高速鐵路聯調聯試列控設備動態測試仿真系統設計與實現

李 強 羅云飛 中國鐵路上海局集團有限公司科技和信息化部（總工室）

荊 雄 北京中科智匯科技有限公司

1 引言

高速鐵路聯調聯試列控設備動態測試仿真系統可連接不同型號ATP 設備，通過裝載真實的列控設備數據，在室內環境下實現車地聯調。進行真實線路聯調聯試前，在實驗室通過此系統遍歷執行動態測試序列，對列控設備功能和數據進行動態驗證，可提前發現數據問題，提高測試效率。

執行動態測試序列時，操控車載ATP 設備比較復雜，需操控牽引手柄、制動手柄以及DMI 的按鍵。ATP 在啟動和運行過程中，針對不同的運營場景，需在ATP 的人機界面DMI上按壓不同的按鍵來進行特定的輸入指令操作。如：車載ATP 的SOM 流程，需要依次輸入司機號、車次號、運行等級、編組數選擇、載頻選擇等信息；列車在正常運行中也需要進行按鍵操作，包括模式轉換確認，文本提示確認，目視/調車模式下警惕確認，制動緩解及設備重啟等。ATP 啟動后，需操控牽引手柄和制動手柄對列車加減速，實現動態跑車。

因此設計一個系統實現自動執行動態測試序列，將會大大解放人力，并提升整個系統的智能化水平。自動執行功能，主要是自動操控車載ATP功能，以及自動駕駛功能。

2 功能描述

自動執行系統包括以下設備：DMI 智能操控設備，測試仿真系統，列車接口仿真。DMI 智能操控設備實時采集車載DMI 的畫面，通過圖像處理識別顯示的信息內容，將信息打包后通過網絡發送給測試仿真系統，測試仿真系統經過一系列的邏輯推演，一方面自動駕駛功能給出加減速信號到列車接口仿真控制ATP 加減速，另一方面生成按鍵指令并發送給DMI智能操控設備，設備內的智能手指及時響應按鍵指令，按壓DMI按鍵。從而實現自動執行功能，可代替列車司機來完成操控車載設備。其系統如圖1所示。

圖1 自動執行系統功能框圖

3 總體設計

3.1 硬件設計

硬件上設計了DMI智能操控設備。目前有200H，300H，300S，300T 等多種型號 DMI，為保證產品的一致性，DMI 智能按鍵設備要設計成兼容各種不同類型DMI的結構，并且同時具備手動按鍵和自動按鍵功能。因此發明了一種機械結構，尺寸小，占用空間也小，能安裝在DMI 顯示儀表上。DMI 智能操控設備外形如圖2所示。

圖2 DMI智能按鍵裝置機械結構圖

DMI 智能操控設備保留DMI 的視窗，在上方用固定桿安裝工業相機采集圖像。

設備內的智能手指由貫通式直線電機驅動，不影響原DMI 的按鍵。沒有按鍵指令時，靠彈簧力支撐，按鍵處于彈起狀態；收到按鍵指令時，直線電機向下運動，按下按鍵。支持人工/自動兩種按鍵方式。

硬件組成主要包括相機，圖像處理板和智能手指控制板。

（1）工業相機：彩色CMOS 工業相機，實時采集DMI 顯示屏的畫面。

（2）圖像處理板：實現圖像的采集和處理，并將圖像識別的信息內容打包發送至測試仿真系統。

（3）智能手指控制板：接收按鍵指令，并控制智能手指，實現DMI按鍵的智能操控。

3.2 軟件設計

軟件包括DMI 智能操控軟件和測試仿真系統上的自動駕駛軟件。

3.2.1 DMI智能操控軟件

DMI智能操控軟件使用VS2015開發。有兩大模塊：圖像功能模塊，按鍵功能模塊（圖3）。

圖3 DMI智能操控軟件架構

圖像功能模塊包含圖像采集、圖像處理、網絡通信三個子模塊。

（1）圖像采集：獲取圖像、數據鏈路使用千兆以太網GigE 工業相機的SDK，實時采集并獲取DMI顯示界面。

（2）圖像處理

使用OpenCV庫開發。

①圖像增強：對采集的圖像進行中值濾波去噪處理。

②圖像校正：因相機安裝位置角度與拍攝目標存在對應誤差，拍出的照片會有多余的邊角、傾斜、扭曲等不良影響。需要通過透視變換，對傾斜、扭曲的圖像進行校正，獲取標準的DMI矩形顯示界面。圖4分別為校正前后的圖像。

圖4 圖像處理效果對比

③圖像分割：校正后的圖像，DMI 的顯示內容區域固定，可按尺寸/像素比劃分不同的區域，再對各分區域進行圖像識別。圖5 依次是某一時刻顯示界面分割出駕駛等級、制動等級、車輛運行模式、RBC 連接狀態、可擴展功能按鍵區菜單內容1、菜單內容8的目標區域。

圖5 圖像分割出的目標區域

④圖像識別：這是圖像處理的核心功能，涉及到圖標識別、文字識別和顏色識別。

DMI 車載顯示儀表顯示的內容很多，需要識別很多信息，包括以下內容：

a.圖標信息：制動圖標（EB、NB、B1、B4、PCUT、RELS），特殊區段信息（過分相、臨時限速、隧道），RBC 連接狀態，速度儀表盤等。

b.數字信息：當前速度、車次號等信息。

c.英文信息：駕駛等級信息（CTCS-2、CTCS-3）。

d.漢字信息：車輛運行模式（目視、完全、部分、待機、反向等），可擴展功能按鍵區菜單內容（數據、模式、載頻、等級、其他、啟動、緩解、警惕、確定、取消、刪除等），人控/機控模式。

e.顏色信息：允許速度的顏色(白色，黃色，紅色)，低頻碼的顏色(無碼，綠碼，黃碼，紅碼，黃黃閃，紅黃碼等)。

綜上可以看出有兩大難點：一是需要識別的內容眾多，耗費時間，難以滿足實時性要求；二是文字尺寸很小，個別文字的筆劃粗細在顯示屏上只有1 個像素大小，影響文字識別的準確率。

