江星宇，陳運哲，陳永生（.同濟大學 計算機科學與技術(shù)系，上海 0804；.東華大學 計算機系，上海 0600）

基于上海地鐵1號線的ATS仿真系統(tǒng)列車追蹤算法的研究

江星宇1，陳運哲2，陳永生1
（1.同濟大學 計算機科學與技術(shù)系，上海 201804；2.東華大學 計算機系，上海 201600）

介紹了以上海地鐵1號線為原型的ATS仿真系統(tǒng)，圍繞固定閉塞模型進行展開，以追蹤運行的兩列列車為對象，分別對它們的追蹤過程、運行效果及間隔距離進行了具體的研究與計算。同時引入了聯(lián)鎖系統(tǒng)，詳細說明了進路搜索算法和聯(lián)鎖表的設計步驟，很好地體現(xiàn)了聯(lián)鎖系統(tǒng)對列車追蹤的安全性與可靠性的重要保障作用。

ATS系統(tǒng)；固定閉塞；列車追蹤；間隔距離；聯(lián)鎖系統(tǒng)

0 引言

仿真作為一門綜合性學科至今已有50多年的發(fā)展歷史，利用模型代替實體進行實驗的特點令其具備了經(jīng)濟、安全、實驗周期短等眾多優(yōu)勢。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，應用計算機進行系統(tǒng)仿真更是日益受到人們的重視。本文圍繞基于上海地鐵1號線的ATS仿真系統(tǒng)進行展開，重點介紹了該系統(tǒng)下的信號系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程。

1 ATS仿真系統(tǒng)概述

基于上海地鐵1號線，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)構(gòu)建列車對象、ATS對象、信號設備對象等，共同完成了ATS系統(tǒng)的各項功能。列車自動監(jiān)控 （Automatic Train Supervision，ATS）系統(tǒng)與列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）系統(tǒng)同屬于列車自動控制（Automatic Train Control，ATC）系統(tǒng)。ATS系統(tǒng)主要實現(xiàn)了列車自動識別與跟蹤、監(jiān)視列車運行和設備狀態(tài)以及系統(tǒng)故障復原處理等功能。

2 固定閉塞信號系統(tǒng)

2.1 固定閉塞信號系統(tǒng)的定義

上海地鐵1號線采用固定閉塞信號系統(tǒng)，通過軌道電路傳輸控制信息及確定列車位置［1］，閉塞分區(qū)的長度和數(shù)量決定了線路的通過能力。系統(tǒng)在軌道鋪設時按照在軌運行的最差性能要求將線路軌道劃分為許多長度不等的閉塞分區(qū)，形成追蹤列車之間的空間間隔。閉塞分區(qū)的數(shù)量則是依據(jù)劃分的速度級別而定。

2.2 固定閉塞追蹤模型

三顯示列車追蹤是一種常見的固定閉塞追蹤模型，如圖1所示。該模型將線路區(qū)間劃分為若干閉塞分區(qū)，每個閉塞分區(qū)的始端設有防護信號機，信號機的顏色依據(jù)列車位置而變化，列車運行必須遵從信號機的指示。綠燈表示允許列車按照規(guī)定速度運行，此時列車運行前方至少有兩個空閑的閉塞分區(qū)。黃燈為注意或減速信號，表示列車運行前方有一個閉塞分區(qū)空閑。當前方閉塞分區(qū)被某一列車占用時，入口的信號機顯示為紅色，提醒后續(xù)列車停車等待。列車的運行速度在三種信號機的顯示控制下會逐漸減小，故稱為階梯式分級制動速度控制。

圖1 三顯示列車區(qū)間追蹤模型

追蹤間隔至少要保證3個以上長度不等的閉塞分區(qū)，同時，為了確保不追尾還應加上列車長度，所以列車區(qū)間追蹤運行間隔距離為：

3 聯(lián)鎖系統(tǒng)

3.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)概述

ATS系統(tǒng)同時結(jié)合了聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計，利用計算機對車站值班人員的操作命令和現(xiàn)場實際狀態(tài)的表示信息進行邏輯運算，從而實現(xiàn)對信號機、道岔以及進路的集中控制與聯(lián)鎖［2］。

3.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)與軌旁ATP

（1）ATP系統(tǒng)防護原理

ATP系統(tǒng)是列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設備之一，主要是對列車運行實施自動超速防護，以保障列車運行安全。ATP在控制車輛不超過限速的同時，還會盡量保證這些控制操作對司機駕駛的干擾降到最?。?］。其工作過程示意圖如圖2所示。

（2）聯(lián)鎖系統(tǒng)與軌旁ATP

ATP中的軌旁ATP子系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測列車狀態(tài)，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過接收軌旁ATP發(fā)送的信息，為列車開放禁止通過信號。同時，聯(lián)鎖會向軌旁ATP發(fā)送道岔位置、信號機顯示狀態(tài)、進路設定狀態(tài)等相關(guān)信息［4］。

圖2 ATP工作過程示意圖

3.3 聯(lián)鎖表的設計

聯(lián)鎖表是鐵路車站信號設備聯(lián)鎖關(guān)系的說明圖表，是聯(lián)鎖系統(tǒng)功能設計的總依據(jù)，以下是聯(lián)鎖表設計的詳細步驟［5］。

（1）站場數(shù)據(jù)編輯

將信號平面布置圖轉(zhuǎn)換成信號設備之間的基本聯(lián)鎖關(guān)系，完成信號平面圖中站場數(shù)據(jù)的輸入和轉(zhuǎn)換。ATS系統(tǒng)站場圖如圖3所示。

