LKJ-15型列控系统基础数据智能仿真检验关键技术研究

2020-06-04白鸿钧丁大志

铁路通信信号工程技术 2020年5期

白鸿钧，丁大志

（1.河南思维轨道交通技术研究院有限公司，郑州 450001）

（2.中国铁路济南局集团有限公司机务部，济南 250001）

1 概述

列车运行监控系统（LKJ）是中国自主研发的列车运行控制系统体系的核心设备，是以防止列车冒进信号、运行超速和辅助司机提高操纵能力为主要目标的列车速度控制系统，在保证列车安全方面发挥着重要作用[1-3]。LKJ 采用预存线路数据的方式，在车载设备中存储了运行区段的LKJ 基础线路数据和LKJ 基础运行组织数据，二者共同构成了LKJ 基础数据。LKJ 装载LKJ 基础数据后，为司机提供行车指导，保障列车安全运行[4]。LKJ 基础数据是LKJ 实现列车控制功能的基础，是监控列车安全运行的前提和保障。高效、准确地制作LKJ 基础数据一直是LKJ 装置应用的一项重点工作，LKJ 基础数据的仿真检验是LKJ 基础数据制作的步骤之一，一直是业界的研究重点。

2 当前的研究现状

当前，国内铁路线路建设处于一个大发展时期，新线路的投产和既有线路的频繁改造导致LKJ 基础数据的编制工作越来越频繁，对数据管理、制作、仿真检验的安全性要求越来越高[5]。行业内LKJ 生产企业、应用单位对LKJ 基础数据的制作、检验方法进行了大量分析和研究，开发了LKJ 基础数据信息化管理系统和自动模拟检验的业务系统[4-9]。

目前，开发的业务系统要么是从LKJ 基础数据编制管理工作的现状着手，提出信息化、自动化的LKJ 基础数据资料管理、编制管理、校核管理和任务管理的解决思路，侧重于LKJ 数据制作过程的管理；要么是仅仅开发了适用于LKJ—2000 型列控系统的仿真检验系统。业内对即将大面积推广应用的LKJ-15 型列控系统的基础数据正确性保证方法尚缺少研究，也没有研发相应的智能化仿真检验系统。

3 智能仿真检验系统

通过对业界研究现状的分析，笔者所在的团队研发了“LKJ-15 型列控系统基础数据智能仿真检验系统（LKJ Data Virification System，LDVS）”。

如图1 所示，LDVS 自动分析LKJ-15 型基础数据文件和LKJ—2000 基础数据文件的差异，生成数据差异项，结合LKJ 仿真检验规则库中针对每类数据差异的仿真检验规则，生成仿真检验脚本。之后自动执行仿真检验脚本，驱动硬件设备产生LKJ-15和LKJ—2000 运行所需的外部信号，比如速度、色灯信号等，控制LKJ-15 和LKJ—2000 运行到数据元素对应的线路和车站，采集LKJ 输出的数据，并与期待结果进行比对，判定仿真检验结果是否正确。

图1 LDVS业务逻辑Fig.1 LDVS operation logic

LKJ 仿真检验规则库包含了完备的LKJ 各类数据判断标准及仿真检验规则，每类数据都有明确的影响范围分析方法、仿真检验方法、判断标准等，且仿真检验方法可由用户自由定义，该库能动态地增加或删减。

对模拟检验结果的判定是利用人机接口单元（DMI）显示信息、LKJ 内部总线数据、LKJ 运行记录文件、LKJ 工程数据表、LKJ 各类数据判断标准及模拟检验规则库等多数据糅合来进行的，并采用总线数据、音频、视频等多种对比手段。

如图2 所示，LDVS 主要由两部分组成：一是LKJ 数据仿真检验软件。二是仿真检验平台。

图2 LDVS架构Fig.2 LDVS architecture

LKJ 数据仿真检验软件是一套PC 软件，完成LKJ 基础数据对比分析、仿真检验脚本生成、执行自动仿真检验、控制仿真检验过程以及判定仿真检验结果等功能。

仿真检验平台是系统中的硬件部分，通过以太网与LKJ 数据仿真检验软件连接。仿真检验平台根据LKJ 数据仿真检验软件的驱动和调度，产生LKJ运行所需的外部信号，设定LKJ 的开车对标、按键等操作，并采集LKJ 主控插件的总线广播信息和DMI 的音视频信息发送给LKJ 数据仿真检验软件，供其判定仿真检验的结果。

仿真检验平台主要由交换机单元、LKJ—2000仿真检验单元和LKJ-15 仿真检验单元构成。为提高LKJ 数据仿真检验效率，仿真检验平台具有配置多台LKJ—2000 仿真检验单元和多台LKJ-15 仿真检验单元的能力，各仿真检验单元互相独立，动态配置，并行运行。各LKJ—2000 仿真检验单元和LKJ-15 仿真检验单元通过交换机单元与LKJ 数据仿真检验软件连接，通过链路层（MAC）协议进行数据交换。

