CN111274753A - 一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置及方法，该装置包括列车仿真驾驶台模块、实时控制系统模块、信号调理模块和被测车载信号系统，所述的实时控制系统模块包括实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器；所述的列车仿真驾驶台模块与实时控制器连接，所述的实时控制器分别通过可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器与信号调理模块连接，所述的信号调理模块与被测车载信号系统连接；所述的装置采用实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器来模拟仿真编码里程计与信标信号。与现有技术相比，本发明具有定位精度高、可扩展性强等优点。

Description

一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置及方法

技术领域

本发明涉及一种轨道交通设备的模拟仿真技术，尤其是涉及一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置及方法。

背景技术

随着我国轨道交通行业的高速发展，对轨道交通信号系统的安全性、可靠性、稳定性要求越来越高。为了保证轨道交通信号系统的稳定可靠运行，在进行现场工程实施之前，必须要在实验室搭建仿真测试平台，对信号系统进行严格的测试。

编码里程计(或称作速度传感器)与信标作为轨道交通信号系统的重要组成部分，与车载系统共同工作，可以完成列车的测速与定位等功能。在实验室搭建信号系统的仿真测试平台，不可避免地要模拟编码里程计与信标信号。

在现有的技术中，主要有以下几种方式来模拟编码里程计与信标信号：

1)采用全软件的方式来模拟编码里程计与信标的信号，这种方式只适用于对车载部分软件的测试，无法对整个车载信号系统尤其是用作测速定位的硬件板卡进行测试，有一定的局限性。

2)采用真实的编码里程计和信标。这种方式需要利用电机驱动等方式来带动编码里程计的旋转以此模拟列车的运动，利用真实的信标加应答器天线来模拟列车的定位信号，但这种方式价格昂贵，占用空间大，里程计与应答器之间协作困难，操作复杂。还有一种应答器天线必须要与信标之间有相对运动才能产生定位信号，当应答器停在信标正上方时并不产生定位信号，这个时候还要开发运动控制平台来模拟二者之间的相对运动，系统非常复杂，且精度不高。同时，采用这种方式，如果我们要模拟编码里程计或应答器天线的故障，可能要破坏编码里程计和应答器天线，成本极高，效果却不好。

3)采用两个独立的装置分别模拟编码里程计与信标，二者之间并没有硬件上的连接，只通过软件来进行二者的同步。众所周知，测速定位是轨道交通信号系统的基础，较高的定位精度对列车的自动防护和自动驾驶至关重要，而信号系统的测速和定位是通过编码里程计和信标共同完成的。这种只通过软件同步的仿真方式很难保证模拟出来的编码里程计和信标信号具有很高的精度，从而影响对信号系统测速定位功能的测试。

同时，由于国内轨道交通信号系统厂家很多，各个厂家所使用的编码里程计与信标不尽相同，如何在室内实现一种高精度、成本低、可扩展性强、通用的编码里程计与信标的仿真方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、可扩展性强的轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置及方法，摒弃真实的编码里程计与信标，采用实时控制器、可编程高速数字IO卡、可编程任意波形发生器来模拟仿真编码里程计与信标信号，进而集成进仿真测试平台用于轨道交通信号系统的测试。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，包括列车仿真驾驶台模块、实时控制系统模块、信号调理模块和被测车载信号系统，所述的实时控制系统模块包括实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器；所述的列车仿真驾驶台模块与实时控制器连接，所述的实时控制器分别通过可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器与信号调理模块连接，所述的信号调理模块与被测车载信号系统连接；

所述的装置采用实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器来模拟仿真编码里程计与信标信号，进而集成进仿真测试平台用于轨道交通信号系统的测试。

优选的，所述的列车仿真驾驶台模块为真实驾驶台或者软件虚拟驾驶台，用于模拟司机操作司控器手柄，提供一个加速度源，为后面的实时控制系统模块计算编码里程计与信标信号提供一个输入源。

