基于有向图的列车自动监控系统站场图设计与实现

杜兴元 李天辉

（北京和利时系统工程有限公司，100176，北京∥第一作者，工程师）

列车自动监控系统（ATS）位于信号系统的最上层，负责监控整个轨道交通线路中列车的运行，辅助行调人员对列车进行调度管理，对提高运营效率、保障行车安全起了极其重要的作用［1－2］。北京和利时系统工程有限公司结合轨道交通的特点，采用先进的计算机、网络与自动控制技术，自主研发了一套安全、可靠、高效的ATS系统软件MACS－ATS。

在ATS系统中，轨道信息站场图用以数字化轨道交通线路图，描述线路拓扑结构和线路条件（如坡度、停车点、里程信息等），包括线路元件的静态信息（如轨道位置信息）和动态信息（轨道占用，道岔状态信息等），从而为列车的自动监控与调度提供线路信息依据。本文详细描述了MACS－ATS系统中站场图的设计和实现方案。

1 数据模型

从概念角度看，轨道交通线路可以抽象为拓扑层网络、电气层网络、运营层网络的叠加［3］。描述如下：

拓扑层网络，表现为线路的轨道布置、工务设备位置和土建信息等，如轨道长度，线路的走向、坡度、曲线半径、转角等各种轨道参数。拓扑层网络的内部存储称为轨道数据库或数字轨道地图，其外观显示一般称为线路拓扑图。

电气层网络，表现与信号系统有关的电务信息，如轨道电路、绝缘节、信号机、进路等，在物理线路拓扑层之上通过分割股道和附加设备对象建立，形成电气层线路网络。电气层网络的内部存储称为站场型数据结构，其外观显示一般称为信号布置图。

运营层网络，在以上两层网络基础上建立，形成以交路为核心的运营子网，包括运营线、折返策略等。运营层网络数据形成运营数据库。与电气层和运营层网络有所区别的是，轨道数据库和站场型数据结构属于系统配置数据，而运营层网络数据属于作业数据，用户需要定期或不定期地改变或重新定义，如根据客流统计优化和调整交路方案等。

站场图的数据模型概念如图1所示。

2 站场图设计与实现

本文以拓扑层网络、电气层网络、运营层网络等三层线网为数据模型，利用XML结构化站场信息，并作为静态数据输入；以有向图为基本数学模型，采用分层结构，将轨道线路信息映射成站场图。站场图的生成过程如下：

（1）根据信号设备布置图，配置生成站场信息XML文件；

（2）读取XML文件中的静态信息，创建设备对象，按照预先定义的进路搜索策略，完成进路搜索，完成站场图拓扑层与电气层数据的建立；

（3）按照预先定义的路径搜索策略完成运营层数据的建立。

图1 数据模型概念设计

2.1 静态数据

ATS站场图信息是一种树状分层结构，而XML是当前处理结构化文档信息的有力工具，故选用XML文件保存其静态信息。主要信息如下所示：

（1）线路，包括线路名称、线路性质等；

（2）车站，包括车站名称、车站性质、联锁站号、区域控制中心（ZC）编号等；

（3）无岔区段，包括无岔区段名称、无岔区段性质、联锁区段编号、逻辑区段信息等；

（4）停车轨道，包括停车轨道名称、停车轨道类型、对应站台、联锁区段编号、逻辑区段信息等；

（5）道岔区段，包括道岔区段名、道岔区段类型、联锁区段编号、逻辑区段信息、所包含道岔等；

（6）道岔，包括道岔名称、联锁道岔编号等；（7）信号机，包括信号机类型、信号机防护区段、联锁信号机编号等；

（8）站台，包括站台名称、对应停车轨道、联锁站台编号等；

（9）连接器，包括左连设备、右连设备等；

（10）逻辑区段，包括所属ZC、所属区段、逻辑区段IO地址、逻辑区段信息等。

MACS－ATS系统的站场图XML文件如图2所示。

2.2 站场图设计

2.2.1 拓扑层

站场图拓扑层设计以有向图为站场图的基本数学模型数字化线路信息。有向图采用双向链表的结构设计方法，每个节点中保存其所有的前驱边（以当前节点为终点的边）链表和后继边（以当前节点为起点的边）链表，并在有向图中封装相关算法，包括有向图的建立，深度优先搜索和广度优先搜索等算法。节点定义及边定义见表1、表2。

图2 站场图XML文件描述

表1 节点定义

表2 边定义

轨道设备抽象为BLOCK数据结构。无岔区段和停车轨道各对应1个BLOCK，道岔则对应3个BLOCK，分别为岔尖BLOCK、直股BLOCK和弯股BLOCK。每个BLCOK划分为若干逻辑区段。在逻辑区段中保存详细的线路条件，如坡度、里程信息等，对应着列车自动防护（ATP）系统中的逻辑区段结构。每个BLOCK抽象为有向图中的一个节点（Vertex），BLOCK的连接关系抽象为有向图的边（Edge）。站场图线路拓扑模型如图3所示。

