基于Redis 技術的CTCS0/2 等級轉換場景仿真平臺的構建研究

楊麗麗，毛瑞雷

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，山東 青島 266000）

隨著鐵路覆蓋范圍的擴展，為實現(xiàn)列車不停車跨線運行、提高運輸效率，客專線路、客貨混線路與普速線速間存在互聯(lián)互通的實際需求。針對該需求，在采用CTCS-0 級（以下簡稱C0 級）列控系統(tǒng)線路與采用CTCS-2 級（以下簡稱C2 級）列控系統(tǒng)線路連接處設置聯(lián)絡線，通過在聯(lián)絡線處設置等級轉換區(qū)段及相應應答器設備，由司機確認后完成級間轉換操作，實現(xiàn)跨線運行。每條聯(lián)絡線的特點不同，比如有的聯(lián)絡線長度只有一個閉塞分區(qū)，有的聯(lián)絡線在不同進路上存在不同的分相區(qū)。為了保證聯(lián)絡線場景相關參數(shù)設置的合理性，確保級間轉換能夠順利執(zhí)行，開發(fā)設計相應聯(lián)絡線等級轉換仿真平臺進行仿真驗證十分有必要[1-3]。

目前，大部分仿真測試平臺的構建是基于底層以太網(wǎng)通信協(xié)議和自開發(fā)數(shù)據(jù)交換協(xié)議完成的。常見的底層以太網(wǎng)通信協(xié)議包括TCP、UDP 協(xié)議。使用這兩種方式進行通信的平臺，在開發(fā)過程中不可避免要完成傳輸格式、交互端口等數(shù)據(jù)交換協(xié)議的制定工作[4]，使得整體平臺存在開發(fā)效率低、后期修改工作復雜等問題。而使用Redis技術進行開發(fā)具有快速開發(fā)、平臺無關性、松散耦合、易于使用等優(yōu)點，因此本文在介紹聯(lián)絡線功能以及Redis技術的基礎上，研究了如何利用Redis 技術搭建聯(lián)絡線CTCS0-2 等級轉換場景仿真平臺，并在Visual C#編程環(huán)境下完成該仿真平臺的設計與開發(fā)。

1 總體介紹

1.1 聯(lián)絡線場景介紹

列車在C0 與C2 級列控線路間跨線運行時，通過與兩線路聯(lián)絡線處設置的等級轉換區(qū)段及應答器等設備交互，得到線路區(qū)段信息與等級轉換預告等信息，由司機確認后完成級間轉換操作，實現(xiàn)跨線運行。根據(jù)《列控系統(tǒng)應答器應用原則》（TB/T3484-2017）對于C0/C2 級間轉換的主要要求[5]，級間轉換應答器組的設置規(guī)范如下。

（1）無源應答器組設置：CTCS-0/2 等級轉換應答器組包含預告應答器組（正、反向）[YG]和執(zhí)行應答器組[ZX]，每個應答器組包含兩個無源應答器。其中，等級轉換預告應答器組與等級轉換點應答器組的距離應大于列車按照等級轉換點處線路的實際最高允許速度運行5s 的走行距離，等級轉換執(zhí)行應答器組應設置在距離首個閉塞分區(qū)入口30m±0.5m 處；等級轉換設置在線路區(qū)間內(nèi)列車較少實施制動的區(qū)段；等級轉換執(zhí)行點應答器組處的列控頂棚速度不應超過160km/h。

圖1 C0/C2 等級轉換應答器組設置示意圖

（2）有源應答器組設置：C0 線路車站向C2 線路方向出站口（含反向）上下行各設置兩個有源應答器組[CZC0][FCZ-C0]，向列車發(fā)送臨時限速信息與線路數(shù)據(jù)。兩個應答器組之間的鏈接距離應大于200m，距離等級轉換點最近的應答器組距轉換邊界應大于450m。

