基于Labview的城市轨道交通自动驾驶测试系统模型Word文档格式.docx

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第五章主要通过具体实例来验证该测试系统，并且验证结果表明该测试系统能够很完善的完成ATO系统的测试任务。

第六章是全文的总结。

Ⅱ相关理论

A.ATO

ATO是ATC的一个重要部分。

ATO、ATS（列车自动监控系统）和ATP（列车自动防护系统）一起组成了整个城市轨道交通的信号系统，是城市轨道交通的一个基础设施。

ATO系统按照系统设定的运行系统，根据ATS系统的指令选择最佳运行条件，实现列车运行速度自动调整和节能控制，包括牵引、巡航、制动、停车的控制和车门开关的控制功能，实现正线、折返线和出入段（场）线运行的自动控制，实现区间运行时间的调整控制，代替大部分本应该由列车驾驶员来完成的操作。

B.LABVIEW

LABVIEW全称是实验室虚拟仪器工程平台（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一个图形编程语言开发环境，是由美国国家仪器有限公司（NI）研究和开发的，类似于C语言和BASIC语言的开发环境。

它与其它计算机编程语言的不同之处在于：

其它计算机编程语言是基于文本的语言来产生代码，而LABVIEW是用图形程序语言——G语言来编写程序，由此编写出的程序是以程序框图的形式出现的。

在LABVIEW8.2平台上开发的程序都叫做VI（虚拟工程），它的扩展名为.Vi。

所有的VI都有前面板、框图和图标。

列车牵引力计算模块主要由两个部分组成：

牵引力计算模块的前面板和牵引力计算模块后台程序框图。

牵引力计算前面板是实际可见的界面。

测试者点击前面板上的控件就如同在操作仪器面板上按运行按钮。

如果后台程序框图完成计算和复杂的过程任务，过程结果或者观察数据就能够在前面板上显示出来。

Ⅲ测试系统模型的结构

A.测试系统模型的变量分析

根据城市轨道交通的虚拟仿真和它的运行环境，ATO系统的测试系统测试ATO自动驾驶、自动出发、速度调节、精确停车及目标制动、车地双向通讯、车门和屏蔽门控制、人机互交和其他功能，因此，列车模型和环境模型是ATO系统测试虚拟仿真的基础。

列车模型的参数由3个主要部分组成：

牵引制动特性、电流电压特性、车辆固定数据，这些参数都是列车牵引力计算的必要条件。

我们在设计这些模块的时候，可以考虑把这些参数设置成前面板可调参数，这样可以通过改变这些参数的值来模拟不同型号的列车。

环境模型也包括两个主要的模块：

线路数据和车站数据，由于线路上有坡度和曲线，所以计算线路时又包括线路、曲线、坡度三个部分。

坡度是反映线路纵断面的一个重要的线路参数，由于坡道力的影响，会对列车运行产生一定的阻力，坡道数据必须包括坡道的长度、坡度、坡道方向等重要的计算数据。

列车在曲线上要受到曲线阻力，并且列车在曲线段的运行速度要受到曲线半径大小的制约，即存在曲线限速。

因此在曲线建模时，要反映曲线在线路上的位置、曲线长度、曲线半径等计算数据。

车站是线路数据上不可或缺的重要组成部分，根据车站的模型建立，以便ATO准确计算当前位置距车站的距离以及判断是否进行停车制动的工况转换，达到精确停车的要求。

所以车站数据必须包括车站的起始位置和站名相关信息。

线路设置限速的目的是为了保证列车的安全行驶，列车运行时必须低于当前列车所在区段的限速值，限速数据必须包括限速的起始位置、限速值，以便ATO能够根据限速值推算出列车当前的控制速度和进入下一个区段的行驶速度、根据推算出的牵引制动点控制机车及时转换工况模式。