图3 站场图线路模型

BLOCK的ID采用“线号＋站号＋区段号＋道岔编号＋位置”的命名方式。位置用0～2的数标识。如果为无岔区段，则道岔编号和位置均为0；如果为道岔区段BLOCK，0表示岔尖，1表示弯股，2表示直股。每个BLOCK的具体信息如表3所示。

表3 BLOCK信息

需要注意的是，将防护信号机设在BLOCK层，是对道岔区段来说，可能信号机防护的是某个道岔位置。

通过以上描述，站场的线路方向映射成为有向图的方向，拓扑层数据模型中的轨道段映射成为有向图的点即BLOCK结构，而拓扑层数据模型中的点映射成为边链表（如道岔点），则其在有向图中节点处产生分支，边链表中包含两条边，而边界点对应的边链表为空。

2.2.2 电气层

所谓沥青新材料，顾名思义就是在传统的沥青之中加入一些高分子聚合物，比如橡胶、胶粉、树脂等物质，或者对沥青进行氧化加工，进而使沥青的质量同以前相比，取得明显的进步和提升。改性沥青新材料具有稳定性强，耐高温的特点，在铺筑公路的时候使用这种材料，能够尽可能的延长道路的使用寿命，使其更好的为人们服务。

采用面向对象的设计方法，通过对不同线路站场图的分析，抽象出线路、车站、无岔区段（包含停车轨道）、道岔区段、信号机、站台、逻辑区段等设备类。每类设备包括静态属性和动态属性。其中，静态属性在XML站场图信息中定义，为实际线路中不变的属性，如信号机的类型等；动态属性在XML站场图信息中无需设置或仅需默认设置，而在运行过程中根据运行状态而改变，如区段的占用状态、道岔的位置信息等。

进路分为基本进路、折返进路、接车进路、发车进路、调车进路等。各进路搜索的基本思路相同。以调车进路为例说明：以调车信号机作为始端信号机，找到其防护区段，从防护区段开始，根据信号机防护方向，进行深度优先遍历，并选用调车进路策略。调车进路策略为：如果当前区段的防护信号机与始端信号机的方向相同，则返回该进路，并继续搜索下一条进路。这样，可以获取从始端信号机出发的所有进路所经过的BLOCK，获取进路全部物理区段和道岔位置信息，并保存进路到站场图中。

拓扑层数据的详细生成步骤为：

（1）装载XML文件，遍历所有线路信息，添加线路设备、车站设备、区段设备和道岔设备等。

（2）按照XML文件结构，由上到下依次添加所有的线路、车站和车站设备（站台、信号机、物理区段、道岔等），并完成与相应BLOCK的映射关系。然后按照连接器描述的区段连接信息，为站场图添加连接关系。

至此，包含拓扑层网络和电气层网络两层数据模型的ATS站场图构建完成。

2.2.3 运营层

路径分为站间路径、入折返线路径、出折返线路径、出段路径、进段路径等。各个路径的基本思路相同。以站间路径为例进行说明：从一个站台开始找到其停车轨道，根据站台方向进行深度优先遍历，并选用站间路径策略。站间路径策略为：如果当前区段有站台且站台方向与起始站台方向相同，则返回该路径，并继续搜索下一条站间路径。这样，可以获取从该站台出发的所有区间路径所经过的BLCOK，然后获取路径包含的全部物理区段和道岔信息，并根据路径所经过的BLOCK将路径映射成进路集合。

2.3 站场图实现与应用

在MACS－ATS系统中，实现了站场图的的设计，按照拓扑层网络、电气层网络和运营层网络等三层结构保存了完整的线路信息，可为列车的自动监控与调度提供完整的线路信息查询。

通过实际测试，本文设计的站场图满足列车自动监控系统中线路静态和动态信息的查询的需求。实测数据如表4所示。

表4 实测数据

3 结语

本文通过建立ATS站场图的三层网络模型，实现了基于有向图的ATS站场图。其具有如下优势：

（1）选用结构化的XML文件保存其静态配置信息，充分表达了轨道交通线路复杂的结构信息，结构清晰，易于修改。

（2）轨道交通线路的建设通常是分期进行的，本设计只需要修改XML中的静态文件，其他数据均自动生成，具有良好的扩展性。

（3）采用分层结构，查询效率高。

［1］ IEEE Std 1474.1－2004IEEE Standard for communicationsbased train control （CBTC）performance and functional requirements［S］.

［2］ IEEE Std 1474.2－2003IEEE Standard for user interface requirements in communications based train control（CBTC）systems［S］.

［3］ 李鑫，董晓岩，徐峰，等.铁路站场配置图生成系统设计与实现［J］.运输管理与自动化，2003，26（1）：51.