（3）當?shù)燃夀D換應答器組與相鄰其他應答器組之間的距離不能滿足應答器組間最小距離要求時，可與相鄰的應答器組進行合并。

常見的C0/C2 級間轉換應答器組布置如圖1 所示。

聯(lián)絡線場景實現(xiàn)的功能為列車將執(zhí)行跨線運行時，當經(jīng)過聯(lián)絡線內(nèi)等級轉換預告應答器組時，車載設備接收到此應答器組存儲的前方部分C0/C2 級區(qū)段等級轉換預告、線路速度、坡度、應答器鏈接和軌道區(qū)段等信息；之后，列車經(jīng)過C0/C2 等級轉換執(zhí)行應答器組時，車載設備接收到此應答器組發(fā)送的等級轉換執(zhí)行信息，通過人機界面（Driver Machine Interface，DMI）向司機輸出轉換警示消息；司機按壓確認按鈕后，列車越過執(zhí)行點完成級間轉換。

1.2 Redis 技術介紹

Redis 技術是近年新興的具備低延遲和極高的數(shù)據(jù)寫入與查詢性能的內(nèi)存緩存型數(shù)據(jù)庫[6]。作為數(shù)據(jù)庫使用時，開發(fā)者可以將數(shù)據(jù)直接存儲到內(nèi)存中，實現(xiàn)低延遲的數(shù)據(jù)讀取操作；Redis 技術采用單線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，為提供更靈活的寫入與查詢操作，Redis技術支持key-value 格式存儲數(shù)據(jù)，這種結構的數(shù)據(jù)之間不存在耦合關系，不存在表結構限制，因此非常易于水平擴展，相應能夠增加基于Redis 構建的平臺下模塊的松耦合性。針對目前主流編程語言，Redis 均提供了相關的實現(xiàn)版本，包括PHP，Java，JavaScript，C#，C/C++，Python 等，且具有良好的平臺無關性，支持多種操作系統(tǒng)的應用。

基于上述Redis 技術數(shù)據(jù)傳輸延遲低、數(shù)據(jù)結構簡單易擴展、數(shù)據(jù)庫易于使用的良好性能優(yōu)勢，將Redis 技術應用于仿真平臺的搭建可以提高平臺的開發(fā)效率及使用性能。一方面，Redis 技術以封裝的TCP 協(xié)議作為底層通信協(xié)議，屏蔽了底層通信協(xié)議的細節(jié)，使開發(fā)人員能夠集中精力開發(fā)仿真應用程序，降低了系統(tǒng)開發(fā)代碼的復雜性，從而提高仿真平臺的開發(fā)效率；另一方面，仿真平臺使用Redis 技術支持的key-value 型數(shù)據(jù)結構開發(fā)模塊前期，只需設計各模塊輸入、輸出信息在Redis 中對應的key 值與value 類型即可，省去了類似自開發(fā)數(shù)據(jù)交換協(xié)議、接口的商議制定等必需工作。靈活的數(shù)據(jù)結構與Redis 技術的單線程鏈路通信方式使得仿真平臺下各模塊之間不存在直接的數(shù)據(jù)交互關系，因此，基于Redis 技術構建的仿真平臺的運行全生命周期中，因平臺需求變動而需要增加或刪除模塊時，其他模塊無需做出較大的代碼修改，提高了仿真平臺的架構靈活性，具備良好的可擴展性能。

圖2 基于Redis 技術構建的仿真平臺架構示意圖

圖2 所示為基于Redis 技術構建的仿真平臺架構框圖，說明了仿真平臺模塊與服務器端的交互機制。

圖3 聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺整體結構圖

2 聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺總體設計

目前，當列車在C2 級區(qū)段線路上運行時，列車車載設備ATP（Automatic Train Protection，列車超速防護）通過軌道電路讀取器來接收相關線路信息，同時ATP 將軌道電路信息發(fā)送給車載設備的列車運行監(jiān)控記錄裝置LKJ，ATP 控制列車的運行；當列車從C2 級區(qū)段跨聯(lián)絡線運行至C0 級區(qū)段線路時，由車載設備LKJ 獲得控車權。因此，聯(lián)絡線C0/C2 等級轉場景仿真平臺包含兩大部分，C0 子系統(tǒng)與C2 子系統(tǒng)，以實現(xiàn)跨線運行時的等級轉換。

為了能夠快速開發(fā)聯(lián)絡線等級轉換場景仿真平臺，同時使平臺使用過程中具備靈活的模塊接入性能，選擇Redis 技術進行仿真平臺架構部署及開發(fā)各仿真模塊。

