鄒少文

（中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都∥高級工程師）

視景仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于模擬駕駛以及列車運行場景的展示與測試。在軌道交通仿真領(lǐng)域，目前多采用Creator進行場景建模，以Vega［1］進行視景驅(qū)動，其優(yōu)點是模型及其控制邏輯代碼可高度定制，但缺點也較明顯，如工具使用麻煩、代碼偏向底層、開發(fā)難度大等，創(chuàng)建出的模型與線路環(huán)境也難以復用。本文以 MSTS（Microsoft Train Simulation）的文件資源為實現(xiàn)基礎(chǔ)，基于.Net平臺的XNA技術(shù)框架作為開發(fā)環(huán)境，利用MSTS良好的開源特性以及XNA套件快速開發(fā)的能力，在該平臺快速、準確地完成了對虛擬線路場景的搭建，將仿真重心從搭建虛擬環(huán)境本身轉(zhuǎn)移到利用該虛擬環(huán)境，完成對城市軌道交通現(xiàn)實運營場景的模擬。

1 虛擬場景的搭建

1.1 虛擬線路基本環(huán)境的搭建

在虛擬線路環(huán)境場景中，主要包括地理環(huán)境模型、氣候模型、聲音模型、動態(tài)模型、靜態(tài)模型、粒子系統(tǒng)等。MSTS提供了功能強大的線路編輯器，且支持第三方模型的導入，結(jié)合其豐富的模型庫及優(yōu)良的開源特性，通過地形數(shù)據(jù)導入［1］、軌道鋪設(shè)，并根據(jù)現(xiàn)實場景，對照相關(guān)工程圖紙進行布景，即可完成對虛擬線路的搭建；且線路場景可根據(jù)后期需求進行更改，線路中的模型也可隨意替換，具有較高的復用性與可替換性。

1.2 信號機的搭建

信號機作為指導列車安全、高效運行的重要信號設(shè)備，在該虛擬線路場景中，對信號機顯示狀態(tài)和顯示邏輯的仿真測試是該仿真平臺的一項重要仿真功能。在虛擬線路的正線區(qū)段中，將信號機模型放置在進出站口、道岔前方、站間區(qū)間，即可完成信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)搭建，如圖1所示。此外，要根據(jù)信號機前方區(qū)間是否空閑或前方道岔的定、反位狀態(tài)，設(shè)置信號機的顯示狀態(tài)與顯示邏輯。有些變量如車輛是否出清區(qū)段，需要在列車運行過程中實時計算得出，即通過編程手段獲取，MSTS編輯器并未給出較好的支持，特別是不能滿足在CBTC（基于通信的列車控制）模式下地面信號機的正確顯示。這使得虛擬線路中的信號系統(tǒng)不能很好地得到應(yīng)用，為后面列車在虛擬線路中運行時信號機的正確顯示帶來不便，影響仿真結(jié)果的正確性。

圖1 信號機模型的放置示意

2 仿真線路地面信號機顯示模式

本文對城市軌道交通仿真線路中的地面信號機，在CBTC模式下的狀態(tài)顯示進行了探討。依據(jù)平臺現(xiàn)有條件模擬CBTC模式，地面信號機采用常態(tài)點燈方案，聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)移動授權(quán)對地面信號機進行驅(qū)動，在移動授權(quán)范圍內(nèi)的地面信號機均為允許信號。特別是，在本線路中，通過一個閉塞分區(qū)即相鄰兩個順向通過信號機之間的軌道區(qū)段模擬一個計軸區(qū)段。一個計軸區(qū)段可劃分為多個虛擬邏輯區(qū)段。在CBTC模式下，同一計軸區(qū)段中允許多輛列車進行追蹤運行，列車之間的安全距離通過仿真車載設(shè)備實時計算來保證。若在降級模式下，一個計軸區(qū)段（閉塞分區(qū)）中只允許一列列車運行。

在模擬仿真CBTC模式下，仿真線路中的地面信號機通過ATS（列車自動監(jiān)控）系統(tǒng)進行監(jiān)控。由于虛擬線路環(huán)境中并不存在“區(qū)段”這一概念，因此在相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，存儲了全線的位置坐標信息，包括對虛擬邏輯區(qū)段的位置劃分。列車在運行過程中通過實時查詢數(shù)據(jù)庫獲取當前位置，并向ATS系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)包括自身位置在內(nèi)的各項列車運行狀態(tài)信息。ATS系統(tǒng)通過對列車位置的監(jiān)督，結(jié)合進路信息與移動授權(quán)信息，通過創(chuàng)建的相關(guān)功能接口，向虛擬線路發(fā)送對應(yīng)點燈命令，以實現(xiàn)信號機的正確顯示。其具體實現(xiàn)過程及原理如下文所述。

