基于CBTC的仿真列車的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘? 要：在軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)中，列車是重要的組成部分。文章介紹了仿真列車程序，根據(jù)線路數(shù)據(jù)，它能完成RM、ATP、ATO、FAM等各種模式的跑車。程序按照真實(shí)協(xié)議和其他信號(hào)子系統(tǒng)通信，這樣就可以實(shí)現(xiàn)和真實(shí)列車一樣的、無縫透明的嵌入到整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)中運(yùn)行。本程序現(xiàn)由VC++實(shí)現(xiàn)，它運(yùn)行在Windows下，已廣泛應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，省去真實(shí)的車載CC機(jī)架布置，節(jié)省成本和空間占用。

關(guān)鍵詞：軌道交通;信號(hào)系統(tǒng);CBTC;線路數(shù)據(jù);CC

中圖分類號(hào)：TP39;U231.7? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）15-0153-04

Abstract： In the CBTC signal system of rail transit， train is an important part. This paper introduces the train simulation program. According to the line data， the sports cars of RM， ATP， ATO， FAM and other modes are realized. The program communicates with other signal subsystems according to the real protocol， so that it can be seamlessly and transparently embedded into the whole signal system as a real train. This program is now implemented by VC + +. It runs under windows and has been widely used in practical projects. It saves the real vehicle CC rack layout and saves cost and space occupation.

Keywords： rail transit; signal system; CBTC; line data; CC

0? 引? 言

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和行車作業(yè)指揮的安全系統(tǒng)。CBTC（Communication Based Train Control System）是基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。線路數(shù)據(jù)中配置了信號(hào)系統(tǒng)所需要的站內(nèi)及區(qū)間的各種設(shè)備設(shè)施。線路數(shù)據(jù)內(nèi)容非常全面，是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的能夠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

仿真列車的程序名是CCSim，它最主要的是完成了對(duì)車載CC系統(tǒng)的仿真。

仿真列車讀取線路數(shù)據(jù)中內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)和信號(hào)系統(tǒng)中其他系統(tǒng)的真實(shí)通信接口，這些系統(tǒng)包括ATS、ZC、LC、CI，同時(shí)實(shí)現(xiàn)和仿真軌旁和駕駛臺(tái)等仿真平臺(tái)程序的接口。

仿真列車以線路數(shù)據(jù)為輸入，輔以簡(jiǎn)單的配置文件，實(shí)現(xiàn)車載CC各種行車模式，包括RM、ATP、ATO、FAM等。

1? 線路數(shù)據(jù)處理

線路數(shù)據(jù)保存在SGD.xml中，里面包括軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)、信標(biāo)、站臺(tái)、SSP、PSR、ESP、SPKS等，并描述了它們之間的聯(lián)鎖關(guān)系和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

1.1? 線路數(shù)據(jù)的組織

本軟件把線路數(shù)據(jù)讀取進(jìn)來，里面的站場(chǎng)圖信息按照樹形類層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，如圖1所示。

Node是節(jié)點(diǎn)類，所有的站場(chǎng)圖設(shè)備都抽象成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。Point是道岔，有定位、反位、失表這幾種主要狀態(tài)，決定了鐵路線路的行進(jìn)方向。Signal是信號(hào)機(jī)，在地鐵里主要有紅燈、綠燈、黃燈、藍(lán)燈、白燈這幾種顏色的狀態(tài)顯示。紅綠黃用于列車信號(hào)機(jī)，分別表示禁止通行、正常通行、減速通行。藍(lán)白用于調(diào)車信號(hào)機(jī)，分別表示禁止通行和允許通行。SSP（Service Stopping Point）表示停車點(diǎn)，用來控制車輛在站臺(tái)的正確?？俊eacon是信標(biāo)，分為無源信標(biāo)和有源信標(biāo)。無源信標(biāo)會(huì)給經(jīng)過的列車發(fā)送位置報(bào)文，列車通過信標(biāo)天線接收到報(bào)文后就可以實(shí)現(xiàn)車輛的定位。有源信標(biāo)主要用于后備模式，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路、道岔、信號(hào)機(jī)等軌旁設(shè)備狀態(tài)向車輛的傳遞。PSR（Permanent Speed Restriction）表示永久限速區(qū)。它包括彎道、坡道、岔區(qū)等各種需要限速的區(qū)域。Block是軌道區(qū)段。軌道分成若干區(qū)段，Block是最小的軌道劃分單位。車輛所處的位置就用（Block， Abscissa）來表示，Abscissa為在該Block中的相對(duì)坐標(biāo)，即距離該Block邊界的距離。

