（电力系统及其自动化专业论文）桌面型地铁驾驶仿真系统的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g , j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t l lt h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ed e s k t o pm e t r od r i v i n g s i m u l a t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ： j i n gt a o s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 016 s c h o o l d e p a r t m e n t ： s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g 一一 d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n g 一 m a jo r ：p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f f a n g - - h o n gk o n g v i c es u p e r v i s o r ：p r o f z h e x i o n gx u m a r c h ，2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、 数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位 论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：谰嗜 2 0 fo 年弓月哗日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名：确青争 2o l o 年弓月，牛目 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 随着城市轨道交通运行线路的快速发展，地铁公司每年都需要培训大量的列 车司机，如何快速，高效，安全的培训这些新司机，让这些司机达到上岗标准， 是摆在培训部门面前的重要课题。由于需要培训的司机数量巨大，需要大量的培 训装置，因此低成本、多功能、扩展方便的桌面型地铁驾驶仿真系统是一种很好 的选择。 桌面型地铁驾驶仿真系统完整的结构包括两大部分：列车运行仿真和驾驶环 境仿真。前者又包括列车的逻辑控制系统、列车动力学模拟、牵引计算、列车自 动控制系统等；后者又分为视景仿真、声音仿真、运动仿真。 本文用面向对象的方法对司机控制台、列车自动控制系统( a u t o m a t i ct r a i n c o n t r o l ：a t c ) 的人机接口和列车自动驾驶子系统( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ： a r o ) 进行了模拟仿真。 模拟控制台上器件的外观、位置及操作方法与实际控制台相同，提高了仿真 系统的真实感。 利用双缓冲技术，将a t c 的人机接口以图形化的方式表现出来。其中的运 行页面为司机提供必要的驾驶信息；而在信息输入页面，司机可手动输入目的地 号、乘务组号等信息。 对a t o 系统站问自动驾驶功能进行了仿真。提出将连续的3 个限速区间的 限速趋势进行分类的方法，确定列车的速度距离曲线。仿真结果表明，该方 法能使列车的速度很好地跟随限速曲线。 对a t o 系统自动停站功能进行了仿真。仿真系统通过模拟地面标志线圈的 作用，将各个距离段设置成不同的制动率，最终实现了定点停车功能，停车精度 符合实际要求。 最后，对本文的工作进行了总结，并指出a t o 算法的优化仍是今后研究该 子系统的重点和难点。 关键词：地铁仿真，控制台，自动驾驶 t o n 西iu n i v e r s i t ym a s t e ro fs c i e n c eo f e n g i n e e r i n ga b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a f f i c ，w en e e dt ot r a i nl o t so fd r i v e r s 锄m 谳l y i ti sa l li m p o r t a n tp r o b l e mf o rt r a i n i n gd e p a r t m e n tt h a th o wt ot r a i nt h e s e d r i v e r sf a s t ，e