3 信號機腳本文件的解析

3.1 信號機狀態(tài)顯示腳本文件的解析

在MSTS中，通過替換信號機模型不同燈位上的貼圖實現(xiàn)顯示狀態(tài)的改變。在MSTS底層的sigcfg.dat信號機狀態(tài)顯示腳本文件中，每一類信號機的狀態(tài)顯示和顯示意義都有明確定義。以圖1中的出站矮柱三顯示信號機為例，該腳本定義了該信號機的類型SignalType，狀態(tài)顯示使用貼圖Signal－LightTex、信號顯示引導方向SignalAspects、顯示狀態(tài)分類SignalLights以及對應(yīng)每一類狀態(tài)顯示的燈位顯示SignalDrawStates。按照規(guī)定的腳本語言格式，對該腳本文件進行修改，甚至完全重寫，可對信號機的狀態(tài)顯示進行重定義。例如在南方某些地區(qū)的城市軌道交通信號系統(tǒng)中，將白色燈光的意義等同于黃色燈光。在針對這類具體場景進行仿真時，就可直接修改對應(yīng)的狀態(tài)顯示腳本實現(xiàn)該需求。

對該信號機顯示腳本的修改，豐富了模型的使用場景，避免了重新制作相應(yīng)信號機模型的工作，提升了仿真的工作效率。

3.2 信號機顯示邏輯腳本文件的解析

信號機狀態(tài)顯示的確定與信號機具體的使用場景直接相關(guān)，特別對采用不同閉塞方案的信號系統(tǒng)，其信號機的狀態(tài)顯示與含義也有明顯差異。在MSTS中，sigscr.dat腳本文件定義了所有信號機的顯示邏輯。以三顯示信號機為例，在sigscr.dat腳本中定義了該信號機的顯示邏輯，其中一個關(guān)鍵的變量是next_state，即前方信號機狀態(tài)。若信號機防護后方存在道岔時，則還與道岔的定、反位狀態(tài)存在聯(lián)鎖關(guān)系（如側(cè)向時顯示黃燈）。

通過對sigscr.dat腳本中對應(yīng)信號機類型的顯示邏輯進行修改或調(diào)整，可以使信號機按具體的仿真場景要求進行顯示。

4 信號機腳本文件的修改與應(yīng)用

在城市軌道交通中，三顯示的信號機已基本滿足CBTC模式下信號顯示的需求。但是，為了拓寬本平臺中信號系統(tǒng)的仿真應(yīng)用場景，如對鐵路信號系統(tǒng)的信號機顯示進行模擬，則需對上述兩個腳本文件進行相應(yīng)的修改甚至重寫，使虛擬線路場景中信號系統(tǒng)得到更為廣泛的應(yīng)用，也為后期滿足城市軌道交通中可能出現(xiàn)的特殊信號顯示提供必要的技術(shù)支持和技術(shù)儲備?，F(xiàn)在通過將區(qū)間三顯示信號機的顯示制式變?yōu)樗娘@示［3］為例，僅對平臺中信號機的顯示狀態(tài)和顯示邏輯的調(diào)整進行一般性說明。其過程如下：

（1）增加一組顯示狀態(tài)：四顯示與三顯示相比，多了一組“綠黃”燈位顯示，因此在sigcfg.dat腳本文件對應(yīng)信號機類型的SignalLights屬性中增加一類顯示，且添加相應(yīng)的燈位顯示SignalDrawStates。

（2）調(diào)整顯示邏輯：信號機的燈位顯示含義和原有三顯示相比已發(fā)生變化，因此在sigscr.dat腳本的邏輯判斷中，新增一個條件分支用于判斷“綠黃”燈位顯示，并對其他燈位的顯示邏輯進行調(diào)整。四顯示燈位顯示狀態(tài)及顯示邏輯依據(jù)表1調(diào)整。最終四顯示實現(xiàn)效果如圖2所示。

