付 偉，馮浩楠，黃蘇蘇，王 鯤

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

近年來，城市軌道交通快速發(fā)展對列車控制系統(tǒng)提出了更高的需求，無人駕駛技術(shù)憑借高效便捷的優(yōu)點在此領(lǐng)域應用越發(fā)廣泛，逐漸成為軌道交通信號系統(tǒng)未來重要發(fā)展趨勢之一[1-3]。目前，全自動駕駛(FAO, Fully Automatic Operation)系統(tǒng)已在巴黎、迪拜、新加坡等國外城市地鐵投入使用；我國的上海10號線、北京新機場線等也將使用全自動駕駛系統(tǒng)[4-5]。

FAO系統(tǒng)相比CBTC系統(tǒng)，深度集成了軌旁控制系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)，在提升系統(tǒng)效能、拓展系統(tǒng)功能的同時，也對工程應用的測試提出了挑戰(zhàn)。因此，用于驗證和測試的仿真系統(tǒng)設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵，良好的仿真系統(tǒng)應該具備系統(tǒng)功能驗證、安全性能評估、工程參數(shù)評估和系統(tǒng)故障分析等多種功能[6-7]。針對全自動駕駛系統(tǒng)功能設(shè)計，文獻[8]提出一種地鐵全自動駕駛信號仿真系統(tǒng)基本設(shè)計方案，基于簡單設(shè)計角度出發(fā)，對各個系統(tǒng)的信息交互進行簡單描述，缺少對系統(tǒng)性能全面深入的設(shè)計；文獻[9]和文獻[10]對FAO系統(tǒng)新增的功能和場景進行了介紹和理論分析，對系統(tǒng)安全性能評估具有借鑒意義，但是無法全面指導系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。

DoDAF是一種能夠?qū)ο到y(tǒng)架構(gòu)精確描述的設(shè)計方法集，能夠準確描述復雜系統(tǒng)間各個模型系統(tǒng)運行和交互過程，在多機協(xié)同探測系統(tǒng)[10]、地震預警系統(tǒng)[11]、武器性能系統(tǒng)評價[12]等復雜系統(tǒng)設(shè)計中得到應用，是復雜系統(tǒng)精細化設(shè)計的理想構(gòu)建方法。

本文依托中國鐵道科學研究院集團有限公司軌道交通實驗平臺，針對中國城市軌道交通協(xié)會對全自動駕駛需求規(guī)范，基于DoDAF架構(gòu)精細化設(shè)計FAO仿真系統(tǒng)。在全自動駕駛需求和能力構(gòu)建的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)頂層設(shè)計，包括概念數(shù)據(jù)模型、組織關(guān)系圖、作戰(zhàn)活動模型和系統(tǒng)接口等多個視角的系統(tǒng)架構(gòu)詳細設(shè)計，基于精細化設(shè)計模型，依托廣州某線路真實數(shù)據(jù)搭建仿真系統(tǒng)，驗證FAO系統(tǒng)功能。

1 FAO仿真系統(tǒng)頂層設(shè)計

DoDAF是美國國防部編寫的用以指導復雜系統(tǒng)框架開發(fā)的方法集，目前是2.02版本。DoDAF采用標準方法解決復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化問題，通過能力、作戰(zhàn)、系統(tǒng)、服務、全景、標準、項目等多個視點將人員、流程和技術(shù)設(shè)計要素進行融合，形成了具有52個模型的設(shè)計框架體系。針對FAO仿真系統(tǒng)特點，本文選取部分視點和模型，完成從需求到詳細設(shè)計過程，最后實現(xiàn)FAO仿真系統(tǒng)。

1.1 需求概述

AV-1需求概述模型綜述了FAO仿真系統(tǒng)的目標、任務、計劃、活動、事件等要素。FAO系統(tǒng)通過依靠信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)實現(xiàn)列車控制系統(tǒng)與地面設(shè)備的實時信息交互，中心控制室值班人員依靠人工監(jiān)視與干預保證系統(tǒng)按照計劃正常運行以及在系統(tǒng)故障模式下的指揮。FAO系統(tǒng)仿真系統(tǒng)功能需求如下：

（1）FAO系統(tǒng)的功能原理驗證；（2）FAO系統(tǒng)的安全性能評估；（3）FAO系統(tǒng)的工程參數(shù)評估；（4）FAO系統(tǒng)的故障模式分析。

1.2 能力構(gòu)建

CV-1能力構(gòu)想模型描述了FAO仿真系統(tǒng)的能力范圍，提供描述能力的戰(zhàn)略意義。FAO仿真系統(tǒng)的能力構(gòu)建包括構(gòu)想、目的和能力3個層次。總體構(gòu)想為：通過FAO仿真系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)對FAO系統(tǒng)的評估。能力構(gòu)建圖，如圖1所示。

1.3 頂層概念

OV-1頂層概念模型為作戰(zhàn)視點（Operational View），研究對象為FAO系統(tǒng)列車運行控制模式，運行模式涵蓋了系統(tǒng)在所有運行場景中可能的狀態(tài)。針對復雜多變的運行環(huán)境，F(xiàn)AO系統(tǒng)的列車駕駛存在多種控制模式，不同的控制模式對系統(tǒng)的整體設(shè)計、運營模式和管理方式需求不同，具體包括7種運行模式，即：列車自動防護下的人工駕駛模式（CM模式），列車自動駕駛模式（AM模式），等待模式（SB模式），限制人工駕駛模式（RM模式），全自動駕駛模式（FAM模式），蠕動模式（CAM模式）和關(guān)機模式（Power Off模式），各個運行模式在特定條件下進行轉(zhuǎn)換，F(xiàn)AO仿真系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

