李彥青，郎誠(chéng)廉

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

隨著城市的發(fā)展及人口數(shù)量的增加，交通擁堵和空氣污染也越來越嚴(yán)重，現(xiàn)代有軌電車作為一種投資少、建設(shè)周期短、快速、綠色環(huán)保的新型交通工具，成為城市交通網(wǎng)絡(luò)框架的有效補(bǔ)充[1]。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)軌道交通列車運(yùn)行、自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的仿真與研究，大多集中在鐵路與地鐵等傳統(tǒng)軌道交通方向?，F(xiàn)代有軌電車在運(yùn)行速度、路權(quán)形式、運(yùn)行控制模式等方面，與地鐵都存在較大的差別，簡(jiǎn)單地延用地鐵調(diào)度管理系統(tǒng)，依靠既有的仿真系統(tǒng)無法完全滿足現(xiàn)代有軌電車的仿真需求[2-4]。

綜合有軌電車管理系統(tǒng)（ITMS，Integrated Tramway Management System）是有軌電車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心子系統(tǒng)。本文提出了一種針對(duì)上海松江現(xiàn)代有軌電車ITMS 的仿真研究方案，實(shí)現(xiàn)了有軌電車模擬運(yùn)行、時(shí)刻表管理、運(yùn)行圖生成、HMI 界面可視化等基本功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)仿真對(duì)象為上海松江有軌電車2 號(hào)線ITMS，全程共有25 座車站，設(shè)有1 個(gè)停車場(chǎng)和1 個(gè)調(diào)度中心。總體來看，可將ITMS 分為前端和后端。ITMS 前端，即調(diào)度員在調(diào)度中心、停車場(chǎng)訪問的客戶端人機(jī)界面（HMI，Human Machine Interface）；ITMS 后端，即運(yùn)行的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，包括各功能的算法與實(shí)現(xiàn)。

1.1 ITMS總體架構(gòu)

上海松江有軌電車ITMS 是一個(gè)分層分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，主要由調(diào)度中心的中央級(jí)系統(tǒng)、主設(shè)備站的本地級(jí)系統(tǒng)和有軌電車車載系統(tǒng)等組成[5]，如圖1所示。

1.1.1 中央級(jí)系統(tǒng)

中央級(jí)ITMS 位于結(jié)構(gòu)的最頂層，中央與本地的前置機(jī)進(jìn)行通信，獲取所有信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息并把調(diào)度命令發(fā)送給本地信號(hào)設(shè)備。

圖1 ITMS總體框架

中央級(jí)ITMS 主要通過監(jiān)控車輛狀態(tài)、時(shí)刻表設(shè)置、控制有軌電車進(jìn)路等，為有軌電車全線提供軌道環(huán)線、車輛段、停車場(chǎng)和存車線的管理功能，通過圖形HMI 執(zhí)行操作控制，使有軌電車根據(jù)運(yùn)行圖完成運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，并將相關(guān)信息顯示在操作控制中心（OCC，Operations Control Center）的大屏幕上，實(shí)現(xiàn)行車調(diào)度指揮。

1.1.2 本地級(jí)系統(tǒng)

本地系統(tǒng)與中央系統(tǒng)保持無線通信，按指令控制本地的聯(lián)鎖系統(tǒng)及地面設(shè)備，同時(shí)把車站的信號(hào)設(shè)備狀態(tài)傳輸?shù)娇刂浦行摹１镜叵到y(tǒng)具備部分中央系統(tǒng)功能，以便中央系統(tǒng)故障時(shí)暫時(shí)接管，能實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)的全部功能。

1.1.3 車載系統(tǒng)

有軌電車車載系統(tǒng)既采集、發(fā)送有軌電車運(yùn)行信息，又從中央系統(tǒng)接收指令，實(shí)現(xiàn)有軌電車運(yùn)行調(diào)整、進(jìn)路選擇；同時(shí)建立車地通信，能夠?qū)崿F(xiàn)列車自動(dòng)定位管理和路口優(yōu)先申請(qǐng)等功能。