整个线路的参数也和机车参数一样是可变参数，在设计仿真测试模型时应该把该部分设置为可调整参数，这样就可以通过改变环境参数的值来选择不同的仿真测试环境。

B.测试系统的逻辑结构

因为硬件、软件和ATO系统是作为一个整体存在的，所以整个测试系统模型就应该包括硬件平台、软件平台和ATO测试设备，该测试系统就是以上述的列车模型和环境模型为基础，在软件平台上实现所有功能。

ATO测试系统和ATO系统的界面是由硬件测试平台实现的，ATO测试系统把各种数据输入信号量通过硬件测试平台转移到ATO体系,然后硬件测试平台从ATO系统中收集信号和各种各样的开关量进行反馈,以实现两者之间的相互作用。

逻辑图如图1

所示，

图1ATO测试系统逻辑结构

C.测试系统模型的物理结构

如图2所示，当我们构建完列车牵引力仿真计算模块后，我们需要在模块中对所计算数据间通信，以实现数字量和模拟量间的沟通和ATO设备之间的联系，最终实现虚拟测试平台与ATO测试设备之间的通讯。

考虑到子系统的关联性,整个测试程序可分为两个子系统:

牵引计算模型子系统和主程序界面子系统，实现与ATO硬件设备的通通讯。

图2测试系统模型的物理结构图

列车牵引计算模型包括通信设备控制、车门控制、牵引计算模块，在本部分中主要的成果就是测试过程的显示和控制，通过LABVIEW友好的图形界面，测试人员可以获得所需的数据、控制运动过程和监控移动情况。

与ATO硬件设备进行通讯的接口主程序模块包括七个子模块：

开关量发送模块、开关量采集模块、速度传感器通讯模块、ATP通讯模块、模拟TWC模块、模拟交叉点模块。

这一部分主要实现与ATO设备进行通讯，包括模拟、数字量的采集和发送，各种总线通讯。

在这一部分中，实现ATO设备的通讯是非常重要的，包括仿真、采集和发送数据以及各种通讯。

Ⅳ测试系统模型的构建

测试系统模型由两个部分构成：

牵引力计算模块和通讯模块。

A.牵引力计算模块

ATO仿真测试牵引计算模型实现架构图如图3所示，先通过牵引计算模型的前面板来设置整个模型和系统的初始化，调用一些数据文件。

然后采集启动建立过程中需要的开关量，包括牵引制动开关量。

流环的采集是用来确定牵引制动的级数，当启动条件建立后，可以按下前面板上的ATO启动按钮，则可以进入ATO自动运行模式。

列车牵引计算模型计算出列车在各种线路环境下运行轨迹，可通过前面板直接观测到列车实时速度、加速度、运行距离、ST运行曲线、VS运行曲线等一系列相关的曲线图，然后通过PXI硬件设备把计算的数字量转化成ATO设备接口需要的模拟数字量反馈给ATO设备，ATO设备根据这些参数和信号来调整和控制机车运行的下一个状态值，实现了整个ATO闭环测试流程。

图3ATO测试牵引力计算实现框图

B.通讯模块

与ATO设备通讯模块包括开关量的采集、开关量的发送、电流采集、速度模拟、CAN．ATP通讯、CAN—TWC通讯、交叉点发送这几个模块。

这几个模块既具有相关性又是独立的。

相关性是指ATO的仿真测试需要通过这些模块把模型和ATO测试设备连接起来，实现半实物的仿真测试，而且这些模型在ATO建立和运行的过程中都承担着重要的任务，缺一不可。

独立性则是说虽然这些模块缺一不可，但它们又是独立的个体，每个模块都使用了不同的板卡作为接口，实现不同的功能，程序之间也是独立的，每个模块的输入输出都不影响其他模块的输入输出。

如图4所示是与ATO设备通讯的流程图，当联调测试时，需要按照步骤与ATO设备建立通讯。

分别经过开关量的收发，即通过ATO的建立条件给出各种开关控制。

电流采集为了采集电流环的值来判断ATO的牵引和制动级数，作为列车牵引计算的输入。

422速度通讯把牵引计算模型的计算速度通过与速度变速箱的422串口通讯给出速度，CAN-ATP通讯是通过CAN总线模拟地面与ATP建立通讯，使ATO在ATP的监控模式下运行。

