上海地铁ATS仿真系统进路自动排列的设计与实现
2012-02-28郭秀清
吴 江，郭秀清
（同济大学 控制科学与工程系，上海 201804）
近年来，轨道交通快速进入高速期，成为带动经济增长的重要因素。列车自动监控系统（ATS）是一种智能化自动监控系统，对ATS系统能否进行正确的操作，将影响到列车能否安全运行。这对轨道交通运营管理人员的后勤培训提出了很高要求，因此ATS仿真系统应运而生。
若ATS仿真系统采用人工排列进路，对操作员的业务素质将会提出很高要求，而且操作量大、效率低。而自动进路排列功能的实现将大大降低操作员的工作量，减小失误率，提高ATS系统的效率。
1 自动进路排列的设计
自动进路排列的工作原理为：当一列车步进到一个特别配置的轨道区段时，即触发排列下一条进路的指令。这些特别配置的轨道区段被称为“运营触发点”，运营触发点接近于即将被排列的进路。列车的位置可由列车追踪功能获取，因为事先已经把进路的信息保存在文件中，下一条进路即可以从文件中获取；然后将进行进路一致性检查。如果检查表明，没有理由不排列该进路，就向系统联锁模块发出一个指令，锁定进路中元素；最后进行进路排列检验，若没有问题，则开放始端信号灯。进路自动排列 ARS（Automatic Route Setting）请求处理步骤如图1所示。
图1 ARS请求处理步骤
为了能详细分析自动进路排列理论，本文以如图2所示的上海地铁5号线的部分线路图为例进行说明。
图2 上海地铁5号线的部分线路图
1.1 运营触发点处理
在运营触发点的处理上，选择一条进路的最后一条区段为下一条进路的运营触发点，如图2中进路X905～X1006，下一条进路的运营触发点就是这条进路的最后一条区段G1175。当判断列车到达G1175后，则发送要求排列下一条进路的指令。
运营触发点需要拥有一定的信息（如触发点触发的有效方向），本文把这部分信息采用XML纯文本存储。XML是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，层次结构清晰，易于读写与共享。
下面是运营触发点的数据结构，采用XML纯文本保存。
其中，标记
1.2 进路的选定
在运营触发之后，ARS功能将为这一列车选定拟排列的进路。从图2中可以看出，若从X905排列一条上行进路，这条进路是存在并且是唯一的，依次经过G1151区段，G1175区段到X1006。但若从X1002出发排列一条进路，进路虽然存在但却不是唯一的，分别为经过1002道岔反位，然后接1004道岔反位，经G1281区段到达信号灯X1003和经过1002道岔定位，再通过G1278区段到达信号灯X1007，因此仅一个始端信号灯还不足以构成选定一条进路的条件。为此，需要从列车追踪功能传输出来的车次号中获取列车的目的地代码，从而获取列车运行方向。
在确定了始端信号灯（触发后可获取，见图6中各表关系）和列车运行方向后，为了能够让进路搜索程序搜索到符合条件的进路，可以建立一个适合搜索的并且能够真实形象地反映现实路线结构的数据结构。可以构建一棵二叉树来表示信号机与它的直接邻居之间的连通关系。每个信号机均构建一棵二叉树，然后把整个站场的所有信号机构建的二叉树组织起来。若把上例中信号灯X905和X1002的二叉树建立起来，其结果如图3所示。
图3 X905和X1002所建立的二叉树
图中椭圆表示信号灯，矩形表示轨道或道岔，图3（a）表示道岔，图 3（b）表示轨道。在图 2中，假设进路从X1002出发，终点站为B，则进路的选定存在以下几种情况：
（1）若全部轨道正常，那么从 X1002结合方向搜索，会建立到X1007的进路。
（2）若存在以下的特殊情况，从X1002→X1007的进路不能正常建立，则ARS将改变进路的选定。
①若进路中存在长期障碍，阻止了正常进路的自动排列。如图2中1002道岔被锁定在反位状态，正常的进路X1002→X1007将不能建立，此时进路自动排列功能将会去变更进路，并将访问图 3（a）子树，选定从 X1002经1002道岔反位，接1004道岔反位，通过G1281区段到达信号灯X1003这条进路，然后经1003道岔反位到终点B。
②若进路中存在短期障碍，比如此时G1278上正好被占用（如停着一辆车），正常的进路排列被阻止，那么自动排列功能将试图排列越行进路，同样会去访问图3（a）子树，选定从 X1002经 1002道岔反位，接 1004道岔反位，通过G1281区段到达X1003这条进路。
（3）若道岔1002出现了故障，进路将不能排列。
