1、分布式地铁列车驾驶仿真器的体系结构第 25 卷,第 6 期2004 年 12 月中国铁道科学CHINARAILWAYSCIENCEV01.25No.6December,2004文章编号:10014632(2004)06 012004分布式地铁列车驾驶仿真器的体系结构苏虎,何鸿云(西南交通大学智能控制与仿真工程研究中心,四川成都 610031)摘要:从列车驾驶仿真器的体系结构出发,提出一种分布式列车驾驶仿真器的实现方案.该方案中,地铁列车驾驶仿真器由数据采集及输出,主控,ATC 仿真,视景仿真,声音仿真,数字广播及通信仿真,运动平台控制等仿真子系统组成.子系统间采用 IP 组播的方式进行通信 .
2、方案支持基于DIS 协议的仿真器间的通信,可实现多仿真器协同训练.为降低通信强度,提高仿真的实时性,采用一种 DR 算法.关键词:地铁列车;驾驶仿真器;DIS 协议;分布式结构中图分类号:U268.4 文献标识码:A仿真器又称模拟器,现代仿真器采用先进的仿真技术,在以计算机为基础的仿真环境下模拟实际物理设备的运行,从而达到进行各类科学实验及人员培训的目的【1j.列车驾驶仿真器是以培训列车司机为主要目的的仿真器.采用列车驾驶仿真器培训司机具有安全,经济,高效,培训过程可控,可重复,便于进行突发事件及故障状态的模拟等优点.国际上,列车驾驶仿真器的研发始于 20 世纪 80 年代,国内始于 20 世
3、纪 90 年代初.目前,列车驾驶仿真器在国内外列车司机培训领域得到了广泛的应用.列车驾驶仿真器是一个典型的人在回路的实时仿真系统,其仿真对象包括两类:列车性能和列车驾驶环境【3.列车性能仿真是指对列车牵引动特性,动力学特性,控制逻辑等的模拟.对于地铁列车驾驶仿真器,则还需要对列车自动控制(AutomaticTrainControl,简称 ATC),列车自动操纵(AutomaticTrainOperation,简称 ATO),列车自动保护(AutomaticTrainProtection,简称 ATP)系统进行仿真.列车驾驶环境仿真主要是重构列车驾驶时的视觉,听觉,体感环境,使受训司机有身临其境
4、的感受【4.由于列车驾驶仿真器是一个实时仿真系统,必须保证列车性能和驾驶环境仿真的实时性和高精度,才能保证其性能,达到良好的培训效果.本文收稿日期:20030926作者简介:苏虎(1973 一), 山东宁津人 ,工学博士,讲师.基金项目:深圳市地铁公司资助项目(DT10 一 KY10/2003)从列车驾驶仿真器的体系结构出发,提出一种分布式地铁列车驾驶仿真器的实现方案.该方案不但适用于地铁系统,且可用于其它城市轨道交通及高速铁路.1 列车驾驶仿真器的常见结构国内目前大量投入使用的列车驾驶仿真器的典型结构如图 1 所示.该类系统一般由主控计算机,视景计算机,数据采集系统组成.主控计算机负责列车性
5、能仿真,声音发生,教员管理等功能.在这类仿真器中,视景系统通常基于数字视频(DigitalVideo,简称 DV)的方式,即通过视景计算机实现预先录制数字视频的可控播放.数据采集计算机则一般采用 STD 工控机来实现对操纵台操纵动作的采集和仪表指示灯的输出.主控计算机与视景计算机,数据采集系统之间通过 RS232 进行通讯.蓄罕一八鉴塑至竺卜_主控/教员计算机一早羞人图 1 目前国内典型列车驾驶仿真器的结构该类列车驾驶仿真器结构简单,易于实现,成本低廉,得到了较广泛的应用.但是,系统主控计第 6 期分布式地铁列车驾驶仿真器的体系结构 121算机担负了多项仿真计算及教员监控任务,同时还需负责声音
6、的发生,在硬件平台计算能力有限的情况下,只有通过牺牲精度来保证计算的实时性;采用 DV 方式的视景系统需要大量的存储空间,分辨率较低,且难以实现平稳调速;计算机之间采用RS232 进行通讯,其传输速率 ,难以扩展,成为影响系统性能的另一瓶颈.总体而言,该系统功能单一,性能较低,可扩展性差,难以满足培训地铁列车,高速列车司机的要求.目前,国外先进的列车驾驶仿真器一般采用分布式体系结构,配备多通道计算机图像生成(ComputerImageGenerated,简称 CIG)方式的视景系统,运动平台,具有较完备的功能与良好的性能.2 分布式体系结构针对目前国内列车驾驶仿真器在体系结构上存在的问题,研究
7、采用分布式体系结构的列车驾驶仿真器,其系统结构如图 2 所示.图 2 分布式列车驾驶仿真器系统结构列车驾驶仿真器系统主要包括:数据采集及输出,主控,ATC 仿真,视景仿真,声音仿真,数字广播及通讯仿真,运动平台控制等多个具有独立功能的子系统.子系统间具有高内聚,低耦合的特点,尽可能少地交换数据.数据采集及输出子系统负责对司机的操纵动作进行实时采集,并控制指示灯,仪表显示输出.主控子系统主要负责列车逻辑仿真计算,牵引/静 J 动特性仿真,动力学计算及数据中转等工作.ATC 仿真子系统模拟车载和地面的 ATC 设备,实现列车自动驾驶功能,自动保护仿真.CGI 方式视景仿真子系统生成列车运行场景以及
