吳 江，郭秀清

（同濟(jì)大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，上海 201804）

近年來(lái)，軌道交通快速進(jìn)入高速期，成為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要因素。列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）是一種智能化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)ATS系統(tǒng)能否進(jìn)行正確的操作，將影響到列車(chē)能否安全運(yùn)行。這對(duì)軌道交通運(yùn)營(yíng)管理人員的后勤培訓(xùn)提出了很高要求，因此ATS仿真系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

若ATS仿真系統(tǒng)采用人工排列進(jìn)路，對(duì)操作員的業(yè)務(wù)素質(zhì)將會(huì)提出很高要求，而且操作量大、效率低。而自動(dòng)進(jìn)路排列功能的實(shí)現(xiàn)將大大降低操作員的工作量，減小失誤率，提高ATS系統(tǒng)的效率。

1 自動(dòng)進(jìn)路排列的設(shè)計(jì)

自動(dòng)進(jìn)路排列的工作原理為：當(dāng)一列車(chē)步進(jìn)到一個(gè)特別配置的軌道區(qū)段時(shí)，即觸發(fā)排列下一條進(jìn)路的指令。這些特別配置的軌道區(qū)段被稱(chēng)為“運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)”，運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)接近于即將被排列的進(jìn)路。列車(chē)的位置可由列車(chē)追蹤功能獲取，因?yàn)槭孪纫呀?jīng)把進(jìn)路的信息保存在文件中，下一條進(jìn)路即可以從文件中獲??；然后將進(jìn)行進(jìn)路一致性檢查。如果檢查表明，沒(méi)有理由不排列該進(jìn)路，就向系統(tǒng)聯(lián)鎖模塊發(fā)出一個(gè)指令，鎖定進(jìn)路中元素；最后進(jìn)行進(jìn)路排列檢驗(yàn)，若沒(méi)有問(wèn)題，則開(kāi)放始端信號(hào)燈。進(jìn)路自動(dòng)排列 ARS（Automatic Route Setting）請(qǐng)求處理步驟如圖1所示。

圖1 ARS請(qǐng)求處理步驟

為了能詳細(xì)分析自動(dòng)進(jìn)路排列理論，本文以如圖2所示的上海地鐵5號(hào)線的部分線路圖為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 上海地鐵5號(hào)線的部分線路圖

1.1 運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)處理

在運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)的處理上，選擇一條進(jìn)路的最后一條區(qū)段為下一條進(jìn)路的運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)，如圖2中進(jìn)路X905～X1006，下一條進(jìn)路的運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)就是這條進(jìn)路的最后一條區(qū)段G1175。當(dāng)判斷列車(chē)到達(dá)G1175后，則發(fā)送要求排列下一條進(jìn)路的指令。

運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)需要擁有一定的信息（如觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)的有效方向），本文把這部分信息采用XML純文本存儲(chǔ)。XML是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)語(yǔ)言，使用一系列簡(jiǎn)單的標(biāo)記描述數(shù)據(jù)，層次結(jié)構(gòu)清晰，易于讀寫(xiě)與共享。

下面是運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用XML純文本保存。

其中，標(biāo)記存儲(chǔ)了分配給運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)的軌道區(qū)段，標(biāo)記存儲(chǔ)了運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)有效時(shí)列車(chē)的運(yùn)行方向。

1.2 進(jìn)路的選定

在運(yùn)營(yíng)觸發(fā)之后，ARS功能將為這一列車(chē)選定擬排列的進(jìn)路。從圖2中可以看出，若從X905排列一條上行進(jìn)路，這條進(jìn)路是存在并且是唯一的，依次經(jīng)過(guò)G1151區(qū)段，G1175區(qū)段到X1006。但若從X1002出發(fā)排列一條進(jìn)路，進(jìn)路雖然存在但卻不是唯一的，分別為經(jīng)過(guò)1002道岔反位，然后接1004道岔反位，經(jīng)G1281區(qū)段到達(dá)信號(hào)燈X1003和經(jīng)過(guò)1002道岔定位，再通過(guò)G1278區(qū)段到達(dá)信號(hào)燈X1007，因此僅一個(gè)始端信號(hào)燈還不足以構(gòu)成選定一條進(jìn)路的條件。為此，需要從列車(chē)追蹤功能傳輸出來(lái)的車(chē)次號(hào)中獲取列車(chē)的目的地代碼，從而獲取列車(chē)運(yùn)行方向。

在確定了始端信號(hào)燈（觸發(fā)后可獲取，見(jiàn)圖6中各表關(guān)系）和列車(chē)運(yùn)行方向后，為了能夠讓進(jìn)路搜索程序搜索到符合條件的進(jìn)路，可以建立一個(gè)適合搜索的并且能夠真實(shí)形象地反映現(xiàn)實(shí)路線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？梢詷?gòu)建一棵二叉樹(shù)來(lái)表示信號(hào)機(jī)與它的直接鄰居之間的連通關(guān)系。每個(gè)信號(hào)機(jī)均構(gòu)建一棵二叉樹(shù)，然后把整個(gè)站場(chǎng)的所有信號(hào)機(jī)構(gòu)建的二叉樹(shù)組織起來(lái)。若把上例中信號(hào)燈X905和X1002的二叉樹(shù)建立起來(lái)，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 X905和X1002所建立的二叉樹(shù)