ATP-TWC通讯是通过CAN总线模拟地面TWC，与车载TWC建立通讯。

交叉点信息是模拟地面精确定位系统，发出一定频率的载频信号，实现列车的精确停车。

图4ATO设备的通讯模块

C.ATO系统测试模型框图

测试系统的整体模型框图如图5所示，一共有5个阶段。

每个阶段的实现都需要配合牵引计算模块和ATO设备间的通讯。

第一阶段是初始化装置,这是准备阶段的协调。

第二阶段是ATO的建立。

在这个阶段,我们要在手动启动和ATO模式之间设置相

关开关的值，同时也要建立列车ATP和TWC设备间的通讯,然后把线路信息、车站信息,速度限制信息传输给ATO,接受到信息后ATO生成曲线,然后我们进入ATO发车阶段。

第三阶段是列车ATO发车阶段。

测试面板上ATO发车指示灯打开就表示ATO模型已经成功建立，,我们可以启动ATO进入列车自动驾驶的阶段。

第四阶段是列车自动控制。

ATO自动驾驶仪控制列车，所以这一阶段并不需要手动操作。

第五阶段是ATO精确停车。

在轨道上存在装有感应线圈的交叉点作为精密定位装置。

当火车进入月台，交叉点通信模块能够根据列车的运行距离发送交叉点信息给ATO，相当于仿真轨道电路发出的交叉点信号。

ATO接受这些信号和当前正确的我距离,保证在±

0.5m内准确的停车。

图5测试系统模型框图

Ⅴ应用实例

A.实例描述

如图6所示为测试用例之一的轨道区段平面线路图，这张图上标明了线路的方向、站台名、轨道区段号、站台所在的轨道区段、所在轨道区段的载频、折返段。

平面线路图可以清晰的看出列车从哪一个站台开出，运行到当前的哪一个轨道段以及到哪一个目的站台停车，列车的全部运行距离等等。

平面线路图是测试的基础，所有通讯文件都要依据平面测试图编写。

图6ATO系统测试实例

B.测试结论

ATO测试根据测试流程图来执行。

我们选择两例来具体说明，图7、图8、图9都是ATO测试系统测试结果图。

图7所示是两个站点之间列车速度和距离的关系，第二阶段效率高于第一阶段，速度限制在60km/h，从图上我们可以看到在第二阶段有两个限速段，运行过程中存在一段很长时间的惰行阶段。

最后,当火车进入停车区,我们采用分级制动、制动平稳的策略,以满足停车精度要求。

图7两站台间列车速度和距离关系图

图8两站台间列车减速度变化图

图8和图9个是减速图和两个站点间的速度-时间图，利用时间为水平轴，以显示速度、列车牵引制动减速度和加速度随着时间的变化,主要反应出各参数间的关系，同时，我们也能观察到减速度和加速度的变化趋势，通过坐标上数值的变化可以准确读出火车在某一时间点的参数，就能够分析出ATO驾驶策略的合理性。

图7、图8、图9仅仅只描述出测试之后的结果，在测试完成之后，为了对在ATO系统控制的列车运行过程进行更加细致、详细分析，我们需要以某种格式存储一些列车运行过程中数据，用来作为以后数据分析之用。

相关数据（表1）是ATO测试数据表的一部分。

图9两站点间列车速度-时间关系图

表1ATO仿真测试部分数据表

启动时间（s）

单位合力（N/kN）

加速度（m/s2）

加速度变化率（m/s3）

速度（km/h）

距离（km）

63.7

0.59

0.969

58.7

0.544

1.909

2.172

61.23

0.567

4.313

0.001

3.375

61.165

0.566

-0.001

6.767

0.003

4.578

61.085

9.218

0.006

5.172

61.038

0.565

10.426

0.007

6.375

60.934

0.564

12.871

0.011

7.578

60.816

0.563

15.312

0.016

8.172

60.75

0.562

16.515

0.019

9.375

60.608

0.561

18.948

0.025

从图6，图7，图8的情况来看，我们知道当列车在两站点之间运行时，考虑到在舒适度，牵引的程度不能按照图7所示的情况直接的操作,而是应在列车启动时自动地增加牵引大小。