优选的，所述的实时控制系统模块还包括普通IO板卡和模拟量采集板卡，所述的普通IO板卡和模拟量采集板卡分别与被测车载信号系统连接。

优选的，所述的可编程高速数字IO模块设有32路通道，其中使用14路通道，剩下的通道作为扩展，其中14路通道分别为：一个编码里程计共有四路信号，加上两路toploc信号，一路信标触发脉冲信号，一共是7路信号，一辆列车上需要在车头车尾上各安装一个编码里程计，一共需要14路通道。

优选的，所述的加速度来源有两个，当手动模式时候，加速度来源于列车仿真驾驶台模块；非手动模式时候，加速度来源于被测车载信号系统的车载控制器。

一种采用所述的轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置的方法，包括以下步骤：

1)初始化过程：读取线路地图，并对所述的高速数字IO模块和任意波形发生器进行初始化；

2)本周期开始，所述的实时控制器从仿真驾驶台模块获取加速度并计算出本周期位移；

3)所述的实时控制器根据上一步计算出来的位移除以齿距，换算成本周期应该产生的编码里程计脉冲个数，根据脉冲个数编辑出对应的编码里程计波形存储在高速数字IO模块的板载内存上；

4)根据位移计算本周期列车经过的位置，然后根据线路地图查询本周期列车是否会经过信标，如果不经过信标，则任意波形发生器不做处理；如果经过信标，则编辑出对应的信标波形存储在任意波形发生器的板载内存上；同时在本周期信标的位置利用可编程高速数字IO模块的一个输出通道输出一个上升沿，用来触发该位置信标的输出；

5)本周期结束，下个周期开始，循环往复。

优选的，所述的高速数字IO模块根据主周期算出的波形并行持续不断的输出编码里程计的波形，同时任意波形发生器在经过信标的位置会根据触发信号输出对应的信标报文。

优选的，本周期除不尽的位移应累积到下一个主周期继续参与计算，本周期除不尽的位移为不足一个齿的位移。

优选的，缓存两个周期的波形，即本周期计算出的波形在两个周期之后输出。

优选的，等到编码里程计的波形输出的同时产生了对应的信标触发信号之后，信标就会立即输出，从而保证里程计和信标的同步性，从而保证输出波形的精度在一个齿距之内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、定位精度高：由于信标只是布置在线路的固定位置上，只有当列车上的应答器天线经过信标上方一定范围的时候，才会产生定位信号；本发明的仿真技术中，先准备好应答器波形，同时在模拟编码里程计的高速数字IO卡上专门用一个输出通道来产生信标触发信号，在里程计波形持续产生的同时，有信标的地方也会同时产生一个触发信号，任意波形发生器模块接收到这个触发信号之后就会立即产生准备好的信标报文波形，从而做到里程计和信标的同步。所以本仿真技术产生的波形具有很高的定位精度，从而能够更好地对信号系统进行测试。经过测试，本仿真方法所仿真信号的定位精度能够达到mm级别。

2、可扩展性强。由于采用的是可编程的高速数字IO模块和任意波形发生器模块来模拟编码里程计与信标信号，因此很容易修改部分代码来适应不用厂家的不同编码里程计与信标的波形。同时信号调理模块也可以根据不同厂家的波形特点进行定制，以产生符合要求的波形。

3、能够模拟现场各种场景，故障注入功能强大。在实际线路上，编码里程计会产生空转打滑等场景，会有齿数齿号不一致的故障，会有某路里程计信号失效等故障；应答器天线会有受到干扰的情况，会有车载控制器接收到的报文不正确等故障。本仿真方法由于是采用可编程的模块来模拟编码里程计与信标，因此可以很容易模拟上述场景与故障。

