謝 飛，楊 揚

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031）

近年來，隨著城市軌道交通相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展和與多學(xué)科的融合，集教學(xué)、培訓(xùn)及技術(shù)服務(wù)為一體的城軌綜合實訓(xùn)平臺已成為國內(nèi)一些交通院校在軌道交通學(xué)科建設(shè)的重點項目。本文研究的內(nèi)容源自于西南交通大學(xué)城市軌道交通控制及通信平臺實驗室，該實驗室是以城市軌道交通為主、高速鐵路為輔、管控一體、理實結(jié)合的綜合實訓(xùn)平臺。集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)作為該平臺的重要子系統(tǒng)，包括沙盤模型和聯(lián)鎖仿真軟件兩部分，實現(xiàn)在各車站間的聯(lián)鎖條件檢查、進路建立、信號設(shè)備控制以及進路鎖閉與解鎖，并把線路狀態(tài)真實呈現(xiàn)給仿真人員。由于進路與道岔、信號機、軌道之間的控制關(guān)系復(fù)雜，集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的仿真也成為了仿真平臺實現(xiàn)的難點之一。本文以沙盤地鐵2號線中的兩個集中站為例，利用UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言）對系統(tǒng)進行建模分析與設(shè)計，從系統(tǒng)的功能需求、總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計及編程實現(xiàn)等方面用圖形化語言進行嚴(yán)格的描述與定義，結(jié)合Visio繪圖工具建立系統(tǒng)不同設(shè)計階段的可視化模型，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。

1 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)功能簡介

1.1 城市軌道交通控制及通信平臺介紹

城市軌道交通控制及通信平臺是結(jié)合軌道交通控制、計算機仿真、現(xiàn)代通信等技術(shù)的綜合培訓(xùn)系統(tǒng)，以信號控制、通信網(wǎng)絡(luò)及沙盤動態(tài)模擬仿真為依托，把城市軌道交通和高速鐵路兩部分有機地結(jié)合在一起，具有可操作性強、系統(tǒng)集成度高等特點，屬國內(nèi)高校首例。系統(tǒng)能真實地仿真城市軌道交通、高速鐵路運輸管理以及相關(guān)通信過程，為軌道交通運營的模擬仿真和相關(guān)技術(shù)人員的培訓(xùn)提供技術(shù)服務(wù)。

該仿真平臺的城市軌道交通部分是以成都地鐵1、2線為原型設(shè)計，分為6個子系統(tǒng)：控制中心子系統(tǒng)、ATP/ATO模擬子系統(tǒng)、沙盤模型子系統(tǒng)、集中站聯(lián)鎖子系統(tǒng)、車輛段模擬子系統(tǒng)、列車模擬駕駛子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為基礎(chǔ)，從中獲取列車模擬運行與操作所需的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，各子系統(tǒng)間的信息交互通過綜合通信平臺實現(xiàn)，圖1是城市軌道交通控制及通信平臺的結(jié)構(gòu)圖。各子系統(tǒng)通過有線或無線局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各仿真軟件與沙盤間的聯(lián)動控制，真實還原了具備基于CBTC功能的城市軌道交通模擬系統(tǒng)。

圖1 城市軌道交通控制及通信平臺的結(jié)構(gòu)

1.2 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)功能概述

1.2.1 上位機界面的顯示功能

系統(tǒng)能準(zhǔn)確完成列車實際位置、集中站范圍內(nèi)的線路圖、軌旁信號設(shè)備以及為列車排列的進路等顯示，根據(jù)《ATS符號定義》：（1）區(qū)段顯示：空閑時呈黃色，占用時呈紅色，鎖閉時呈綠色，故障時呈灰色；（2）道岔顯示：道岔在定位時開通定位位置，道岔在反位時開通反位位置，顯示與區(qū)段一致；（3）信號顯示：故障時呈灰色，開通直股進路時呈綠色，開通彎股進路時呈黃色，禁止信號呈紅色，引導(dǎo)信號為紅色+黃色，盡頭信號機保持紅色。

1.2.2 進路自動排列與解鎖功能

系統(tǒng)接收到列車由沙盤發(fā)回來的位置信息（IC卡號）后，判斷列車是否壓入觸發(fā)區(qū)段，若是則檢查進路是否能夠排列，若能則排列進路并鎖閉，列車出清后，相應(yīng)區(qū)段自動解鎖。