若把图3中进路的路径抽取出来，则很容易就得到优化二叉树，如图4所示。
图4 X1002优化二叉树
由图4提取信息，可以建立每条进路的数据存储结构。本设计采用XML来存储每条进路的结构信息，下面是X1002→X1007的进路用XML保存的数据结构。
其中，
1.3 进路一致性检查
在进路选定后，接下来即进行进路的一致性检查。进路一致性检查的目的是要防止不能被执行的指令被传送至联锁。进路一致性检查包括如下步骤：
（1）检查请求是否已被执行
如果拟排进路的始端信号机已处于开放状态，说明操作员已经为列车人工排列了进路，ARS功能会中止此ARS请求，并记录该操作。如图2中，若已经在步骤2中选定了进路X1002→X1007，那么此时就应该检查一下此进路有没有已经被排列。若之前已经被操作员手动排列了进路，则此时这条进路就不需再自动排列了。
（2）检查指令输出是否存在短期障碍
为此，需调查拟排进路的始端与终端要素之间的所有轨道要素以判断是否其中某个元素存在障碍。
1.4 发送联锁指令
在进路可用性检查成功后，即可输出联锁指令。发送联锁指令将锁定进路中的道岔、区段和交叉，以防再被其他进路征用。
首先，系统检查该列车是否仍在拟排定进路的接近区段。如果列车已不在拟排定进路的接近区段，ARS将中止此ARS请求；如果列车仍在拟排进路的接近区段，则排列该进路的指令将送至相应的联锁。ARS功能只把下一个进路排列指令传送到该联锁，只要它已经接收到对此进路排列请求的肯定确认。
1.5 排列检查
指令输出之后，自排进路功能等待来自计算机联锁控制系统的肯定确认。作为肯定确认，对每条进路来说就是开放始端信号机。只要信号机一开放，该ARS请求立即终止。
经过以上5步后，进路的自动排列已经基本完成。图5为进路自动排列流程图。
图5 自动进路排列完整流程图
2 自动进路排列的软件实现
将信号灯、区段、道岔的信息用类似XML数据结构存储，每类轨道元素都分别存放在各自的XML表中，这样就存在5份XML表，在本设计中，本质上XML就充当了一个小型数据库的角色。表1为各个轨道元素在XML中的存储信息。
表1 各元素数据结构的XML存储表
在开发过程中，需要读取保存在XML中的轨道元素的信息，因此设计中对应XML中轨道元素的信息为每个轨道元素都建立了一个封装类，如Switch封装类结构如下：
把保存在XML表中的轨道元素信息用XML解析类CMarkUp解析后，用解析出来的各轨道元素存储信息去构造一个对应的类。因为线路图中存在很多信号灯、区段等轨道元素，而每一个都对应着自己的一组信息，也就是每一个元素都可以构造一个类，很好地实现了XML数据与对应类的绑定。为了方便查询和使用，把相同轨道元素的类保存在STL的Vector数组中，这样就分别有运营触发点、进路、道岔、区段、信号灯 5个Vector数组。每一类轨道元素都是相互联系的，因此，在程序中需要通过一类元素获取到另一类的信息（如需要查询始端信号灯 StartSignal获取到一条进路 Route）。图6所示为5个轨道元素的XML表联系图。
图6 各XML表联系图
图中，矩形表示各个XML表，椭圆形表示XML表的某个轨道元素的其中某个存储信息。两个XML的联系就是通过寻找某个有相同的某个存储信息来实现的。如Owner和JJAxle，因为每个Trigger都对应着一个拥有区段，因此可以用此区段去对比Signal表中的JJAxle信息。若找到此信息相同，即可找到下一条进路的始端信号灯。根据以上的轨道元素数据结构和XML表联系图，给出选定进路的伪码算法如下：
在以上伪码中，最重要的就是查找算法。本文很好地利用了STL的非变异算法find_if来查找进路元素。
因为要每隔一定时间就去判断列车运行距离来判断列出是否到运营触发点，所以在定时
器响应函数来判断是否去开放下一条进路，这样通过定时器的方法也就达到了进路自动开放的效果。自动排列进路源码如下：
通过以上方法，顺利地实现了列车进路自动排列，在所截取上海地铁5号线的部分线路图上实现结果如图7所示。
图7 自动进路排列效果图
由图中可以看出，当列车开进区段G1278，并未人工开放进路，下一条进路就被正确地开放了，证明了本文所提出的方法的有效性。
本文提出了一个ATS仿真系统的自动进路排列的方案，阐述了自动进路排列的大体过程。在这个过程中，进路的选定尤为重要，应用自动进路排列，可减轻操作员的劳动量和减少出错率，提高系统的运行效率，从而可以有效地提高培训效率。
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