4、成本低，占用空间小，操作方便。本发明硬件只有一个实时控制器机箱，一个信号调理模块，一个仿真驾驶台模块，相比于应用真实的里程计和应答器模块来模拟，本方法成本低，占用空间小，操作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，包括列车仿真驾驶台模块1、实时控制系统模块2、信号调理模块3和被测车载信号系统4，所述的实时控制系统模块2包括实时控制器21、可编程高速数字IO模块22、可编程任意波形发生器23；所述的列车仿真驾驶台模块1与实时控制器21连接，所述的实时控制器21分别通过可编程高速数字IO模块22、可编程任意波形发生器23与信号调理模块3连接，所述的信号调理模块3与被测车载信号系统4连接；

所述的装置采用实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器来模拟仿真编码里程计与信标信号，进而集成进仿真测试平台用于轨道交通信号系统的测试。

所述的实时控制系统模块2还包括普通数字IO板卡24和模拟量采集板卡25，所述的普通数字IO板卡24和模拟量采集板卡25分别与被测车载信号系统4连接。

列车仿真驾驶台模块：可以采用真实的驾驶台，也可以采用软件虚拟驾驶台。该模块主要用来模拟司机操作司控器手柄，提供一个加速度源，为后面的实时控制系统模块计算编码里程计与信标信号提供一个输入源。

实时控制系统模块：包含一个实时控制器，一个32路可编程高速数字IO模块，一个可编程任意波形发生器以及其他板卡。该模块是该仿真方法的核心模块，下面分步进行详细说明：

1)初始化过程。读取线路地图，对高速数字IO模块和任意波形发生器进行初始化，

2)本周期开始。实时控制器从仿真驾驶台获取加速度并计算出本周期位移，注意该加速度在非手动模式下来源于车载控制器。

3)软件根据上一步计算出来的位移除以齿距，换算成本周期应该产生的编码里程计脉冲个数，根据脉冲个数编辑出对应的编码里程计波形存储在高速数字IO模块的板载内存上。注意为了保证高精度，本周期除不尽的位移(不足一个齿)应累积到下一个主周期继续参与计算。同时为了保证高速数字IO模块输出波形的连续性和触发信标的准确性，这里缓存两个周期的波形，也就是本周期计算出的波形在两个周期之后输出。

4)根据位移计算本周期列车经过的位置，然后根据线路地图查询本周期列车是否会经过信标，如果不经过信标，则任意波形发生器不做处理。如果经过信标，则编辑出对应的信标波形存储在任意波形发生器的板载内存上。同时在本周期信标的位置利用可编程高速数字IO模块的一个输出通道输出一个上升沿，用来触发该位置信标的输出。虽然信标报文在本周期已经计算好并存储在任意波形发生器的板载内存上，但并不会立即输出，等到编码里程计的波形输出的同时产生了对应的触发信号之后，信标就会立即输出，从而保证里程计和信标的同步性，这样可以保证本方法输出波形的精度在一个齿距之内，因此可以达到很高的仿真精度。

5)本周期结束，下个周期开始，循环往复。

6)高速数字IO模块根据主周期算出的波形并行持续不断的输出编码里程计的波形，同时任意波形发生器在经过信标的位置会根据触发信号输出对应的信标报文。

信号调理模块：由于上述高速数字IO模块输出的是5V的单端信号，任意波形发生器产生的波形是电压幅值可配置的单端信号，而不同的厂家所需要的波形特征各不相同，如幅值不同，如有的是单端信号，有的是差分信号，所以这里使用一个信号调理模块能对上一步产生的波形按需进行调理，从而产生需要的波形输出至被测车载控制器。由于此模块独立，所以很容易按需重新开发并替换，可扩展性强。

本例以Hasler的编码里程计和欧标应答器天线为例，来说明本发明的编码里程计与信标的仿真方法的具体实现过程。

Hasler的编码里程计的特点是一个里程计包含4路信号，前三路是相位差为120度的三路脉冲，第四路是一串固定的码流。欧标应答器天线的特点是天线在信标上方的一定范围内都有定位信号，但在信标中心点的正上方会产生两个Toploc信号用来精确定位。

