一种全自动列车驾驶模拟系统的制作方法

本发明涉及驾驶仿真技术领域，具体涉及一种全自动列车驾驶模拟系统。

背景技术：

列车模拟驾驶虚拟驾驶，是指利用现代高科技手段如：三维图像即时生成技术、动力学仿真物理系统、大视场显示技术(如多通道立体投影系统)、六自由度运动平台(或三自由度运动平台)、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的列车驾驶体验。适用于研究机构进交通工程以及作为列车研究领域的模拟实验平台，由其适用于实习列车驾驶员的模拟驾驶练习。

目前，现有的列车模拟实验平台由于功能不完善、技术复杂度高、造价昂贵且功能不完善，还一直停留在简单的实验室阶段，无法为实习列车驾驶员提供完整且仿真度高的列车模拟驾驶练习体验。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种全自动列车驾驶模拟系统，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的全自动列车驾驶模拟体验，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种全自动列车驾驶模拟系统，所述全自动列车驾驶模拟系统包括：车载实体子系统和计算机模拟子系统，其中，所述车载实体子系统中包括：列车控制和管理系统TCMS模块；

所述计算机模拟子系统连接在TCMS网络上，且所述计算机模拟子系统用于根据接收的网络控制信号模拟列车运行状态，并将运行反馈信号发送至所述TCMS模块；

其中，所述列车运行状态包括牵引、制动、空调运行及门开关逻辑。

进一步地，所述车载实体子系统中还包括：相互通信连接的车载信号模块、乘客信息系统PIS/CCTV模块、广播控制模块、门控单元和司机控制器。

进一步地，所述计算机模拟子系统包括：牵引和制动模块；

所述牵引和制动模块用于模拟列车中的受电装置、主断路器、高压电路、牵引变流器、牵引电机、制动控制系统、空气制动系统、车轮空转滑行保护等相关系统和设备的控制逻辑与功能，且所述牵引和制动模块中设有牵引和制动模型。

进一步地，所述牵引和制动模型包括：受电装置的高压电路模型、主电路模型、列车牵引控制电路模型、列车制动控制电路模型、空气制动管路模型、停放制动的电路气路模型、故障模型、主逆变器内部模型和牵引电机内部模型。

进一步地，所述计算机模拟子系统包括：辅助供电模块；

所述辅助供电模块用于模拟列车的辅助电源设备，并根据电源与自动开关、辅助逆变器、变压器、蓄电池之间的关系，实时更新列车的电源总线状态，其中，所述辅助电源设备包括三相电设备和直流电设备。

进一步地，所述计算机模拟子系统包括：门控模块；

每个所述门控模块用于模拟控制各独立列车车门，且各列车车门均对应一个所述门控单元。

进一步地，所述计算机模拟子系统包括：空调及通风设备模块；

所述空调及通风设备模块用于模拟列车中的空调设备和通风设备的控制逻辑，并根据采集的操纵台分别与空调设备和通风设备相关的输入、故障设置及通风电路之间的逻辑关系，计算得到列车空调、通风和加热状态，并根据所述列车空调、通风和加热状态更新所述TCMS模块的输出显示。

进一步地，所述计算机模拟子系统包括：列车通信模块；

所述列车通信模块用于实现司机控制室中的通讯设备与监控台的通讯设备之间的通信。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种全自动列车驾驶模拟系统，包括：车载实体子系统和计算机模拟子系统，其中，所述车载实体子系统中包括：列车控制和管理系统TCMS模块；所述计算机模拟子系统连接在TCMS网络上，且所述计算机模拟子系统用于根据接收的网络控制信号模拟列车运行状态，并将运行反馈信号发送至所述TCMS模块；其中，所述列车运行状态包括牵引、制动、空调运行及门开关逻辑。本发明可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的全自动列车驾驶模拟体验，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一中的一种全自动列车驾驶模拟系统的结构示意图；

图2是本发明的全自动列车驾驶模拟系统中的计算机模拟子系统的结构示意图；

图3是本发明的具体应用实例中的全自动列车驾驶模拟系统的结构示意图；

图4是本发明的具体应用实例中的车载系统控制拓扑示意图；

图5是本发明的具体应用实例中的计算机模拟子系统的结构示意图；

其中，1-车载实体子系统；11-TCMS模块；12-车载信号模块；13-PIS/CCTV模块；14-广播控制模块；15-门控单元；16-司机控制器；2-计算机模拟子系统；21-牵引和制动模块；22-辅助供电模块；23-门控模块；24-空调及通风设备模块；25-列车通信模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例一提供一种全自动列车驾驶模拟系统的具体实施方式，参见图1，所述全自动列车驾驶模拟系统具体包括如下内容：