f f i c i e n t l ya n ds a f e l ya n dl e tt h e mo b t a i nt h ep e r m i s s i o nt od r i v es u b w a y t h e n u m b e ro fd i v e r si sl a r g e ，s ow en e e dl o t so f t r a i n i n gd e v i c e s t h ed e s k t o pm e t r o d r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi saw i s ec h o i c ew h i c hi sl o w e r - c o s ta n dm u l t i f u n c t i o n a l 硼1 ed e s k t o pm e t r od r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s o n e i so p e r a t i o ns i m u l a t i o n , t h eo t h e ri se n v i r o m e n ts i m u l a t i o n t h ef o r m e ri n c l u d e st h e t r a i nl o g i cs y s t e m ，t h et a i nm o d e l ，t h et a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ea u t o m a t i ct r a i n o p e r a t i o ns y e t e m 1 1 1 el a t e ri n c l u d e ss c e n es i m u l a t i o n , s o u n ds i m u l a t i o n ，m o v e m e n t s i m u l a t i o ne t c t h i sa r t i c l es i m u l a t e st h ed r i v i n gc o n s o l e ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fa u t o m a t i c t r a i nc o n t r o ls y s t e m ( a t c ) a n dt h ea u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o ns y s t e m ( a t o ) f i r s to fa l l ，t h es w i t c h e s ，l i g h t s ，i n s t r u m e n t so nt h ec o n s o l em o d e lh a v et h es a m e a p p r e a r a n c ea n dp o s i t i o n 嬲w e l la sf u n c t i o nw i t l lt h er e a lt r a i n t h i si m p r o v e st h e s e n s eo fr e a l i t y s e c o n d l y , u s i n gd o u b l e b u f f e r i n g ，t h es i m u l a t e ds y s t e md i s p l a yh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei ng r a p h i c a l l y i ti n d i c a t e sn e c e s s a r yi n f o r m a t i o nt od r i v e r s a l s o ，d r i v e rc a n i n p u td e s t i n a t i o nn u m b e ro rc r e wn u m b e ri ni n f o r m a t i o ns h e e t t h i r d l y , t h i sa r t i c l es i m u l a t e st h ea t o i tp r o p o s e sas p e e d d i s t a n c ec u r v eb y s e p a r a t i n gt h e3a d j a c e n ts p e e dr e s t r i c ti n t o6c a t e g o r i e s t h er e s u l t sp r o v e st h et r a i n s p e