CN105448157A - 一种通用型列车模拟驾驶系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用型列车模拟驾驶系统及方法，该系统包括：驾驶台，该驾驶台包括触控模块及司机控制器，触控模块用于模拟运行不同型号列车的驾驶操作界面，司机控制器能够更换；信号转换模块，用于将司机控制器的输出信号转换为数字信号发送给列车控制及防护模块；列车控制及防护模块，用于根据该数字信号、触控模块及仿真模块的输出信号确定列车运行方式和控制命令；仿真模块，用于利用自身预存的列车及线路基础数据、触控模块的输出信号、列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，并输出列车运行信息；显示模块，用于根据列车运行信息显示列车运行的虚拟场景。本发明解决了列车模拟驾驶系统的通用性问题。

Description

一种通用型列车模拟驾驶系统及方法

技术领域

本发明涉及列车模拟驾驶技术领域，尤其涉及一种通用型列车模拟驾驶系统及方法。

背景技术

截止2014年10月26日，中国高铁总里程达到12000公里，“四纵”干线基本成型。中国高速铁路运营里程约占世界高铁运营里程的50％，稳居世界高铁里程榜首。

从我国城市轨道交通行业发展现状来看，近几年我国城市轨道交通保持快速发展势头，“十二五”前四年已完成投资8600亿元，建成1600公里，2015年作为“十二五”收官之年，预计要完成3000亿元，建成400公里。同时，按照2020年总里程达到6000公里计算，“十三五”期间每年要完成500公里，保持快速发展趋势。

我国快速发展的轨道交通对列车驾驶员需求量越来越大，并且对列车驾驶员驾驶技能也提出了更高的要求。模拟驾驶培训是提高列车司机驾驶技能的一个重要手段。同一列车在相同运行环境下，因机车司机的操作方法不同会导致能源消耗不同。若机车司机熟悉运行线路，牵引和制动时机选择比较恰当，能量消耗将相对较低。同时列车的平稳操作有利于减少列车所受的冲击力，也有利于减轻机车和车辆的磨损。

由于我国列车型号众多，一个司机培训中心需要配套多台多种型号的模拟驾驶系统，以满足列车驾驶员培训的需求。现有的列车模拟驾驶台多数都是参照特定型号列车的驾驶台的布局，由各种按钮、仪表和开关或者液晶显示屏组成。这类模拟驾驶台采用的多是固定实物操作按钮，其各种模块是固定的，只能针对某一种车型进行单一化培训，难以进行更换和更新，导致成本较高。

例如，我国机车包括电力机车、内燃机车和动车组等多种形式，仅和谐号动车组就分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等不同型号，各型号机车的司机驾驶台功能布置有很大差异。常见的模拟驾驶台均参照实际驾驶台设计实现，仅仅可以培训某一型号机车司机的驾驶操作，同时全实物的模拟驾驶台的成本比较高，而且如果某一型号的机车驾驶台更新或淘汰后，相应的模拟驾驶台就无法继续使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用型列车模拟驾驶系统及方法，解决现有技术中模拟驾驶台无法通用导致成本高、不利于更换和更新的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种通用型列车模拟驾驶系统，包括驾驶台、信号转换模块、列车控制及防护模块、仿真模块和显示模块；

所述驾驶台包括台体和设置在所述台体上的触控模块及司机控制器，所述触控模块用于模拟运行不同型号列车的驾驶操作界面，所述司机控制器可拆卸地设置在所述台体上，且所述台体能够更换不同型号列车的司机控制器；

所述信号转换模块用于将所述司机控制器的输出信号转换为数字信号后发送给所述列车控制及防护模块；

所述列车控制及防护模块用于根据转换后的所述数字信号、所述触控模块的输出信号和所述仿真模块的输出信号，确定列车运行方式和控制命令，并发送给所述仿真模块；

所述仿真模块用于根据自身预存的列车及线路基础数据、所述触控模块的输出信号、和所述列车控制及防护模块确定的列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，输出列车运行信息；

所述显示模块用于根据所述列车运行信息显示列车运行的虚拟场景。

优选地，所述触控模块运行的模拟界面包括模拟按钮、模拟开关和人机交互界面，并将触控信息输出给所述列车控制及防护模块及所述仿真模块。

优选地，所述信号转换模块包括电气转换单元和可编程逻辑控制单元，所述电气转换单元用于将所述司机控制器输出的电压信号转换为电流信号，并发送给所述可编程逻辑控制单元，所述可编程逻辑控制单元用于将所述电流信号从模拟信号转换为数字信号，并发送给所述列车控制及防护模块；