1.2? 站場(chǎng)圖遍歷

為了算法的方便，提供一個(gè)專門的模塊，里面提供兩個(gè)站場(chǎng)圖遍歷的接口，一個(gè)按照搜索距離向前遍歷，一個(gè)按照搜索目標(biāo)點(diǎn)向前遍歷。

第一個(gè)接口的做法是，以起始位置為輸入，設(shè)定中止障礙，設(shè)定搜索距離，遇到中止障礙時(shí)停止搜索，輸出停止時(shí)的位置。中止障礙有信號(hào)機(jī)、SSP、PSR、Train等。當(dāng)中止障礙是Train時(shí)，意味著遇到車輛就會(huì)停止搜索，這主要是為了防止車輛追尾穿越用的。

第二個(gè)接口和第一個(gè)接口實(shí)現(xiàn)類似，唯一區(qū)別是，如果往前搜索遍歷時(shí)，若沒遇到中止障礙，則遇到目標(biāo)點(diǎn)才會(huì)退出遍歷。

2? 各種模式跑車

2.1? 運(yùn)營模式

按照運(yùn)營模式分類，支持BM（后備模式）、CBTC兩種模式。BM和CBTC由用戶在駕駛臺(tái)上按按鈕或者通過旁路開關(guān)來切換。CBTC模式就是移動(dòng)閉塞方式跑車，ZC會(huì)根據(jù)前車車尾和當(dāng)前站場(chǎng)情況計(jì)算出EOA（移動(dòng)授權(quán)點(diǎn)）發(fā)給仿真列車，仿真列車以EOA為限制點(diǎn)，計(jì)算速度曲線來行車。BM模式就是后備模式，以傳統(tǒng)的閉塞分區(qū)方式跑車。

2.2? 駕駛模式

按照駕駛模式分類，支持RM、ATP、ATO、FAM等模式。RM包括RMF向前限速模式，和RMR向后限速模式，般限速25 km/h。ATP模式時(shí)EOA是有效的，但由司機(jī)手動(dòng)貼碼跑車，如果超速車輛將會(huì)自動(dòng)EB（緊急制動(dòng)）。ATO模式時(shí)是自動(dòng)跑車，駕駛臺(tái)鑰匙打開，會(huì)響應(yīng)駕駛臺(tái)操作。該模式下行車時(shí)司機(jī)參與很少，主要就是到站開關(guān)門和發(fā)車。FAM模式是全自動(dòng)跑車，此時(shí)駕駛臺(tái)鑰匙關(guān)閉，蓋板合上，車內(nèi)也沒有司機(jī)，屬于自動(dòng)化程度最高的無人駕駛模式。

初始化時(shí)為無模式，車輛將根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行條件，依據(jù)真實(shí)的信號(hào)邏輯，在上述各個(gè)模式間切換。

2.3? 支持ATS各種計(jì)劃

完全按照ATS計(jì)劃自動(dòng)跑車、自動(dòng)折返。響應(yīng)ATS的控車命令，包括休眠、喚醒、設(shè)置工況、扣車、跳停等。車輛的當(dāng)前狀態(tài)會(huì)發(fā)送給ATS，由ATS顯示。

仿真列車到站后，ATS會(huì)更新下一步ATM（行車計(jì)劃）給列車，仿真列車將根據(jù)ATM在DMI上提示發(fā)車或直接發(fā)車（無人駕駛時(shí)）。

無人駕駛時(shí)，仿真列車能根據(jù)ATS下發(fā)的休眠、喚醒命令來實(shí)現(xiàn)車輛的休眠和喚醒。

ATS可以在車站站臺(tái)上設(shè)置扣車和跳停，仿真列車在路過扣車的站臺(tái)時(shí)會(huì)在正確?？亢笠恢蓖Ｔ谡九_(tái);在路過跳停的站臺(tái)時(shí)，車輛直接通過，不再?？俊?/p>