e dc a nf o l l o wt h er e s t r i c ts p e e dp r o f i l eq u i t ew e l lu s i n gt h i sm e t h o l d f o u r t h l y , t h i sa r t i c l es i m u l a t e st h ea t o ss t o pa ts t a t i o nf u n c t i o n t h es i m u l a t i o n s y s t e mi m i t a t e st h em a r k e rc o i lo ft h et r a c ks i d e , d i v i d i n gt h eb r a k ec u r v ei n t o d i f f e r e n td e c e l e r a t i o n ，a n dm a k ei t t h er e s u l t st e l l si ts t o p sw i t h i nt h es t o pw i n d o w i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d o p t i m i z i n g t h ec a l c u l a t i o no f a t o 、杌l ls t i l lb et h em o s ti m p o r t a n tp a r t k e yw o r d s ：m e t r os i m u l a t i o n ，c o n s o l e ，a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 课题提出的背景1 1 2 国内外列车仿真系统的发展现状2 1 3 论文的主要研究内容4 第2 章地铁驾驶仿真系统的总体设计5 2 1 地铁驾驶仿真系统的基本类型5 2 2 地铁驾驶仿真系统的结构5 2 3 桌面型地铁驾驶仿真系统的设计方法7 2 4 桌面型地铁驾驶仿真系统的设计思路9 2 5 本章小结1 1 第3 章司机控制台的模拟1 3 3 1 司机室控制台描述：1 3 3 2 司机室控制台的模拟1 6 3 2 1 司机室控制台器件的分类和设计模型1 6 3 2 2 控制台的属性和方法及功能的实现2 0 3 3 司机室控制台模拟的效果2 2 3 4 本章小结2 2 第4 章列车自动控制系统人机接口的模拟2 4 4 1 人机接口在列车自动控制系统中的地位2 4 4 2 人机接口的功能和屏幕区域划分2 5 4 3 人机接口的实现2 9 4 3 1 加i 的流程图2 9 4 3 2h m i 中重要的结构体2 9 4 3 3h m i 显示的关键技术3 0 4 3 4h m i 的最终效果3 1 4 4 本章小结3 3 第5 章列车自动控制系统仿真3 4 5 1a t c 系统概述3 4 5 1 1a t c 系统功能3 4 5 1 2a t c 系统结构3 4 5 2 牵引计算3 8 5 2 1 受力分析3 8 5 2 2 启动与加速过程3 8 u l 同济大学硕士学位论文目录 5 2 3 制动与进站过程3 9 5 3a t p 子系统3 9 5 3 1a t p 系统的结构和功能3 9 5 3 2a t p 系统的建模与设计4 6 5 4a t o 子系统5 l 5 4 1a t o 系统的结构、原理、功能5 l 5 4 2a t o 系统的设计与仿真5 7 5 4 2 1a r o 系统仿真算法5 7 5 4 2 2a t o 系统仿真实现和仿真结果6 0 5 4 2 3a t o 系统仿真工况优化6 2 5 5a r s 子系统6 4 5 5 1a t s 系统的结构、功能和特点6 4 5 5 2a t s 系统的建模与设计6 9 5 6 本章小结7 0 第6 章结论与展望7 l 6 1 结论7 1 6 2 进一步工作方向7 l 致谢7 3 参考文献7 4 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果7 4 w 第一章引言 1 1 课题提出的背景 第1 章引言 随着城市的迅速发展和人口流动性的增大，为了进一步缓解现有交通压力， 人们越来越重视城市轨道交通的作用。具体说来，城市轨道交通相对其他交通方 式的优越性体现在以下几个方面： 1 城市轨道交通运量较大 地铁属于大型运量的公共交通系统，轻轨属于中型运量的公共交通系统，较 之传统的公共电车、汽车和出租车而言，它们的运量要大得多。从每一列车乘坐 人数，每天乘坐的总人次来讲，城市轨道交通相对其他运输方式，是比较典型的 大运量交通方式。这种大运量的交通方式是解决大城市交通拥挤的有效途径之 一o 2 城市轨道交通对环境影响小，单位能耗低 地铁和轻轨主要是采用电力牵引，无化学污染。由于效率较高，故单位能耗 较低。