这里假设在本周期的某个位置有一个信标，以此假设按照上图2的步骤来说明本发明的具体实现过程。

步骤S1，程序进行初始化，加载线路地图，并将列车放在线路地图的一个初始位置上。

步骤S101，高速数字IO卡进行初始化，高速数字IO卡一共有32路，一个编码里程计共有四路信号，加上两路toploc信号，一路信标触发脉冲信号，一共是7路信号，一辆列车上需要在车头车尾上各安装一个编码里程计，一共需要14个通道，剩余的通道作为扩展用。

步骤S102，任意波形发生器初始化，配置任意波形发生器的输出方式为外部上升沿触发方式。

步骤S2，第N个周期开始，这是程序的主周期。在主周期中主要完成列车位置计算，检查列车是否经过信标，编辑对应的编码里程计和信标的波形，存储在对应板卡的板载内存上。

步骤S3，根据加速度计算本周期的速度和位移，这些都是基本的动力学运算，为后续计算编码里程计和信标做准备。这里的加速度来源有两个，当手动模式时候，加速度来源于仿真驾驶台；非手动模式时候，加速度来源于车载控制器。

步骤S4，根据位移和齿距计算本周期应该输出的编码里程计脉冲个数，注意，为了保证高精度，不足一个齿的部分不能舍弃，要参与到下一个周期的计算。

步骤S5，根据线路地图，结合本周期列车的位移计算出本周期列车经过的位置。因为线路地图中会存储所有信标的位置，只有计算出本周期列车经过的位置，才能判断本周期列车是否经过信标。

步骤S6，根据本周期列车经过的位置和线路地图中的位置作对比，判断本周期是否经过信标，如果不经过信标，进入步骤S7；如果经过信标，进入步骤S8和S9。

步骤S7，根据S4步骤算出的脉冲个数，编辑出编码里程计的波形，存储在高速数字IO板卡的板载内存上。这种情况是本周期不经过信标的场景，所以不需要编辑对应的信标触发信号，只需要编辑对应的编码里程计的波形即可。

步骤S8，如果本周期有信标，编辑出对应的信标波形存储在任意波形发生器的板载内存上，注意这里不会立即输出这个信标波形，要等到对应的编码里程计波形输出到这个信标的位置时候，给出一个触发信号，任意波形发生器才会输出信标波形。也就是信标波形提前准备好一直在等待这个触发信号，这样才能保证很高的精度。这也是编码里程计波形要缓存两包波形数据的原因。不然会出现信标波形都还没有准备好，触发信号已经发出去的情况。

步骤S9，根据S4步骤算出的脉冲个数，编辑出编码里程计的波形，存储在高速数字IO板卡的板载内存上。这种情况是本周期经过信标的场景，所以需要在信标中心点位置(这个中心点的位置对应着编码里程计的某个齿也就是本周期的某个脉冲)输出两路Toplpc信号和一路信标触发信号，存储在高速数字IO卡的板载内存上。由于高速数字IO卡的不同通道用的都是同一个时钟，所以32个通道都是同步的，所以很容易编辑出对应的波形。且高速数字IO卡的路数较多，方便扩展，以适应不同厂家的不同编码里程计的波形。

步骤S10，这个步骤根据前面持续不断送过来的波形连续输出对应的编码里程计的波形，但这里需要缓存两包，也就是第N个主周期编辑的波形要在两个主周期之后即第N+2个主周期时候再输出。一方面为了保证高速数字IO卡上储存的波形永远不会空，从而保证编码里程计波形的连续性，因为实际现场车载时时刻刻可以采集到编码里程计的波形，即使车静止不动，也会有固定的波形；另一方面，保证在信标波形没有准备好之前，信标触发信号不会提前输出。因为主周期一般为100ms，两个主周期的延时输出对信号系统不会有影响，且实际现场列车模型也会有一定的延时。

