基于沙盤的城軌控制實(shí)驗(yàn)室集中站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)

謝 飛，楊 揚(yáng)

（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(shí)訓(xùn)平臺(tái)已成為國(guó)內(nèi)一些交通院校在軌道交通學(xué)科建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)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(tái)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是以城市軌道交通為主、高速鐵路為輔、管控一體、理實(shí)結(jié)合的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)作為該平臺(tái)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(shí)現(xiàn)在各車站間的聯(lián)鎖條件檢查、進(jìn)路建立、信號(hào)設(shè)備控制以及進(jìn)路鎖閉與解鎖，并把線路狀態(tài)真實(shí)呈現(xiàn)給仿真人員。由于進(jìn)路與道岔、信號(hào)機(jī)、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(tái)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一。本文以沙盤地鐵2號(hào)線中的兩個(gè)集中站為例，利用UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析與設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)的功能需求、總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)等方面用圖形化語(yǔ)言進(jìn)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(jì)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(jiǎn)介

1.1 城市軌道交通控制及通信平臺(tái)介紹

城市軌道交通控制及通信平臺(tái)是結(jié)合軌道交通控制、計(jì)算機(jī)仿真、現(xiàn)代通信等技術(shù)的綜合培訓(xùn)系統(tǒng)，以信號(hào)控制、通信網(wǎng)絡(luò)及沙盤動(dòng)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(jī)地結(jié)合在一起，具有可操作性強(qiáng)、系統(tǒng)集成度高等特點(diǎn)，屬國(guó)內(nèi)高校首例。系統(tǒng)能真實(shí)地仿真城市軌道交通、高速鐵路運(yùn)輸管理以及相關(guān)通信過程，為軌道交通運(yùn)營(yíng)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(tái)的城市軌道交通部分是以成都地鐵1、2線為原型設(shè)計(jì)，分為6個(gè)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(kù)服務(wù)器為基礎(chǔ)，從中獲取列車模擬運(yùn)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(tái)實(shí)現(xiàn)，圖1是城市軌道交通控制及通信平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖。各子系統(tǒng)通過有線或無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各仿真軟件與沙盤間的聯(lián)動(dòng)控制，真實(shí)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(tái)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(jī)界面的顯示功能

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

1.2.2 進(jìn)路自動(dòng)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(hào)）后，判斷列車是否壓入觸發(fā)區(qū)段，若是則檢查進(jìn)路是否能夠排列，若能則排列進(jìn)路并鎖閉，列車出清后，相應(yīng)區(qū)段自動(dòng)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(shí)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(dòng)變?yōu)榧t色，且實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的基本功能，可作為教學(xué)培訓(xùn)時(shí)演示使用。

1.2.4 人工排列與解鎖進(jìn)路功能

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

武術(shù)對(duì)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(guó)際傳播標(biāo)準(zhǔn)化的重要內(nèi)容。武術(shù)國(guó)際傳播的標(biāo)準(zhǔn)化與武術(shù)“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)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(jìn)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(guó)武術(shù)協(xié)會(huì)已出臺(tái)一系列政策，對(duì)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(guó)武術(shù)協(xié)會(huì)和國(guó)際武聯(lián)應(yīng)該重點(diǎn)考慮對(duì)海外武術(shù)教師進(jìn)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(jìn)一步推動(dòng)武術(shù)國(guó)際傳播的標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2.5 保護(hù)區(qū)段與側(cè)面防護(hù)功能

保護(hù)區(qū)段和側(cè)面防護(hù)是城市軌道交通所獨(dú)有的，它代替了鐵路中防護(hù)道岔、帶動(dòng)道岔和條件敵對(duì)等聯(lián)鎖條件，保證了行車安全。在城市軌道交通中，進(jìn)路由主進(jìn)路、保護(hù)區(qū)段及側(cè)面防護(hù)3部分構(gòu)成。保護(hù)區(qū)段是在主進(jìn)路外方延伸的一段區(qū)段，不屬于進(jìn)路的一部分，但在辦理進(jìn)路時(shí)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(hù)是為避免其它列車從側(cè)面進(jìn)入進(jìn)路與列車發(fā)生側(cè)向沖突，簡(jiǎn)稱“側(cè)防”檢查聯(lián)鎖條件時(shí)，須重點(diǎn)檢查這兩項(xiàng)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?duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，利用Visio完成對(duì)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(yùn)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(kù)中的進(jìn)路表、IC卡號(hào)表（存放著線路基本參數(shù)）等數(shù)據(jù)。列車通過無(wú)線通信方式將讀取到IC卡號(hào)發(fā)送回來，系統(tǒng)收到后立即查詢卡號(hào)表并解析出其線路坐標(biāo)，標(biāo)定其在上位機(jī)界面的實(shí)際位置并給出紅光帶表示。人工排列進(jìn)路時(shí)，系統(tǒng)通過查詢進(jìn)路表判斷操作是否有效，若是則讀取該進(jìn)路的進(jìn)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(gè)變化：（1）界面的信號(hào)設(shè)備顯示改變，即進(jìn)路鎖閉；（2）通過RS232串口驅(qū)動(dòng)沙盤上的信號(hào)設(shè)備動(dòng)作。列車出清區(qū)段后，系統(tǒng)應(yīng)判斷收到的卡號(hào)是否具有解鎖功能，若有則修改信號(hào)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(wú)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(jì)