另外，地铁处于地下，环境噪声小。 3 城市轨道交通乘坐舒适、安全 由于现在的城市轨道交通特别是地铁列车，普遍具有自动保护( a u t o m a t i c t r a i np r o t e c t i o n ：a t p ) 、自动驾驶( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ：a t o ) 功能，其安 全性、舒适性以及正点率相对城际铁路有较大的优势。 城市轨道交通事业的迅猛发展，亟需大量的合格列车司乘人员，对列车司机 的驾驶技能也提出了更高的要求，列车司机不但需要精通基本的驾驶技能，还需 要懂得如何处理各类突发事件，掌握列车在非正常情况下的处理等高级驾驶技 能。2 0 0 1 年，在日本举办的国际铁路列车司机培训研讨会上，国际铁路联盟 ( u i c ) 成员一致认为：列车司机及指导员、铁路员工的知识、技能和素质培 训教育在轨道交通事业的发展中必须具有最高的优先性。因此，许多运营部门都 迫切需要对列车司机进行驾驶技术的培训。由于城市轨道交通的高使用率以及安 全性的相关要求，在实际应用中，不可能在已建成的线路上进行长期大量的实地 培训。因此将计算机仿真技术应用到城市轨道交通系统的模拟仿真上就成了一种 合理而必然的发展方向，列车模拟驾驶仿真系统应运而生。 列车模拟驾驶仿真系统是计算机仿真技术和列车动力学相结合的产物，它结 合司机实际操作过程，利用计算机仿真技术，对列车操纵、运行过程以及运行环 境进行模拟。 同济大学硕士学位论文桌面型地铁驾驶仿真系统的研究 列车驾驶仿真器通过仿真列车运行性能、列车驾驶环境来建构一个具有高度 真实感的虚拟驾驶环境。在这样的环境中，既能够进行驾驶技能的培训，也可对 司机进行心理素质的训练。列车驾驶仿真器具有安全、经济、节能、高效等特点。 国外的经验表明，采用列车驾驶仿真器对司机进行培训可提高培训效率3 0 9 6 5 0 9 6 u 1 ，可为列车动力学、优化操纵、舒适度评价、安全驾驶行为等领域的研究 工作提供实验平台。 目前关于地铁列车仿真方面的研究多限于牵引计算基本问题，对于各种限 速、手柄操纵等需要大量现场的第一手资料和经验问题研究的少，因此能够满足 运营单位需求的研究成果不多。关于可视化方面的研究，要么基于图像、视频设 备以获得较好的实时视觉效果，但这需要强大硬件条件的支持；要么把牵引纵向 力学与垂向、横向机车车辆动力学乃至包含受电弓振动系统等综合成规模庞大的 列车运行仿真系统，但这除了昂贵的硬件条件的支持，还需要一个功能强大的软 件平台，一般需要专业软件公司的支撑，系统的开发周期很长，仿真软件也多用 于研究。 鉴于以上两个方面原因，利用最普通的软硬件手段，研究城市轨道交通列车 运行的主要表现，司机和列车的交互，采用适当的算法实现实时列车运行模拟， 成为具有较好的研究意义和应用价值的研究课题。 本论文就是在这样的背景下，选择了桌面型地铁驾驶仿真系统这一课题，在 以往列车牵引计算研究的基础上，利用普通p c 机的软、硬件环境，对司机模拟 驾驶、运行仿真等问题进行深入研究，为大量的、低成本、高效地培训司机提供 可能，对于我国处于发展初级阶段的地铁交通有一定的理论意义和实际价值。 1 2 国内外列车仿真系统的发展现状 在国外，从2 0 世纪7 0 年代开始，美国、澳大利亚、前苏联、南非等国都进 行了重载列车的研究，在这些工作的基础上，美国、澳大利亚、英国、法国等国 家开发出了列车仿真系统乜1 ，并在各国铁路部门得到了广泛的应用。 澳大利亚于2 0 世纪8 0 年代开发了重载列车仿真系统，用于培训重载列车司 机与工程分析。目前，其机车司机普遍采用列车仿真系统进行培训。随着列车不 断更新，各铁路公司不断地更新与购买新型机车的仿真系统。如：昆士兰铁路 ( q u e e n s l a n dr a i l ，q r ) 于2 0 0 1 年向澳大利亚的s y d a e 公司购买两台4 0 0 0 型 机车的仿真系统，合同价值四百万美元。 美国铁路从上世纪八十年代初开始使用t d a 列车仿真系统培训司机和进行 工程分析h 】。1 9 9 7 年研制成功的t d s - 4 0 0 0 型交互式货运列车仿真系统婚1 就是一 2 第一章引言 种针对重载货运列车的仿真系统。 1 9 8 8 年，法国国家铁路开始使用列车仿真器进行司机的培训，其应用范围 不断扩大，并发展了高速列车仿真系统。 1 9 9 7 年，英国不列颠铁路研究中心开发了基于v r 技术列车仿真系统旧。 2 0 0 1 年，英国不列颠铁路购买了法国c o r y s 公司的n e t w o r k e 仿真系统口】， 并将其较早期的仿真器升级用于欧洲之星线路。同年，英国( t r a i n ，so p e r a t i n g c o m p a n i e s ，t o c ) 的成员之一v i g i nt r a i n 在其设在c r e w e 的司机中心安装了三 台新型列车仿真系统；伦敦地铁( u 几) 则花费两百万英镑购买了地铁驾驶仿真 系统嘲。 