车载实体子系统1和计算机模拟子系统2，其中，所述车载实体子系统1中包括：列车控制和管理系统TCMS模块11；所述计算机模拟子系统2连接在TCMS网络上，且所述计算机模拟子系统2用于根据接收的网络控制信号模拟列车运行状态，并将运行反馈信号发送至所述TCMS模块11；其中，所述列车运行状态包括牵引、制动、空调运行及门开关逻辑。

可以理解的是，所述列车控制和管理系统TCMS(Train Control and Management System)模块基于具有高冗余度的标准TCN，该体系结构使用2个标准的TCMS模块11，每半列车(称为车组)一个，TCMS体系结构沿用了HV结构(每个牵引变压器有一个TCMS模块11)，两个模块使用网关通过列车总线进行通信。

在上述描述中，所述车载实体子系统1中还具体包括如下内容：

相互通信连接的车载信号模块12、乘客信息系统PIS/CCTV模块13、广播控制模块14、门控单元15和司机控制器16。

可以理解的是，全自动列车驾驶模拟系统采用半实物仿真方式，其中车载信号模块12、TCMS模块11、PIS/CCTV模块13、广播(PA)模块、门控单元15(1个)和司机控制器16均采用实物；计算机模拟子系统2采用计算机模拟。网络控制软件与实际车辆完全相同，可直接下载到TCMS模块11中央控制单元中运行，计算机模拟子系统2模拟网络(TCMS)模块输入输出信号。仿真时可将每节车当作一个独立的对象，将其中的牵引控制单元、制动控制单元、逻辑单元、空调控制单元、门控器、烟火报警等作为本车对象中的子对象进行计算，而列车总线被当作子对象的输入或输出，司机操纵指令反映在列车总线上，每个CCU、LU、BCU单元、牵引电机根据输入参数进行内部计算，运算后的结果共同改变列车总线的状态，并进一步影响其他电路。在牵引、制动计算时考虑了故障模型，可以设置主接触器跳开、空转等故障。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的全自动列车驾驶模拟系统，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的全自动列车驾驶模拟体验，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

在一种具体实施方式中，参见图2，本发明的全自动列车驾驶模拟系统中的计算机模拟子系统2中具体包括如下内容：

(1)牵引和制动模块21：

所述牵引和制动模块21用于模拟列车中的受电装置、主断路器、高压电路、牵引变流器、牵引电机、制动控制系统、空气制动系统、车轮空转滑行保护等相关系统和设备的控制逻辑与功能，且所述牵引和制动模块21中设有牵引和制动模型。

可以理解的是，所述牵引和制动模型具体包括：受电装置的高压电路模型、主电路模型、列车牵引控制电路模型、列车制动控制电路模型、空气制动管路模型、停放制动的电路气路模型、故障模型、主逆变器内部模型和牵引电机内部模型。

(2)辅助供电模块22：

所述辅助供电模块22用于模拟列车的辅助电源设备，并根据电源与自动开关、辅助逆变器、变压器、蓄电池之间的关系，实时更新列车的电源总线状态，其中，所述辅助电源设备包括三相电设备和直流电设备。

(3)门控模块23：

每个所述门控模块23用于模拟控制各独立列车车门，且各列车车门均对应一个所述门控单元15。

(4)空调及通风设备模块24：

所述空调及通风设备模块24用于模拟列车中的空调设备和通风设备的控制逻辑，并根据采集的操纵台分别与空调设备和通风设备相关的输入、故障设置及通风电路之间的逻辑关系，计算得到列车空调、通风和加热状态，并根据所述列车空调、通风和加热状态更新所述TCMS模块11的输出显示。

(5)列车通信模块25：

所述列车通信模块25用于实现司机控制室中的通讯设备与监控台的通讯设备之间的通信。

在上述描述中，牵引和制动模块21、辅助电源模块、空调及通风设备模块24、门模块和列车通信模块25采用计算机模拟。网络控制软件与实际车辆完全相同，可直接下载到TCMS模块11中央控制单元中运行，计算机模块模拟网络(TCMS)模块输入输出信号、牵引模块、辅助电源模块、空调模块、门控模块23、烟火报警模块等。仿真时可将每节车当作一个独立的对象，将其中的牵引控制单元、制动控制单元、逻辑单元、空调控制单元、门控器、烟火报警等作为本车对象中的子对象进行计算。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的全自动列车驾驶模拟系统，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的全自动列车驾驶模拟体验。

为进一步的说明本方案，本发明还提供一种全自动列车驾驶模拟系统的具体应用实例，具体包括如下内容：

全自动列车驾驶模拟系统如图3所示，实现列车运行特性及网络控制系统的功能，主要包括车辆组成各子系统运行仿真、运行状态显示、车地信号传输、中心远程控制、车载系统故障模拟诊断及运行视景等。