随着列车牵引程度的加大，加速度大小也显著增大（速度稳定后，加速度大小会在0附近有小幅度波动）。

虽然列车的速度会逐渐增大，但是不会超过我们之前设置的最大值60km/h，这样就能够避免列车在有可能超速的情况下超速了。

当火车平稳的进入下一车站时,ATO可以自动发出制动控制指令，并且根据实际的距离来改变制动的程度。

然后采取分级制动、制动平稳的策略在满足准确停车要求下使列车在1237.01m的位置停下来。

经实践检验，该PXI测试系统能够很好的完成ATO仿真测试任务，人机界面友好，功能模块划分清晰，不但担任了测试任务，而且起到了辅助ATO开发的作用。

Ⅵ总结

这篇论文选择LABVIEW图形编程环境，对研究是一个很好的起点。

因为LABVIEW有非常丰富的功能，我们能够把开发成本控制在一个很低的水平上，同时也便于维护和后期的升级。

仿真模型的框架虽然能在需求上能够满足测试的要求，但是仍有可以优化和改进的地方，譬如：

在模块的封装上可以把很多计算模型和模块封装成子Ⅵ，这样做可以使程序的架构更为精简和易读，也有利用模块的复用。

在程序的实现上，可以进一步优化处理循环的时间，使模型更精确。

参考文献

[I]WeizhongShi.TheATCintheUrbanRapidRailTransitSystem（below）.UrbanRailTransit,2005（4）:

32-37.

[2]ShuntaoWang.TheTrainControlofGuangzhouMetroLine3inATOModeLRailway

CommunicationSignaL2009

（2）:

30-33.

[3]ChuanjunWan.TheDesignandAchievementoftheAutomaticTrainControlSystem.

JouralofXi'

anPetroleumInstitute,2003（5）:

69-72.

[4]YonghongLv,HongyanLiu.AutomaticTrainOperationSystembasedonMoving

BlockTechnique.GansuScienceandTechnology,2008（19）:

15-18.

[5]ZhongyingZhu.TheApplicationoftheAutomaticTrainOperationonShanghaiMaglevDemonstrationLine.UrbanMassTransportationResearch,2004（4）:

10-14.

[6]JiashengShao.TheDiscussionontheFactorsAffectthesafetybrakingoftheATOSystem.RailwayCommunicationSignal,2005（8）:

13-14.

[7]QiangunNiu,JixiangTang.TheTestSystemoftheonboardcommunicationsequipmentbasedonthePXI.CalculationandMeasurementTechnology,2009（4）:

48-50.

[8]LeiWang,MeiTao.ProfcientLABVIEW8.0.ChengDu:

ElectronicIndustryPress,2007:

200-22I.

[9]QiyuanPeng,HongguoShi.TheTractionCalculationoftheUrbanMassTransitTrain.ChengduSouthwestJiaotongUniversityPress,2005.

[10]ZhongyangSun.ThePracticalTutorialofTraintractioncalculationprocedures.ChinaRailwayPress,2005,5.

[11]HongguoShi,QiyuanPengoTheTractionCalculationofUrbanMassTransitJouralofTransportationEngineering,2005,4.20-26.

[12]JikeChang,JianhuiZhao.TheResearchonthePathPlanningBasedontheEnvironmentModeLScientifcinnovationleader,2008（9）:

46-47.

[13]YandanLv,TaoTang.TheDesignoftheSimulationSystemofAutomaticTrainOperationBasedontheDatabaseModel.RailwaySociety,2001,23（6）:

50-53.