步骤S11，这个步骤是将前面编辑好的信标波形在收到触发信号时候立即输出，信标波形的输出和里程计是不一样的，里程计是持续不断地输出，而信标是触发输出，就是只有在里程计波形输出到某个地方有触发信号的时候才会输出。

以上示例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，譬如有的信号系统厂家用的测速设备不叫编码里程计，可能叫速度传感器等，所有和轨道交通信号系统测速定位相关的设备理论上都可以使用本发明的技术来仿真实现。有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变型，因此所有等同技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权力要求所限定。

Claims (10)

1.一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，其特征在于，包括列车仿真驾驶台模块、实时控制系统模块、信号调理模块和被测车载信号系统，所述的实时控制系统模块包括实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器；所述的列车仿真驾驶台模块与实时控制器连接，所述的实时控制器分别通过可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器与信号调理模块连接，所述的信号调理模块与被测车载信号系统连接；

所述的装置采用实时控制器、可编程高速数字IO模块、可编程任意波形发生器来模拟仿真编码里程计与信标信号，进而集成进仿真测试平台用于轨道交通信号系统的测试。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，其特征在于，所述的列车仿真驾驶台模块为真实驾驶台或者软件虚拟驾驶台，用于模拟司机操作司控器手柄，提供一个加速度源，为后面的实时控制系统模块计算编码里程计与信标信号提供一个输入源。

3.根据权利要求1所述的一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，其特征在于，所述的实时控制系统模块还包括普通数字IO板卡和模拟量采集板卡，所述的普通数字IO板卡和模拟量采集板卡分别与被测车载信号系统连接，用以模拟仿真车载信号系统的其他功能。

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，其特征在于，所述的可编程高速数字IO模块设有32路通道，其中使用14路通道，剩下的通道作为扩展，其中14路通道分别为：一个编码里程计共有四路信号，加上两路toploc信号，一路信标触发脉冲信号，一共是7路信号，一辆列车上需要在车头车尾上各安装一个编码里程计，一共需要14路通道。

5.根据权利要求2所述的一种轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置，其特征在于，所述的加速度来源有两个，当手动模式时候，加速度来源于列车仿真驾驶台模块；非手动模式时候，加速度来源于被测车载信号系统的车载控制器。

6.一种采用权利要求1所述的轨道交通编码里程计与信标的模拟仿真装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化过程：读取线路地图，并对所述的高速数字IO模块和任意波形发生器进行初始化；

2)本周期开始，所述的实时控制器从仿真驾驶台模块获取加速度并计算出本周期位移；

3)所述的实时控制器根据上一步计算出来的位移除以齿距，换算成本周期应该产生的编码里程计脉冲个数，根据脉冲个数编辑出对应的编码里程计波形存储在高速数字IO模块的板载内存上；

4)根据位移计算本周期列车经过的位置，然后根据线路地图查询本周期列车是否会经过信标，如果不经过信标，则任意波形发生器不做处理；如果经过信标，则编辑出对应的信标波形存储在任意波形发生器的板载内存上；同时在本周期信标的位置利用可编程高速数字IO模块的一个输出通道输出一个上升沿，用来触发该位置信标的输出；

5)本周期结束，下个周期开始，循环往复。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的高速数字IO模块根据主周期算出的波形并行持续不断的输出编码里程计的波形，同时任意波形发生器在经过信标的位置会根据触发信号输出对应的信标报文。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，本周期除不尽的位移应累积到下一个主周期继续参与计算，本周期除不尽的位移为不足一个齿的位移。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，缓存两个周期的波形，即本周期计算出的波形在两个周期之后输出。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，等到编码里程计的波形输出的同时产生了对应的信标触发信号之后，信标就会立即输出，从而保证里程计和信标的同步性，从而保证输出波形的精度在一个齿距之内。

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