基于有向圖的列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)站場(chǎng)圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜興元 李天輝

（北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，100176，北京∥第一作者，工程師）

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）位于信號(hào)系統(tǒng)的最上層，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)軌道交通線路中列車的運(yùn)行，輔助行調(diào)人員對(duì)列車進(jìn)行調(diào)度管理，對(duì)提高運(yùn)營(yíng)效率、保障行車安全起了極其重要的作用［1－2］。北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司結(jié)合軌道交通的特點(diǎn)，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)控制技術(shù)，自主研發(fā)了一套安全、可靠、高效的ATS系統(tǒng)軟件MACS－ATS。

在ATS系統(tǒng)中，軌道信息站場(chǎng)圖用以數(shù)字化軌道交通線路圖，描述線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線路條件（如坡度、停車點(diǎn)、里程信息等），包括線路元件的靜態(tài)信息（如軌道位置信息）和動(dòng)態(tài)信息（軌道占用，道岔狀態(tài)信息等），從而為列車的自動(dòng)監(jiān)控與調(diào)度提供線路信息依據(jù)。本文詳細(xì)描述了MACS－ATS系統(tǒng)中站場(chǎng)圖的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 數(shù)據(jù)模型

從概念角度看，軌道交通線路可以抽象為拓?fù)鋵泳W(wǎng)絡(luò)、電氣層網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)的疊加［3］。描述如下：

拓?fù)鋵泳W(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為線路的軌道布置、工務(wù)設(shè)備位置和土建信息等，如軌道長(zhǎng)度，線路的走向、坡度、曲線半徑、轉(zhuǎn)角等各種軌道參數(shù)。拓?fù)鋵泳W(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部存儲(chǔ)稱為軌道數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)字軌道地圖，其外觀顯示一般稱為線路拓?fù)鋱D。

電氣層網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)與信號(hào)系統(tǒng)有關(guān)的電務(wù)信息，如軌道電路、絕緣節(jié)、信號(hào)機(jī)、進(jìn)路等，在物理線路拓?fù)鋵又贤ㄟ^(guò)分割股道和附加設(shè)備對(duì)象建立，形成電氣層線路網(wǎng)絡(luò)。電氣層網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部存儲(chǔ)稱為站場(chǎng)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其外觀顯示一般稱為信號(hào)布置圖。

運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)，在以上兩層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立，形成以交路為核心的運(yùn)營(yíng)子網(wǎng)，包括運(yùn)營(yíng)線、折返策略等。運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)形成運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)。與電氣層和運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別的是，軌道數(shù)據(jù)庫(kù)和站場(chǎng)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)屬于系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，而運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)屬于作業(yè)數(shù)據(jù)，用戶需要定期或不定期地改變或重新定義，如根據(jù)客流統(tǒng)計(jì)優(yōu)化和調(diào)整交路方案等。

站場(chǎng)圖的數(shù)據(jù)模型概念如圖1所示。

2 站場(chǎng)圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文以拓?fù)鋵泳W(wǎng)絡(luò)、電氣層網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)等三層線網(wǎng)為數(shù)據(jù)模型，利用XML結(jié)構(gòu)化站場(chǎng)信息，并作為靜態(tài)數(shù)據(jù)輸入；以有向圖為基本數(shù)學(xué)模型，采用分層結(jié)構(gòu)，將軌道線路信息映射成站場(chǎng)圖。站場(chǎng)圖的生成過(guò)程如下：

（1）根據(jù)信號(hào)設(shè)備布置圖，配置生成站場(chǎng)信息XML文件；

（2）讀取XML文件中的靜態(tài)信息，創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，按照預(yù)先定義的進(jìn)路搜索策略，完成進(jìn)路搜索，完成站場(chǎng)圖拓?fù)鋵优c電氣層數(shù)據(jù)的建立；

（3）按照預(yù)先定義的路徑搜索策略完成運(yùn)營(yíng)層數(shù)據(jù)的建立。

圖1 數(shù)據(jù)模型概念設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)

ATS站場(chǎng)圖信息是一種樹(shù)狀分層結(jié)構(gòu)，而XML是當(dāng)前處理結(jié)構(gòu)化文檔信息的有力工具，故選用XML文件保存其靜態(tài)信息。主要信息如下所示：

（1）線路，包括線路名稱、線路性質(zhì)等；

（2）車站，包括車站名稱、車站性質(zhì)、聯(lián)鎖站號(hào)、區(qū)域控制中心（ZC）編號(hào)等；

（3）無(wú)岔區(qū)段，包括無(wú)岔區(qū)段名稱、無(wú)岔區(qū)段性質(zhì)、聯(lián)鎖區(qū)段編號(hào)、邏輯區(qū)段信息等；