或者，所述信号转换模块将所述司机控制器输出的编码器信号转换为数字信号，并发送给所述列车控制及防护模块。

优选地，所述仿真模块根据以下公式建立列车运行仿真模型：

$m\frac{v(k+1)-v\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}T}=F\left(k\right)-r\[v\left(k\right)\]+G\[x\left(k\right)\]$

其中，m为列车质量，ΔT为采样间隔，v(k)为k时刻的列车运行速度，v(k+1)为k+1时刻的列车运行速度，x(k)为k时刻的列车运行位置，F(k)为k时刻的列车牵引力，r[v(k)]为k时刻的列车运行基本阻力，G[x(k)]为k时刻的坡道重力分量。

优选地，所述仿真模块根据自身预存的列车及线路基础数据计算k时刻的列车运行基本阻力r[v(k)]，并根据以下公式计算k时刻的坡道重力分量G[x(k)]：

G[x(k)]＝m·g·i

其中，m为列车质量，g为重力常数，i为坡度千分数值。

优选地，所述列车及线路基础数据包括车站名称、线路长度、坡度、曲线半径、列车编组、列车长度、自重、载重、牵引特性参数、制动特性参数、基本阻力参数和附加阻力参数。

优选地，所述列车控制及防护模块采用工业控制芯片的三取二冗余结构设计，并通过串行接口连接至所述仿真模块。

优选地，所述显示模块采用三维虚拟仿真软件实现列车运行的虚拟场景的显示。

优选地，所述触控模块包括多个触控一体机，多个所述触控一体机分别设置在所述司机控制器的周围。

一种通用型列车模拟驾驶方法，包括以下步骤：

定时获取司机控制器的输出信号，并传送给信号转换模块；

所述信号转换模块将获得所述司机控制器的输出信号转化为数字信号并发送给列车控制及防护模块；

所述列车控制及防护模块根据转换后的数字信号、触控模块的输出信号和仿真模块的输出信号，确定列车运行方式和控制命令，并发送给所述仿真模块；

所述仿真模块利用自身预存的列车及线路基础数据、所述触控模块的输出信号、和所述列车控制及防护模块确定的列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，输出列车运行信息；

显示模块根据所述列车运行信息显示列车运行的虚拟场景。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的通用型列车模拟驾驶系统只有司机控制器为实物，其他按钮和开关等均通过触控模块采用软件模拟实现。为了进一步满足通用性要求，司机控制器也可以采用软件模拟实现。所述通用型列车模拟驾驶系统采用全虚拟操作界面和可更换的司机控制器，能够便捷操作并适应多种列车型号，在满足司机惯性操作的同时设计出更利于升级改造的适应型辅助驾驶台，有效提高了系统的使用性能，拓宽了系统的应用场景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明所提供的通用型列车模拟驾驶系统的结构示意图；

图2是本发明所提供的通用型列车模拟驾驶系统的操作流程图；

图3是依照本发明一种实施例的通用型列车模拟驾驶系统的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明首先提供了一种通用型列车模拟驾驶系统，如图1所示，该系统包括驾驶台1、信号转换模块2、列车控制及防护模块3、仿真模块4和显示模块5；

其中，驾驶台1包括台体和设置在所述台体上的触控模块11及司机控制器12，触控模块11用于模拟运行不同型号列车的驾驶操作界面，司机控制器12可拆卸地设置在所述台体上，且所述台体能够更换不同型号列车的司机控制器；

信号转换模块2用于将司机控制器12的输出信号转换为数字信号后发送给列车控制及防护模块3；

列车控制及防护模块3用于根据转换后的所述数字信号、触控模块11的输出信号和仿真模块4的输出信号，确定列车运行方式和控制命令，并发送给仿真模块4；

仿真模块4用于利用自身预存的列车及线路基础数据、触控模块11的输出信号、和列车控制及防护模块3确定的列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，输出列车运行信息；