在欧洲的其它国家，各类列车仿真系统也得到了广泛的应用，如比利时国家 铁路( s n c b ) 使用的s i m t 2 7 型列车仿真系统嗍、丹麦国家铁路( d s r ) 使用 的i c 3 与i r 4 型列车仿真系统、奥地利联邦铁路( o b b ) 使用的1 0 4 4 型列车仿 真系统等。 在亚洲，韩国、日本等城市地下铁路普遍采用仿真系统进行司机的培训与资 格考核。近年来，伊朗、印度等国家也开始采用列车仿真系统进行司机的培训与 考核工作。 我国于上世纪八十年代后期研制成功了列车仿真系统。目前有1 0 0 余套列车 仿真系统在全国铁路的机务与教育部门运行，主要是在列车司机的培训方面发挥 作用。在地铁方面，香港、上海地铁引进了英、德等国生产的地铁仿真系统进行 地铁司机的培训与考核。其它在建或己运营的地铁、轻轨公司也准备购买地铁驾 驶仿真系统，或将其司机送往上海、香港等地进行培训。 通过上述介绍可以看到，在列车司机的培训与工程研究等领域，列车仿真系 统发挥了巨大作用。国外先进的全功能列车仿真系统通常采用分布式体系结构， 计算机图像生成( c o m p u t e rg e n e r a t e di m a g e ，简称c g i ) 方式产生视景，功能趋 向多样化，一套系统可完成司机培训、优化操纵、故障分析、调度与计划仿真等 多种功能。与国外相比，目前国内列车仿真系统的整体技术水平还较低。目前投 入使用的列车仿真系统，视景还普遍采用数字视频方式的生成。仿真器间无法实 现互联，且功能单一，一般仅限于司机培训。只有不断地提高其性能、完备其功 能，才能满足我国发展高速铁路对列车仿真系统的要求。 可见，比起世界上城市轨道交通发达的国家，我国城市轨道交通系统的应用 和研究起步晚，使得本领域内理论研究和产品研发显得相对滞后。我国现有的地 铁系统的信号系统、车辆牵引传动、制动、列车信息控制网络和静止逆变器等大 多从国外进口成套设备，虽然己经建成很多条地铁轻轨线路，但城市轨道交通的 成套技术规范还不完善。这就使得包括城市轨道交通牵引计算在内的各种理论和 3 同济大学硕士学位论文桌面型地铁驾驶仿真系统的研究 应用系统的研究成为一个非常迫切的问题。但如果通过实际实验来对其系统的效 果和性能进行评价和检测，无论从时间和经济方面，都是一个巨大的浪费，而且 安全性也没有保证。所以用计算机模拟的方法建立列车运行实验平台，对列车运 行研究和司机培训具有十分重要的意义。 1 3 论文的主要研究内容 桌面型地铁驾驶仿真系统由司机控制台、车载系统的人机界面、列车运行仿 真系统、视景系统、声音系统等组成。本论文对其中的前三项进行了深入研究。 司机控制台是模拟真实司机室的操纵台，其按钮、开关、指示灯、仪表的分布几 乎完全按照真实的司机室操纵台布置，各个元件的功能也最大程度地进行了模 拟。人机界面的作用是：给司机提供驾驶列车必要的信息，并将这些信息以易看 易接受的图形方式表示出来，司机按照这些信息，可以安全、合理的驾驶列车。 列车运行仿真系统模拟了列车速度防护功能如安全停车点的防护，和列车的自动 运行，包括如何通过限速区间，如何定点停车和如何优化节能。 在章节的编排上，本文首先给出桌面型模拟器的总体设计，包括设计采用的 方法和设计的思路，然后根据先后顺序分别介绍和模拟实现司机控制台、车载系 统的人机接口和列车运行仿真系统。其中，列车运行仿真系统又分为三个不同的 子系统展开：列车自动保护子系统、列车自动运行子系统、列车自动监控子系统。 最后，对本文所做的工作进行了总结并指出其中有待改进的部分，希望后来人继 续深入地研究，为我国轨道交通事业国产化贡献自己的力量。 4 第二章地铁驾驶仿真系统的总体设计 第2 章地铁驾驶仿真系统的总体设计 2 1 地铁驾驶仿真系统的基本类型 地铁驾驶仿真系统( 也叫列车驾驶仿真器) 需要完成两类仿真任务：列车运 行性能仿真和驾驶环境仿真。性能仿真部分主要实现列车逻辑控制系统、列车动 力学、牵引计算、车载信号系统等与列车运行内容相关的仿真；驾驶环境仿真则 从视觉、听觉、触觉、运动感受等方面模拟列车真实运行时的驾驶环境，令使用 者仿佛身临其境，达到最佳培训效果。 根据地铁驾驶仿真系统的规模与仿真的程度，可将其分为三种基本类型： 桌面型地铁驾驶仿真系统( d e s k t o pd r i v es i m u l a t o r , d d s ，又称桌面型驾驶仿真 器) 、多功能仿真器( m u l t i f u n c t i o ns i m u l a t o r ，m f s ) 和全功能仿真器( f u l l m i s s i o ns i m u l a t o r , f m s ) 。 桌面型驾驶仿真器( d d s ) 是为解决基本驾驶技能的培训而设计的一种结构 简单、经济实用的初级训练仿真器，可采用纯软件方式实现，也可配备最基本的 操纵设备。