圖中橢圓表示信號(hào)燈，矩形表示軌道或道岔，圖3（a）表示道岔，圖 3（b）表示軌道。在圖 2中，假設(shè)進(jìn)路從X1002出發(fā)，終點(diǎn)站為B，則進(jìn)路的選定存在以下幾種情況：

（1）若全部軌道正常，那么從 X1002結(jié)合方向搜索，會(huì)建立到X1007的進(jìn)路。

（2）若存在以下的特殊情況，從X1002→X1007的進(jìn)路不能正常建立，則ARS將改變進(jìn)路的選定。

①若進(jìn)路中存在長(zhǎng)期障礙，阻止了正常進(jìn)路的自動(dòng)排列。如圖2中1002道岔被鎖定在反位狀態(tài)，正常的進(jìn)路X1002→X1007將不能建立，此時(shí)進(jìn)路自動(dòng)排列功能將會(huì)去變更進(jìn)路，并將訪問(wèn)圖 3（a）子樹(shù)，選定從 X1002經(jīng)1002道岔反位，接1004道岔反位，通過(guò)G1281區(qū)段到達(dá)信號(hào)燈X1003這條進(jìn)路，然后經(jīng)1003道岔反位到終點(diǎn)B。

②若進(jìn)路中存在短期障礙，比如此時(shí)G1278上正好被占用（如停著一輛車(chē)），正常的進(jìn)路排列被阻止，那么自動(dòng)排列功能將試圖排列越行進(jìn)路，同樣會(huì)去訪問(wèn)圖3（a）子樹(shù)，選定從 X1002經(jīng) 1002道岔反位，接 1004道岔反位，通過(guò)G1281區(qū)段到達(dá)X1003這條進(jìn)路。

（3）若道岔1002出現(xiàn)了故障，進(jìn)路將不能排列。

若把圖3中進(jìn)路的路徑抽取出來(lái)，則很容易就得到優(yōu)化二叉樹(shù)，如圖4所示。

圖4 X1002優(yōu)化二叉樹(shù)

由圖4提取信息，可以建立每條進(jìn)路的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用XML來(lái)存儲(chǔ)每條進(jìn)路的結(jié)構(gòu)信息，下面是X1002→X1007的進(jìn)路用XML保存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

其中，表示進(jìn)路的始端信號(hào)燈，表示進(jìn)路的終端信號(hào)燈，表示進(jìn)路中的區(qū)段，表示進(jìn)路中的道岔。把線路圖中的所有進(jìn)路都用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示出來(lái)，放在一個(gè)XML文件中，以供程序查詢(xún)。這樣通過(guò)以始端信號(hào)燈結(jié)合方向，用方向來(lái)確定道岔的定/反位，就能選定下一條進(jìn)路。

1.3 進(jìn)路一致性檢查

在進(jìn)路選定后，接下來(lái)即進(jìn)行進(jìn)路的一致性檢查。進(jìn)路一致性檢查的目的是要防止不能被執(zhí)行的指令被傳送至聯(lián)鎖。進(jìn)路一致性檢查包括如下步驟：

（1）檢查請(qǐng)求是否已被執(zhí)行

如果擬排進(jìn)路的始端信號(hào)機(jī)已處于開(kāi)放狀態(tài)，說(shuō)明操作員已經(jīng)為列車(chē)人工排列了進(jìn)路，ARS功能會(huì)中止此ARS請(qǐng)求，并記錄該操作。如圖2中，若已經(jīng)在步驟2中選定了進(jìn)路X1002→X1007，那么此時(shí)就應(yīng)該檢查一下此進(jìn)路有沒(méi)有已經(jīng)被排列。若之前已經(jīng)被操作員手動(dòng)排列了進(jìn)路，則此時(shí)這條進(jìn)路就不需再自動(dòng)排列了。

（2）檢查指令輸出是否存在短期障礙

為此，需調(diào)查擬排進(jìn)路的始端與終端要素之間的所有軌道要素以判斷是否其中某個(gè)元素存在障礙。

1.4 發(fā)送聯(lián)鎖指令

在進(jìn)路可用性檢查成功后，即可輸出聯(lián)鎖指令。發(fā)送聯(lián)鎖指令將鎖定進(jìn)路中的道岔、區(qū)段和交叉，以防再被其他進(jìn)路征用。

首先，系統(tǒng)檢查該列車(chē)是否仍在擬排定進(jìn)路的接近區(qū)段。如果列車(chē)已不在擬排定進(jìn)路的接近區(qū)段，ARS將中止此ARS請(qǐng)求；如果列車(chē)仍在擬排進(jìn)路的接近區(qū)段，則排列該進(jìn)路的指令將送至相應(yīng)的聯(lián)鎖。ARS功能只把下一個(gè)進(jìn)路排列指令傳送到該聯(lián)鎖，只要它已經(jīng)接收到對(duì)此進(jìn)路排列請(qǐng)求的肯定確認(rèn)。