1.2.3 模擬行車功能

在脫離沙盤的情況下，系統(tǒng)能實現(xiàn)列車的模擬走行，走行過程中，被占用的軌道區(qū)段能自動變?yōu)榧t色，且實現(xiàn)聯(lián)鎖的基本功能，可作為教學(xué)培訓(xùn)時演示使用。

1.2.4 人工排列與解鎖進路功能

在無線通信故障或需要人工干預(yù)時，仿真人員順序按壓進路始、終端按鈕排列進路，進路開放后，相應(yīng)信號機燈位與線路顏色發(fā)生變化，進路被鎖閉，界面與沙盤的信號必須能實時同步動作。人工解鎖進路分為兩種情況：（1）正常解鎖，列車已完全出清某一進路，順序按壓解鎖進路、進路始端按鈕完成解鎖；（2）取消進路，列車并未進入進路，順序按壓取消進路、進路始端按鈕完成解鎖。

武術(shù)對外教材內(nèi)容缺乏標(biāo)準(zhǔn)，影響海外武術(shù)習(xí)練者的學(xué)習(xí)效果。武術(shù)教學(xué)出版物是決定武術(shù)國際傳播標(biāo)準(zhǔn)化的重要內(nèi)容。武術(shù)國際傳播的標(biāo)準(zhǔn)化與武術(shù)“走出去”戰(zhàn)略的實施息息相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化的傳播能夠使武術(shù)走得更遠(yuǎn)，而在標(biāo)準(zhǔn)化的傳播進程中，武術(shù)傳播者和傳播媒介占據(jù)著重要的地位。當(dāng)下，中國武術(shù)協(xié)會已出臺一系列政策，對赴外武術(shù)教師提出相關(guān)要求，并且重視赴外武術(shù)教師的崗前培訓(xùn)，以期使武術(shù)的海外傳播道路更加標(biāo)準(zhǔn)化。除此之外，中國武術(shù)協(xié)會和國際武聯(lián)應(yīng)該重點考慮對海外武術(shù)教師進行系統(tǒng)培訓(xùn)，讓這些教師通過繼續(xù)教育提升業(yè)務(wù)素質(zhì)，從而能夠從根本上改善武術(shù)海外教材缺乏標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，進一步推動武術(shù)國際傳播的標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2.5 保護區(qū)段與側(cè)面防護功能

保護區(qū)段和側(cè)面防護是城市軌道交通所獨有的，它代替了鐵路中防護道岔、帶動道岔和條件敵對等聯(lián)鎖條件，保證了行車安全。在城市軌道交通中，進路由主進路、保護區(qū)段及側(cè)面防護3部分構(gòu)成。保護區(qū)段是在主進路外方延伸的一段區(qū)段，不屬于進路的一部分，但在辦理進路時要確保其空閑，防止列車因車速過快而釀成事故。側(cè)面防護是為避免其它列車從側(cè)面進入進路與列車發(fā)生側(cè)向沖突，簡稱“側(cè)防”檢查聯(lián)鎖條件時，須重點檢查這兩項聯(lián)鎖條件是否滿足。

2 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的建模分析

2.1 系統(tǒng)的需求分析

本文采用面向?qū)ο蟮能浖９ぞ邔β?lián)鎖系統(tǒng)進行需求分析，利用Visio完成對系統(tǒng)模型的構(gòu)造、可視化和文檔化。目前支持UML的工具除Visio外，還有Rational Rose、Together2006等繪圖軟件。

聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心功能是處理聯(lián)鎖邏輯的運算與判斷，在聯(lián)鎖處理過程中需調(diào)用聯(lián)鎖數(shù)據(jù)庫中的進路表、IC卡號表（存放著線路基本參數(shù)）等數(shù)據(jù)。列車通過無線通信方式將讀取到IC卡號發(fā)送回來，系統(tǒng)收到后立即查詢卡號表并解析出其線路坐標(biāo)，標(biāo)定其在上位機界面的實際位置并給出紅光帶表示。人工排列進路時，系統(tǒng)通過查詢進路表判斷操作是否有效，若是則讀取該進路的進路元素及其狀態(tài)信息，然后修改這些元素的狀態(tài)值，完成兩個變化：（1）界面的信號設(shè)備顯示改變，即進路鎖閉；（2）通過RS232串口驅(qū)動沙盤上的信號設(shè)備動作。列車出清區(qū)段后，系統(tǒng)應(yīng)判斷收到的卡號是否具有解鎖功能，若有則修改信號設(shè)備的狀態(tài)值完成解鎖。從需求分析階段開始引入全面支持UML的Visio工具完整且無歧義地描述上述需求分析，提高軟件開發(fā)效率，UML描述的集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)用例圖如圖2所示。

