ATS仿真系統(tǒng)模擬列車(chē)運(yùn)行模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 超，郭秀清

（同濟(jì)大學(xué) 控制理論與控制工程系，上海 200331）

隨著城市軌道交通迅猛發(fā)展，城軌交通ATS仿真系統(tǒng)成為解決軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)人員培養(yǎng)滯后的有效途徑[1]。目前整個(gè)ATS仿真系統(tǒng)主要包括終端顯示模塊、模擬列車(chē)運(yùn)行模塊、ATP模塊、ATS操作模塊、故障設(shè)置及處理模塊、教學(xué)考評(píng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理模塊等，而模擬列車(chē)運(yùn)行模塊在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)核心地位。以往的ATS模擬列車(chē)運(yùn)行模塊大多是基于多線程，而多線程必須處理好數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)存在一定的難度，并且占用系統(tǒng)資源較多。定時(shí)器具有實(shí)現(xiàn)容易、占用資源小的特點(diǎn)，在一定程度上可以替代多線程。因此，本文提出一種基于定時(shí)器的ATS模擬列車(chē)運(yùn)行模塊的設(shè)計(jì)。

1 模擬列車(chē)運(yùn)行模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要包括三個(gè)部分：判斷列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)以確定列車(chē)是否可以繼續(xù)運(yùn)行、根據(jù)列車(chē)具體運(yùn)行情況改變列車(chē)速度、負(fù)責(zé)每個(gè)微小的時(shí)間段按軌道上列車(chē)運(yùn)行的方向刷新列車(chē)的位置以模擬列車(chē)的行駛過(guò)程。以往該模塊都置于一個(gè)獨(dú)立的線程之中，這樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步存在一定的難度，并且占用較多的系統(tǒng)資源。本文考慮將此模塊移到定時(shí)器函數(shù)中，以降低實(shí)現(xiàn)難度并節(jié)省系統(tǒng)資源。該設(shè)計(jì)以定時(shí)時(shí)間為單位，每次定時(shí)時(shí)間到，就判斷此刻列車(chē)是否可以繼續(xù)行駛。如果不可以，就等待下一次定時(shí)時(shí)間的到來(lái)，并將當(dāng)前時(shí)間增加1 s；如果可以，接下來(lái)就開(kāi)始調(diào)整列車(chē)的速度，最后根據(jù)最新的速度計(jì)算1 s之內(nèi)列車(chē)需要移動(dòng)的距離，并在界面上刷新列車(chē)的位置，同時(shí)將當(dāng)前時(shí)間增加1 s。模塊設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 模擬列車(chē)運(yùn)行模塊流程圖

1.1 列車(chē)狀態(tài)判斷

列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志著列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的各個(gè)階段以及進(jìn)路選擇情況，在一般情況下可以正常行駛，正常行駛過(guò)程中需要判斷列車(chē)是準(zhǔn)點(diǎn)、早點(diǎn)還是晚點(diǎn)；而在停站中、進(jìn)路未選好、到站后等情況下，列車(chē)則不可以繼續(xù)行駛。列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)判斷部分主要用于下一步確定列車(chē)運(yùn)行速度以及通知模擬列車(chē)運(yùn)行模塊是否需要刷新列車(chē)的位置。

1.2 列車(chē)速度調(diào)整

列車(chē)速度調(diào)整主要包括3個(gè)因素：與先行列車(chē)的間隔距離；列車(chē)運(yùn)行的進(jìn)路情況，包括前方進(jìn)路是否存在彎道及道岔狀態(tài)等；當(dāng)前列車(chē)運(yùn)行的準(zhǔn)點(diǎn)情況[2]。圖2是一條速度命令控制線[3]。當(dāng)先行列車(chē)在0T區(qū)段，1T必須空閑，后續(xù)列車(chē)如果在2T，它收到的限速命令應(yīng)該為0，即后續(xù)列車(chē)在2T的出口端必須停車(chē)，并有1T閉塞分區(qū)作為保護(hù)距離；若 1T、2T空閑，后續(xù)列車(chē)在 3T，則后續(xù)列車(chē)收到的是20 km/h的速度命令。同理，當(dāng)1T、2T、3T、4T、5T、6T、7T都空閑，運(yùn)行于 8T的后續(xù)列車(chē)收到的速度命令為80 km/h?？梢?jiàn)要使列車(chē)運(yùn)行于80 km/h，前方必須有7個(gè)閉塞分區(qū)。