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(kù)訪問、上位機(jī)顯示、模擬/現(xiàn)場(chǎng)切換5個(gè)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(jī)顯示模塊為用戶與系統(tǒng)交互時(shí)提供服務(wù)，根據(jù)聯(lián)鎖處理產(chǎn)生的顯示命令，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地把集中站管轄范圍內(nèi)的路況、列車實(shí)際位置、軌旁信號(hào)設(shè)備狀態(tài)、進(jìn)路使用情況、聯(lián)鎖程序運(yùn)行提示等信息向用戶反饋。用戶根據(jù)實(shí)際情況操作鼠標(biāo)向系統(tǒng)下達(dá)進(jìn)路排列命令交由聯(lián)鎖處理模塊處理。界面顯示設(shè)計(jì)完全參照《ATS符號(hào)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(kù)訪問模塊用于排列進(jìn)路時(shí)向聯(lián)鎖處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)庫(kù)中的進(jìn)路表與IC卡號(hào)表的數(shù)據(jù)，被解析后用于建立進(jìn)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(shí)時(shí)性，同時(shí)為提高算法可操作性，可在模塊設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)據(jù)劃分靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)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(shí)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(shí)效性與可靠性。

模擬/現(xiàn)場(chǎng)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(qǐng)求。模擬模式雖不是系統(tǒng)所需要的設(shè)計(jì)，但可用于教學(xué)演示。在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)置一個(gè)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(jì)

聯(lián)鎖系統(tǒng)的各模塊間是通過消息機(jī)制被動(dòng)態(tài)聯(lián)系到一起，由面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想可知，將系統(tǒng)的各個(gè)模塊以對(duì)象進(jìn)行描述，并進(jìn)一步將這些對(duì)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(kù)訪問類、上位機(jī)顯示類和模擬/現(xiàn)場(chǎng)切換類5個(gè)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(jì)好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否實(shí)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(gè)相當(dāng)復(fù)雜的算法，每一步動(dòng)作都被前面的動(dòng)作嚴(yán)格約束，采用Visio工具中的活動(dòng)圖能很好地描述其工作流程，聯(lián)鎖處理模塊的活動(dòng)圖如圖5所示。

圖5 聯(lián)鎖處理模塊的活動(dòng)圖

3 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)

由已建立的系統(tǒng)模型，選取的沙盤地鐵2號(hào)線的2個(gè)典型集中站編程實(shí)現(xiàn)，用以驗(yàn)證模型和分析設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性，采用VB6.0與SQL2000對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。SQL2000實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖表和IC卡號(hào)表數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，本文的聯(lián)鎖表包括主進(jìn)路表、保護(hù)進(jìn)路表、側(cè)面防護(hù)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(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖運(yùn)算關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問模塊調(diào)用。

為了理清各個(gè)模塊之間的交互關(guān)系便于開發(fā)人員理解，引入U(xiǎn)ML順序圖對(duì)模塊間消息投遞的時(shí)間順序進(jìn)行描述。順序圖的縱向表示時(shí)間軸，橫向軸表示協(xié)作中的各獨(dú)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(shí)，生命線是一個(gè)雙道線。模塊間的交互采用消息投遞機(jī)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(jí)別的控制進(jìn)路即連續(xù)式、點(diǎn)式、聯(lián)鎖以及引導(dǎo)級(jí)別，最大限度地提高運(yùn)輸?shù)陌踩托?。圖7為集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)的上位機(jī)顯示界面。此時(shí)在兩個(gè)集中站間僅有1列車運(yùn)行，不涉及多列車追蹤運(yùn)行的情況，行車憑證是根據(jù)地面信號(hào)機(jī)的顯示，引入人工干預(yù)為列車排列進(jìn)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(hào)，實(shí)時(shí)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(jìn)路并上鎖，圖中用綠色光帶顯示。界面設(shè)有聯(lián)鎖程序運(yùn)行過程提示框，可以記錄整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，操作人員可以明確當(dāng)前狀況，包括報(bào)警信息等。

圖7 集中站聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)顯示界面

3.2 聯(lián)鎖軟件的測(cè)試工作

測(cè)試時(shí)遵循兩個(gè)步驟：（1）在模擬環(huán)境下對(duì)所有進(jìn)路進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試進(jìn)路排列、自動(dòng)解鎖、人工解鎖進(jìn)路以及取消進(jìn)路等功能，同時(shí)注意觀察測(cè)試時(shí)界面上各信號(hào)顏色顯示及程序運(yùn)行提示欄的信息是否正確，經(jīng)過第1步的仿真測(cè)試，絕大多數(shù)錯(cuò)誤可以得到解決，為下一步與沙盤聯(lián)動(dòng)后的測(cè)試工作做好了鋪墊。（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，需在實(shí)驗(yàn)室控制臺(tái)PC機(jī)上安裝好VB6.0和SQL2000軟件，主要測(cè)試工作包括：a.進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)模式后，系統(tǒng)能否根據(jù)沙盤信號(hào)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)初始化界面；b.選路時(shí)，沙盤信號(hào)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(hào)機(jī)后，信號(hào)機(jī)能否由綠或黃燈變?yōu)榧t燈；d.列車占用區(qū)段時(shí)，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(dòng)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(yùn)行情景界面圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市控制實(shí)驗(yàn)室仿真平臺(tái)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(yùn)行提供了保障，能較為真實(shí)地模擬城市軌道交通中地鐵車輛的真實(shí)運(yùn)營(yíng)情況，系統(tǒng)能夠運(yùn)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(duì)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(gè)典型集中站編程實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，驗(yàn)證了利用UML方法對(duì)系統(tǒng)建模的正確性。

圖8 列車在金頂站運(yùn)行情景界面

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