根據(jù)聯(lián)絡線等級轉換場景中C0 子系統(tǒng)的工作原理，C0 子系統(tǒng)由車載設備模塊、地面設備模塊、列車接口單元等諸多仿真模塊組成。仿真平臺中各仿真模塊構成元素較多、數(shù)據(jù)交互較復雜，總的來說可分為三大類模塊。按仿真平臺功能來劃分，這三大部分分別為仿真初始配置模塊，包括線路數(shù)據(jù)單元、仿真執(zhí)行控制器；仿真功能模塊，包括仿真列車模型、列車接口單元、司機駕駛臺、列車運行監(jiān)控記錄裝置LKJ、軌道電路仿真器、軌道電路碼接收單元、速度和雷達仿真器；仿真結果收集和分析模塊，包括記錄數(shù)據(jù)庫、事件記錄器等。由于硬件設備及線路數(shù)據(jù)傳輸方式的升級，C2 子系統(tǒng)相較C0 子系統(tǒng)增加了一些新的功能模塊，包括列車超速防護仿真器ATP、應答器仿真器、應答器信息接收單元與列車運行控制中心仿真器TCC。這些仿真模塊構建的聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺整體結構如圖3 所示。

聯(lián)絡線仿真平臺從開始執(zhí)行仿真到仿真結束的整體過程，可以分為仿真平臺數(shù)據(jù)配置、仿真功能執(zhí)行與仿真結果分析三大階段。

（1）在仿真平臺數(shù)據(jù)配置階段，仿真執(zhí)行控制器將不同等級線路的線路數(shù)據(jù)發(fā)送給各等級對應的線路數(shù)據(jù)單元中，C0 級線路數(shù)據(jù)存至列車運行監(jiān)控記錄裝置中，模擬列車運行在C0 級線路過程時的線路數(shù)據(jù)來源，C2 級線路數(shù)據(jù)存至C2 線路數(shù)據(jù)單元中，模擬列車運行在C2級線路上時，列車通過應答器信息接收單元實時從數(shù)據(jù)單元中獲取的線路數(shù)據(jù)來源，仿真執(zhí)行控制器同時完成一些其他如應答器報文、列車接口信息的初始更新；平臺下的功能仿真模塊接收到上述更新數(shù)據(jù)后完成相應的數(shù)據(jù)配置工作，用于后續(xù)仿真運行。

（2）仿真功能執(zhí)行階段，各仿真器通過間接的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)通信，共同配合完成列車跨線運行的仿真過程。該階段各個仿真器共同作用，實現(xiàn)的主要功能包括：

速度雷達仿真器依據(jù)線路數(shù)據(jù)信息，實時計算當前列車速度與走行距離，為列車運行監(jiān)控記錄裝置提供速度和雷達相關信息。

C2 等級行車時，列車超速防護仿真器實時獲取速度雷達仿真器提供的速度信息，當速度超過最高允許速度時，通過列車接口單元控制仿真列車模型的制動行為。當列車速度未超過最高允許速度時，由司機駕駛臺輸出相應的牽引制動指令，通過列車接口單元實時控制仿真列車模型的行駛。

當列車運行在C0 級線路上時，列車運行監(jiān)控記錄裝置LKJ 仿真器從裝載的C0 線路數(shù)據(jù)單元邏輯匹配線路信息，司機駕駛臺模塊參照軌道電路接收單元從軌道電路仿真器接收到的軌道電路碼信息進行控車。

當列車運行在C2 級線路上時，車載設備ATP 仿真器和LKJ 仿真器通過速度雷達仿真器實時獲取速度信息，并通過軌道電路接收模塊、應答器信息接收模塊獲得列控中心仿真器發(fā)送至軌道電路仿真器與應答器仿真器的線路信息（包括進路參數(shù)、線路參數(shù)、限速、停車信息等），生成目標距離曲線，實現(xiàn)列車的超速防護，司機駕駛臺模塊參照目標距離曲線進行控車。

各仿真器在仿真執(zhí)行階段，收集自身的列車運行相關信息并發(fā)送到事件記錄器，用于后續(xù)仿真結果的數(shù)據(jù)分析。

（3）仿真結果分析階段，通過對事件記錄器記錄的事件及數(shù)據(jù)結果進行綜合分析，驗證聯(lián)絡線等級轉換場景中相關參數(shù)設置的合理性。

基于Redis 技術構建的仿真平臺不同于其他傳統(tǒng)的平臺開發(fā)模式，使用該技術開發(fā)的仿真模塊均與仿真數(shù)據(jù)庫直接完成數(shù)據(jù)存儲與讀取過程，能間接實現(xiàn)模塊間的通信行為，使仿真模塊不再受限于模塊之間交互內(nèi)容過多造成的強耦合性問題。同時，考慮到后期仿真模塊位置部署的不確定性、平臺功能改動導致的模塊變動，平臺下的模塊需能在同一網(wǎng)絡空間中任意分布。