圖3 ATS系統(tǒng)站場圖

（2）進路搜索算法

站場信號平面布置圖如圖4所示。將信號設備作為信號點，根據(jù)其在圖中的位置建立站場型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。每個信號點即為節(jié)點，由數(shù)據(jù)場df和指針場pf組成：df用來存放數(shù)據(jù)塊，pf實現(xiàn)節(jié)點之間的聯(lián)系。不同的信號設備需要不同的指針數(shù)，比如信號機節(jié)點只能與相鄰2個節(jié)點聯(lián)接，所以一般只要2個指針指明左右節(jié)點的首址即可，而道岔節(jié)點必須要有3個指針才能記錄相鄰節(jié)點的首址［6］。

圖4 站場信號平面布置圖

圖5 站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

本文采用深度優(yōu)先搜索［7］（Depth First Search，DFS）算法進行進路搜索。若采用廣度優(yōu)先搜索，每個節(jié)點在擴展時無法確定該擴展方向是否為目標節(jié)點的方向，造成擴展分枝較多，存儲量較大［8］。而DFS在遇到對象道岔標志時會以直股搜索優(yōu)先，找不到目標節(jié)點時再返回沿彎股方向搜索，并且不會保留已經(jīng)搜索過的未找到目標節(jié)點的路徑，節(jié)省了存儲空間。相關(guān)算法如下：

//搜索進路，判斷是否需要改變方向

（3）敵對信號運算

當兩條進路有相互重疊或交叉的部分，不能以道岔位置來區(qū)分時，這兩條進路互為敵對進路，防護這兩條進路的信號機，互為敵對信號機。

（4）進路特征排序

進路搜索算法得到的進路是隨機排序的，一般不能直接作為最終的輸出順序，所以還需按照咽喉區(qū)、進站口、進路類型等進路特征對已經(jīng)得到的進路進行排序。

（5）聯(lián)鎖表輸出

計算得到的聯(lián)鎖表以Excel表格格式輸出（如圖6所示），方便后續(xù)開發(fā)人員共享資源［9］。

（6）聯(lián)鎖表對比審核

為了保證聯(lián)鎖系統(tǒng)的嚴謹可靠，通常先由多個工作人員共同編制聯(lián)鎖表，再交由審核人員進行對比審核。

圖6 聯(lián)鎖表示意圖

4 影響列車追蹤間隔的因素

在實際的工程應用中，除了信號系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)的選擇與設計，還會綜合考慮運營需求、線路和站間距離等其他因素來最終確定列車追蹤間隔距離［10］。

5 結(jié)論

本文對基于上海地鐵1號線的ATS仿真系統(tǒng)下的固定閉塞列車追蹤運行過程進行了研究，總結(jié)可知前行列車在運行過程中不受信號系統(tǒng)影響，但會通過信號系統(tǒng)影響后續(xù)追蹤列車的運行。與聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)合后，ATS又進一步提高了列車追蹤與車站通過能力，因此在設計聯(lián)鎖時不僅要突出系統(tǒng)的可靠性，還應結(jié)合聯(lián)鎖的故障—安全性能，進一步改善系統(tǒng)的高安全性，最終實現(xiàn)列車追蹤的安全與高效。

［1］周艷紅，唐金金.高速列車追蹤運行過程仿真方法研究［J］.鐵道標準設計，2012（8）：116-120.

［2］倪璐舟.軌道交通聯(lián)鎖軟件的計算機輔助開發(fā)工具的研究與實現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學，2008.

［3］馮崢.基于通信的列車自動防護系統(tǒng)（ATP）關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙：中南大學，2013.

［4］于增明，劉正東.基于通信的列車控制系統(tǒng)中聯(lián)鎖功能的改變［J］.鐵道運營技術(shù)，2011，17（4）：13-15.

［5］于磊.列車運行軌跡仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學，2009.

［6］文武臣，王曉明.計算機聯(lián)鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及進路搜索算法［J］.重慶工學院學報（自然科學），2008，22（6）：52-53.

［7］嚴蔚敏.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學出版社，1997.

［8］胡媛，魏宗壽.采用DFS策略的進路搜索算法研究［J］.鐵路計算機應用，2007，16（9）：4-6.

［9］葉兆生，陳永生.雙線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)運行圖模塊的設計與開發(fā)［J］.微型機與應用，2014，33（18）：7-10.

［10］趙明，汪希時.移動自動閉塞條件下列車追蹤運行控制研究［J］.鐵道學報，1997，19（3）：61-68.

Study on train tracking of ATS simulation system based on Shanghai metro line 1

Jiang Xingyu1，Chen Yunzhe2，Chen Yongsheng1
（1.Department of Computer Science and Technology，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Department of Computer Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

This paper firstly introduces ATS simulation system based on the prototype of Shanghai metro line 1，and then takes two trains running in tandem as the object to research and calculate respectively on the tracking process，running effect and interval distance under fixed block model.On this basis it also introduces interlocking system，combining with analysis of the route search algorithm and design of the interlocking table in detail，and embodies interlocking system′s important guarantee of safety and reliability to train tracking well.

ATS system；fixed block；train tracking；interval distance；interlocking system

TP319

A

1674-7720（2015）20-0012-03

江星宇，陳運哲，陳永生.基于上海地鐵1號線的ATS仿真系統(tǒng)列車追蹤算法的研究［J］.微型機與應用，2015，34（20）：12-14.

2015-04-16）

江星宇（1991-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：鐵路系統(tǒng)仿真。E-mail：jxy0410@outlook.com。

陳運哲（1992-），男，本科在讀，主要研究方向：計算機仿真。

陳永生（1966-），男，博士生導師，研究員，主要研究方向：仿真與多媒體處理。