8、站台监视器画面.声音仿真子系统构造列车运行的三维声音环境.数字广播及通信仿真子系统实现列车内数字广播系统,司机与乘客,司机与行车值班员的通话模拟.运动平台控制子系统通过对六自由度运动进行姿态控制来实现动感仿真.各子系统的软件运行在系统中的不同节点上.节点间通过 100Mbps 的快速以太网连接,采用TCP/IP 网络通信协议进行数据交换.各子系统间主要信息流如图 3 所示.I.仿真器状态;2.控制命令;3.广播系统状态;4.控制命令;5.速度,线路状态等参数;6.声音子系统状态;7.仿真器姿态,各方向加速度等;8.运动平台姿态,状态参数等;9.速度,加速度,控制命令等;1o.视景子系统状态;I
9、I.速度,加速度,控制命令等;12.ATC 相关数据;13.需输出的参数,控制命令等;14.操纵动作数据图 3 列车驾驶仿真器信息流由图 3 可见,列车驾驶仿真器内部的数据传输主要以主控节点为中心,其余各节点间数据交换很少.根据这个特点,仿真器内部的通信方式采用客户/且艮务器(Client/Server,简称 C/S)方式.将主控节点作为数据交换的服务器,其它节点作为客户端.客户端通过建立与服务器的连接来完成数据的发送与接受,客户端之间不直接交换数据.主控节点负责仿真器内部发送,中转以及与驾驶仿真器外部的数据交换.在更高层的仿真系统中,一台列车驾驶仿真器作为系统中的一个节点,与教员系统,其它列
10、车驾驶仿真器,其它仿真系统(如地铁控制中心仿真系统等)构成地铁综合仿真系统.此时,各个仿真节点间采用分布式交互仿真(DistributedInteractiveSimulation,简称 DIS)体系结构.如图 4 所示.DIS 协议是一种分布式交互仿真系统的通信协议标准.DIS 协议定义了一种分布式交互仿真体系结构,用于连接不同地理位置上各类型的仿真器与仿真应用系统,构成了一个高度交互的分布式虚拟环境.在这种结构下,系统不设中心服务器,各个节点间地位对等,节点间通过协议数据单元(Pro中国铁道科学第 25 卷tocolDataUnit,简称 PDU)交换数据.采用 DIS体系结构,根据地铁仿
11、真系统的特点与实际需要,设计针对地铁仿真的 PDU,可实现多仿真系统的分布式协同训练.图 4 地铁综合仿真系统3 节点间的通信系统中数据流向较为复杂,需要根据其特点选择合适的通信方式.根据其流向可将数据分为仿真器内部交换的数据,仿真器系统之间及其与教员机间交换的数据两类.其中仿真器内部交换的数据为点到点的传送,仿真器系统之间及其与教员机间的数据传送则为一点到多点的传送.传统的 IP(InternetProtoco1)通信有两种方式:第一种是在一台源 IP 主机和一台目的 IP 主机之间进行,即单播(Unicast);第二种是在一台源IP 主机和网络中所有其它的 IP 主机之间进行,即广播(Br
12、oadcast).对于仿真器内主控机与 I/O 控制机,运动控制机间的通信均可采用单播方式.对于一点到多点的传送,若采用传统的 IP 通信,则要么采用广播方式,要么由源主机分别向网络中的多台目标主机以单播方式发送 IP 包.采用广播方式实现时,不仅会将信息发送给不需要的主机而浪费带宽,也可能由于路由回环引起严重的广播风暴;采用单播方式实现时,由于 IP 包的重复发送会白白浪费掉大量带宽,也增加了服务器的负载.传统的单播和广播通信方式不能有效地解决单点发送多点接收的问题.IP 组播(IPMulticast)是标准的 IP 网络协议的扩展,由 SteveDeering 定义的 HostExtens
13、ionforIPMulticast(RFC1112)奠定基础.指在 IP 网络中将数据包以尽力传送(Besteffort)的形式发送到网络中的某个确定节点子集,这个子集称为组播组(MulticastGroup).IP 组播的基本思想是 :源主机只发送一份数据,这份数据中的目的地址为组播组地址;组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝,并且只有组播组内的主机(目标主机)可以接收该数据,网络中其它主机不能收到.IP 组播技术在实时数据传送,网络电视,多媒体会议,数据拷贝,游戏和仿真等诸多方面都有广泛的应用.采用 IP 组播技术可以有效地解决教员机到各仿真器主控机,各仿真器主控机之间数据交换的问
14、题,实现了 IP 网络中点到多点的高效数据传送,能够有效地节约网络带宽,降低网络负载.在局域网环境里,需要对第二层设备进行相应的配置,否则组播报文就会转发给第二层交换设备的所有端口,浪费大量的资源.在二层交换机中内嵌 IGMPSNOOPING,可避免 IP 组播报文在所有端口泛滥.4 降低通信强度的优化算法列车驾驶仿真器运行时,其各节点需要实时地交换状态信息,而频繁的数据交换会增加网络通信的负荷,使网络延迟增加.DIS 中普遍采用 DR 技术,用于减少在网络上传输的信息量.DR 算法可以在仿真精度和网络通信负荷之间进行很好地折衷,即可以在一定的仿真精度要求下,大大地减少节点之间仿真实体状态信息
