動車組模擬駕駛控制系統設計

楊智超

中國鐵路南昌局集團有限公司福州機務段 福建福州 350000

近年來，隨著中國對高速鐵路規劃的不斷深入，大量新的高速鐵路投入運營，這對動車組駕駛員提出了更加嚴格的要求。駕駛員必須使用模擬駕駛系統進行培訓，從而減少在實際車輛中所需的時間，這將成為培訓EMU 駕駛員的重要手段。其中控制單元的選擇和控制算法的設計是控制仿真系統的重要組成部分。本文使用內置控制器和Matlab-Simulink 工具包設計出一種模擬控制器的控制算法，該算法可模擬列車運行及其他狀態，以實現虛擬視覺單元數據交互，從而模擬EMU 中的實時列車運行過程。

1 系統功能

模擬駕駛系統可以模擬實際EMU 的相關控制功能，從而使EMU 駕駛員可以體驗身臨其境的操縱過程。駕駛模擬系統功能包括：高壓，牽引，制動，門，照明等。這些功能具體包括：車輛啟用，車輛復位，受電弓升降，主斷路器合閘和切斷，車輛的牽引制動器，分閘和閉合外部門，以及打開和關閉外部燈等。并且駕駛模擬系統還能夠將駕駛員在駕駛車輛過程中的操縱習慣進行統計分析，再利用虛擬視覺單元所展示的圖形樣貌進行顯示，進而詳細研究駕駛員的整體工作情況，對比相關技術標準改正不良操縱習慣[1]。

2 硬件選型

駕駛模擬系統是一個由不同的硬件功能模塊組成的綜合系統，可以進行數據交互。本文設計的模擬駕駛系統主要由操作單元、虛擬視圖單元、控制單元及數據采集單元組成。為了改善系統的用戶體驗，與駕駛員互動的所有設備（例如顯示屏，主控制器，駕駛員辦公桌上的按鈕和旋鈕）均使用EMU 的原始部分。這種設備所需電壓為110V，由220V至110V的逆變器提供。主控制器、旋鈕（按鈕）等操作單元的信息通過110V 電壓電平數據單元獲取，并通過獲取單元的MVB 接口與控制單元進行交互；微機顯示屏通過MVB 通訊網絡與控制單元通訊；場景單元使用串口通訊與控制單元進行交互；控制單元使用帶有MVB 接口和串行端口的嵌入式控制器。這種結構不僅可以提高數據讀寫效率，而且可以提高系統的整體通信質量[2]。

3 軟件設計

Matlab-Simulink 工具箱可以對系統進行建模，仿真和分析，而無需編寫程序。Matlab-Simulink 工具箱包含許多現成的模塊，并提供圖形用戶界面。控制單元軟件通過Simulink 設計每個功能模塊，并將特殊功能模塊制成庫文件并以圖形形式顯示。控制單元軟件的功能是將駕駛員平臺的顯示屏、虛擬視圖單元和駕駛員操作區域集成到一個有序的整體中，通過邏輯指令在各個功能模塊之間分配數據，真正地將駕駛員的指令復制到EMU 上，并完成模擬駕駛功能。控制系統的子功能模塊包含許多內容，如圖1 所示。

圖1 控制軟件功能模塊

其中，車門外部控制技術功能主要是通過數據收集到相應的動車外面車門開關的狀態。整合的全部數據都要以MVB 網絡來進行相關的系統控制設備驗算，并將結果傳輸到顯示門狀態界面以進行狀態顯示。它主要實現三種控制功能：第一，當控制單元接收到外門按鈕的動作信息時，它實現打開外門，關閉外門，啟用外門和外門牽引的控制功能。其次，將外部門牽引轉換器互鎖狀態提供給列車動力功能模塊，作為列車施加牽引、制動力的條件；第三，可以與虛擬觀察單元一起顯示外部門的打開和關閉功能。

車輛的燈外部功能模塊是打開和關閉外部燈的關鍵模塊。對于獲取的數據單元而言，它通過接收駕駛員外部控制面板開關的位置，以信號形式發送到控制單元，在邏輯顯示操作后，控制單元與虛擬顯示單元建立連接。

列車動力功能模塊主要處理駕駛員操縱與列車運行狀態的邏輯關系。包括確定虛擬高壓設備是否激活，外門的狀態，來自主控制系統數據獲取和傳輸以及EMU 緊急制動的狀態。如果車輛自身允許拖曳，則發送單元將主控制器數據發送到控制單元，主單元將獲得的主控制器格雷碼數據轉換為級位，并對動態模型執行邏輯運算以獲得EMU 運行信息，從而顯示到虛擬人機界面中。

4 虛擬視景單元

虛擬現實軟件是一種3D 圖像處理軟件，廣泛用于虛擬現實的生產和開發中。

這種軟件系統主要景圖是通過EMU 駕駛員第一視角產生的。系統內容是和幾種設備相互關聯進行顯示的，具體的設備主要有：受電弓、主斷路器、車燈等。另外系統還包含三類實況模擬：首先是對天氣變化的模擬；如下雪、下雨、以及霧霾等，模擬不同天氣下如何操縱列車。其次是對實時環境的模擬；以3D 的虛擬技術進行環境場景變換，如平原、山地以及城鎮等，設置針對性的駕駛路線。最后是對車輛進出站的模擬；模擬列車到達各個車站時上下客的場景以及車輛對標停車的具體情況[3]。

5 系統集成

基于對軟件設計中的對應功能，組裝的模擬駕駛系統應采取聯調的測試方式，詳細內容如圖2 所示。模擬駕駛系統主要進行驗證的內容有：MVB 網絡和串口通信的穩定性、控制單元的正確邏輯性、以及個別虛擬設備的狀態表現確定性等。

圖2 模擬駕駛系統

6 結語

綜上所述，隨著新時代的不斷推進，對于動車組司機而言駕駛車輛的能力也提出了更高的要求。同時，動車組的模擬駕駛控制系統也在發展中不斷興起，使得成為了比較高效且穩定的訓練方式。用虛擬現實技術營造駕駛環境，在模擬真實操縱環境的虛擬交互中培養動車組運用人才。