列車全自動駕駛信號模擬試驗裝置研究

摘 要：隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，全自動駕駛模式成為提升列車運行性能指標(biāo)的運行模式，F(xiàn)AO（Fully Automatic Operation，全自動運行）系統(tǒng)，作為自動駕駛模式的核心系統(tǒng)，是提高列車運行效率、增大列車運行密度的關(guān)鍵裝備。主機廠內(nèi)受地面信號設(shè)施限制，F(xiàn)AO系統(tǒng)與車輛間的典型運行場景聯(lián)調(diào)聯(lián)試無法進行，車輛網(wǎng)絡(luò)與FAO系統(tǒng)間接口存在不滿足全自動場景需求規(guī)范要求的潛在風(fēng)險，為驗證車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與FAO間接口功能準(zhǔn)確性，設(shè)計一款全自動駕駛場景試驗裝置，裝置與車輛連接后針對典型運營場景進行流程化驗證試驗，發(fā)現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)與FAO系統(tǒng)間接口存在的潛在缺陷，保障車輛在FAO模式下安全可靠運營。

關(guān)鍵詞：FAO;車輛;場景試驗;接口;可靠

引言

全自動駕駛系統(tǒng)是實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)，全自動駕駛已經(jīng)成為城市軌道交通建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。城軌車輛在車輛段全自動運行區(qū)域內(nèi)以自動運行方式運行，可實現(xiàn)列車自動休眠、喚醒、自檢、運行、停車、洗車、開關(guān)門等操作。為保障車輛全自動運行區(qū)域內(nèi)正常運行，設(shè)計一款全自動駕駛場景試驗裝置，列車出廠前通過對車輛火災(zāi)、正線服務(wù)、跳停等典型運行場景測試，保證信號與車輛網(wǎng)絡(luò)接口整體性能滿足全自動場景需求規(guī)范要求，達到列車全自動穩(wěn)定運行效果。

1 總體設(shè)計方案

中央控制單元（CCU）位于兩個Tc車，運行中互為熱備，根據(jù)信號輸入條件可進入不同的自動駕駛模式。在不同的自動駕駛模式下，CCU負(fù)責(zé)對本單元車輛的邏輯控制、狀態(tài)采集、故障診斷等功能。全自動駕駛信號模擬試驗裝置模擬信號系統(tǒng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信接口和IO接口，與CCU網(wǎng)絡(luò)通信完成對車載設(shè)備狀態(tài)采集和控制，IO接口控制車輛DC110V邏輯電路。為保證車輛網(wǎng)絡(luò)滿足全自動場景需求規(guī)范要求，保證車輛自動運行的可靠、安全，車輛進行全自動場景試驗驗證信號與車輛網(wǎng)絡(luò)總體功能達到穩(wěn)定效果。

裝置由主控制單元，IO控制單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元、數(shù)據(jù)存儲單元組成，總體架構(gòu)如圖1。主控制單元選用I7-3540M處理器，應(yīng)用程序調(diào)用無線傳輸接口從四方數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上下載調(diào)試任務(wù)并對任務(wù)進行解析，然后調(diào)用接口向IO控制單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元發(fā)送任務(wù)指令，IO控制單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元響應(yīng)指令后與車輛交互，參與車輛DC110V邏輯控制、網(wǎng)絡(luò)邏輯控制。

2 IO控制及數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

2.1 IO控制單元設(shè)計

IO控制單元主控制器選用Atmega2560，該單片機提供86個IO口，一般單片機控制繼電器通斷采用雙極性三極管驅(qū)動即可，但IO板卡多路繼電器輔助觸點接入車輛控制邏輯電流，同時控制多路繼電器會造成負(fù)載從單片機汲取電流過大，本裝置選用MOS場效應(yīng)管AO3400代替三極管驅(qū)動繼電器，繼電器拉合動作后其輔助觸點串入車輛DC110V邏輯電路，完成車輛硬線控制。單片機的IO通過N溝道MOS管驅(qū)動繼電器電路如圖2，AO3400從單片機IO口汲取電流≤2uA，開啟電壓1.5V～2V，保證繼電器控制電路穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

