列车全自动驾驶信号模拟试验装置研究

摘 要：随着经济的高速发展，全自动驾驶模式成为提升列车运行性能指标的运行模式，FAO（Fully Automatic Operation，全自动运行）系统，作为自动驾驶模式的核心系统，是提高列车运行效率、增大列车运行密度的关键装备。主机厂内受地面信号设施限制，FAO系统与车辆间的典型运行场景联调联试无法进行，车辆网络与FAO系统间接口存在不满足全自动场景需求规范要求的潜在风险，为验证车辆网络控制系统与FAO间接口功能准确性，设计一款全自动驾驶场景试验装置，装置与车辆连接后针对典型运营场景进行流程化验证试验，发现车辆网络与FAO系统间接口存在的潜在缺陷，保障车辆在FAO模式下安全可靠运营。

关键词：FAO;车辆;场景试验;接口;可靠

引言

全自动驾驶系统是实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统，全自动驾驶已经成为城市轨道交通建设发展的必然趋势。城轨车辆在车辆段全自动运行区域内以自动运行方式运行，可实现列车自动休眠、唤醒、自检、运行、停车、洗车、开关门等操作。为保障车辆全自动运行区域内正常运行，设计一款全自动驾驶场景试验装置，列车出厂前通过对车辆火灾、正线服务、跳停等典型运行场景测试，保证信号与车辆网络接口整体性能满足全自动场景需求规范要求，达到列车全自动稳定运行效果。

1 总体设计方案

中央控制单元（CCU）位于两个Tc车，运行中互为热备，根据信号输入条件可进入不同的自动驾驶模式。在不同的自动驾驶模式下，CCU负责对本单元车辆的逻辑控制、状态采集、故障诊断等功能。全自动驾驶信号模拟试验装置模拟信号系统设网络通信接口和IO接口，与CCU网络通信完成对车载设备状态采集和控制，IO接口控制车辆DC110V逻辑电路。为保证车辆网络满足全自动场景需求规范要求，保证车辆自动运行的可靠、安全，车辆进行全自动场景试验验证信号与车辆网络总体功能达到稳定效果。

装置由主控制单元，IO控制单元、网络通信单元、数据存储单元组成，总体架构如图1。主控制单元选用I7-3540M处理器，应用程序调用无线传输接口从四方数据管理系统上下载调试任务并对任务进行解析，然后调用接口向IO控制单元、网络通信单元发送任务指令，IO控制单元、网络通信单元响应指令后与车辆交互，参与车辆DC110V逻辑控制、网络逻辑控制。

2 IO控制及数据传输单元设计

2.1 IO控制单元设计

IO控制单元主控制器选用Atmega2560，该单片机提供86个IO口，一般单片机控制继电器通断采用双极性三极管驱动即可，但IO板卡多路继电器辅助触点接入车辆控制逻辑电流，同时控制多路继电器会造成负载从单片机汲取电流过大，本装置选用MOS场效应管AO3400代替三极管驱动继电器，继电器拉合动作后其辅助触点串入车辆DC110V逻辑电路，完成车辆硬线控制。单片机的IO通过N沟道MOS管驱动继电器电路如图2，AO3400从单片机IO口汲取电流≤2uA，开启电压1.5V～2V，保证继电器控制电路稳定。

2.2 数据传输单元设计

在全自动驾驶信号模拟试验装置上安装网络通信单元，包括MVB收发模块、以太网模块。MVB模块、以太网模块作为CPU的一个外设完成数据转发，实现上位机与车辆MVB网络、ETB网络通信，本文主要阐述基于MVB通信协议的数据输入输出设计，图3为MVB接口模块框图。MVB模块最多监控4096个过程数据端口，同时具备通信转换接口，能够将MVB的ESD接口转换为RS485，端口状态数据可实时查询。

2.2.1 数据发送

MVB协议的数据发送流程，FPGA中设置数据缓存单元，数据串并转换单元，CRC生成单元，帧头帧尾构建单元，移位控制单元，曼彻斯特编码单元，待发送数据处理后输出至MVB总线。数据缓存单元采用数据收发缓冲器FIFO，FIFO设置4╳16位的存储空间，定义8位的校验空间用于存储CRC校验码。MVB总线支持串行传输，数据并串转换单元将FIFO中并行数据转换成64位串行数据帧，64位数据帧输入至CRC生成单元输出CRC校验序列，移位控制单元将64位串行数据帧，CRC生成单元生成8位CRC校验序列，帧头帧尾构建单元生成的帧分界符、终止符组成串行字符串，串行字符串结构为帧起始符+64位数据帧+8位校验序列+终止符。曼彻斯特编码单元将串行数据进行编码后输出。

2.2.2数据接收

接收模块检测实时检测MVB总线上的帧起始符，将起始符后有效数据存入缓存，帧数据缓存FIFO为16╳16，CRC存储空间4╳8，直至检测到终止符后停止写入，对接收到的数据进行帧长度检测及校验检测，若校验结果正确，对接收数据进行解析，若校验结果错误，继续下一次数据接收。

3 上位机控制显示单元设计

上位机软件模块化设计，包括权限管理，测试配置，测试用例，测试报告等。

权限管理包括试验人员信息管理，测试配置支持用户接口属性定义，用户可根据不同项目对试验接口的进行编辑和配置，测试用例用于控制测试的执行、暂停、恢复、监控等，试验结束后导出试验结果。

裝置软件支持编辑、导入通信协议，与四方数字化平台实现任务获取，每一条任务包含多个测试步骤，每个步骤包括变量初始化，变量赋值，装置通过驱动IO板卡、发送配置指令至车辆CCU，测试结果由系统自动采集MVB总线数据并生成测试报告。

4 系统应用总结

本系统已成功在厂内全自动场景试验中验证应用，装置可接收四方数字化调试平台下发的任务，针对试验任务调用测试配置文件，IO模块模块、通信模式实现与车辆通信，试验过程可记录关键调试试验数据并导出上传试验结果。试验结果表明全自动驾驶场景试验装置与车辆连接后针对典型运营场景进行流程化验证试验，能够发现车辆网络与FAO系统间接口存在的潜在缺陷，保证了车辆安全性。

参考文献：

[1]常玉琪.MVB控制器校验序列FPGA设计.长春工业大学学报， 2016

[2]聂晓波. 轨道车辆MVB网络实时性能分析与优化研究.铁道学报，2011

作者简介：

刘真（1990～），性别男，民族回，籍贯：山东省青州市，工程师，学历：硕士，单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，研究方向：动车组电气系统调试及故障检测。