基于上海地鐵1號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)列車(chē)追蹤算法的研究

江星宇，陳運(yùn)哲，陳永生（.同濟(jì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海 0804；.東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)系，上海 0600）

基于上海地鐵1號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)列車(chē)追蹤算法的研究

江星宇1，陳運(yùn)哲2，陳永生1
（1.同濟(jì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海 201804；2.東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)系，上海 201600）

介紹了以上海地鐵1號(hào)線為原型的ATS仿真系統(tǒng)，圍繞固定閉塞模型進(jìn)行展開(kāi)，以追蹤運(yùn)行的兩列列車(chē)為對(duì)象，分別對(duì)它們的追蹤過(guò)程、運(yùn)行效果及間隔距離進(jìn)行了具體的研究與計(jì)算。同時(shí)引入了聯(lián)鎖系統(tǒng)，詳細(xì)說(shuō)明了進(jìn)路搜索算法和聯(lián)鎖表的設(shè)計(jì)步驟，很好地體現(xiàn)了聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)列車(chē)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(chē)追蹤；間隔距離；聯(lián)鎖系統(tǒng)

0 引言

仿真作為一門(mén)綜合性學(xué)科至今已有50多年的發(fā)展歷史，利用模型代替實(shí)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)令其具備了經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)驗(yàn)周期短等眾多優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)進(jìn)行展開(kāi)，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)下的信號(hào)系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 ATS仿真系統(tǒng)概述

基于上海地鐵1號(hào)線，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)構(gòu)建列車(chē)對(duì)象、ATS對(duì)象、信號(hào)設(shè)備對(duì)象等，共同完成了ATS系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控 （Automatic Train Supervision，ATS）系統(tǒng)與列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）系統(tǒng)同屬于列車(chē)自動(dòng)控制（Automatic Train Control，ATC）系統(tǒng)。ATS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了列車(chē)自動(dòng)識(shí)別與跟蹤、監(jiān)視列車(chē)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)以及系統(tǒng)故障復(fù)原處理等功能。

2 固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)

2.1 固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)的定義

上海地鐵1號(hào)線采用固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)，通過(guò)軌道電路傳輸控制信息及確定列車(chē)位置［1］，閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度和數(shù)量決定了線路的通過(guò)能力。系統(tǒng)在軌道鋪設(shè)時(shí)按照在軌運(yùn)行的最差性能要求將線路軌道劃分為許多長(zhǎng)度不等的閉塞分區(qū)，形成追蹤列車(chē)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(jí)別而定。

2.2 固定閉塞追蹤模型

三顯示列車(chē)追蹤是一種常見(jiàn)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(gè)閉塞分區(qū)的始端設(shè)有防護(hù)信號(hào)機(jī)，信號(hào)機(jī)的顏色依據(jù)列車(chē)位置而變化，列車(chē)運(yùn)行必須遵從信號(hào)機(jī)的指示。綠燈表示允許列車(chē)按照規(guī)定速度運(yùn)行，此時(shí)列車(chē)運(yùn)行前方至少有兩個(gè)空閑的閉塞分區(qū)。黃燈為注意或減速信號(hào)，表示列車(chē)運(yùn)行前方有一個(gè)閉塞分區(qū)空閑。當(dāng)前方閉塞分區(qū)被某一列車(chē)占用時(shí)，入口的信號(hào)機(jī)顯示為紅色，提醒后續(xù)列車(chē)停車(chē)等待。列車(chē)的運(yùn)行速度在三種信號(hào)機(jī)的顯示控制下會(huì)逐漸減小，故稱(chēng)為階梯式分級(jí)制動(dòng)速度控制。

圖1 三顯示列車(chē)區(qū)間追蹤模型

追蹤間隔至少要保證3個(gè)以上長(zhǎng)度不等的閉塞分區(qū)，同時(shí)，為了確保不追尾還應(yīng)加上列車(chē)長(zhǎng)度，所以列車(chē)區(qū)間追蹤運(yùn)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(shí)結(jié)合了聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)車(chē)站值班人員的操作命令和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)的表示信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)、道岔以及進(jìn)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(hù)原理

ATP系統(tǒng)是列車(chē)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要是對(duì)列車(chē)運(yùn)行實(shí)施自動(dòng)超速防護(hù)，以保障列車(chē)運(yùn)行安全。ATP在控制車(chē)輛不超過(guò)限速的同時(shí)，還會(huì)盡量保證這些控制操作對(duì)司機(jī)駕駛的干擾降到最?。?］。其工作過(guò)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(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)狀態(tài)，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)接收軌旁ATP發(fā)送的信息，為列車(chē)開(kāi)放禁止通過(guò)信號(hào)。同時(shí)，聯(lián)鎖會(huì)向軌旁ATP發(fā)送道岔位置、信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)、進(jìn)路設(shè)定狀態(tài)等相關(guān)信息［4］。

