城市軌道交通列車自動(dòng)監(jiān)控仿真系統(tǒng)站場圖自動(dòng)生成

吳玲英

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司軌道交通培訓(xùn)中心，201102，上?！喂こ處煟?/p>

我國城市軌道交通正處于快速發(fā)展階段，就上海而言，有多家外國公司參與了上海軌道交通的建設(shè)。上海軌道交通1號(hào)線采用了美國GRS公司（現(xiàn)為ALSTOM公司的一部分）的列車自動(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)，2號(hào)線采用了美國USS公司的技術(shù)，6、8、9號(hào)線則采用阿爾卡特的基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)。各公司的站場數(shù)據(jù)格式不同、站場仿真界面不同、仿真功能不同，這就需要開發(fā)多套仿真系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)上崗或者在崗人員的培訓(xùn)目的。站場圖是仿真系統(tǒng)的主視圖，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式下自動(dòng)生成各類制式的站場圖將縮短仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期。

1 站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 站場圖結(jié)構(gòu)

站場圖由信號(hào)機(jī)、道岔、軌道、站臺(tái)等站場設(shè)備圖形組成。這些設(shè)備元素之間存在著邏輯關(guān)系。圖1所示為上海軌道交通3號(hào)線的一段站場圖。

圖1 設(shè)備圖形與站場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

站場圖的繪制，就是要確定各個(gè)設(shè)備圖形的位置坐標(biāo)。在站場圖的坐標(biāo)體系中，首先要確定的是道岔的坐標(biāo)位置。道岔構(gòu)成了站場的整體框架，對(duì)應(yīng)于站場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)。軌道連接了兩個(gè)離散的道岔，軌道的Y坐標(biāo)由所連接的道岔Y坐標(biāo)確定，軌道的X坐標(biāo)根據(jù)軌道在道岔間的位置偏移量確定，對(duì)應(yīng)于站場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邊。信號(hào)機(jī)、站臺(tái)等站場設(shè)備元素的坐標(biāo)，由其所隸屬的軌道坐標(biāo)確定。

1.2 站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

通過對(duì)站場圖結(jié)構(gòu)的分析，將站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為定位層、設(shè)備對(duì)象層兩層（圖2所示為站場數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)）。

1）定位層：站場拓?fù)鋱D抽象出了站場的整體形狀。如圖2所示，站場圖的設(shè)備坐標(biāo)基于站場拓?fù)鋱D的點(diǎn)邊坐標(biāo)。此層用拓?fù)鋱D定位站場設(shè)備位置。

2）設(shè)備對(duì)象層：此層將站場中的每個(gè)設(shè)備看作獨(dú)立的對(duì)象，將不同制式站場設(shè)備的共性概括出來，作為各對(duì)象的基類，再繼承基類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展出具體制式站場設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖2 站場數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)

站場信息采用XML純文本存儲(chǔ)。XML是一種簡單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)語言，使用一系列簡單的標(biāo)記描述數(shù)據(jù)，其層次結(jié)構(gòu)清晰，易于讀寫與共享。泰雷茲公司的上海軌道交通8號(hào)線列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）仿真系統(tǒng)即采用XML存儲(chǔ)站場數(shù)據(jù)。

以下是采用XML純文本保存的信號(hào)機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

＜Signal＞

＜ID＞4101＜／ID＞

＜Name＞XA＜／Name＞

＜EdgeID＞3＜／EdgeID＞

＜Displacement＞200000＜／Displacement＞

＜Direction＞1＜／Direction＞

＜TerritoryID＞1＜／TerritoryID＞

＜／Signal＞

其中，標(biāo)記＜EdgeID＞存儲(chǔ)了信號(hào)機(jī)所在邊的ID（編號(hào)），標(biāo)記＜Displacement＞存儲(chǔ)了信號(hào)機(jī)在所在邊上的偏移量，標(biāo)記＜Direction＞存儲(chǔ)了信號(hào)機(jī)的方向。

1.3 站場數(shù)據(jù)實(shí)體

圖3顯示了站場數(shù)據(jù)實(shí)體間的關(guān)系：信號(hào)機(jī)（Signal）實(shí)體中JJQD、FirstQD字段代表了信號(hào)機(jī)的前后設(shè)備，道岔（Switch）實(shí)體中的 ConPre、ConDW、ConFW字段代表了道岔岔前、定位、反位連接的設(shè)備，軌道（Track）ConLeft、ConRight字段代表軌道左右連接的設(shè)備。

圖3 數(shù)據(jù)庫連接關(guān)系圖

2 站場圖自動(dòng)生成

2.1 站場圖組件設(shè)計(jì)

根據(jù)不同線路的ATS系統(tǒng)的特點(diǎn)，開發(fā)不同的組件，形成組件庫，以解決不同系統(tǒng)對(duì)相同部件表現(xiàn)形式上的差異［1－3］。