（4）停車軌道，包括停車軌道名稱、停車軌道類型、對(duì)應(yīng)站臺(tái)、聯(lián)鎖區(qū)段編號(hào)、邏輯區(qū)段信息等；

（5）道岔區(qū)段，包括道岔區(qū)段名、道岔區(qū)段類型、聯(lián)鎖區(qū)段編號(hào)、邏輯區(qū)段信息、所包含道岔等；

（6）道岔，包括道岔名稱、聯(lián)鎖道岔編號(hào)等；（7）信號(hào)機(jī)，包括信號(hào)機(jī)類型、信號(hào)機(jī)防護(hù)區(qū)段、聯(lián)鎖信號(hào)機(jī)編號(hào)等；

（8）站臺(tái)，包括站臺(tái)名稱、對(duì)應(yīng)停車軌道、聯(lián)鎖站臺(tái)編號(hào)等；

（9）連接器，包括左連設(shè)備、右連設(shè)備等；

（10）邏輯區(qū)段，包括所屬ZC、所屬區(qū)段、邏輯區(qū)段IO地址、邏輯區(qū)段信息等。

MACS－ATS系統(tǒng)的站場(chǎng)圖XML文件如圖2所示。

2.2 站場(chǎng)圖設(shè)計(jì)

2.2.1 拓?fù)鋵?/p>

站場(chǎng)圖拓?fù)鋵釉O(shè)計(jì)以有向圖為站場(chǎng)圖的基本數(shù)學(xué)模型數(shù)字化線路信息。有向圖采用雙向鏈表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中保存其所有的前驅(qū)邊（以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為終點(diǎn)的邊）鏈表和后繼邊（以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)的邊）鏈表，并在有向圖中封裝相關(guān)算法，包括有向圖的建立，深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索等算法。節(jié)點(diǎn)定義及邊定義見(jiàn)表1、表2。

圖2 站場(chǎng)圖XML文件描述

表1 節(jié)點(diǎn)定義

表2 邊定義

軌道設(shè)備抽象為BLOCK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。無(wú)岔區(qū)段和停車軌道各對(duì)應(yīng)1個(gè)BLOCK，道岔則對(duì)應(yīng)3個(gè)BLOCK，分別為岔尖BLOCK、直股BLOCK和彎股BLOCK。每個(gè)BLCOK劃分為若干邏輯區(qū)段。在邏輯區(qū)段中保存詳細(xì)的線路條件，如坡度、里程信息等，對(duì)應(yīng)著列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)中的邏輯區(qū)段結(jié)構(gòu)。每個(gè)BLOCK抽象為有向圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（Vertex），BLOCK的連接關(guān)系抽象為有向圖的邊（Edge）。站場(chǎng)圖線路拓?fù)淠Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 站場(chǎng)圖線路模型

BLOCK的ID采用“線號(hào)＋站號(hào)＋區(qū)段號(hào)＋道岔編號(hào)＋位置”的命名方式。位置用0～2的數(shù)標(biāo)識(shí)。如果為無(wú)岔區(qū)段，則道岔編號(hào)和位置均為0；如果為道岔區(qū)段BLOCK，0表示岔尖，1表示彎股，2表示直股。每個(gè)BLOCK的具體信息如表3所示。

表3 BLOCK信息

需要注意的是，將防護(hù)信號(hào)機(jī)設(shè)在BLOCK層，是對(duì)道岔區(qū)段來(lái)說(shuō)，可能信號(hào)機(jī)防護(hù)的是某個(gè)道岔位置。

通過(guò)以上描述，站場(chǎng)的線路方向映射成為有向圖的方向，拓?fù)鋵訑?shù)據(jù)模型中的軌道段映射成為有向圖的點(diǎn)即BLOCK結(jié)構(gòu)，而拓?fù)鋵訑?shù)據(jù)模型中的點(diǎn)映射成為邊鏈表（如道岔點(diǎn)），則其在有向圖中節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生分支，邊鏈表中包含兩條邊，而邊界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的邊鏈表為空。

2.2.2 電氣層

所謂瀝青新材料，顧名思義就是在傳統(tǒng)的瀝青之中加入一些高分子聚合物，比如橡膠、膠粉、樹(shù)脂等物質(zhì)，或者對(duì)瀝青進(jìn)行氧化加工，進(jìn)而使瀝青的質(zhì)量同以前相比，取得明顯的進(jìn)步和提升。改性瀝青新材料具有穩(wěn)定性強(qiáng)，耐高溫的特點(diǎn)，在鋪筑公路的時(shí)候使用這種材料，能夠盡可能的延長(zhǎng)道路的使用壽命，使其更好的為人們服務(wù)。