表1 四顯示自動閉塞分區(qū)區(qū)間信號機顯示

圖2 區(qū)間通過信號機四顯示狀態(tài)圖

上述信號機顯示的改變僅是對平臺中信號機顯示狀態(tài)與顯示邏輯的調(diào)整進行了仿真與驗證，為今后復雜的信號顯示提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。實際的城市軌道交通中，并未采用四顯示制式。

5 外部接口對信號機的驅(qū)動

僅通過MSTS中的聯(lián)鎖邏輯文件，很難體現(xiàn)信號機、道岔與進路之間的聯(lián)鎖關(guān)系。特別是多輛列車在同一條線路中進行仿真運行時，已無法滿足正確顯示的要求。尤其在CBTC模式下，對于不同列車對應(yīng)的移動授權(quán)范圍內(nèi)的信號機，其顯示邏輯的確定也比較復雜，需要結(jié)合列車當前位置去不斷地判斷，而原有信號控制邏輯已不能滿足要求。因此，通過創(chuàng)建相關(guān)接口［4］，讓外部系統(tǒng)（如車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)）對線路中的道岔、信號機進行控制，是讓虛擬線路中信號系統(tǒng)繼續(xù)正常工作的重要解決途徑，可保證仿真效果的正確性與真實性。

5.1 地面設(shè)備接口功能實現(xiàn)原理

在創(chuàng)建接口前，該虛擬線路環(huán)境是封閉的。若要外部系統(tǒng)實現(xiàn)對虛擬環(huán)境中信號設(shè)備或車輛的控制，必須創(chuàng)建通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互?！敖涌凇笔且粋€寬泛的概念，這里指的是Socket通信的一端。根據(jù)制定的通信協(xié)議與對應(yīng)的功能函數(shù)，可將接口分為地面設(shè)備接口、車載設(shè)備接口與其他系統(tǒng)的接口等。這里的地面設(shè)備接口包括了對信號機、道岔、站臺屏蔽門等可控模型的處理。通過接口，ATS系統(tǒng)可與虛擬線路場景進行數(shù)據(jù)交互，通過對應(yīng)接口功能函數(shù)實現(xiàn)對相關(guān)模型進行控制。其原理如圖3所示。

圖3 接口功能實現(xiàn)原理圖

5.2 信號機控制命令生成場景

在本平臺中，信號機控制命令生成主要有兩類場景：一類是ATS系統(tǒng)在進路自動排列或取消過程中，會對進路始端、終端信號機的狀態(tài)進行調(diào)整，從而生成對應(yīng)的信號機控制命令。另一類是當CBTC系統(tǒng)計算出列車對應(yīng)的移動授權(quán)中包含某些信號機時，該信號機狀態(tài)設(shè)置為允許信號；當計算得出前方信號機為移動授權(quán)終點時，則該信號機設(shè)置為禁行信號。

對于第一類場景：當ATS系統(tǒng)發(fā)送信號設(shè)備操作命令前，ATS系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯模塊會對該命令的合法性，如對敵對信號是否開放、敵對進路是否辦理等進行檢測，只有滿足聯(lián)鎖條件的命令才會被發(fā)送；當虛擬線路接收到ATS系統(tǒng)發(fā)送的信號機或道岔操作命令時，根據(jù)制定的通信協(xié)議與對應(yīng)的接口功能函數(shù)（如DealSignalCommand()、DealSwitchCommand()），三維場景中的信號機、道岔按命令動作，并將設(shè)備的當前狀態(tài)反饋給ATS系統(tǒng)，模擬實現(xiàn)了ATS系統(tǒng)對線路場景中信號設(shè)備的監(jiān)控功能，并且在大屏監(jiān)控界面給出對應(yīng)界面顯示。ATS系統(tǒng)對地面設(shè)備操作流程如圖4所示。進路控制命令即是多個信號機和道岔操作命令的組合。關(guān)鍵代碼如下：

public void DealCommand()

{

ConCmd Cmd=ControlCmd;

switch(Cmd.ObjectName)

{

case"SIG"://信號機

DealSignalCommand(Cmd.ObjectID,Cmd.ObjectState);

break;

case"SWI"://道岔

DealSwitchCommand(Cmd.ObjectID,Cmd.ObjectState);

break;

default:

break;