显示模块5用于根据所述列车运行信息显示列车运行的虚拟场景，根据列车速度和位置进行场景变化。

本发明所提供的通用型列车模拟驾驶系统只有司机控制器为实物，其他按钮和开关等均通过触控模块采用软件模拟实现。为了进一步满足通用性要求，司机控制器也可以采用软件模拟实现。所述通用型列车模拟驾驶系统采用全虚拟操作界面和可更换的司机控制器，能够便捷操作并适应多种列车型号，在满足司机操作习惯的同时设计出更利于升级改造的适应型辅助驾驶台，有效提高了系统的使用性能，拓宽了系统的应用场景。

通过人机交互界面的虚拟场景，由列车驾驶员体验列车的模拟驾驶，能真实地感受列车在运行过程中周围环境的变化，同时通过完成计算机提出的各项任务，在模拟驾驶过程中达到培训教学目的。

本发明中的触控模块11的位置可以根据不同型号列车的需求进行调整，以适应不同列车的驾驶台1的空间布局。通常，触控模块11运行的模拟界面包括模拟按钮、模拟开关和人机交互界面(MMI)等，并将触控信息输出给列车控制及防护模块3及仿真模块4。

驾驶台1上的司机控制器12为实际列车所使用的型号，驾驶台1的台体设计支持各种不同型号的司机控制器。本发明可在仿真模块4中预存不同列车和线路的基础数据和模拟场景，通过软件设置即可实现不同列车在不同场景下的模拟驾驶。

图2是本发明所提供的通用型列车模拟驾驶系统的操作流程图。首先，根据需要选择列车型号并安装司机控制器，然后通过触控模块选择列车型号并切换到相应的驾驶界面，之后仿真模块进行列车及运行环境参数的配置，上述设置完成后，即可启动模拟驾驶系统。

在模拟驾驶过程中，当司机控制器或者驾驶台上的触控模块操作变化时，更新列车的牵引/制动等相关操作，并更新列车的运行状态，然后通过显示模块更新场景显示，完成模拟驾驶过程。

优选地，如图3所示，信号转换模块2包括电气转换单元21和可编程逻辑控制单元22，电气转换单元21用于将司机控制器12输出的电压信号转换为电流信号，并发送给可编程逻辑控制单元22，可编程逻辑控制单元22用于将所述电流信号从模拟信号转换为数字信号，并发送给列车控制及防护模块3；

或者，信号转换模块2将司机控制器12输出的编码器信号转换为数字信号，并发送给列车控制及防护模块3。

具体地，仿真模块4根据以下公式建立列车运行仿真模型：

$m\frac{v(k+1)-v\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}T}=F\left(k\right)-r\[v\left(k\right)\]+G\[x\left(k\right)\]$

其中，m为列车质量，ΔT为采样间隔，v(k)为k时刻的列车运行速度，v(k+1)为k+1时刻的列车运行速度，x(k)为k时刻的列车运行位置，F(k)为k时刻的列车牵引力，r[v(k)]为k时刻的列车运行基本阻力，G[x(k)]为k时刻的坡道重力分量。

进一步地，仿真模块4根据自身预存的列车及线路基础数据计算k时刻的列车运行基本阻力r[v(k)]，并根据以下公式计算k时刻的坡道重力分量G[x(k)]：

G[x(k)]＝m·g·i

其中，m为列车质量，g为重力常数，i为坡度千分数值。

所述列车及线路基础数据包括车站名称、线路长度、坡度、曲线半径、列车编组、列车长度、自重、载重、牵引特性参数、制动特性参数、基本阻力参数和附加阻力参数。

v(k)和x(k)通常可以取任意时刻的值，也可以从零时刻算起。也就是说，这两个量是已知的，那么根据上述公式即可算出k+1时刻的列车运行速度v(k+1)，根据列车线路基础数据可得出k+1时刻的列车运行位置x(k+1)，从而建立列车运行仿真模型。

需要说明的是，列车动力学模型还可以考虑其他列车阻力，包括曲线轨道阻力和隧道阻力等。仿真模块4根据列车运行仿真模型计算列车速度和位置信息，建立列车运行场景三维模型，通过显示模块5控制场景的动态显示。

在本发明中，显示模块5可以采用三维虚拟仿真软件实现列车运行的虚拟场景的显示。

进一步地，列车控制及防护模块3具有列车速度防护功能。该模块定时更新列车速度防护曲线，根据列车当前速度判断列车是否超速，如果超速则实施报警和紧急制动。

由于不同列车的控制模式设置也不同，列车控制及防护模块3可以根据不同车型实现不同控制模式的转换。当列车具有自动驾驶功能时，列车控制及防护模块3可调用列车控制算法实现列车速度自动追踪。