采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)不同線路站場(chǎng)圖的分析，抽象出線路、車站、無(wú)岔區(qū)段（包含停車軌道）、道岔區(qū)段、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)、邏輯區(qū)段等設(shè)備類。每類設(shè)備包括靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性。其中，靜態(tài)屬性在XML站場(chǎng)圖信息中定義，為實(shí)際線路中不變的屬性，如信號(hào)機(jī)的類型等；動(dòng)態(tài)屬性在XML站場(chǎng)圖信息中無(wú)需設(shè)置或僅需默認(rèn)設(shè)置，而在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)而改變，如區(qū)段的占用狀態(tài)、道岔的位置信息等。

進(jìn)路分為基本進(jìn)路、折返進(jìn)路、接車進(jìn)路、發(fā)車進(jìn)路、調(diào)車進(jìn)路等。各進(jìn)路搜索的基本思路相同。以調(diào)車進(jìn)路為例說(shuō)明：以調(diào)車信號(hào)機(jī)作為始端信號(hào)機(jī)，找到其防護(hù)區(qū)段，從防護(hù)區(qū)段開(kāi)始，根據(jù)信號(hào)機(jī)防護(hù)方向，進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，并選用調(diào)車進(jìn)路策略。調(diào)車進(jìn)路策略為：如果當(dāng)前區(qū)段的防護(hù)信號(hào)機(jī)與始端信號(hào)機(jī)的方向相同，則返回該進(jìn)路，并繼續(xù)搜索下一條進(jìn)路。這樣，可以獲取從始端信號(hào)機(jī)出發(fā)的所有進(jìn)路所經(jīng)過(guò)的BLOCK，獲取進(jìn)路全部物理區(qū)段和道岔位置信息，并保存進(jìn)路到站場(chǎng)圖中。

拓?fù)鋵訑?shù)據(jù)的詳細(xì)生成步驟為：

（1）裝載XML文件，遍歷所有線路信息，添加線路設(shè)備、車站設(shè)備、區(qū)段設(shè)備和道岔設(shè)備等。

（2）按照XML文件結(jié)構(gòu)，由上到下依次添加所有的線路、車站和車站設(shè)備（站臺(tái)、信號(hào)機(jī)、物理區(qū)段、道岔等），并完成與相應(yīng)BLOCK的映射關(guān)系。然后按照連接器描述的區(qū)段連接信息，為站場(chǎng)圖添加連接關(guān)系。

至此，包含拓?fù)鋵泳W(wǎng)絡(luò)和電氣層網(wǎng)絡(luò)兩層數(shù)據(jù)模型的ATS站場(chǎng)圖構(gòu)建完成。

2.2.3 運(yùn)營(yíng)層

路徑分為站間路徑、入折返線路徑、出折返線路徑、出段路徑、進(jìn)段路徑等。各個(gè)路徑的基本思路相同。以站間路徑為例進(jìn)行說(shuō)明：從一個(gè)站臺(tái)開(kāi)始找到其停車軌道，根據(jù)站臺(tái)方向進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，并選用站間路徑策略。站間路徑策略為：如果當(dāng)前區(qū)段有站臺(tái)且站臺(tái)方向與起始站臺(tái)方向相同，則返回該路徑，并繼續(xù)搜索下一條站間路徑。這樣，可以獲取從該站臺(tái)出發(fā)的所有區(qū)間路徑所經(jīng)過(guò)的BLCOK，然后獲取路徑包含的全部物理區(qū)段和道岔信息，并根據(jù)路徑所經(jīng)過(guò)的BLOCK將路徑映射成進(jìn)路集合。

2.3 站場(chǎng)圖實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

在MACS－ATS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了站場(chǎng)圖的的設(shè)計(jì)，按照拓?fù)鋵泳W(wǎng)絡(luò)、電氣層網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營(yíng)層網(wǎng)絡(luò)等三層結(jié)構(gòu)保存了完整的線路信息，可為列車的自動(dòng)監(jiān)控與調(diào)度提供完整的線路信息查詢。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的站場(chǎng)圖滿足列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中線路靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息的查詢的需求。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立ATS站場(chǎng)圖的三層網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了基于有向圖的ATS站場(chǎng)圖。其具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）選用結(jié)構(gòu)化的XML文件保存其靜態(tài)配置信息，充分表達(dá)了軌道交通線路復(fù)雜的結(jié)構(gòu)信息，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。

（2）軌道交通線路的建設(shè)通常是分期進(jìn)行的，本設(shè)計(jì)只需要修改XML中的靜態(tài)文件，其他數(shù)據(jù)均自動(dòng)生成，具有良好的擴(kuò)展性。

（3）采用分層結(jié)構(gòu)，查詢效率高。

［1］ IEEE Std 1474.1－2004IEEE Standard for communicationsbased train control （CBTC）performance and functional requirements［S］.

［2］ IEEE Std 1474.2－2003IEEE Standard for user interface requirements in communications based train control（CBTC）systems［S］.

［3］ 李鑫，董曉巖，徐峰，等.鐵路站場(chǎng)配置圖生成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.運(yùn)輸管理與自動(dòng)化，2003，26（1）：51.