列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)進(jìn)路排列解決方案

近年來，軌道交通快速進(jìn)入高速期，成為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的重要因素。列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）是一種智能化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對ATS系統(tǒng)能否進(jìn)行正確的操作，將影響到列車能否安全運(yùn)行。這對軌道交通運(yùn)營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)段被稱為“運(yùn)營觸發(fā)點(diǎn)”，運(yùn)營觸發(fā)點(diǎn)接近于即將被排列的進(jìn)路。列車的位置可由列車追蹤功能獲取，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?。蝗缓髮⑦M(jìn)行進(jìn)路一致性檢查。如果檢查表明，沒有理由不排列該進(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)，若沒有問題，則開放始端信號燈。進(jìn)路自動(dòng)排列ARS（Automatic Route Setting）請求處理步驟如圖1所示。

1.1 運(yùn)營觸發(fā)點(diǎn)處理

在運(yùn)營觸發(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)營觸發(fā)點(diǎn)，如圖2中進(jìn)路X905~X1006，下一條進(jìn)路的運(yùn)營觸發(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是一種簡單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)語言，使用一系列簡單的標(biāo)記描述數(shù)據(jù)，層次結(jié)構(gòu)清晰，易于讀寫與共享。

下面是運(yùn)營觸發(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)營觸發(fā)點(diǎn)的軌道區(qū)段，標(biāo)記存儲(chǔ)了運(yùn)營觸發(fā)點(diǎn)有效時(shí)列車的運(yùn)行方向。

1.2 進(jìn)路的選定

在運(yùn)營觸發(fā)之后，ARS功能將為這一列車選定擬排列的進(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1002道岔反位，然后接1004道岔反位，經(jīng)G1281區(qū)段到達(dá)信號燈X1003和經(jīng)過1002道岔定位，再通過G1278區(qū)段到達(dá)信號燈X1007，因此僅一個(gè)始端信號燈還不足以構(gòu)成選定一條進(jìn)路的條件。為此，需要從列車追蹤功能傳輸出來的車次號中獲取列車的目的地代碼，從而獲取列車運(yùn)行方向。

在確定了始端信號燈（觸發(fā)后可獲取，見圖6中各表關(guān)系）和列車運(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)。可以構(gòu)建一棵二叉樹來表示信號機(jī)與它的直接鄰居之間的連通關(guān)系。每個(gè)信號機(jī)均構(gòu)建一棵二叉樹，然后把整個(gè)站場的所有信號機(jī)構(gòu)建的二叉樹組織起來。若把上例中信號燈X905和X1002的二叉樹建立起來，其結(jié)果如圖3所示。

圖中橢圓表示信號燈，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，并將訪問圖3（a）子樹，選定從X1002經(jīng)1002道岔反位，接1004道岔反位，通過G1281區(qū)段到達(dá)信號燈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），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)去訪問圖3（a）子樹，選定從X1002經(jīng)1002道岔反位，接1004道岔反位，通過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，則很容易就得到優(yōu)化二叉樹，如圖4所示。

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)路的始端信號燈，表示進(jìn)路的終端信號燈，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，放在一個(gè)XML文件中，以供程序查詢。這樣通過以始端信號燈結(jié)合方向，用方向來確定道岔的定/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）檢查請求是否已被執(zhí)行

如果擬排進(jìn)路的始端信號機(jī)已處于開放狀態(tài)，說明操作員已經(jīng)為列車人工排列了進(jìn)路，ARS功能會(huì)中止此ARS請求，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)檢查該列車是否仍在擬排定進(jìn)路的接近區(qū)段。如果列車已不在擬排定進(jìn)路的接近區(qū)段，ARS將中止此ARS請求；如果列車仍在擬排進(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)接收到對此進(jìn)路排列請求的肯定確認(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)，對每條進(jìn)路來說就是開放始端信號機(jī)。只要信號機(jī)一開放，該ARS請求立即終止。

經(jīng)過以上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。

2 、自動(dòng)進(jìn)路排列的軟件實(shí)現(xiàn)

將信號燈、區(qū)段、道岔的信息用類似XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，每類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)庫的角色。表1為各個(gè)軌道元素在XML中的存儲(chǔ)信息。