1.2 仿真系統(tǒng)功能需求分析

由于調(diào)度中心的中央級(jí)ITMS 是整個(gè)系統(tǒng)的核心，具備完整的功能和最高管理權(quán)限，因此本系統(tǒng)對(duì)中央級(jí)ITMS 進(jìn)行仿真。

ITMS 仿真系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對(duì)有軌電車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，應(yīng)具備有軌電車進(jìn)路管理、時(shí)刻表管理、事件管理和診斷、服務(wù)質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、用戶管權(quán)限配置等功能，能夠?qū)τ熊夒娷嚲€路軌道環(huán)線、車輛段、停車場(chǎng)和存車線進(jìn)行管理，可通過圖形HMI 執(zhí)行操作控制。因此，ITMS 仿真系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：

（1）有軌電車進(jìn)路管理。ITMS 仿真系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的時(shí)刻表和車輛實(shí)時(shí)定位提供基于時(shí)刻表的監(jiān)管功能，動(dòng)態(tài)計(jì)算有軌電車提前/延遲時(shí)間，通過調(diào)整有軌電車的停站時(shí)間、有軌電車站間運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)有軌電車運(yùn)行的調(diào)整[6]。提供手動(dòng)增加、刪除、修改有軌電車進(jìn)路的功能。有軌電車進(jìn)路控制指令通過有軌電車運(yùn)行信息自動(dòng)生成，以控制道岔、信號(hào)機(jī)、聯(lián)鎖設(shè)備等，使有軌電車正常通過。

（2）時(shí)刻表管理?；谶\(yùn)行時(shí)刻表實(shí)時(shí)地生成運(yùn)行圖，監(jiān)控、記錄有軌電車運(yùn)行狀況；允許用戶創(chuàng)建和管理復(fù)雜的時(shí)刻表，以便定義路線，計(jì)劃行程和安排出發(fā)時(shí)刻表。

（3）事件管理和診斷。記錄車輛和信號(hào)設(shè)備的事件、報(bào)警和診斷信息，并保存一定時(shí)長(zhǎng)。用戶可以構(gòu)建自定義過濾器并執(zhí)行相關(guān)查詢以從數(shù)據(jù)庫中檢索歷史數(shù)據(jù)。

（4）服務(wù)質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。按日期統(tǒng)計(jì)報(bào)警信息和有軌電車運(yùn)行數(shù)據(jù)，生成簡(jiǎn)單的反饋報(bào)告。

（5）用戶權(quán)限配置。系統(tǒng)提供創(chuàng)建和管理用戶的功能，以用戶名和密碼為標(biāo)識(shí)，可設(shè)置不同級(jí)別的權(quán)限以及可以管理的聯(lián)鎖區(qū)域。

1.3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上功能需求分析，本文選取有軌電車運(yùn)行模擬、時(shí)刻表管理、運(yùn)行圖繪制、HMI 實(shí)現(xiàn)幾大關(guān)鍵功能進(jìn)行仿真。ITMS 仿真系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供清晰的HMI，監(jiān)控顯示有軌電車運(yùn)行，提供常用操作指令菜單。仿真系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的操作處理模塊，響應(yīng)操作指令，運(yùn)行算法。仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫模塊中，并根據(jù)數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化劃分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，分別存儲(chǔ)，與有軌電車運(yùn)行模擬模塊、操作處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 ITMS仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 ITMS仿真實(shí)現(xiàn)

本仿真軟件采用Visual C++ 2012 進(jìn)行編寫，使用SQL 2010 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)ITMS 有軌電車運(yùn)行模擬、時(shí)刻表管理、運(yùn)行圖生成功能，利用基于VC++的 MFC 建立HMI 框架。軟件采用了面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄哂谐绦蚪Y(jié)構(gòu)清晰，易于修改，開發(fā)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 有軌電車運(yùn)行模擬

