城市轨道交通可视化调试技术的研究

张伟星

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

城市轨道交通控制系统开发是一项复杂的工程，拥有多个子系统，设计和调试的工作量巨大。本文研究的基于城市轨道交通的可视化调试技术是专门针对城市轨道交通的系统调试技术，其以强大的计算机计算能力为依托，结合传统调试技术，将城市轨道交通系统运行的具体细节都可视化，包括内部具体某个函数的执行情况，实际现场中某个设备的运作细节等，调试过程中开发人员可以根据可视化信息对出现的问题进行有效的定位，问题的解决变得更加有针对性。

1 调试系统结构设计

城市轨道交通控制系统主要包含以下子系统：列车自动监控系统（ATS）、计算机联锁系统（CI）、区域控制器（ZC）、列车自动防护系统（ATP）、列车自动运行系统（ATO）和数据通信系统（DCS）。

ATS系统能进行识别列车、追踪列车、显示列车、提供人工和自动线路设置功能，并且调节列车运动来保持行车计划的执行。

ZC系统的功能是安全地管理本区域内所有列车的运行，在保证安全运行间隔的情况下，最大限度地提高线路列车密度，达到提高运行效率的目的。ZC系统功能的实现，主要依靠为本区域所有具备基本通信的列车控制（CBTC）模式的列车计算移动授权完成的。另外，ZC子系统还承担着列车状态的转发，ATS及站台命令处理功能。

ATP系统主要负责防护列车，确保任何时间内列车都安全运行。其主要功能有：列车的测速和定位、超速防护、状态防护、启动和制动、控制模式和驾驶级别的转换、降级模式下的ATP防护。

ATO系统主要负责列车的自动驾驶，完成列车的程序站停和精确停车，其主要功能有：自动驾驶、精确停车、车门管理、程序站停。

联锁系统是为保证行车安全，通过技术方法使得区段、道岔以及信号机等轨旁设备按一定的程序和条件建立起既互相联系又互相制约的关系的系统。

数据通信系统则是负责CBTC各子系统间的数据通信，包括有线通信和无线通信，是CBTC系统正常工作的至关重要的条件。

本文研究的基于城市轨道交通的可视化调试技术，以城市轨道交通的计算机平台作为试验平台，开发一套可视化调试系统（V isible Debugging System，VDS），该系统包含仿真平台中的轨旁仿真系统（W ayside Simulation System，WSIM）和车载仿真系统（Vehic le Sim u lation System，VSIM），并且包含新开发的可视化信息系统（Visible Information System，VIS）。该调试系统将会对WSIM和VSIM做出较小程度的调整，调整后，WSIM只负责模拟轨旁硬件设备，而VSIM只负责模拟车载硬件设备，仿真子系统的角色将会更加鲜明，其作用会变得更加明显和针对性。而可视化信息系统将会整合仿真系统中剥离出来的信息，作为其部分内容，而系统运行的各阶段重要信息则作为可视化信息系统的其他内容。本文为可视化信息系统与其他各子系统间分别构建通信接口，将城市轨道交通系统运行的各阶段重要信息分批显示在可视化调试软件的界面上。应用有可视化调试技术的城市轨道交通的系统结构如图1所示。

图1 具有可视化调试技术的城市轨道交通系统结构

2 调试系统接口设计

正如图1所示，VDS由WSIM、VSIM和V IS组成，并且V IS拥有许多接口，这些接口用于接收来自其他各子系统的数据信息。V IS通过以太网与其他各子系统建立外部接口，通过这个接口，各子系统可以将以下信息传输给VIS：

（1）ATS相关信息：包括ATS与CI和ZC的实时通信状态、ATS给其他子系统发送的报文信息、ATS自身工作状态、排进路时具体的操作细节过程、时刻表具体信息等。

（2）ZC相关信息：包括ZC与CI和ATP的通信状态、ZC给其他子系统发的报文信息、ZC自身的工作状态、固定障碍物和移动障碍物的具体情况、移动授权的实时更新细节、屏蔽门的开关过程等。

（3）VATP相关信息：包括VATP与VSIM和VATO的通信状态、VATP给其他子系统发送的报文数据、VATP自身的工作状态、防护曲线的实时更新、紧急制动的细节过程、精确停车的具体细节等。