在開發(fā)過程中，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，如Switch封裝類結(jié)構(gòu)如下：

class Route

{

public：

Route（CString ID，CString Name，CString StartSignal，CString ZDXH，RouteQDArray RouteBlocks，RouteDCInfoArray DCInfo）；

~Route（）；

CString m_ID；

CString m_Name； //進(jìn)路名

CString m_StartSignal； //始端信號燈名

CString m_ EndSignal； //終端信號燈名

RouteQDArray m_RouteBlocks； //因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)路中

//可能有很多區(qū)段，所以保存在數(shù)組

RouteDCInfoArray m_DCInfo；

//道岔，同樣保存在數(shù)組中

Bool m_faultflag； //故障標(biāo)志

……

}；

把保存在XML表中的軌道元素信息用XML解析類CMarkUp解析后，用解析出來的各軌道元素存儲(chǔ)信息去構(gòu)造一個(gè)對應(yīng)的類。因?yàn)榫€路圖中存在很多信號燈、區(qū)段等軌道元素，而每一個(gè)都對應(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，很好地實(shí)現(xiàn)了XML數(shù)據(jù)與對應(yīng)類的綁定。為了方便查詢和使用，把相同軌道元素的類保存在STL的Vector數(shù)組中，這樣就分別有運(yùn)營觸發(fā)點(diǎn)、進(jìn)路、道岔、區(qū)段、信號燈5個(gè)Vector數(shù)組。每一類軌道元素都是相互聯(lián)系的，因此，在程序中需要通過一類元素獲取到另一類的信息（如需要查詢始端信號燈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)系就是通過尋找某個(gè)有相同的某個(gè)存儲(chǔ)信息來實(shí)現(xiàn)的。如Owner和JJAxle，因?yàn)槊總€(gè)Trigger都對應(yīng)著一個(gè)擁有區(qū)段，因此可以用此區(qū)段去對比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：

Function SearchNextRoute（……）

{

Then OwnerAxle=GetOwnerQD（） //當(dāng)符合觸發(fā)條件

//后，從列車跟蹤模塊獲取列車所在的區(qū)段，

//即觸發(fā)點(diǎn)擁有區(qū)段OwnerAxle

XHIterator=FindSignal（OwnerAxle） //利用獲取的

//OwnerAxle作為JJAxle去查找Signal數(shù)組Vector中

//查找到相應(yīng)的關(guān)聯(lián)類，返回這個(gè)類的迭代器

If（XHIterator=SignalVector.end）then ruturn；

//如果未找到，則返回

RouteIterator=FindRoute（*（XHIterator）-》SignalName）

//利用上面查找到的信號燈類獲取此信號燈的名字

//然后以此為關(guān)鍵字查找進(jìn)路，返回進(jìn)路的迭代器

If（RouteIterator =RouteVector.end）then ruturn；

//如果未找到進(jìn)路，則返回

AxleIterator=FindAxle（*（RouteIterator）-》Axle）

SwitchIterator=FindSwitch（*（RouteIterator）-》 Switch）

//利用查找到的進(jìn)路類獲取此進(jìn)路中的道岔、區(qū)段、

//獲取到它們相應(yīng)的類。這兩個(gè)類的獲取主要用于

//后面的進(jìn)路一致性檢查和區(qū)段，道岔的鎖定

}

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來查找進(jìn)路元素。

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

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

Function OnTime（……）

{

If（Direct&&Location）

//判斷方向和列車位置有沒有到觸發(fā)點(diǎn)

linRet=SearchNextRoute（）

//如果到達(dá)觸發(fā)點(diǎn)，則查找下一條進(jìn)路

if（linRet）

linRet1=CheckValid（）

//若查找到進(jìn)路，則進(jìn)行一致性檢查

if（linRet1）

linRet2=LockGDElement（）//一致性檢查沒問題，

//則發(fā)送聯(lián)鎖指令，鎖定軌道元素

if（linRet2）

linRet=OpenSignal（）//都沒問題后，則開放信號燈

}

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

由圖中可以看出，當(dāng)列車開進(jìn)區(qū)段G1278，并未人工開放進(jìn)路，下一條進(jìn)路就被正確地開放了，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)路排列的大體過程。在這個(gè)過程中，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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