軟件設計上從高速高精度識別的需求出發，制定圖像識別算法。

對圖標識別，先進行二值化，然后提取圖標的特征來識別圖標類型；

文字識別采用OCR 技術，用Tesseract 開源庫開發，同時識別數字、英文和漢字信息，DMI 的顯示內容是有標準的，可擴展功能按鍵區菜單內容相對固定，為了提高識別速度，可將菜單內容分組，只需識別某幾個關鍵處的菜單內容就可以確定整個菜單項，大大提高識別速度，比如只需識別可擴展功能按鍵區菜單內容1和菜單內容2，就能確定菜單內容3至菜單內容8，無需再一一識別；

顏色識別采用HSV 模型。HSV 模型就是用色度(Hue)，飽和度(Saturation)，亮度(Value)3 個分量表示每個像素的顏色特征。確定各顏色在HSV 空間中各分量的閾值，就可以判斷各像素的顏色。利用HSV 顏色空間的特點，對需要識別的顏色限定在4種顏色之內，灰、黃、綠和紅。通過大量實驗，設置各顏色的閾值，見表1，通過統計目標范圍內各像素的顏色來判定低頻碼的顏色。

表1 各顏色HSV模型閾值表

（3）網絡通信

以組包形成報文的形式向測試仿真系統發送識別的信息內容。網絡通信有TCP 和UDP 兩種協議，結合本系統的發送周期及發送報文長度，UDP 協議有以下優點：一是UDP 在時間上不存在建立連接需要的時延，空間上，不像TCP 一樣需要在端系統中維護連接狀態；二是協議包頭開銷小，TCP包頭有20字節，UDP包頭只有8字節；三是UDP沒有堵塞控制，應用層能夠更好的控制要發送的數據和發送時間；四是UDP是面向報文的，對應用層交下來的報文，添加包頭后直接向下交付給IP 層，既不合并，也不拆分，保留這些報文的邊界。所以網絡通信最終選用UDP協議。

按鍵功能模塊包含串口通訊，按鍵信號解析和按鍵信號執行和串口通訊三個子模塊。

①串口通信：通過RS485 串口從測試仿真系統獲取按鍵指令數據幀；

②按鍵信號解析：解析數據幀，解析出需要按壓哪個按鍵；

③按鍵信號執行：依據解析后的按鍵信息，控制電流輸出，驅動智能手指按壓對應按鍵。

3.2.2 自動駕駛軟件

自動駕駛軟件包含：網絡通信，按鍵邏輯處理，串口通信，自動駕駛四個模塊（圖6）。

圖6 自動駕駛軟件架構

（1）網絡通信

通過UDP協議接收DMI智能操控軟件發送的報文，獲取DMI顯示界面的信息。

（2）按鍵邏輯處理

依據DMI顯示界面的信息，包括運行等級(C2/C3)，實際運行速度，車輛運行模式(待機、部分、完全等)，制動信息，菜單內容(司機號、車次號、上行、下行、啟動、確定、刪除等)，根據DMI操作規范以及實際運行場景，生成按鍵指令。比如：DMI顯示運行等級‘CTCS2’，無制動，車輛運行模式是‘待機’，實際運行速度是‘0’，可擴展功能按鍵區菜單內容是‘司機號’、‘車次號’、‘無’、‘無’、‘無’、‘確定’、‘刪除’、‘取消’，就可以判斷出此時需要按壓數字鍵，輸入司機號，然后再按壓‘確定’鍵。

（3）串口通信

將生成的按鍵指令通過RS485 發送給DMI 智能操控軟件。

（4）自動駕駛

依據DMI顯示界面的信息，包括運行等級(C2/C3)，最大允許速度，實際運行速度，車輛運行模式(待機、部分、完全等)，制動信息，低頻碼等，再結合列控地面數據，計算出目標速度，然后通過列車接口仿真向ATP 發送加減速指令，控制列車運行速度，實現自動駕駛。

4 現場應用

將開發完成的DMI 智能操控設備安裝于高速鐵路聯調聯試列控設備動態測試仿真系統上，同時部署自動駕駛軟件，如圖7所示，ATP型號是300T。

圖7 安裝好的DMI智能操控設備

經現場應用，單次圖像處理時間為1.3 秒左右，能很好的滿足操控DMI 的實時性要求。識別出的信息內容也很準確。按鍵動作可在100 毫秒時間內完成，最小按鍵間隔時間200毫秒，滿足按鍵需求。

測試仿真系統運行時，DMI 智能操控設備能自動完成車載ATP 的SOM 流程，輸入司機號，車次號，RBCID 等駕駛數據，根據流程按壓確定、取消和刪除按鍵；當正常啟機后，還能完成制動緩解，目視/調車模式下按壓警惕按鍵等操作。ATP從待機模式進入部分/目視模式后，自動駕駛功能控制列車加減速，使列車在最大允許速度內運行，自動執行完成整個動態測試序列。

5 結論

本文給出了高速鐵路聯調聯試列控設備動態測試仿真系統的設計與實現，介紹了自動執行功能在整個高速鐵路聯調聯試列控設備動態測試仿真系統中的應用。在現場應用中，能很好的自動操控DMI，控制列車自動駕駛，實現了動態仿真測試的自動執行，大大提高了測試效率。