但由于d d s 配备的硬件资源有限，一般仅能满足运行环境仿真的最低 要求，真实感较差。多功能仿真器( m f s ) 能够满足中、高级驾驶培训的主要需 求，根据配置的不同，会删减部分次要功能以降低系统造价，如在多数的m f s 中不包含运动系统等。全功能仿真器( f m s ) 结构复杂、功能完备，可满足几乎 所有的驾驶训练需求，无论在性能仿真方面，还是驾驶环境仿真方面，逼真度 都最高，当然f m s 的成本也最高。 2 2 地铁驾驶仿真系统的结构 地铁驾驶仿真系统是一种典型的人在回路仿真( m a ni nl o o ps i m u l a t i o n ， m i l s ) 系统，受训司机作为一个环节包含在仿真系统中，见图2 1 。 地铁驾驶仿真系统中主要包含了列车行为仿真与操纵环境仿真两部分。列车 行为仿真通过列车动力学数字仿真模型实现。目前在这方面的研究己比较成熟， 列车仿真系统的研究重点已转向提高操纵环境仿真的逼真度嘲、系统的多功能化 等方面h 1 。操纵环境仿真包括对真实驾驶环境中视觉、听觉、动感的仿真，分别 通过视景仿真系统、声音仿真系统、运动仿真系统来实现。 在有些列车仿真系统中还包含了电气柜等机车上的实物，可实现电气故障的 仿真。这类系统可视为一种硬件在回路仿真( h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n , h i l s ) 5 同济大学硕士学位论文桌面型地铁驾驶仿真系统的研究 系统，又称半实物仿真。h i l s 是仿真技术中置信度最高的一种仿真方法嗍。 l 列车动力学数字仿真模型i ji i 操纵台及输入系统l 1 l r i 操纵行为评价模型 l 操纵行为 卜- 一 视觉效果 卜- 一 听觉效果 动感效果 图2 1 列车仿真系统_ 人在回路仿真系统 由于桌面型驾驶仿真器( d d s ) 和多功能仿真器( m f s ) 这两类列车驾驶仿 真器可通过对全功能仿真器( f m s ) 的结构简化得到，并且为了让读者对地铁驾 驶仿真系统能有全面、直观的认识，这一节将以全功能仿真器( f m s ) 为例，介 绍地铁驾驶仿真系统的结构。 典型的全功能仿真器( f m s ) 基本结构如图2 2 所示。f m s 通常采用分布式 体系结构，由多个仿真计算节点组成，分别完成列车性能仿真、数据采集及输出 控制、视景仿真、声音仿真、运动控制等功能。这些节点通过快速高速以太网 连接，采用基于t c p 或u d p 的通讯协议进行实时数据交换。 局域网 图2 2 典型的全功能仿真器的基本结构 6 第二章地铁驾驶仿真系统的总体设计 下面简述各个组成部分n 伽： 1 ) 视景模拟子系统。该系统主要由视景生成和视景显示两部分组成。视景 生成由计算机生成图形，利用图形学原理生成列车行车线路及场景；视景显示由 单通道或多通道的投影仪和屏幕组成。 2 ) 声音模拟子系统。用于产生司机室内部噪声，尤其是与列车故障有关的 一些声音，要求较高的逼真度。扬声器布置在司机室内。 3 ) 运动仿真。用于模拟真实驾驶环境中的运动感受。 4 ) 计算机系统。由多台计算机组成局域网，形成分布式体系结构，完成各 子系统的模型计算和控制任务。 5 ) 司机室和司机操纵台。全功能列车模拟器的司机室与真实的列车司机室 有完全相同的外形与尺寸，室内所有的设备与真实列车的一样，可以说是真实 司机室的复制品。列车模拟器部分功能采用真实的司机操纵台，也就是说全功能 列车模拟器司机的操纵界面是真实的。 6 ) 输入输出子系统。负责将司机的操作行为数字化后输入系统，并完成仪 表、指示灯等输出控制。 7 ) 教员监控台以及内部通讯系统。教员在台上指挥和控制司机培训的全过 程，如课程设置、司机操作行为的评价。通讯系统包括司机室内闭路电视( 用以 观察司机培训的全过程) 和司机室与教员监控台之间的双向通讯设备。教员可 模仿系统调度员、另一列车司机或旅客与司机进行通话。 8 ) 训练观摩台。有多台监视器供观摩人员观看培训过程。 9 ) 机器间有多台机柜，集中了计算机、电源等硬件设备。 2 3 桌面型地铁驾驶仿真系统的设计方法 面向过程程序设计缺点的根源在于数据与数据处理分离，而面向对象程序 设计( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 方法正是克服这个缺点，同时吸纳 结构化设计思想的合理部分而发展起来的，这两种思想并非对立关系。面向对 象设计思想模拟自然界认识和处理事物的方法，将数据和对数据的操作方法放 在一起，形成一个相对独立的整体一对象( o b j e c t ) ，对同类型对象抽象出共 性，形成类( c l a s s ) 。任何一个类中的数据都只能用本类自有的方法进行处理， 并通过简单的接口与外部联系。对象之间通过消息( m e s s a g e ) 进行通信。