2.4? 生成速度曲線

仿真列車的主周期是100 ms，在每個(gè)周期都會(huì)計(jì)算生成一次速度曲線。一條典型的速度曲線是這樣的，以車輛當(dāng)前位置為起點(diǎn)，以離車頭最近的限制點(diǎn)為終點(diǎn)，畫一條速度變化曲線，車輛在終點(diǎn)處速度為0。

限制點(diǎn)表示車輛不能越過的點(diǎn)，是一個(gè)抽象概念，它包含了很多類型，比較典型的有EOA、前車車尾、紅燈信號(hào)機(jī)、失表的道岔、軌道盡頭等。另外，為了算法實(shí)現(xiàn)的方便，把打開的車門/站臺(tái)門、ATS的扣車命令，也作為限制點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)車門/站臺(tái)門打開或者ATS下發(fā)扣車命令時(shí)，車輛都應(yīng)該馬上停止，所以這兩種限制點(diǎn)距離車頭的距離都是0。

速度曲線的生成需要考慮PSR，每個(gè)PSR都有個(gè)限速值，車輛經(jīng)過該P(yáng)SR時(shí)不允許超過這個(gè)限速值。

速度曲線的生成還要考慮ATS下發(fā)的ATM，ATM中有車輛到達(dá)下一站的時(shí)間要求，速度曲線將盡量滿足車輛可以準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)下一站。

速度曲線一般分為三段，分別是加速段、勻速段、減速段。仿真列車在實(shí)現(xiàn)時(shí)，每一段的加速度值都是固定不變的，所以每一段都是一條直線。這個(gè)設(shè)定大大簡(jiǎn)化了程序的邏輯，減輕了運(yùn)算負(fù)擔(dān)，即使一個(gè)程序中模擬很多輛列車也沒有性能問題。這三段分別占用多長時(shí)間將通過運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)出來。

3? 對(duì)外接口

仿真列車對(duì)外接口眾多，可以分為兩大類。一類是和其他真實(shí)系統(tǒng)的接口，這部分和真實(shí)CC一樣，采用直連方式。還有一類是和仿真平臺(tái)中其他程序的接口，這部分都要通過FEP程序中轉(zhuǎn)。通過FEP中轉(zhuǎn)的好處是，仿真列車和其他的仿真程序只需要把數(shù)據(jù)發(fā)給FEP即可，不用關(guān)心具體的真實(shí)目的地，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)。如圖2所示。

3.1? 真實(shí)系統(tǒng)的接口

對(duì)真實(shí)系統(tǒng)通信，包括和ZC、LC、ATS、CI的通信，采用既有的真實(shí)協(xié)議，在各個(gè)真實(shí)系統(tǒng)軟件看來，仿真列車是透明的，和真實(shí)CC并沒有區(qū)別。這樣就使得真實(shí)系統(tǒng)軟件無須修改代碼來適配仿真列車，方便仿真列車和真實(shí)CC之間的互相無縫替換。

3.2? 仿真平臺(tái)的接口

對(duì)仿真平臺(tái)軟件采用自定義的簡(jiǎn)單通信協(xié)議，包括仿真駕駛臺(tái)、仿真軌旁、3D演示大屏等。這些通信都要通過FEP中轉(zhuǎn)，協(xié)議采用統(tǒng)一的包頭，如表1所列。

FEP程序收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)上面表格中的目的類型來轉(zhuǎn)發(fā)，相同目的類型的程序都會(huì)收到數(shù)據(jù)包。這么做的好處是支持了群發(fā)，因?yàn)橄穹抡骜{駛臺(tái)、LineHMI這些仿真程序往往需要運(yùn)行多個(gè)，在這種轉(zhuǎn)發(fā)邏輯下，他們之間的狀態(tài)將自動(dòng)獲得同步。

仿真駕駛臺(tái)把駕駛臺(tái)上的手柄或按鈕狀態(tài)發(fā)給仿真列車，仿真列車把燈的狀態(tài)發(fā)回駕駛臺(tái)。仿真軌旁把道岔、信號(hào)機(jī)等狀態(tài)發(fā)給仿真列車，仿真列車把車輛位置、速度等信息發(fā)給仿真軌旁。