圖2 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)用例圖

2.2 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的模型框架設(shè)計

完成系統(tǒng)需求分析后，本文給出了一種適用于系統(tǒng)仿真的模型，主要包括聯(lián)鎖處理、通信處理、數(shù)據(jù)庫訪問、上位機顯示、模擬/現(xiàn)場切換5個模塊，集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)模型圖如圖3所示。

圖3 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)模型圖

上位機顯示模塊為用戶與系統(tǒng)交互時提供服務(wù)，根據(jù)聯(lián)鎖處理產(chǎn)生的顯示命令，實時準(zhǔn)確地把集中站管轄范圍內(nèi)的路況、列車實際位置、軌旁信號設(shè)備狀態(tài)、進路使用情況、聯(lián)鎖程序運行提示等信息向用戶反饋。用戶根據(jù)實際情況操作鼠標(biāo)向系統(tǒng)下達(dá)進路排列命令交由聯(lián)鎖處理模塊處理。界面顯示設(shè)計完全參照《ATS符號定義》，友好地將更多的信息給予顯示，減少人為失誤，在最大程度上保證行車安全。

數(shù)據(jù)庫訪問模塊用于排列進路時向聯(lián)鎖處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)庫中的進路表與IC卡號表的數(shù)據(jù)，被解析后用于建立進路。該模塊須具備執(zhí)行大量數(shù)據(jù)檢索與更新的功能，從而保證聯(lián)鎖信息處理的實時性，同時為提高算法可操作性，可在模塊設(shè)計時將數(shù)據(jù)劃分靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)。

通信處理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)與控制中心、沙盤模型間的信息傳遞，系統(tǒng)在通信時有專用通信鏈路，與控制中心間的通信協(xié)議為TCP/IP，采用有線局域網(wǎng)連接，與沙盤模型之間的通信協(xié)議為ANSI/EIA-232，采用RS232串行口連接，保證了通信的實效性與可靠性。

模擬/現(xiàn)場切換模塊是處理用戶根據(jù)所處環(huán)境選擇不同系統(tǒng)模式的請求。模擬模式雖不是系統(tǒng)所需要的設(shè)計，但可用于教學(xué)演示。在啟動系統(tǒng)時，設(shè)置一個登陸窗口，向聯(lián)鎖處理模塊傳達(dá)模式切換命令。

2.3 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計

聯(lián)鎖系統(tǒng)的各模塊間是通過消息機制被動態(tài)聯(lián)系到一起，由面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想可知，將系統(tǒng)的各個模塊以對象進行描述，并進一步將這些對象聚集成為類的表現(xiàn)形式，UML中采用類圖可很好地表示系統(tǒng)的類以及類之間的關(guān)系。本系統(tǒng)中，父類為集中站類，它有聯(lián)鎖處理類、通信處理類、數(shù)據(jù)庫訪問類、上位機顯示類和模擬/現(xiàn)場切換類5個子類，父類與子類之間是聚合的關(guān)系。利用Visio軟件中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)可描述上面的關(guān)系，集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的類圖如圖4所示。

圖4 集中聯(lián)鎖系統(tǒng)的類圖

由于聯(lián)鎖處理模塊的關(guān)鍵性，它的設(shè)計好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否實現(xiàn)具體的聯(lián)鎖功能，聯(lián)鎖處理模塊的邏輯判斷過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的算法，每一步動作都被前面的動作嚴(yán)格約束，采用Visio工具中的活動圖能很好地描述其工作流程，聯(lián)鎖處理模塊的活動圖如圖5所示。

圖5 聯(lián)鎖處理模塊的活動圖

3 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)編程實現(xiàn)與測試

3.1 系統(tǒng)的編程實現(xiàn)

由已建立的系統(tǒng)模型，選取的沙盤地鐵2號線的2個典型集中站編程實現(xiàn)，用以驗證模型和分析設(shè)計方法的正確性與有效性，采用VB6.0與SQL2000對系統(tǒng)進行開發(fā)。SQL2000實現(xiàn)聯(lián)鎖表和IC卡號表數(shù)據(jù)的存儲，本文的聯(lián)鎖表包括主進路表、保護進路表、側(cè)面防護表。利用SQL2000的企業(yè)管理器完成所有數(shù)據(jù)表的錄入工作，從而實現(xiàn)聯(lián)鎖運算關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲，供系統(tǒng)運行時數(shù)據(jù)庫訪問模塊調(diào)用。