列车控制及防护模块3可以采用工业控制芯片的三取二冗余结构设计，并通过串行接口连接至仿真模块4。

作为本发明的一种实施方式，如图3所示，触控模块可以包括多个触控一体机11a，多个触控一体机11a分别设置在司机控制器12的周围，并通过网络交换机11b实现数据传输。

本发明还提供了一种通用型列车模拟驾驶方法，该方法包括以下步骤：

定时获取司机控制器的输出信号，并传送给信号转换模块；

所述信号转换模块将获得所述司机控制器的输出信号转化为数字信号并发送给列车控制及防护模块；

所述列车控制及防护模块根据转换后的数字信号、触控模块的输出信号和仿真模块的输出信号，确定列车运行方式和控制命令，并发送给所述仿真模块；

所述仿真模块利用自身预存的列车及线路基础数据、所述触控模块的输出信号、和所述列车控制及防护模块确定的列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，输出列车运行信息；

显示模块根据所述列车运行信息显示列车运行的虚拟场景。

本发明解决了驾驶台的通用性问题，同一个驾驶台体可以实现不同型号列车虚拟驾驶的仿真。本发明中的触控模块可适应不同驾驶台功能需求，通过改变驾驶台界面操作就可以实现不同驾驶台的功能模拟。同时，驾驶台的台体支持不同型号的司机控制器，以适应不同型号列车模拟驾驶需求。本发明中的列车控制及防护模块是一个开放的模块，使用者可以在该模块中测试不同的列车控制算法。

下面结合图3对本发明的具体实施过程进行详细的阐述。

所述通用型列车模拟驾驶系统的驾驶台1由一个HXD2型的司机控制器12和五个触控一体机11a组成。其中，司机控制器12安装在中间偏右的位置，与列车实际安装位置保持一致，并且，司机控制器12安装在一个可拆卸的方形台板内。当需要安装不同型号的司机控制器时，只需更改台板尺寸即可。

位于司机控制器12左边的触控一体机为32英寸触控一体机，该触控一体机的位置可小范围内调整，且可以覆盖司机控制器左侧的大部分空间，以便模拟司机控制器12左侧的按钮等操作单元。司机控制器12右侧采用19.5英寸的触控一体机，该触控一体机的位置可小范围内调整，用于模拟司机控制器右侧的按钮等操作单元。驾驶台1的前上方安装有三台触控一体机，可通过调整这三个触控一体机各自的支架实现三个方向上的位置调节。用于显示三维场景的显示模块5采用65英寸曲面显示器。

数据与算法实现过程如下：

以北京亦庄线为例，控制模式分为联锁、固定闭塞和CBTC三个级别，共六种控制模式I_RM、B_CM、B_AM、C_CM、C_AM。操作者可通过触控一体机界面选择列车控车模式。当控车模式为B_AM和C_AM模式时，列车控制及防护模块3输出列车控制信息，司机控制器12不起作用。当列车处于其他控制模式下，操作者可通过司机控制器12控制列车牵引和制动，实现列车模拟控制。

在人工驾驶模式下，系统执行步骤如下：

1、定时获取司机控制器12输出信号，通过电气转换单元21将所获得的电压信号转换为4～20mA的电流信号，发送给可编程逻辑控制单元(PLC单元)22。

2、可编程逻辑控制单元22将所得模拟信号转换为-1～1区间的数值，或将司机控制器12输出的编码器信号转换为-1～1区间的数值，然后发送给列车控制及防护模块3，将该值映射为列车动力学模型中的列车牵引力或制动力。