4? 大容量跑車

仿真列車支持多車同時(shí)仿真，模擬的每輛列車都帶有獨(dú)立的跑車邏輯和獨(dú)立的對(duì)外信號(hào)通信接口。在每輛列車啟動(dòng)運(yùn)行過程中，仿真列車軟件模擬真實(shí)車載CC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和對(duì)外接口，實(shí)時(shí)對(duì)外發(fā)送和接收其他信號(hào)子系統(tǒng)的車地通信類消息。

一個(gè)程序里面可以同時(shí)模擬255輛車，為了讓這么多車互相完全獨(dú)立，互不干擾，另外還要保證性能，程序采用了任務(wù)投遞的方式來實(shí)現(xiàn)。每輛車有自己的運(yùn)行任務(wù)Task，這些Task投遞到同一個(gè)線程中執(zhí)行，這就避免了給每輛車分配一個(gè)線程和復(fù)雜的同步問題。為了說明，假設(shè)有Train 1和Train 2兩輛車，它們有各自獨(dú)立運(yùn)行的周期性任務(wù)，如圖3所示。

5? 軟件啟動(dòng)處理流程

軟件啟動(dòng)處理流程如以下所示。

（1）CCSim程序啟動(dòng)，讀取線路數(shù)據(jù)SGD.xml，讀取CCSim.xml。

（2）從線路數(shù)據(jù)中解析出站場(chǎng)圖各個(gè)設(shè)備，在CCSim.xml里面參數(shù)的輔助下，初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（3）啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊，接收其他連接程序發(fā)過來的信息，作為車輛狀態(tài)的外部輸入。

（4）跑車模塊啟動(dòng)，每100 ms計(jì)算一次速度曲線，同時(shí)更新車輛位置及狀態(tài)。

（5）把車輛位置和狀態(tài)發(fā)送給和它連接的其他相關(guān)程序。

為了方便問題排查，提高易用性，在程序主界面可以通過ID方便的查看Train、Block、Beacon、Point、Signal、SSA的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)，程序運(yùn)行過程中的重要信息和出錯(cuò)信息在主界面實(shí)時(shí)提示輸出，主要是程序Debug信息，方便用戶判斷具體是哪里報(bào)錯(cuò)。如圖4所示。

6? 結(jié)? 論

仿真列車程序目前得到了廣泛的應(yīng)用，效果良好。不管在測(cè)試平臺(tái)還是在培訓(xùn)平臺(tái)中，仿真列車省去了真實(shí)的車載CC機(jī)架，大大節(jié)省了成本，提高了平臺(tái)環(huán)境搭建的效率。

仿真列車用于測(cè)試平臺(tái)時(shí)，因?yàn)橐粋€(gè)程序就可以模擬很多輛車的運(yùn)行，有助于模擬出在真實(shí)軌道線路上難以實(shí)現(xiàn)的大容量多車運(yùn)行，完善各種多車追蹤的測(cè)試場(chǎng)景，對(duì)于整個(gè)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的壓力測(cè)試有著不可或缺的重要作用。

仿真列車用于培訓(xùn)平臺(tái)時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了車載CC的多種模式跑車，同時(shí)它能夠響應(yīng)ATS各種命令，基本上實(shí)現(xiàn)了真實(shí)車載CC的核心功能，所以可以用它代替真實(shí)列車來培訓(xùn)司機(jī)和調(diào)度員。

本軟件目前的不足之處主要在于：生成速度曲線的算法過于簡(jiǎn)單，采用了固定的加速度值用來加速和減速，和真實(shí)的系統(tǒng)差距較大。這部分算法以后可以考慮對(duì)外開放接口，以便嫁接不同的生成曲線算法，這樣就可以實(shí)現(xiàn)和大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)合作，以便驗(yàn)證各種跑車模型。

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作者簡(jiǎn)介：杜岳升（1978—），男，漢族，浙江金華人，資深軟件工程師，畢業(yè)于南開大學(xué)，控制理論與控制工程碩士，研究方向：鐵路信號(hào)系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)。

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