2 FAO仿真系統(tǒng)詳細設(shè)計

AV-1、CV-1和OV-1模型共同構(gòu)建了FAO仿真系統(tǒng)的基本框架。本章從數(shù)據(jù)、組織、活動和接口等角度精細化設(shè)計FAO仿真系統(tǒng)，進一步詳細描述系統(tǒng)功能需求和各個子系統(tǒng)間的重要關(guān)系。

2.1 概念數(shù)據(jù)模型

DIV-1概念數(shù)據(jù)模型圖，如圖3所示，描述了FAO仿真系統(tǒng)不同類型數(shù)據(jù)概念及其相互作用關(guān)系。

FAO仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)支持了眾多上層數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)規(guī)范數(shù)據(jù)、具體指系統(tǒng)的通信協(xié)議、接口規(guī)范和技術(shù)標準等，這些規(guī)范數(shù)據(jù)規(guī)范了系統(tǒng)框架和開發(fā)行為。在標準框架基礎(chǔ)上，F(xiàn)AO仿真系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、設(shè)計工程數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)和維保數(shù)據(jù)4部分。設(shè)計工程數(shù)據(jù)與系統(tǒng)開發(fā)階段有密切關(guān)系，是FAO仿真系統(tǒng)工程參數(shù)評估的重要內(nèi)容；系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)和維保數(shù)據(jù)是系統(tǒng)生命周期中評價系統(tǒng)性能的重要參考依據(jù)。

2.2 組織關(guān)系模型

OV-4組織關(guān)系圖描述了FAO仿真系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的隸屬關(guān)系、指揮關(guān)系和協(xié)同關(guān)系。FAO系統(tǒng)與列車、牽引供電、基礎(chǔ)設(shè)施、維護、通信、車站等其他外部眾多系統(tǒng)聯(lián)系，滿足列車自動化實時控制的要求。FAO仿真系統(tǒng)組織關(guān)系圖，如圖4所示。FAO仿真系統(tǒng)實現(xiàn)時，牽引供電、基礎(chǔ)設(shè)施等不易在實驗室實現(xiàn)的外部連接系統(tǒng)可以使用仿真系統(tǒng)或者軟件進行模擬，最終實現(xiàn)FAO仿真系統(tǒng)運行場景全實現(xiàn)。

2.3 作戰(zhàn)活動模型

OV-5b作戰(zhàn)活動模型描述了FAO系統(tǒng)仿真系統(tǒng)執(zhí)行能力，具體而言是描述系統(tǒng)在不同工作狀況下的轉(zhuǎn)換過程，在何種情況下實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，明確輸入輸出條件。FAO系統(tǒng)仿真系統(tǒng)涉及8種工作狀態(tài)，在10個條件下會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換，如圖5所示。車輛系統(tǒng)在喚醒上電命令下從斷電工況變?yōu)榇r，在出庫命令條件下進入車輛段內(nèi)變?yōu)閳鰞?nèi)工況。當車輛進入洗車線開始洗車命令和駛離洗車線結(jié)束洗車線的命令下，洗車工況與場內(nèi)工況相互轉(zhuǎn)換。在出段命令下，車輛進入正線工況。在終點站清客和清客完成啟動條件下，正線工況與清客工況相互轉(zhuǎn)換。入庫條件下車輛轉(zhuǎn)換為清掃工況。在按壓檢修和復位檢修條件下，系統(tǒng)在清掃工況與檢修工況之間轉(zhuǎn)換。

2.4 系統(tǒng)接口模型

bSV-1系統(tǒng)接口描述了FAO仿真系統(tǒng)包含子系統(tǒng)之間信息交互關(guān)系。系統(tǒng)接口圖，如圖6所示。每個子系統(tǒng)又包含眾多模塊，相互之間通過規(guī)定協(xié)議完成數(shù)據(jù)信息交互。

3 FAO仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

基于頂層設(shè)計和詳細設(shè)計，在實驗室搭建FAO仿真系統(tǒng)。FAO仿真系統(tǒng)按照設(shè)備現(xiàn)場安放位置可分為中心、車站、軌旁仿真和車載4部分。仿真數(shù)據(jù)采用廣州7號線一期數(shù)據(jù)設(shè)計實現(xiàn)，包括1個車輛段和4個設(shè)備集中站，其中，車輛段和1個設(shè)備集中站采用真實機柜，其余使用工控機模擬系統(tǒng)功能。依照廣州7號線列車運行時刻表，列車從車輛段自動出段后，經(jīng)過站臺自動停站、開關(guān)屏蔽門后，最后自動進入車輛段完成自動駕駛過程。

4 結(jié)束語

在全自動無人駕駛投入工程應用之前，需要實驗等多種手段驗證其功能和安全性，本文設(shè)計并在實驗室搭建了基于DoDAF框架的FAO仿真系統(tǒng)，仿真實驗結(jié)果表明，F(xiàn)AO仿真系統(tǒng)滿足初始全自動化功能要求，并為以后的工程化研究提供了重要參考依據(jù)。

下一階段，F(xiàn)AO系統(tǒng)將在實驗線路上進行上道實驗，進一步驗證系統(tǒng)功能。由于真實系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)在某些參數(shù)上會有差異，因此，在后續(xù)的工程應用中，需要根據(jù)現(xiàn)場條件和實際需求進行適量修改，減少實驗誤差，更好地服務于工程應用。