15、传递次数,同时可以对信息传递延迟进行补偿.DR 技术是 DIS 中一种实时的模型预估技术.其基本思想是:信息接收方在本地对信息发送方的状态进行估算,信息发送方也保存有该状态估算模型,在精确计算的同时进行估算;当信息发送方计算出状态估算值与精确值的误差大于某一门限时,才向信息接收方发送其状态信息,以此减少数据交换的次数,降低通信强度.以位置数据的传输为例,数据接收方在每个场景绘制周期前对发送方的位置进行估算.设接收方在绘制第帧时收到发送方的第 i 个状态数据包,收到时刻为 t,第帧绘制完成时刻为 t;第 i 个状态数据包中,发送方列车当前距路径起点的距离为 Pos(i),速率为 Speed(i)
16、,则第+1 帧时,发送方列车当前距路径起点的距离为:Pos(+1)=Pos(i)+Speed(i)(t 一 t)设接收方在绘制第+n 帧时收到发送方的第i+1 个状态数据包,则在第 17q+1 帧后每帧绘制前,发送方距起点的位置为:第 6 期分布式地铁列车驾驶仿真器的体系结构 123Pos(+是 )=Pos(+1)+Speed(i)+k丁是=1,2,3, ,“一 1,一+l其中,丁.为绘制第 J 帧花费的时间.这里,由于仿真器节点之间通过专用的高速局域网络交换数据,且交换的状态信息较为简单,因此网络延迟很小,近似地认为接收方收到报文的时刻就是发送方送出报文的时刻.在数据发送方,定时估算位置,其
17、公式为:Pos(,)=Pos(i)+Speed(i),丁,=1,2,3,其中,丁为定时器间隔.当数据发送方计算的估算值与精确值的差大于某一门限时,发送精确计算的位置数据,速率等数据.采用该 DR 算法后,节点间发送数据的频率由30 次?S 降低到 35 次?S,甚至更低,大大降低了网络负担.5 结束语本文从体系结构,通信方式等方面讨论了一种分布式列车驾驶仿真器的实现方案.该方案针对国内现存列车驾驶仿真器的不足,解决了可扩展性,功能性等方面的问题.该方案配置灵活,扩展性强,功能齐备等特点,不但适用于地铁系统,城市轻轨,也适用于高速铁路列车驾驶仿真器.参考文献1刘藻珍,魏华梁 .系统仿真M.北京:
18、北京理工大学出版社,1998.2RainerSchwentke,DrIstvanHrivnak,AttilaDobrosi.MultifunctionSimulatorDevelopedforHamburgJ.InternationalRailwayJourna1.1999,39(4):2527.3邱静.计算机图象生成技术的研究及其在机车仿真器视景系统中的应用D.成都:西南交通大学博士学位论文.1998.4苏虎,周美玉 .高速列车模拟器的视景仿真与建模J.系统仿真.2001,13(5):588 591.5张冰,杨明 ,王子才.分布式仿真中的 DR 技术实现方案J. 系统仿真.2000,12(1
19、):7579.6陶化成.DR 算法门限值的确定J.系统仿真.2002,14(3):288289.TheArchitectureofDistributedMetroTrainDrivingSimulatorSUHu,HEHongyun(IntelligentControlandSimulationResearchCenter,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)Abstract:Startingfromthearchitectureoftraindrivingsimulator,anewrealizationsolutio
20、ntoadistributedtraindrivingsimulatorisproposedinthispaper.Inthesolution,thesimulatoriscomposedofI/Osubsystem,hostcomputer,ATCsimulator,visualsubsystem,audiosubsystem,digitalbroadcast,communicationsubsystemandmotionbase.Multicastprotocolisusedbetweensubsystemsoftraindrivingsimulator.TheDISprotocolissupportedinthisarchitectureandmultiplesimulatorscoordinativepracticecanberealized.DRalgorithmisusedincommunicationtoavoidnetworkcongestionproblemandimprovetherealtimeofthesimulation.Keywords:Metrotrain;Drivingsimulator;DISProtocol;Distributedstructure(责任编辑刘卫华)