構(gòu)建站場圖組件的首要任務(wù)是設(shè)計(jì)其組件屬性。本文站場圖組件屬性分為靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性兩類。靜態(tài)屬性主要指設(shè)計(jì)組件時(shí)可修改，但當(dāng)站場圖繪制完成時(shí)就不可修改的一類屬性；動(dòng)態(tài)屬性主要指設(shè)計(jì)組件時(shí)無需設(shè)置，在站場圖的仿真運(yùn)行過程中可不斷改變的屬性。以上海軌道交通8號(hào)線信號(hào)機(jī)組件為例，其屬性可按如下設(shè)置：① 靜態(tài)屬性包含信號(hào)機(jī)名稱、信號(hào)機(jī)標(biāo)簽、信號(hào)機(jī)位置等；② 動(dòng)態(tài)屬性包含以限速前行狀態(tài)、引導(dǎo)狀態(tài)、未知狀態(tài)，故障狀態(tài)等。

站場圖的組件定義如下：

class CL8SignalCtrl：public COleControl ∥信號(hào)機(jī)組件定義

｛…｝

其中，COleControl類封裝了 MFC（面向?qū)ο螅┑腁ctiveX控件。所有組件都由此類派生。

信號(hào)機(jī)組件屬性定義的MIDL代碼如下：

dispinterface＿DL8Signal ∥信號(hào)機(jī)組件

｛

properties： ∥靜態(tài)屬性

［id（6）］BSTR Name； ∥信號(hào)機(jī)名稱

［id（3）］BSTR Tag； ∥信號(hào)機(jī)標(biāo)簽

［id（1）］short Location； ∥信號(hào)機(jī)位置

∥動(dòng)態(tài)屬性

［id（2）］short State； ∥信號(hào)機(jī)狀態(tài)

［id（4）］boolean Fault； ∥信號(hào)機(jī)故障

［id（5）］boolean Approach； ∥信號(hào)機(jī)接近

…

｝；

2.2 站場數(shù)據(jù)自動(dòng)生成算法

目前ATS仿真系統(tǒng)的站場圖主要通過組件的人工拼接完成。在拼接過程中，需要設(shè)置組件的屬性，以及組件與組件之間的位置關(guān)系。不同制式ATS仿真系統(tǒng)的站場組件又有所差異，故采用拼接方式的工作量將很大。對(duì)組件屬性與組件位置的自動(dòng)設(shè)置，將簡化站場圖生成過程。

據(jù)上所述，站場拓?fù)鋱D的點(diǎn)對(duì)應(yīng)道岔，邊對(duì)應(yīng)軌道。站場圖繪制的步驟是先繪制道岔，再繪制軌道、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)。拓?fù)漤旤c(diǎn)的度數(shù)為3的點(diǎn)即表示道岔，因此構(gòu)造拓?fù)鋱D的鄰接矩陣。在無向圖中，任一頂點(diǎn)n的度為第n列所有元素的和。兩個(gè)道岔的斜股在同一斜邊上，那么這兩個(gè)道岔就是雙動(dòng)道岔，否則為單動(dòng)道岔。軌道、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)根據(jù)所在邊的偏移量繪制。圖4為站場圖繪制流程。

列車仿真運(yùn)行時(shí)，根據(jù)設(shè)備的前后關(guān)系繪制列車的位置。當(dāng)列車跨越區(qū)段時(shí)，需要知道下一區(qū)段的信息，這就要生成組件的前后關(guān)系。采用分治的思想，先根據(jù)每條拓?fù)溥?，將該拓?fù)溥吷系能壍?，由X坐標(biāo)從小到大依次排序，再由道岔與各邊上的首尾軌道確定前后關(guān)系。信號(hào)機(jī)、站臺(tái)的前后關(guān)系由所屬的軌道確定。這樣整個(gè)站場圖的設(shè)備關(guān)系就生成了。

圖4 站場圖繪制流程

2.3 自動(dòng)生成的站場圖

為了生成不同制式的站場圖，首先要有各制式完備的站場組件庫，然后結(jié)合站場拓?fù)鋱D、站場自動(dòng)生成算法，生成站場圖。圖5所示為自動(dòng)生成的上海軌道交通3號(hào)線的一段站場圖，圖6所示為自動(dòng)生成的上海軌道交通8號(hào)線的一段站場圖。

圖5 上海軌道交通3號(hào)線的一段站場圖

3 結(jié)語

上述站場圖的自動(dòng)生成方法是研究了不同制式站場圖的共性，并結(jié)合站場圖結(jié)構(gòu)特性，給出自動(dòng)生成的算法。此方法的實(shí)現(xiàn)，為開發(fā)人員省去了組件配置及位置關(guān)系人工錄入的步驟，簡化了此類仿真系統(tǒng)主視圖的開發(fā)過程，為快速開發(fā)列車運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖6 上海軌道交通8號(hào)線的一段站場圖

［1］段繼華，劉衛(wèi).組件化技術(shù)在程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.無線電通信技術(shù)，2003，29（1）：57.

［2］王野，郭秀清.基于組件技術(shù)的列車自動(dòng)監(jiān)控仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27（增2）：285.

［3］宇鵬，王曉峰，李云飛.Visual C＋＋實(shí)踐與提高——ActiveX篇［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.