圖2 ATP工作過(guò)程示意圖

3.3 聯(lián)鎖表的設(shè)計(jì)

聯(lián)鎖表是鐵路車(chē)站信號(hào)設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系的說(shuō)明圖表，是聯(lián)鎖系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的總依據(jù)，以下是聯(lián)鎖表設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟［5］。

（1）站場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯

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

圖3 ATS系統(tǒng)站場(chǎng)圖

（2）進(jìn)路搜索算法

站場(chǎng)信號(hào)平面布置圖如圖4所示。將信號(hào)設(shè)備作為信號(hào)點(diǎn)，根據(jù)其在圖中的位置建立站場(chǎng)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。每個(gè)信號(hào)點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)，由數(shù)據(jù)場(chǎng)df和指針場(chǎng)pf組成：df用來(lái)存放數(shù)據(jù)塊，pf實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。不同的信號(hào)設(shè)備需要不同的指針數(shù)，比如信號(hào)機(jī)節(jié)點(diǎn)只能與相鄰2個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)接，所以一般只要2個(gè)指針指明左右節(jié)點(diǎn)的首址即可，而道岔節(jié)點(diǎn)必須要有3個(gè)指針才能記錄相鄰節(jié)點(diǎn)的首址［6］。

圖4 站場(chǎng)信號(hào)平面布置圖

圖5 站場(chǎng)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(jìn)行進(jìn)路搜索。若采用廣度優(yōu)先搜索，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在擴(kuò)展時(shí)無(wú)法確定該擴(kuò)展方向是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方向，造成擴(kuò)展分枝較多，存儲(chǔ)量較大［8］。而DFS在遇到對(duì)象道岔標(biāo)志時(shí)會(huì)以直股搜索優(yōu)先，找不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)再返回沿彎股方向搜索，并且不會(huì)保留已經(jīng)搜索過(guò)的未找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。相關(guān)算法如下：

//搜索進(jìn)路，判斷是否需要改變方向

（3）敵對(duì)信號(hào)運(yùn)算

當(dāng)兩條進(jìn)路有相互重疊或交叉的部分，不能以道岔位置來(lái)區(qū)分時(shí)，這兩條進(jìn)路互為敵對(duì)進(jìn)路，防護(hù)這兩條進(jìn)路的信號(hào)機(jī)，互為敵對(duì)信號(hào)機(jī)。

（4）進(jìn)路特征排序

進(jìn)路搜索算法得到的進(jìn)路是隨機(jī)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(jìn)站口、進(jìn)路類(lèi)型等進(jìn)路特征對(duì)已經(jīng)得到的進(jìn)路進(jìn)行排序。

（5）聯(lián)鎖表輸出

計(jì)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(kāi)發(fā)人員共享資源［9］。

（6）聯(lián)鎖表對(duì)比審核

為了保證聯(lián)鎖系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)可靠，通常先由多個(gè)工作人員共同編制聯(lián)鎖表，再交由審核人員進(jìn)行對(duì)比審核。

圖6 聯(lián)鎖表示意圖

4 影響列車(chē)追蹤間隔的因素

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，除了信號(hào)系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)，還會(huì)綜合考慮運(yùn)營(yíng)需求、線路和站間距離等其他因素來(lái)最終確定列車(chē)追蹤間隔距離［10］。

5 結(jié)論

本文對(duì)基于上海地鐵1號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)下的固定閉塞列車(chē)追蹤運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了研究，總結(jié)可知前行列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中不受信號(hào)系統(tǒng)影響，但會(huì)通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)影響后續(xù)追蹤列車(chē)的運(yùn)行。與聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)合后，ATS又進(jìn)一步提高了列車(chē)追蹤與車(chē)站通過(guò)能力，因此在設(shè)計(jì)聯(lián)鎖時(shí)不僅要突出系統(tǒng)的可靠性，還應(yīng)結(jié)合聯(lián)鎖的故障—安全性能，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的高安全性，最終實(shí)現(xiàn)列車(chē)追蹤的安全與高效。

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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(yùn)哲，陳永生.基于上海地鐵1號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)列車(chē)追蹤算法的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)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(yùn)哲（1992-），男，本科在讀，主要研究方向：計(jì)算機(jī)仿真。

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