以下 将就面向对象程序设计中的基本概念和面向对象程序设计的特点作一简单介绍 【l l 】 0 1 基本概念 7 同济大学硕士学位论文桌面型地铁驾驶仿真系统的研究 ( 1 ) 对象 在自然界中，对象是一个常见概念，人们通常将所面对的事物看做具有某 些属性和行为( 或操作) 的对象。例如手表是一个对象，它具有的属性包括表 针、旋钮及复杂的机械结构等，行为包括调节旋钮这样的操作，其中调节旋钮 提供了对外的接口。在手表之外，只能通过这个接口对对象进行操作，而不能 直接调节其内部的机械零件。“在面向对象程序设计中，同样使用对象的概念 描述问题和事物，但更加抽象，含义的范围也更加广泛，可包括有形实体、图 形、甚至抽象概念。如程序设计中的窗口、单击鼠标这样的事件，都可以抽象 为一个对象。对象是组成程序系统的基本单位。 ( 2 ) 类 人们在认识事物时，通常是分类进行的。通过抽象的方法，从一些对象中 概括出此类对象共有的静态特征( 属性) 和动态特征( 行为) ，形成类。类是一 个抽象的概念，用来描述这类对象所共有的、本质的属性和行为。类和对象之 间的关系正如手表和某一块具体的手表之间的关系。手表只是个概念，这个概 念描述了所有手表共有的属性( 包括表针、旋钮、内部结构) 和行为( 调节旋 钮) ，而一块具体的手表则是一个实在的对象。两块手表可能外形不同，但都具 有手表所共有的属性和行为。 ( 3 ) 消息 自然界是由各种各样的对象组成的，这些对象之间通过信息传递产生相互 作用，构成富有生机的世界。人们把对象之间产生相互作用所传递的信息称作 消息。比如汽车和人是两个对象，人启动汽车，就是向汽车发送消息，转动方 向盘，也是发送消息，其中转动的角度是消息中的参数。汽车接收到消息后， 按照消息及其参数执行相应的操作。在面向对象设计的程序中，对象之间的相 互作用也是通过消息机制实现的。 2 “面向对象程序设计的特点 ( 1 ) 封装性 对象是一个封装体，在其中封装了该对象所具有的属性和操作。对象作为 独立的基本单元，实现了将数据和数据处理相结合的思想。此外，封装特性还 体现在可以限制对象中数据和操作的访问权限，从而将属性“隐藏 在对象内 部，对外只呈现一定的外部特性和功能。同样，可以将一个对象中的数据隐藏 起来，而方法定义为开放，那么在这个类之外不能直接引用其中的数据，只能 通过方法达到间接使用数据的目的。就好比不能直接去拨动表针的内部结构， 只能通过旋旋钮实现一样。 封装性增加了对象的独立性，c + + 通过建立数据类型类，来支持封装 8 第二章地铁驾驶仿真系统的总体设计 和数据隐藏。一个定义完好的类一旦建立，就可看成完全的封装体，作为一个 整体单元使用，用户不需要知道这个类是如何工作的，而只需要知道如何使用 就行。另一方面，封装增加了数据的可靠性，保护类中的数据不被类以外的程 序随意使用。这两个优点十分有利于程序的调试和维护。 ( 2 ) 继承和派生 当定义了一个类后，又需定义一个新类，这个新类与原来的类相比，只是 增加或修改了部分属性和操作，这时可以用原来的类派生出新类，新类中只需 描述自己所特有的属性和操作。 新类称为子类或派生类，原来的类称为基类。派生可以一直进行下去，形 成一个派生树。 继承性大大简化了对问题的描述，大大提高了程序的可重用性，从而提高 了程序设计、修改、扩充的效率。 ( 3 ) 多态性 多态性是指同样一个消息，被不同对象接收时，产生不同结果。系统提供 的这种机制主要用在具有继承关系的类体系中。一个类体系中的不同对象可以 用不同方式响应同一消息，并产生不同结果，即实现“同一接口，多种方法”。 继承和多态性的组合，可以很容易地生成一系列虽然类似但独一无二的对 象。继承性使这些对象共享许多相似特征，而多态性使同样的操作对不同的对 象有不同的表现方式。这样既提高了程序的灵活性，又减轻了分别设计的负担。 本文就采用了面向对象的程序设计方法，通过m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 开发 平台实现地铁驾驶仿真系统的模拟n 2 】【1 3 】。 2 4 桌面型地铁驾驶仿真系统的设计思路 相对于全功能仿真器( f m s ) ，桌面型地铁驾驶仿真系统( d d s ) 的设备要 少得多，甚至可以简单到只剩下一台工作站，主要包括主机、显示器等。这台工 作站和教员机通过局域网相互通信，借助附加的摄像头和通讯设备，即可完成列 车运行模拟和驾驶环境模拟。如图2 3 p 7 i ：示。 通过对比前文中图2 2 “典型全功能仿真器的基本结构 和图2 3 “桌面型地 铁驾驶仿真系统的基本结构 ，我们可以发现，在桌面型地铁驾驶仿真系统中， 工作站的显示屏将取代f m s 中的屏幕和投影仪；工作站的音箱将取代f m s 中的扬 声器；工作站的司机控制台界面将取代f m s 中的司机操纵台；工作站的主机则将 完成视景工作站、声音计算机、输入输出计算机的所有功能；而f m s 中的摄像头 和通讯设备会被保留，教员机系统作为一个相对独立的系统也会被保留。 