开源低成本的列车动力学半实物仿真测试平台

卡斯柯信号有限公司 职文超 吕新军 李付军

本文使用开源软件Scilab/xcos进行列车动力学建模、仿真，采用开源软件X2C将模型生成嵌入式C代码，结合部分手写驱动代码，以开源FreeRTOS为实时操作系统，运行在ESP32硬件模组之上，搭建了列车动力学半实物仿真平台，用以自动驾驶控制算法测试，在保证性能的基础上，大幅降低系统成本。

列车自动控制系统（ATC）一般由列车自动监控系统（ATS）、列车超速防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）构成。而自动驾驶算法是ATO系统的核心，直接关系到轨道交通系统的运营效率和乘客舒适度，列车的牵引和制动是其主要控制对象。在具体工程项目的实施过程中，因为不同列车的性能存在偏差，尤其是列车停站过程中电制动、空气制动的切换，引入了非线性因素，列车模型整定和自动驾驶算法调试工作量大、耗时长。为缩短现场调试时间、提高调试效率，降低项目实施成本，可以提前在实验室，根据项目所用列车的牵引和制动的动静态特性参数，搭建动力学模型，用来进行算法调整、参数整定并验证算法的性能。

而纯软件的仿真也有其缺点，比如没有考虑模型的浮点运算和MCU上面整形运算的区别、电流或电压输出时的精度局限、TIMS控制列车时的通讯延迟等等因素，因此，即便在PC仿真时，得到了满意的列车控制算法，也要在真实的ATO控制器运行列车控制算法，控制仿真列车，来进一步验证ATO算法的有效性。也就是说采用半实物仿真，取代部分数学模型，更接近实际情况，从而获取更确切的信息。

商业软件Labview或者Matlab/Simulink可以完成列车动力学建模、算法仿真和半实物仿真的全过程，但价格不菲，且可能面临被国外公司禁止使用的风险。本文探索使用开源软件、低成本硬件搭建自主可控的列车动力学半实物仿真测试平台。

1 仿真平台总体设计

仿真平台由两部分组成，分别是上位机和下位机。

上位机负责对列车运动学进行建模、仿真，仿真过程中可以对动力学模型的结构（一阶时滞模型、二阶时滞模型）、参数（延时大小、时间常数等）进行调整，在得到满足项目要求的模型后，通过工具把模型自动转换为C代码，最后把模型代码编译成可执行的程序，下载到下位机。

下位机负责与ATO控制器的物理接口、运行列车运动学模型，对于ATO控制器来说，下位机就相当于列车，是ATO控制器的控制对象。列车的运动学模型需要在下位机中实时运行，其实时性直接影响到仿真效果是否足够真实。因此，嵌入式实时操作系统的选用、驱动程序的设计，就需要考虑到满足实时性要求。

2 仿真平台下位机

本文选用ESP32作为主控制芯片，ESP32是自主化的IOT芯片，主频可达240MHz，可满足列车模型的计算需求；片上资源丰富，可满足列车模型外部连接的要求，开源开发环境ESP-IDF基于FreeRTOS开源操作系统，驱动代码可以GITHUB上直接下载。4MB的Flash模块为模型程序提供了足够的保存空间。

FreeRTOS提供了基于优先级的任务调度机制，可以保证模型的实时执行。另外ESP32是双核的CPU，将列车运动学模型单独运行在其中一个核，保证模型的实时性，不受其他任务的影响。

3 仿真平台与列车控制器的接口

ATO自动驾驶系统可以通过里程计、雷达等传感器获得列车的运行速度或者位移，ATO控制器（Carbone controller，以下简称CC）通过安装在车轴上的里程计获知列车的位移、速度、加速度，更新列车在轨道上的位置，经过自动驾驶算法运算之后，得到的牵引或者制动命令通过继电器、电流环、TIMS网络接口（MVB、TRDP）输出给列车。列车控制器的执行周期为100ms。本文中CC与测试平台之间经过电平转换，通过硬线连接。如图1所示。

图1 仿真平台与列车控制器的接口

MDR/BDR/MBC分别为牵引命令/制动命令/牵引制动等级，C1/C2/C3分别为里程计的输入脉冲。

4 里程计的模拟

ESP32通过PWM模块输出控制三个引脚，输出相差120°的速度脉冲，分别对应里程计的C1/C2/C3，里程计正向旋转时，C1/C2/C3依次成120°；里程计反向旋转时，C1/C3/C2依次成120°。通过改变引脚输出顺序、定时器频率，即可模拟车轮的正反转、转速变化；动力学模型的输出速度，是编码里程计模块的输入。每个仿真周期，根据仿真列车的速度，通过设置分频器，调整定时器的输入时钟频率，模拟列车速度的变化。里程计转过一个齿，代表车轮转过的实际距离为teeth_dist，那么freq=speed/teeth_dist。这里的freq即为PWM输出的频率。

通过逻辑分析仪可以看到，从左到右，列车速度逐渐降低，而C1/C2/C3的周期在逐渐增加的同时，C1/C2/C3之间保持了严格的相位差。如图2所示。

图2 里程计C1/C2/C3的仿真图

5 输入采集

ESP32从数字引脚GPIO获取MDR/BDR输入线的电平高低，从模拟数字转换器ADC获取MBC值，模型的输入可以用以下逻辑表示

6 仿真平台上位机

Scilab/xcos是由法国国家信息自动化研究所开源的科学计算软件，在功能上分别与Matlab/Simulink类似，可以方便地进行模型建模与仿真。X2C为Xcos提供了一个工具箱，支持将Xcos搭建的列车运动学模型转换成嵌入式C代码，并不与特定硬件平台绑定，只要对应平台支持C编译器即可。整体实现过程如图3所示。

图3 运动学模型编译下载流程

7 列车运动学模型

列车运动学模型采用一阶带延迟模型，模型的输入是ATO控制器向列车请求的加速度命令，模型的输出是仿真列车的速度，列车速度是对列车加速度积分而来，列车动力学模型如图4所示。

图4 列车运动学模型

模型的仿真周期为10ms，使用X2Code工具生成模型的软件后，使用ESP32提供的高精度定时器释放信号量，周期性运行模型软件，模型的输出为列车速度。

8 测试结果

在该平台上使用ATO驾驶模式，CC控制列车运行在两站之间，仿真曲线如图5所示，其中红色曲线为列车速度、浅绿色曲线为CC输出的牵引制动命令、深绿色曲线为根据列车仿真平台给出的C1/C2/C3里程计输出计算出的列车实际加速度，可以看出仿真平台较好地模拟了列车的动力学特性。

图5 ATO驾驶站间仿真

X2C可以生成模型的定点数代码，对于没有浮点运算单元FPU的CPU来说，可以有效减轻仿真平台的计算负担，以10ms周期性运行模型软件，对ESP32的CPU利用率进行监测，约在30%左右，计算裕量较大，可支持更复杂的列车模型，为以后模型的精细化留下空间。

本文使用开源软件，在ESP32硬件平台，搭建了一套列车运动学仿真平台，测试表明性能满足要求，成本大幅下降。根据本文提供的建模方式，不同地铁项目建立不同的列车动力学模型，是一种快速低成本搭建仿真平台的方式。后续可以在交互性（比如提供友好的WEB界面）、列车速度的精度、TIMS网络连接等方面，继续优化拓展。