。設(shè)備初始化=建立ATO斗ATO發(fā)車

16、芳列車ATO控制予ATO停車牽引力計算速度模擬人機MMI驗證圖5測試系統(tǒng)模型框圖V應(yīng)用實例40A.實例描述如圖6所示為測試用例之一的軌道區(qū)段平面線路圖，這張圖上標(biāo)明了線路的方向、站臺名、軌道區(qū)段號、站臺所在的軌道區(qū)段、所在軌道區(qū)段的載頻、折返段。平面線路圖可以清晰的看出列車從哪一個站臺開出，運行到當(dāng)前的哪一個軌道段以及到哪一個目的站臺停車，列車的全部運行距離等等。平面線路圖是測試的基礎(chǔ)，B.測試結(jié)論ATO測試根據(jù)測試流程圖來執(zhí)行。我們選擇兩例來具體說明，圖7、圖8、圖9都是ATO測試系統(tǒng)測試結(jié)果圖。圖7所示是兩個站點之間列車速度和距離的關(guān)系，第二階段效率高于第一階段，速度限制在60km/h,從

17、圖上我們可以看到在第二階段有兩個限速段，運行過程中存在一段很長時間的惰行階段。最后,當(dāng)火車進入停車區(qū),我們采用分級制動、制動平穩(wěn)的策略,以滿足停車精度要求。308 圖7兩站臺間列車速度和距離關(guān)系圖圖8兩站臺間列車減速度變化圖圖8和圖9個是減速圖和兩個站點間的速度-時間圖，利用時間為水平軸，以顯示速度、列車牽引制動減速度和加速度隨著時間的變化,主要反應(yīng)出各參數(shù)間的關(guān)系，同時，我們也能觀察到減速度和加速度的變化趨勢，通過坐標(biāo)上數(shù)值的變化可以準(zhǔn)確讀出火車在某一時間點的參數(shù)，就能夠分析出ATO駕駛策略的合理性。圖7、圖8、圖9僅僅只描述出測試之后的結(jié)果，在測試完成之后，為了對在ATO系統(tǒng)控制的列車運行

18、過程進行更加細(xì)致、詳細(xì)分析，我們需要以某種格式存儲一些列車運行過程中數(shù)據(jù)，用來作為以后數(shù)據(jù)分析之用。相關(guān)數(shù)據(jù)（表1）是ATO測試數(shù)據(jù)表的一部分。圖9兩站點間列車速度-時間關(guān)系圖表1ATO仿真測試部分?jǐn)?shù)據(jù)表啟動時間（S）單位合力（N/kN）加速度（m/s2）加速度變化率（m/s3）速度（km/h）距離（km）063.70.590000.96958.70.54401.90902.17261.230.56704.3130.0013.37561.1650.566-0.0016.7670.0034.57861.0850.566-0.0019.2180.0065.17261.0380.565-0.0011

19、0.4260.0076.37560.9340.564-0.00112.8710.0117.57860.8160.563-0.00115.3120.0168.17260.750.562-0.00116.5150.0199.37560.6080.561-0.00118.9480.025從圖6，圖7，圖8的情況來看，我們知道當(dāng)列車在兩站點之間運行時，考慮到在舒適度，牽引的程度不能按照圖7所示的情況直接的操作,而是應(yīng)在列車啟動時自動地增加牽引大小。隨著列車牽引程度的加大，加速度大小也顯著增大（速度穩(wěn)定后，加速度大小會在0附近有小幅度波動）。雖然列車的速度會逐漸增大，但是不會超過我們之前設(shè)置的最大值60

20、km/h，這樣就能夠避免列車在有可能超速的情況下超速了。當(dāng)火車平穩(wěn)的進入下一車站時,ATO可以自動發(fā)出制動控制指令，并且根據(jù)實際的距離來改變制動的程度。然后采取分級制動、制動平穩(wěn)的策略在滿足準(zhǔn)確停車要求下使列車在1237.01m的位置停下來。經(jīng)實踐檢驗，該PXI測試系統(tǒng)能夠很好的完成ATO仿真測試任務(wù)，人機界面友好，功能模塊劃分清晰，不但擔(dān)任了測試任務(wù)，而且起到了輔助ATO開發(fā)的作用。VI總結(jié)這篇論文選擇LABVIEW圖形編程環(huán)境，對研究是一個很好的起點。因為LABVIEW有非常豐富的功能，我們能夠把開發(fā)成本控制在一個很低的水平上，同時也便于維護和后期的升級。仿真模型的框架雖然能在需求上能夠滿

21、足測試的要求，但是仍有可以優(yōu)化和改進的地方，譬如：在模塊的封裝上可以把很多計算模型和模塊封裝成子切，這樣做可以使程序的架構(gòu)更為精簡和易讀，也有利用模塊的復(fù)用。在程序的實現(xiàn)上，可以進一步優(yōu)化處理循環(huán)的時間，使模型更精確。參考文獻WeizhongShi.TheATCintheUrbanRapidRailTransitSystem(below).UrbanRailTransit,2005(4):32-37.ShuntaoWang.TheTrainControlofGuangzhouMetroLine3inATOModeLRailwayCommunicationSignaL2009(2):30-33.

22、ChuanjunWan.TheDesignandAchievementoftheAutomaticTrainControlSystem.JouralofXianPetroleumInstitute,2003(5):69-72.YonghongLv,HongyanLiu.AutomaticTrainOperationSystembasedonMovingBlockTechnique.GansuScienceandTechnology,2008(19):15-18.ZhongyingZhu.TheApplicationoftheAutomaticTrainOperationonShanghaiMaglevDemonstrationLine.UrbanMassTransportationResearch,2004(4):10-14.JiashengShao.TheDiscussionontheFactorsAffectthesafetybrakingoftheATOSystem.RailwayCommunicationSignal,2005(8):13-14.QiangunNiu,JixiangTang.