根據(jù)線路情況、車(chē)輛性能、軌道電路特性等，應(yīng)進(jìn)行閉塞設(shè)計(jì)，劃分合理的閉塞分區(qū)，從而產(chǎn)生速度命令控制線，作為速度命令選擇的邏輯依據(jù)。

圖2 速度命令控制線

1.3 列車(chē)位置刷新

在上述兩部分都完成的基礎(chǔ)上需要對(duì)列車(chē)的位置進(jìn)行刷新，根據(jù)列車(chē)的當(dāng)前速度計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的實(shí)際運(yùn)行的距離，以便在界面上能夠反映出模擬列車(chē)實(shí)際運(yùn)行的效果。列車(chē)位移-速度-時(shí)間表達(dá)式如下[4]：

式中，S表示列車(chē)當(dāng)前位移，V表示列車(chē)速度，Δt表示刷新時(shí)間間隔，S′表示列車(chē)上一次刷新時(shí)的位移。另外，列車(chē)運(yùn)行一段距離以后車(chē)頭可能會(huì)進(jìn)入一條新的進(jìn)路，而車(chē)尾也可能會(huì)出清一個(gè)軌道進(jìn)路，因此，列車(chē)位置刷新部分需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候設(shè)置列車(chē)占用以及清除列車(chē)占用。

2 模擬列車(chē)運(yùn)行模塊的實(shí)現(xiàn)

模擬列車(chē)運(yùn)行模塊的實(shí)現(xiàn)主要包括以下4個(gè)部分：（1）定義列車(chē)類(lèi)。除了一些基本列車(chē)屬性以外，需要定義 3個(gè)主要的函數(shù)分別為：TrainCanMove（）、ChangeSpeed（）以 及Move（）。 （2）分別實(shí) 現(xiàn) TrainCanMove（）、ChangeSpeed（）以及 Move（）。 （3）在 OnTimer（）中實(shí)現(xiàn)圖 1 所示的模擬列車(chē)運(yùn)行模塊流程。（4）模塊功能的測(cè)試和擴(kuò)展。

2.1 列車(chē)類(lèi)的實(shí)現(xiàn)

列車(chē)類(lèi)定義代碼如下：

Train類(lèi)中，成員函數(shù) TrainCanMove（）用于判斷當(dāng)前時(shí)刻列車(chē)是否可以繼續(xù)運(yùn)行，ChangeSpeed（）用于調(diào)整列車(chē)速度，Move（）用于刷新列車(chē)的當(dāng)前位置。

2.2 OnTimer函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

OnTimer實(shí)現(xiàn)代碼如下：

定時(shí)器參數(shù)的單位為ms，也就是說(shuō)OnTimer每1000/allTableList.TimeRate ms被調(diào)用一次，相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)中的1 s，這樣就可以通過(guò)改變allTableList.TimeRate的值來(lái)調(diào)整仿真的速度。allTableList.TimeRate的值越大仿真的速度越快；反之仿真的速度越慢。當(dāng)allTableList.TimeRate等于1時(shí)，仿真時(shí)間和現(xiàn)實(shí)中的時(shí)間相等。

2.3 開(kāi)發(fā)實(shí)例

該設(shè)計(jì)具有普遍的適用性，并且成功運(yùn)用在上海地鐵5號(hào)線ATS仿真系統(tǒng)以及上海地鐵8號(hào)線ATS仿真系統(tǒng)中。圖3和圖4分別為5號(hào)線、8號(hào)線ATS仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面。

本文提出了一種基于定時(shí)器的模擬列車(chē)運(yùn)行模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將該模塊成功應(yīng)用于上海地鐵5號(hào)線、8號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)中。與以往基于多線程的設(shè)計(jì)相比，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)容易，且占用較少的系統(tǒng)資源。

圖3 上海地鐵5號(hào)線ATS系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖4 上海地鐵8號(hào)線ATS系統(tǒng)運(yùn)行界面

[1]趙根苗，陳永生.ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市軌道交通研究，2004，7（1）：55-57.

[2]姜軍紅，李一凡，黃沙白.輕軌交通調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2001，18（6）：49-52.

[3]李曉月.上海地鐵一號(hào)線的車(chē)載信號(hào)系統(tǒng).鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，1998，4（4）：172-177.

[4]惠天舒.分布式交互仿真技術(shù)綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1998，10（1）：1-7.

[5]上海地鐵一號(hào)線的車(chē)載信號(hào)系統(tǒng) [J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，1998，4（4）：172-177.