}

}

圖4 ATS系統(tǒng)對地面設(shè)備操作流程

對于第二類場景：在CBTC模式下，由于對每一列列車的移動授權(quán)在列車運行過程中是動態(tài)變化的，后行列車移動授權(quán)的終點與前行列車的位置密切相關(guān)在本平臺中，因此可通過車站設(shè)備對列車當前位置進行實時查詢，并將位置等相關(guān)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器發(fā)送至ATS系統(tǒng)；再根據(jù)ATP（列車自動防護）仿真模塊實時計算出兩列相鄰列車的位置間隔，并查詢相關(guān)數(shù)據(jù)庫，確定列車的移動授權(quán)范圍，檢查后行列車的移動授權(quán)范圍內(nèi)是否包含信號機。若包含，則通過ATS系統(tǒng)向?qū)?yīng)信號機發(fā)送允許信號；若不包含，則隨著列車位置移動，后行列車的移動授權(quán)不斷向前延伸，當延伸至對應(yīng)信號機為移動授權(quán)終點時，通過ATS系統(tǒng)向該信號機發(fā)送禁行信號。列車周期性查詢自身位置信息的流程如圖5所示。

圖5 列車位置查詢

5.3 接口功能實現(xiàn)效果

當ATS系統(tǒng)實現(xiàn)進路自動排列［5］時，如果符合進路辦理條件，則會依據(jù)圖4所示發(fā)送對應(yīng)進路控制命令；虛擬線路場景在接受到該命令后，根據(jù)通信協(xié)議，調(diào)用相關(guān)功能函數(shù)，完成進路的排列（如圖5所示）。此時進路始端信號機開放亮綠燈，進路中道岔狀態(tài)轉(zhuǎn)換至指定位置。

當列車在區(qū)間中運行時，根據(jù)對應(yīng)列車的移動授權(quán)范圍，確定對應(yīng)區(qū)間通過信號機的狀態(tài)顯示。對于前行列車，其移動授權(quán)終點在該信號機后方，即該信號機在前行列車的移動授權(quán)范圍內(nèi)，信號機顯示允許信號。當前行列車越過該信號機，且還未進入前方閉塞分區(qū)的下一個虛擬邏輯區(qū)段時，后車的移動授權(quán)終點延伸至該信號機，該信號機顯示禁行信號（如圖6右側(cè)所示）。

6 結(jié)語

通過對本仿真平臺中信號機底層腳本文件的修改與外部接口的創(chuàng)建，解決了信號系統(tǒng)在虛擬線路場景中無法正確工作的問題。利用本文描述的方法，提高了信號機模型的利用效率，根據(jù)具體場景對腳本進行修改，結(jié)合外部系統(tǒng)如ATS系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了對城市軌道交通信號系統(tǒng)工作狀態(tài)的模擬，保證了地面信號機顯示的正確性。當然，對于移動授權(quán)的計算，由于目前沒有獨立的仿真區(qū)域控制器，在算法上做得相對簡單，但能夠滿足基本仿真需求。該功能和聯(lián)鎖功能一樣，目前都暫由ATS仿真系統(tǒng)實現(xiàn)，后期會將該功能獨立為一個單獨的系統(tǒng)。通過該方式，不僅可對城市軌道交通的信號系統(tǒng)進行仿真模擬，還可針對鐵路、輕軌、有軌電車等軌道交通線路的信號系統(tǒng)進行仿真模擬，并可保證仿真結(jié)果的正確性和可靠性，滿足了仿真要求。特別是利用創(chuàng)建的相關(guān)接口，除了能夠?qū)π盘枡C、道岔狀態(tài)進行控制外，還可對列車的運行狀態(tài)進行遠程控制，為ATO（列車自動運行）功能的仿真提供實現(xiàn)基礎(chǔ)，從而可更加全面地完成城市軌道交通信號系統(tǒng)的仿真與模擬。

圖6 進路排列示意實景圖

［1］ 徐恩，李學軍，鄒紅霞，等.基于Creator/VP的三維虛擬環(huán)境建模［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009（S1）：121.

［2］ 楊城，陳榮武，王懷松.基于MSTS與DEM數(shù)據(jù)的線路地形仿真與實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2015（4）：323.

［3］ 李京梅.淺談三顯示與四顯示區(qū)間自動閉塞信號顯示的區(qū)別［J］.鐵路通信信號設(shè)計，2002（3）：35.

［4］ 楊城,陳榮武,王懷松.基于MSTS的三維仿真演示系統(tǒng)外部接口的研究與實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2016（4）：280.

［5］ 劉洪寬.城市軌道交通ATS關(guān)鍵技術(shù)及仿真平臺研究［D］.成都：西南交通大學，2008.