在全自動駕駛信號模擬試驗裝置上安裝網(wǎng)絡(luò)通信單元，包括MVB收發(fā)模塊、以太網(wǎng)模塊。MVB模塊、以太網(wǎng)模塊作為CPU的一個外設(shè)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)上位機與車輛MVB網(wǎng)絡(luò)、ETB網(wǎng)絡(luò)通信，本文主要闡述基于MVB通信協(xié)議的數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)計，圖3為MVB接口模塊框圖。MVB模塊最多監(jiān)控4096個過程數(shù)據(jù)端口，同時具備通信轉(zhuǎn)換接口，能夠?qū)VB的ESD接口轉(zhuǎn)換為RS485，端口狀態(tài)數(shù)據(jù)可實時查詢。

2.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送

MVB協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送流程，F(xiàn)PGA中設(shè)置數(shù)據(jù)緩存單元，數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換單元，CRC生成單元，幀頭幀尾構(gòu)建單元，移位控制單元，曼徹斯特編碼單元，待發(fā)送數(shù)據(jù)處理后輸出至MVB總線。數(shù)據(jù)緩存單元采用數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖器FIFO，F(xiàn)IFO設(shè)置4╳16位的存儲空間，定義8位的校驗空間用于存儲CRC校驗碼。MVB總線支持串行傳輸，數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換單元將FIFO中并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成64位串行數(shù)據(jù)幀，64位數(shù)據(jù)幀輸入至CRC生成單元輸出CRC校驗序列，移位控制單元將64位串行數(shù)據(jù)幀，CRC生成單元生成8位CRC校驗序列，幀頭幀尾構(gòu)建單元生成的幀分界符、終止符組成串行字符串，串行字符串結(jié)構(gòu)為幀起始符+64位數(shù)據(jù)幀+8位校驗序列+終止符。曼徹斯特編碼單元將串行數(shù)據(jù)進行編碼后輸出。

2.2.2數(shù)據(jù)接收

接收模塊檢測實時檢測MVB總線上的幀起始符，將起始符后有效數(shù)據(jù)存入緩存，幀數(shù)據(jù)緩存FIFO為16╳16，CRC存儲空間4╳8，直至檢測到終止符后停止寫入，對接收到的數(shù)據(jù)進行幀長度檢測及校驗檢測，若校驗結(jié)果正確，對接收數(shù)據(jù)進行解析，若校驗結(jié)果錯誤，繼續(xù)下一次數(shù)據(jù)接收。

3 上位機控制顯示單元設(shè)計

上位機軟件模塊化設(shè)計，包括權(quán)限管理，測試配置，測試用例，測試報告等。

權(quán)限管理包括試驗人員信息管理，測試配置支持用戶接口屬性定義，用戶可根據(jù)不同項目對試驗接口的進行編輯和配置，測試用例用于控制測試的執(zhí)行、暫停、恢復(fù)、監(jiān)控等，試驗結(jié)束后導(dǎo)出試驗結(jié)果。

裝置軟件支持編輯、導(dǎo)入通信協(xié)議，與四方數(shù)字化平臺實現(xiàn)任務(wù)獲取，每一條任務(wù)包含多個測試步驟，每個步驟包括變量初始化，變量賦值，裝置通過驅(qū)動IO板卡、發(fā)送配置指令至車輛CCU，測試結(jié)果由系統(tǒng)自動采集MVB總線數(shù)據(jù)并生成測試報告。

4 系統(tǒng)應(yīng)用總結(jié)

本系統(tǒng)已成功在廠內(nèi)全自動場景試驗中驗證應(yīng)用，裝置可接收四方數(shù)字化調(diào)試平臺下發(fā)的任務(wù)，針對試驗任務(wù)調(diào)用測試配置文件，IO模塊模塊、通信模式實現(xiàn)與車輛通信，試驗過程可記錄關(guān)鍵調(diào)試試驗數(shù)據(jù)并導(dǎo)出上傳試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明全自動駕駛場景試驗裝置與車輛連接后針對典型運營場景進行流程化驗證試驗，能夠發(fā)現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)與FAO系統(tǒng)間接口存在的潛在缺陷，保證了車輛安全性。

參考文獻：

[1]常玉琪.MVB控制器校驗序列FPGA設(shè)計.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2016

[2]聶曉波. 軌道車輛MVB網(wǎng)絡(luò)實時性能分析與優(yōu)化研究.鐵道學(xué)報，2011

作者簡介：

劉真（1990～），性別男，民族回，籍貫：山東省青州市，工程師，學(xué)歷：碩士，單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司，研究方向：動車組電氣系統(tǒng)調(diào)試及故障檢測。