9 同济大学硕士学位论文桌面型地铁驾驶仿真系统的研究 可以看出，桌面型地铁驾驶仿真系统虽设备少，却也包含了视景、声音、司 机室控制台、牵引制动、逻辑控制、车载信号等各个子系统，因此它能模拟列车 正常运行的所有功能，只是这些功能几乎都通过图形界面和数据通信来实现，真 实感没有全功能模拟器强。 司机视景 声音控制台模拟 模拟 模拟图形 界面 界面 ljlji l 监视器l i 诅崩对l i “”“l 教员室 通讯设备通讯设备 r， l 教员机 工作站 j 1， 、， 局域网 图2 3 桌面型地铁驾驶仿真系统的基本结构 对于传统的列车而言，列车控制系统仿真主要是针对机车控制电路而言的。 根据不同需求，可采用半实物仿真和数字仿真的方式来实现。机车电路的半实物 仿真系统将经过改造的机车电器柜作为回路中的一个环节参与仿真。改造后的电 器柜，除可实现正常的机车控制逻辑外，还可进行各类故障设置仿真，以满足 培训要求。数字仿真系统则建立在机车电路的数字仿真模型的基础上，可采用软 件的方式实现。 下面以列车逻辑控制系统为例，阐述仿真系统的设计思路。 在机车控制系统的数字仿真模型中，为实现电路、器件的故障设置，包含了 所有的器件、电路。器件的当前状态由上一时刻状态、其他关联器件或电路的状 态、相关的输入及对应的逻辑计算式决定。完整的机车电路仿真系统会包含数百、 乃至上千状态变量及逻辑计算式。每个仿真周期中，仿真程序读取输入信号，并 按电路的顺序根据逻辑计算式对所有器件状态进行逐一计算，部分状态被输出 作为其他系统的输入或驱动仪表、指示灯等设备。状态变量之间的关系以及逻辑 计算式被存放在机车逻辑数据表中，供仿真程序调用。逻辑数据表可以根据机车 电路图进行调整，对于不同类型的机车，只需重新定义逻辑表即可。状态变量的 1 0 第二章地铁驾驶仿真系统的总体设计 选取决定了机车控制电路仿真中可设置故障的种类与数量。 这样的设计思路也适用于司机控制台的模拟。简单的说，司机控制台模型包 含了控制台上所有的器件，器件的当前状态由上一刻状态、其他关联器件的状态、 司机的操作及对应的逻辑计算式决定。每个仿真周期，程序读取输入信号，并得 出所有器件的状态，部分状态被输出到仪表、指示灯等设备。 随着列车控制新技术在高速列车、动车组、城轨列车中的应用，列车仿真器 需要对诸如列车自动驾驶、列车自动保护、车载网络、各类分布式数据采集、控 制系统等进行仿真。对于这些系统，一般无法完全获知其内部的原理与实现方 式。需要根据先验知识、系统模块的外部特性对其进行辨识，并建立相应的仿 真模型。通过试验对仿真模型进行验证与改进，使之能够满足驾驶仿真的需要 n 4 】 o 本文将对桌面型地铁驾驶仿真系统中的部分功能进行模拟，包括司机室控制 台、输入输出、车载信号系统的人机界面以及列车自动运行功能。对于驾驶环境 的仿真，如视景系统、声音系统、运动感系统，则不再作更多的介绍。 2 5 本章小结 本章首先介绍了列车驾驶仿真器的基本类型，共有三类，分别为桌面型地铁 驾驶仿真系统( d e s k t o pd r i v es i m u l a t o r , d d s ) 、多功能仿真器( m u l t i f u n c t i o n s i m u l a t o r ，m f s )和全功能仿真器( f 1 l l lm i s s i o ns i m u l a t o r , f m s ) 。 接着介绍了f m s 的系统结构，对系统的主要部分作了简单描述，并据此得出 了d d s 的系统结构，然后将两者进行了对比，对比的结论符合前文所说的：全功 能仿真器功能齐全、逼真度高但一次只能供一位学员进行培训且价格昂贵；桌面 型驾驶模拟器设备简单、易实现网络化供多位学员同时进行培训、扩展性好，但 功能有限、真实感较差。 然后，简单介绍了桌面型地铁驾驶仿真系统拟采用的设计方法一面向对象 程序设计方法。 最后，以列车逻辑控制系统为例，介绍了桌面型地铁驾驶仿真系统的设计思 路。采用面向对象的方法，根据输入变量和用户的操作，得到输出变量，并按照 一定的形式表现给用户。 7 总之，列车驾驶仿真器将列车动力学、空气动力学、列车控制技术等学科与 计算机仿真技术、计算机图形学、数字音频技术、多媒体技术、网络技术、数据 库技术相结合，实现列车运行性能与驾驶环境的仿真，通过构建逼真的虚拟驾驶 环境，实现了司机培训与考核功能，并为列车节能、列车舒适度等相关研究提供 同济大学硕士学位论文桌面型地铁驾驶仿真系统的研究 平台。作为一种先进的司机培训工具，列车驾驶仿真器具有传统培训手段无法比 拟的优点，在安全、经济、节能的基础上，可有效地提高培训的效率与质量。 1 2 第三章司机控制台的模拟 第3 章司机控制台的模拟 3 1 司机室控制台描述 司机室控制台主要安装具有操纵控制和显示功能的设备，如司控器、允许 开门指示灯、升降弓开关、蓄电池电压表、紧急制动蘑菇按钮、乘客信息系统 显示屏、列车自动控制系统显示屏等等。下面以孟买地铁一号线为例，