結合1.2 小節(jié)對基于Redis 技術構建的仿真平臺的性能分析和上述對仿真平臺的功能分析，Redis 技術能夠滿足仿真平臺這兩方面的需求，因此最終選擇Redis 技術作為平臺框架的技術基礎，并進行平臺的后續(xù)實現(xiàn)開發(fā)。

3 聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺的實現(xiàn)

依據(jù)上文設計的聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺架構及各模塊數(shù)據(jù)交互機制，仿真平臺的開發(fā)更側重于仿真環(huán)境的配置、各仿真模塊功能邏輯的開發(fā)、Redis機制下仿真模塊交互數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存取，包括變量名稱及字段類型。整體開發(fā)流程框圖如圖4 所示。

本文利用Redis 技術搭建的仿真平臺，將線路數(shù)據(jù)單元作為服務器端，其他模塊作為客戶端，實現(xiàn)低耦合的數(shù)據(jù)交互，采用面向對象的編程語言C#在Visual Studio軟件開發(fā)環(huán)境下開發(fā)平臺下的各模塊。使用C#進行模塊開發(fā)時，開發(fā)者通過在項目中引用Redis 官方發(fā)布的Nuget 包“StackExchange.Redis”，實現(xiàn)對 Redis 發(fā)布的軟件包的訪問。

圖4 聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺開發(fā)流程圖

以場景中列車在C2 線路上運行過程中，ATP 仿真器、速度雷達仿真器、軌道電路接收模塊等模塊為例，說明各模塊在仿真執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)交互方式。開始仿真后，應答器仿真器、軌道電路仿真器根據(jù)仿真執(zhí)行控制器前期更新至C2 線路數(shù)據(jù)單元中的線路數(shù)據(jù)，實時向仿真數(shù)據(jù)庫中更新發(fā)送動態(tài)列車控制信息、臨時限速等線路信息，軌道電路接收模塊、應答器信息接收模塊同步實時根據(jù)上述信息解析并更新仿真數(shù)據(jù)庫中的行車所需的必要信息；仿真司機駕駛臺實時向數(shù)據(jù)庫更新牽引制動等級等信息，速度雷達仿真器從數(shù)據(jù)庫中獲取牽引制動登記后進行速度與位置的計算并更新至仿真數(shù)據(jù)庫中；ATP 仿真器實時與仿真數(shù)據(jù)庫交互，獲取生成目標距離制動曲線所需的速度距離等參數(shù)信息，并監(jiān)控列車安全運行。聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景即基于上述數(shù)據(jù)交互模式，由C0 行車場景、等級轉換場景、C2 行車場景共同組成。等級轉換場景從列車接收到仿真數(shù)據(jù)庫中的等級轉換預告信息開始運行，到列車接收到等級轉換執(zhí)行信息并完成LKJ 與ATP 設備權力轉移后完成。

4 結束語

本文主要完成了聯(lián)絡線C0/C2 等級轉換場景仿真平臺的設計，采用了Redis 技術和面向對象的編程語言實現(xiàn)了仿真平臺的具體開發(fā)，利用開發(fā)的仿真模塊進行了場景的仿真。通過對Redis 技術在聯(lián)絡線等級轉換場景中的實際應用，說明了Redis 技術在開發(fā)靈活的復雜系統(tǒng)仿真平臺方面具備的快速開發(fā)、易于擴展的良好使用性能，為構建高性能、易使用的仿真平臺提供了一種技術思路。

仿真過程中，涉及到的列車運行場景較多，數(shù)據(jù)交互十分復雜，為降低平臺開發(fā)復雜度，并完成等級轉換場景的仿真工作，平臺開發(fā)過程中，對非必需模塊的數(shù)據(jù)交互進行了一定程度的簡化，后續(xù)其他場景的仿真工作可在此基礎上進行完善，進一步豐富平臺的功能。