有軌電車運(yùn)行的模擬采取面向時(shí)間間隔的離散時(shí)間系統(tǒng)仿真方法，仿真時(shí)鐘按等距時(shí)間間隔等距推進(jìn)[7]。以單向運(yùn)行的單輛有軌電車為例，隨著系統(tǒng)初始化獲取基本數(shù)據(jù)，生成當(dāng)前有軌電車模型，并為當(dāng)前有軌電車分配車次號(hào)。有軌電車運(yùn)行過程中，每隔一段時(shí)間掃描事件表，判斷當(dāng)前時(shí)間間隔內(nèi)是否有事件發(fā)生，若有則調(diào)用處理對(duì)應(yīng)事件的子程序。例如，有軌電車行駛時(shí)進(jìn)行進(jìn)路搜索，若有進(jìn)路，維持原前進(jìn)速度不變；若無進(jìn)路，有軌電車采取減速或停車等待策略，等待系統(tǒng)分配進(jìn)路。有軌電車模擬運(yùn)行流程圖，如圖3 所示。

同時(shí)，在HMI 界面站場(chǎng)圖中實(shí)時(shí)顯示有軌電車的當(dāng)前位置，以有軌電車標(biāo)志表示，三角形代表車頭及前進(jìn)方向、車體部分顯示有軌電車車號(hào)、有軌電車尾部表示提前/延遲的調(diào)整狀態(tài)。正線區(qū)域線路分段顯示，用不同顏色表示不同的線路狀態(tài)。紫色表示當(dāng)前路段被占用，綠色表示進(jìn)路已被設(shè)置選定，有軌電車即將通過，如圖4 所示。

2.2 時(shí)刻表生成

圖3 有軌電車模擬運(yùn)行流程

圖4 有軌電車運(yùn)行定位及顯示

時(shí)刻表管理模塊提供自動(dòng)生成時(shí)刻表功能。時(shí)刻表自動(dòng)生成算法采取正序推點(diǎn)法[8]，從當(dāng)前運(yùn)行方向的始發(fā)站開始，對(duì)所有有軌電車依次進(jìn)行編號(hào)，從數(shù)據(jù)庫中讀取各站間距離及有軌電車平均運(yùn)行速度并計(jì)算站間運(yùn)行時(shí)間，另根據(jù)用戶輸入的首末班車始發(fā)時(shí)刻、發(fā)車間隔時(shí)間、各站停車時(shí)間，自動(dòng)推算、生成時(shí)刻表，時(shí)刻表生程成流程，如圖5 所示。

2.3 運(yùn)行圖繪制

有軌電車運(yùn)行圖是對(duì)時(shí)刻表數(shù)據(jù)的圖形化表達(dá)，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示距離，根據(jù)有軌電車到站時(shí)刻與離站時(shí)刻繪制，默認(rèn)假設(shè)有軌電車在站間運(yùn)行是勻速行駛的，運(yùn)行圖繪制流程，如圖6 所示。

圖7 展示了ITMS 仿真軟件中6：00—8：00 時(shí)間段內(nèi)的松江有軌電車2 號(hào)線的有軌電車運(yùn)行圖。

2.4 HMI

圖5 時(shí)刻表生成流程

圖6 運(yùn)行圖的繪制流程

圖7 有軌電車運(yùn)行圖

啟動(dòng)ITMS 客戶端后，直接進(jìn)入身份驗(yàn)證頁面[9]，當(dāng)正確輸入用戶名和密碼后可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體操作。登錄后進(jìn)入主界面，主界面菜單欄功能根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行配置，用戶可通過工具菜單執(zhí)行用戶權(quán)限配置、車輛配置、閾值配置、時(shí)刻表相關(guān)功能以及司機(jī)管理。主區(qū)域默認(rèn)展示線路站場(chǎng)圖，可根據(jù)用戶選擇切換為時(shí)刻表管理面板或報(bào)告面板。

3 結(jié)束語

本文利用基于VC++的 MFC 編程技術(shù)對(duì)上海松江有軌電車ITMS 進(jìn)行了仿真研究，采用面向時(shí)間間隔的離散時(shí)間系統(tǒng)仿真方法實(shí)現(xiàn)了有軌電車模擬運(yùn)行，完成了時(shí)刻表生成、運(yùn)行圖生成等關(guān)鍵功能，并繪制了HMI。該軟件模擬了ITMS 監(jiān)控有軌電車運(yùn)行狀況的功能，適用于調(diào)度人員崗前培訓(xùn)；此外，能夠在該軟件上驗(yàn)證諸如有軌電車運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表調(diào)整算法等研究，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。