1.5 排列檢查

指令輸出之后，自排進(jìn)路功能等待來(lái)自計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的肯定確認(rèn)。作為肯定確認(rèn)，對(duì)每條進(jìn)路來(lái)說(shuō)就是開(kāi)放始端信號(hào)機(jī)。只要信號(hào)機(jī)一開(kāi)放，該ARS請(qǐng)求立即終止。

經(jīng)過(guò)以上5步后，進(jìn)路的自動(dòng)排列已經(jīng)基本完成。圖5為進(jìn)路自動(dòng)排列流程圖。

圖5 自動(dòng)進(jìn)路排列完整流程圖

2 自動(dòng)進(jìn)路排列的軟件實(shí)現(xiàn)

將信號(hào)燈、區(qū)段、道岔的信息用類(lèi)似XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，每類(lèi)軌道元素都分別存放在各自的XML表中，這樣就存在5份XML表，在本設(shè)計(jì)中，本質(zhì)上XML就充當(dāng)了一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù)的角色。表1為各個(gè)軌道元素在XML中的存儲(chǔ)信息。

表1 各元素?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的XML存儲(chǔ)表

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要讀取保存在XML中的軌道元素的信息，因此設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)XML中軌道元素的信息為每個(gè)軌道元素都建立了一個(gè)封裝類(lèi)，如Switch封裝類(lèi)結(jié)構(gòu)如下：

把保存在XML表中的軌道元素信息用XML解析類(lèi)CMarkUp解析后，用解析出來(lái)的各軌道元素存儲(chǔ)信息去構(gòu)造一個(gè)對(duì)應(yīng)的類(lèi)。因?yàn)榫€路圖中存在很多信號(hào)燈、區(qū)段等軌道元素，而每一個(gè)都對(duì)應(yīng)著自己的一組信息，也就是每一個(gè)元素都可以構(gòu)造一個(gè)類(lèi)，很好地實(shí)現(xiàn)了XML數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)類(lèi)的綁定。為了方便查詢(xún)和使用，把相同軌道元素的類(lèi)保存在STL的Vector數(shù)組中，這樣就分別有運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)、進(jìn)路、道岔、區(qū)段、信號(hào)燈 5個(gè)Vector數(shù)組。每一類(lèi)軌道元素都是相互聯(lián)系的，因此，在程序中需要通過(guò)一類(lèi)元素獲取到另一類(lèi)的信息（如需要查詢(xún)始端信號(hào)燈 StartSignal獲取到一條進(jìn)路 Route）。圖6所示為5個(gè)軌道元素的XML表聯(lián)系圖。

圖6 各XML表聯(lián)系圖

圖中，矩形表示各個(gè)XML表，橢圓形表示XML表的某個(gè)軌道元素的其中某個(gè)存儲(chǔ)信息。兩個(gè)XML的聯(lián)系就是通過(guò)尋找某個(gè)有相同的某個(gè)存儲(chǔ)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如Owner和JJAxle，因?yàn)槊總€(gè)Trigger都對(duì)應(yīng)著一個(gè)擁有區(qū)段，因此可以用此區(qū)段去對(duì)比Signal表中的JJAxle信息。若找到此信息相同，即可找到下一條進(jìn)路的始端信號(hào)燈。根據(jù)以上的軌道元素?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和XML表聯(lián)系圖，給出選定進(jìn)路的偽碼算法如下：

在以上偽碼中，最重要的就是查找算法。本文很好地利用了STL的非變異算法find_if來(lái)查找進(jìn)路元素。

因?yàn)橐扛粢欢〞r(shí)間就去判斷列車(chē)運(yùn)行距離來(lái)判斷列出是否到運(yùn)營(yíng)觸發(fā)點(diǎn)，所以在定時(shí)

器響應(yīng)函數(shù)來(lái)判斷是否去開(kāi)放下一條進(jìn)路，這樣通過(guò)定時(shí)器的方法也就達(dá)到了進(jìn)路自動(dòng)開(kāi)放的效果。自動(dòng)排列進(jìn)路源碼如下：

通過(guò)以上方法，順利地實(shí)現(xiàn)了列車(chē)進(jìn)路自動(dòng)排列，在所截取上海地鐵5號(hào)線的部分線路圖上實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 自動(dòng)進(jìn)路排列效果圖

由圖中可以看出，當(dāng)列車(chē)開(kāi)進(jìn)區(qū)段G1278，并未人工開(kāi)放進(jìn)路，下一條進(jìn)路就被正確地開(kāi)放了，證明了本文所提出的方法的有效性。

本文提出了一個(gè)ATS仿真系統(tǒng)的自動(dòng)進(jìn)路排列的方案，闡述了自動(dòng)進(jìn)路排列的大體過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，進(jìn)路的選定尤為重要，應(yīng)用自動(dòng)進(jìn)路排列，可減輕操作員的勞動(dòng)量和減少出錯(cuò)率，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而可以有效地提高培訓(xùn)效率。

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