為了理清各個模塊之間的交互關(guān)系便于開發(fā)人員理解，引入UML順序圖對模塊間消息投遞的時間順序進行描述。順序圖的縱向表示時間軸，橫向軸表示協(xié)作中的各獨立模塊。垂直虛線是模塊的生命線，表示該模塊是存在的，當(dāng)模塊的過程處于激活狀態(tài)時，生命線是一個雙道線。模塊間的交互采用消息投遞機制表示，消息的箭頭表明消息的類型，系統(tǒng)模型的順序圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)模型的順序圖

聯(lián)鎖系統(tǒng)可為列車提供4種級別的控制進路即連續(xù)式、點式、聯(lián)鎖以及引導(dǎo)級別，最大限度地提高運輸?shù)陌踩托省D7為集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的上位機顯示界面。此時在兩個集中站間僅有1列車運行，不涉及多列車追蹤運行的情況，行車憑證是根據(jù)地面信號機的顯示，引入人工干預(yù)為列車排列進路。界面顯示金頂站是站后折返站，而洗象池站是站前折返站，系統(tǒng)接收列車發(fā)送回來的IC卡號，實時標(biāo)定列車位置，圖中用紅色光帶顯示，經(jīng)聯(lián)鎖處理模塊處理后，選出進路并上鎖，圖中用綠色光帶顯示。界面設(shè)有聯(lián)鎖程序運行過程提示框，可以記錄整個系統(tǒng)的運行情況，操作人員可以明確當(dāng)前狀況，包括報警信息等。

圖7 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機顯示界面

3.2 聯(lián)鎖軟件的測試工作

測試時遵循兩個步驟：（1）在模擬環(huán)境下對所有進路進行測試，主要測試進路排列、自動解鎖、人工解鎖進路以及取消進路等功能，同時注意觀察測試時界面上各信號顏色顯示及程序運行提示欄的信息是否正確，經(jīng)過第1步的仿真測試，絕大多數(shù)錯誤可以得到解決，為下一步與沙盤聯(lián)動后的測試工作做好了鋪墊。（2）現(xiàn)場測試時，需在實驗室控制臺PC機上安裝好VB6.0和SQL2000軟件，主要測試工作包括：a.進入現(xiàn)場模式后，系統(tǒng)能否根據(jù)沙盤信號設(shè)備的實際狀態(tài)初始化界面；b.選路時，沙盤信號設(shè)備的狀態(tài)是否與界面顯示保持一致；c.列車越過始端信號機后，信號機能否由綠或黃燈變?yōu)榧t燈；d.列車占用區(qū)段時，紅光帶的標(biāo)定是否正確；e.列車出清區(qū)段后，區(qū)段能否自動解鎖，解鎖后界面顏色顯示是否正確。圖8為列車在金頂站運行情景界面圖。

4 結(jié)束語

城市控制實驗室仿真平臺中，集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)為列車在沙盤上各種作業(yè)的安全運行提供了保障，能較為真實地模擬城市軌道交通中地鐵車輛的真實運營情況，系統(tǒng)能夠運用于高校城市軌道交通相關(guān)專業(yè)的教學(xué)。本文從系統(tǒng)框架的角度深入剖析了集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作原理與主要功能，采用UML方法與Visio工具闡述了系統(tǒng)需求分析，搭建了系統(tǒng)模型框架，描繪了系統(tǒng)類結(jié)構(gòu)及其關(guān)系，并對系統(tǒng)各模塊間的交互關(guān)系作了詳細(xì)說明。選取了2個典型集中站編程實現(xiàn)和測試，驗證了利用UML方法對系統(tǒng)建模的正確性。

圖8 列車在金頂站運行情景界面

[1]趙志熙.計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[2]周文峰，萬 麗，許志華.Visual Basic程序開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]王 悉，唐 濤，黃友能.城軌列控系統(tǒng)仿真平臺中聯(lián)鎖站的設(shè)計和實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006（12）：3407-3411.

[4]王 鯤，龍廣錢，王俊高，等.關(guān)于城市軌道交通CBTC計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2012（4）：1-3.

[5]楊 揚，鄒少文，郭 進.SWJTU-Ⅱ型計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)[J].鐵道學(xué)報，2005，27（3）：118-123.

[6]江 磊.城軌控制實驗室仿真平臺硬件接口研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[7]葉華平，翁 瑤，胡 彥.基于沙盤的軌道交通車站設(shè)備監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].城市軌道交通研究，2011（10）：64-66.