（4）VATO相关信息：包括VATO与VSIM的通信状态、VATO给其他子系统发送的报文数据、VATO自身的工作状态、驾驶曲线的计算细节、VATO推荐速度的实时更新、列车启动的过程细节、车门的开关过程等。

（5）CI相关信息：包括CI与WSIM的通信状态及自身工作状态，CI给其他子系统发送的报文数据，道岔的扳动细节过程，股道锁闭解锁具体过程，信号机亮灭具体细节等。

（6）仿真系统相关信息：包括VSIM和WSIM间的通信状态，互相发送的报文信息、区段占用的模拟过程、应答器的信息显示等。

从列车的运行准备、启动、运行（包括正常运行、跳停、扣车、常规制动、紧急制动等各种情况）、退出运行等整个系统运行过程，V IS将各个阶段系统运行的具体细节可视化，必要时开发人员可以打开报文对话框查看系统间发送的报文，直接观察可视化界面上显示的实时信息，进行系统调试。

3 初级样机开发

基于城市轨道交通的可视化调试技术的初级样机主要由3部分组成：系统工作细节的界面显示、通信报文的查看、日志文件的读取与分析。其中系统工作细节的界面显示是本调试技术的核心组成部分，为开发人员提供主要的信息量，其内容划分如图2所示。

图2 系统工作细节的界面显示

列车的移动授权是列车运行的必要条件，在传统的系统调试过程中，经常会出现因为移动授权的跳变而引起的列车紧急制动，移动授权突然出现异常值（比如零），然后又返回正常值，这样的情况下，列车紧急制动的原因往往难以被开发人员发觉。而配有可视化调试技术的城市轨道交通系统开发平台，将会实时的显示每辆车具体的移动授权距离和紧急制动距离的数值，在第一时间发现这种原因。

在系统调试过程中可能会出现列车在某一站台的站停时间结束之后，列车并不能启动的情况。如果该问题是由于所给的运行时间不够所引起的，传统的系统调试技术并不能非常容易的发现这一点，而本文所研究的系统调试技术将会把ATO曲线的具体计算细节显示在界面上，这当中就包括文字提示“由于运行时间不够，导致ATO曲线计算失败”。

在列车的运行过程中，ZC会不断搜索出列车前方信号机的编号，并将编号发送给联锁，以供联锁使用，开发人员可以从轨旁仿真系统（WSIM）的界面上轻易看出列车的前方信号机的编号，但是由于线路数据库是个非常庞大的数据库，调试初期，ZC不一定能正确搜索到列车的前方信号机编号，如果搜索出现异常，搜索结果未经显示就将其发送给联锁系统，开发人员并不一定会马上察觉，或者系统运行并不一定马上出现错误，而可视化信息系统（V IS）则会将ZC的搜索结果进行实时的显示，如图3所示，开发人员可以从轨旁仿真的界面上容易看出列车JD01的前方信号机为S0402。而后通过查看可视化信息系统（V IS）界面显示的前方信号机表格得到JD01列车的前方信号机为S0402，说明搜索正确。

图3 可视化信息系统实时显示的ZC搜索结果

“通信报文的查看”则为开发人员提供各子系统间的通信报文。当需查看某2个子系统间完整的通信报文时，可以通过选择发送方和接收方来查看相应子系统间具体的通信报文。并且为了系统的简单高效，仅当打开报文对话框并选中相应系统时，V IS才会接收这2个系统发送过来的报文数据，并进行显示，它不会接收没有被选中的系统的报文，可以减少数据通信子系统（DCS）的工作压力。

本文研究的基于城市轨道交通的可视化调试技术，推荐各子系统在系统调试过程中将各自的工作细节数据以bin文件形式存储在SD卡中，而本文设计的V IS软件具有解析该bin文件数据的功能，具体要解析哪些数据并进行显示是由开发人员根据具体情况制定规则来确定的。通过解析该bin文件的数据，可以分析该子系统过去的工作状况，甚至预测可能出现的问题。

4 结束语

本文分析了传统的城市轨道交通系统开发手段的特点与不足，研究了可视化调试技术并应用于城市轨道交通系统开发中，实现了初级样机的开发。实验表明，基于城市轨道交通的可视化调试技术，能够有效地降低城市轨道交通控制系统开发的工作量，缩短系统开发周期。但也存在不足，例如本调试技术会增加系统间通信的接口和所需发送报文的数量，加重DCS的工作量，程序所占的空间也会增加，影响程序运行的效率。

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