3、仿真模块4根据预存的线路和列车的基础数据，计算列车运行基本阻力r[v(k)]和坡道重力分量G[x(k)]，并计算得出v(k+1)和x(k+1)。

4、最后将所得v(k+1)和x(k+1)传输到显示模块5实现三维场景的动态演示。

具体来说，该三维场景包括不同线路、不同天气条件以及不同运营场景等，场景模型包括列车线路、站台和轨旁设备等，可以真实反映实际操作环境。

本发明通过采用全虚拟操作界面和可更换的司机控制器，能够便捷操作并适应多种列车型号，在满足司机操作习惯的同时设计出更利于升级改造的适应型辅助驾驶台，有效提高了系统的使用性能，拓宽了系统的应用场景。通过人机交互界面的虚拟场景，由列车驾驶员体验列车的模拟驾驶，能真实地感受列车在运行过程中周围环境的变化，同时通过完成计算机提出的各项任务，在模拟驾驶过程中达到培训教学目的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，包括驾驶台、信号转换模块、列车控制及防护模块、仿真模块和显示模块；

所述驾驶台包括台体和设置在所述台体上的触控模块及司机控制器，所述触控模块用于模拟运行不同型号列车的驾驶操作界面，所述司机控制器可拆卸地设置在所述台体上，且所述台体能够更换不同型号列车的司机控制器；

所述信号转换模块用于将所述司机控制器的输出信号转换为数字信号后发送给所述列车控制及防护模块；

所述列车控制及防护模块用于根据转换后的所述数字信号、所述触控模块的输出信号和所述仿真模块的输出信号，确定列车运行方式和控制命令，并发送给所述仿真模块；

所述仿真模块用于利用自身预存的列车及线路基础数据、所述触控模块的输出信号、和所述列车控制及防护模块确定的列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，输出列车运行信息；

所述显示模块用于根据所述列车运行信息显示列车运行的虚拟场景。

2.根据权利要求1所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述触控模块运行的模拟界面包括模拟按钮、模拟开关和人机交互界面，并将触控信息输出给所述列车控制及防护模块及所述仿真模块。

3.根据权利要求1所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述信号转换模块包括电气转换单元和可编程逻辑控制单元，所述电气转换单元用于将所述司机控制器输出的电压信号转换为电流信号，并发送给所述可编程逻辑控制单元，所述可编程逻辑控制单元用于将所述电流信号从模拟信号转换为数字信号，并发送给所述列车控制及防护模块；

或者，所述信号转换模块将所述司机控制器输出的编码器信号转换为数字信号，并发送给所述列车控制及防护模块。

4.根据权利要求1所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述仿真模块根据以下公式建立列车运行仿真模型：

$m\frac{v(k+1)-v\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}T}=F\left(k\right)-r\[v\left(k\right)\]+G\[x\left(k\right)\]$

其中，m为列车质量，ΔT为采样间隔，v(k)为k时刻的列车运行速度，v(k+1)为k+1时刻的列车运行速度，x(k)为k时刻的列车运行位置，F(k)为k时刻的列车牵引力，r[v(k)]为k时刻的列车运行基本阻力，G[x(k)]为k时刻的坡道重力分量。

5.根据权利要求4所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述仿真模块根据自身预存的列车及线路基础数据计算k时刻的列车运行基本阻力r[v(k)]，并根据以下公式计算k时刻的坡道重力分量G[x(k)]：

G[x(k)]＝m·g·i

其中，m为列车质量，g为重力常数，i为坡度千分数值。

6.根据权利要求5所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述列车及线路基础数据包括车站名称、线路长度、坡度、曲线半径、列车编组、列车长度、自重、载重、牵引特性参数、制动特性参数、基本阻力参数和附加阻力参数。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述列车控制及防护模块采用工业控制芯片的三取二冗余结构设计，并通过串行接口连接至所述仿真模块。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述显示模块采用三维虚拟仿真软件实现列车运行的虚拟场景的显示。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的通用型列车模拟驾驶系统，其特征在于，所述触控模块包括多个触控一体机，多个所述触控一体机分别设置在所述司机控制器的周围。

10.一种通用型列车模拟驾驶方法，其特征在于，包括以下步骤：

定时获取司机控制器的输出信号，并传送给信号转换模块；

所述信号转换模块将获得所述司机控制器的输出信号转化为数字信号并发送给列车控制及防护模块；

所述列车控制及防护模块根据转换后的数字信号、触控模块的输出信号和仿真模块的输出信号，确定列车运行方式和控制命令，并发送给所述仿真模块；

所述仿真模块利用自身预存的列车及线路基础数据、所述触控模块的输出信号、和所述列车控制及防护模块确定的列车运行方式和控制命令建立列车运行仿真模型，输出列车运行信息；

显示模块根据所述列车运行信息显示列车运行的虚拟场景。