全自动列车驾驶模拟系统主要包括车载信号系统、TCMS系统、牵引系统、辅助电源系统、空调系统、门系统、广播系统、PIS系统等，TCMS作为整车控制系统，通过信号采集模块，采集司机的操作指令、列车各个工况下的状态等信号，经过运算及逻辑处理，给出操作列车各部件的控制指令；通过MVB总线实现与牵引控制系统、空气制动控制系统、辅助供电系统、信号系统、车门系统、广播监控系统等部件的数据交换。主要车载系统控制拓扑如图4所示，其中，图4中各标识对应的系统名称如表1所示：

表1

全自动列车驾驶模拟系统采用半实物仿真方式，其中车载信号系统、TCMS系统(上图蓝色部分)、PIS/CCTV系统、广播(PA)系统、门控单元15(1个)、司机控制器16采用实物；牵引系统、辅助电源系统、制动系统、空调系统、门系统、烟火报警系统采用计算机模拟。网络控制软件与实际车辆完全相同，可直接下载到TCMS系统中央控制单元中运行，计算机模拟子系统2模拟网络(TCMS)系统输入输出信号、牵引系统、辅助电源系统、空调系统、门系统、烟火报警系统等。仿真时可将每节车当作一个独立的对象，将其中的牵引控制单元、制动控制单元、逻辑单元、空调控制单元、门控器、烟火报警等作为本车对象中的子对象进行计算，而列车总线被当作子对象的输入或输出，司机操纵指令反映在列车总线上，每个CCU、LU、BCU单元、牵引电机根据输入参数进行内部计算，运算后的结果共同改变列车总线的状态，并进一步影响其他电路。在牵引、制动计算时考虑了故障模型，可以设置主接触器跳开、空转等故障。计算机模拟子系统2组成如图5所示。

计算机模拟子系统2采用精确的数学模型、完整的电路逻辑、适用于实时通讯的协议，结合多年的仿真运算经验，对轨道交通领域的深入了解，使得整套系统具有出色的性能，以满足列车模拟运行的准确性、实时性要求。计算机模拟子系统2的核心为真实地模拟列车在各种工况下的运行状况、操纵特性、牵引/制动特性以及其它特性。需模拟仿真的主要子系统如下。

(1)牵引和制动模块21：

牵引制动仿真模块建立包含受电装置的高压电路、主电路、列车牵引控制电路、列车制动控制电路、空气制动管路以及停放制动的电路气路模型、故障模型；同时对复杂电器如主逆变器、牵引电机还需建立其模块内部模型，作为控制逻辑仿真的基础。电路气路逻辑计算后根据逻辑状态进行牵引制动特性计算。

仿真时可将每节车当作一个独立的对象，将其中的主逆变器、驾驶控制单元、逻辑单元、制动控制单元、牵引电机等作为本车对象中的子对象进行计算，而列车总线被当作子对象的输入或输出，司机操纵指令反映在列车总线上，每个VCU、LU、BCU单元、牵引电机根据输入参数进行内部计算，运算后的结果共同改变列车总线的状态，并进一步影响其他电路。在牵引、制动计算时考虑了故障模型，可以设置主接触器跳开、空转等故障。

全面模拟受电装置、主断路器、高压电路、牵引变流器、牵引电机、制动控制系统、空气制动系统、车轮空转滑行保护等相关系统和设备的控制逻辑与功能。

全面正确地模拟牵引电机的特性、制动控制、制动反应时间和混合制动。模拟每节车的牵引控制单元的控制逻辑及功能。模拟每节车的制动控制单元控制逻辑及功能。

(2)辅助供电模块22：

辅助供电系统中仿真实现列车的辅助电源系统(三相电、直流电)，计算出自动开关、辅助逆变器、变压器、蓄电池等器件与电源的关系，更新列车的电源总线，各子功能模块的供电状况；同时还对每个辅助逆变器对象仿真其内部逻辑包括撬棒特性、故障特性等，从而全面模拟列车低压配电系统、高压配电的控制逻辑和功能。

(3)门控模块23：

每扇门都有独立的门控单元15，系统将每个门当成一个对象，应用面向对象的技术仿真实现全部门控单元15的电路逻辑。根据司机指令、门控单元15的输入信号、故障设置等参数，仿真门与信号的关系、门的状态、门故障情况等。

(4)空调及通风设备模块24：

实现列车空调、紧急通风等空调通风设备的控制逻辑模拟。根据采集的操纵台与空调及通风相关的输入、故障设置及通风电路的逻辑关系，计算出空调、通风、加热状态，并经数据输出系统控制驾驶室内的通风设备以及更新TMS系统的输出显示。

(5)列车通信模块25：

司机室通讯设备与监控台的通讯设备相联。通过司机参与，可模拟与真实系统相同的功能，功能包括：乘客与司机通话；车站与司机通话；救援/被救援列车与司机通话。

从上述描述可知，本发明的应用实例提供的全自动列车驾驶模拟系统，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的全自动列车驾驶模拟体验，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。