每个仿真检验单元（LKJ—2000 仿真检验单元或LKJ-15 仿真检验单元）功能结构类似，只是根据LKJ 设备类型不同，在通信协议层面稍有差别。每个仿真检验单元主要由LKJ 核心插件及其对应的校核插件、DMI 单元及其对应的音视频采集插件构成。考虑到LKJ 基础数据仿真检验功能是对LKJ 数据正确性的验证，并不涉及LKJ 设备自身对外部电信号的采集，所以系统设计中只配备LKJ 运行所需的核心插件，没有采用完整的LKJ 系统，以此降低硬件复杂性和成本。

校核插件通过特定的内部总线连接到LKJ 核心插件，根据LKJ 数据仿真检验软件的命令，产生LKJ 运行所需的外部信号（比如速度、色灯）、LKJ按键信息等通过内部总线直接发送给LKJ 核心插件。校核插件通过内部总线读取LKJ 核心插件上与LKJ 数据相关的数据信息，打包发送给LKJ 数据仿真检验软件。

音视频采集插件连接到DMI 的音频输出总线和视频输出总线，采集音频和视频输出，编码压缩后通过以太网发送给LKJ 数据仿真检验软件。

4 智能仿真检验关键技术

LKJ 数据仿真检验软件对LKJ-15 基础数据和LKJ—2000 基础数据对比分析时，首先需判断要对比的线路是否为同一条线路。如果不是同一条线路，则退出对比过程，这样可以提高对比速度，避免陷入对比不同线路无关细节的陷阱。笔者对铁路线路相似性特征进行分析，提出线路相似性判断的逻辑，并应用在软件开发中。

LKJ 基础数据制作完成后，线路数据是否能够贯通，能否与列车运行计划相匹配，也是数据仿真检验的重点。贯通检验分两步：第一步，在LKJ 基础数据中遍历查找贯通的线路车站序列及其对应的线路转移条件（比如设定某个色灯信号）。第二步，进行仿真检验，判断LKJ 运行时真正历经的车站是否与线路车站序列匹配。LDVS 对LKJ 数据贯通检验提出了新的方法，并在开发中进行实践，满足应用需求。

4.1 线路相似性判断的逻辑

如图3 所示，一般的铁路线路由车站和两个车站间隔的区间组成。车站内包含若干条股道，用来办理货运装卸、客运旅客乘降、列车避让等业务。

图3 车站和区间模型Fig.3 Model of stations and sections

在精确比对线路数据一致性之前，对线路的相似性进行分析，快速检索出要比对的线路，将能够排除不相关线路的干扰，大大加快精确比对的速度。

如果4所示，运用复数空间和向量分析的方法，对线路属性进行分析，在复数空间中建立铁路线路的向量，通过对比两条线路向量的方式来计算线路的相似性。

考虑到线路由车站和区间组成的事实，通过车站复杂度和区间复杂度两个维度来度量线路复杂度。以车站复杂度为实数坐标系，以区间复杂度为虚数坐标系。图4展示线路1 和线路2 两条线路的向量，它们在实数轴和虚数轴上的投影分别为x1、x2和i1、i2。

图4 复平面内线路复杂度的表示Fig.4 Demonstration of line complexity in a complex plane

计算某条线路的向量分为两步：

1）计算实部x：即计算车站复杂度；

2）计算虚部i：即计算线路复杂度。

实部（车站复杂度）的计算方法是：

第一步：按照线路上行方向，对车站排序；

第二步：分别计算每个车站的复杂度Ck；

第三步：按照第一步获取的车站顺序，对所有车站的复杂度进行加权累加。权=车站序号，从1开始，也可采用其他权值，比如车站等级。

其中：车站的复杂度Ck=车站的股道数×股道长度均方差×股道曲线长度占比均方差×股道曲线半径均方差。

虚部（区间复杂度）的计算方法是：

第一步：按照线路上行方向，对车站排序，车站排序后得到了区间顺序；

第二步：分别计算每个区间的复杂度Ck；

第三步：按照第一步获取的区间顺序，计算所有区间的复杂度并进行加权累加。权=区间序号，从1 开始。

每个区间的复杂度Ck=区间长度（单位：km）×区间线路的平均曲线半径×区间线路曲线半径均方差×区间线路的平均坡度×区间线路坡度均方差。

由实部和虚部合成线路向量。

计算两条线路复杂度向量的夹角和模，若夹角和模在设定的允许范围内，则可以认为是一条线路。

4.2 贯通检验的方法

贯通检验的核心问题是根据起始站，按照行车顺序寻找到下一个车站，其间可能存在跨线的情况，从线路A1 的车站B1 转到线路A2 的车站B2。把多条复杂链接的线路是做一张连通图，从起始站开始，按照深度优先的算法，可以遍历出所有的贯通路线。为防止出现线路回环的情况，设定最大跨线数和相同线路识别机制。贯通线路的遍历方法如图5 所示。