地铁车辆救援模拟系统设计

地铁车辆救援模拟系统设计

钟廷覃阳

成都地铁运营有限责任公司

摘要：随着轨道交通行业快速发展，对快速培养高素质列车救援人员提出了更高要求。对地铁车辆救援模拟系统如何实现硬件选型、软件设计以及联合调试等功能进行了详细论述与分析，并提出了一种地铁车辆救援模拟系统方案，该方案易于功能扩展，方便列车生产、调试和使用。

关键词：救援模拟救援计算机仿真

随着近年来我国高速列车铁路网规划不断深化，城市轨道交通新线路投入运营，这对地铁救援人员提出了更加严格的需求。救援人员需要使用救援模拟系统进行救援训练，从而减少实车救援所需时间，已成为地铁车辆救援人员训练的重要手段[1-2]。

控制单元选型及控制算法设计是模拟救援系统实现的重要组成部分，本文利用嵌入式控制器，结合Matlab-Simulink工具箱设计了一种模拟救援控制单元算法，模拟列车运行和其他状态，并可以实现虚拟视景单元交互数据，实时模拟地铁车辆列车救援操作过程。

1系统功能

模拟救援系统能够模拟真实地铁车辆救援操控相关功能，使地铁车辆救援人员感受沉浸式体验过程。本系统由多台司机模拟驾驶系统组成，具备任意2台列车驾驶模拟器可以联合用来模拟救援训练。列车驾驶仿真培训系统可以根据教员监控台设置的不同的突发情况模拟相应的救援方式。教员可设置不同车辆为救援车或被救援车。另外系统还可以将救援人员操作历史数据传输至虚拟视景单元，以图形形式展示出来，以便于分析救援人员的操作习惯，及时纠正错误操作，提高救援人员学习效率。

2硬件选型

模拟救援系统是一个综合型系统，由不同硬件功能模块组成，并进行数据交互。本文所设计的模拟救援系统主要由多台司机模拟驾驶单元系统组成，每个单元都设置TC1虚拟设备故障处理屏、仿真计算机组、司机操作台等组成，如图1所示。

图1模拟救援系统组成模块示意图

为了提高系统用户体验，所有与司机交互的设备，如显示屏、司控器、司机台上按钮以及旋钮都采用地铁车辆上原配件，此类设备工作电压为110V，通过一个220VZ转110V电源提供。司控器、按钮和旋钮的状态通过110V电压等级数据采集单元获取，并通过采集单元的MVB接口与控制单元进行数据交互；显示屏通过MVB通信网络与控制单元进行数据交互。控制单元采用带MVB接口与串口的嵌入式控制器；虚拟视景单元采用串口通信与控制单元进行数据交互，此结构不但能提高数据传输效率，还能改善系统的通信质量。

3软件设计

Matlab-Simulink工具箱能够对系统进行建模、仿真和分析，且无需编写程序。Matlab-Simulink工具箱包含许多现成模块，提供了一个图形化用户界面。控制单元软件通过Simulink对各个功能模块进行设计，特殊功能模块制作成库文件，并以图形化形式展现出来，提高了设计效率。控制单元软件的作用是将司机台显示屏、虚拟视景单元和司机操区域有序结合为一个整体，通过逻辑指令调度各个功能模块之间的数据，真实再现列车对操作人员的指令，完成模拟救援功能。

车外门功能模块主要通过数据采集单元获取司机台车外门按钮状态，任何通过MVB网络传输至控制单元运算，随后将结果传输到显示屏车门状态界面进行状态展示，主要实现三个控制功能：第一，控制单元接收到车外门按钮动作信号时，实现开外门、关外门、车外门使能以及车外门-牵引变流器连锁等控制功能；第二，车外门-牵引变流器连锁状态提供到列车动力学功能模块作为列车施加牵引力的一个条件；第三，开外门和关外门功能可以与虚拟视景单元实现联动展示。

车外灯功能模块主要实现车外灯开启与关闭功能，数据采集单元获取司机台车外灯控制板键位置状态，并发送到控制单元，控制单元经过逻辑处理后与虚拟视景单元实现联动展示。

列车动力学功能模块主要处理救援人员操作与列车运行状态之间的逻辑关系，包括判定虚拟高压设备是否激活、判断车外门状态，司控器数据采集转换以及列车紧急制动状态判断。当车辆自身状态允许施加牵引力情况下，采集单元将司控器数据传输到控制单元，控制单元将获得的司控器格雷码数据转换成级位信息，通过动力学模型进行逻辑运算，得到地铁车辆加减速数据，最终形成数据信息并与虚拟视景单元联动，虚拟视景单元对列车的动态运行动态展示。

受电弓、主断路器功能模块主要将获取到的受电弓扳键和主断扳键状态数据传输到控制单元，经逻辑处理后，在显示屏界面进行状态展示；同时发送到列车动力学模块，作为车辆是否可以施加牵引力的条件；受电弓状态可以与虚拟视景模块实现联动，动态展示受电弓升起的过程。

另外，通过MVB网络实现牵引变流器与辅助变流器，充电机等设备在司机台显示屏的正确显示；通过串口数据实现雨刷功能，与虚拟视景模块进行联动。

4虚拟视景单元

虚拟现实软件是一种被广泛应用在虚拟现实制作和虚拟现实开发的图像三维处理软件[3]。本系统视景是地铁车辆司机第一视角所观测到的景物展现，主要与控制单元中受电弓、主断路器、车门及车灯等虚拟设备进行数据交互与展示，完成车辆加速和制动等车体状态展示。除此之外，还包括以下两部分内容：第一，天气模拟功能，通过三维虚拟互动技术模拟降雨、降雪与雾霾等实时天气，模拟出不同天气对动车行驶带来的不同影响；第二，虚拟场景模拟，通过三维虚拟互动技术设计虚拟场景，模拟出平原、山地与城市等不同场景，并模拟设计行驶路线。

5系统集成

根据软件设计中的相关功能对组装完成的模拟救援系统进行联调测试。对MVB网络及串口通信可靠性、控制单元控制逻辑正确性、其他虚拟设备显示状态正确性和司控器及各类按钮状态采集稳定性进行验证。测试结果表明该控制系统能够有效地模拟地铁车辆对司机台操作产生的反馈，实现模拟救援功能。

参考文献：

[1]李瑞荣，陈晓宏，谭喜堂.关于列车模拟救援器设计方案的研究[J].2012，（2）：6-10.

[2]李殿勋.基于计算机仿真技术的地铁救援模拟器的研究与设计[J].2014，（15）：20-21.

[3]高兴琳.轨道车模拟救援系统的研究与实现[D].兰州：兰州交通大学.2014.